有机化学第十四章氨基酸和蛋白质的性质

1第十四章氨基酸和蛋白质的性质蛋白质和核酸是生命现象的物质基础，是参与生物体内各种生物变化最重要的组分。蛋白质存在于一切细胞中，它们是构成人体和动植物的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、血清、血红蛋白、神经、激素、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中承担不同的生理功能，它们供给肌体营养、输送氧气、防御疾病、控制代谢过程、传递遗传信息、负责机械运动等。核酸分子携带着遗传信息，在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。人们通过长期的实验发现：蛋白质被酸、碱或蛋白酶催化水解，最终均产生α-氨基酸。因此，要了解蛋白质的组成、结构和性质，我们必须先讨论α-氨基酸。第一节氨基酸氨基酸是羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基（-NH2）取代后的衍生物。目前发现的天然氨基酸约有300种，构成蛋白质的氨基酸约有30余种，其中常见的有20余种，人们把这些氨基酸称为蛋白氨基酸。其它不参与蛋白质组成的氨基酸称为非蛋白氨基酸。一、α-氨基酸的构型、分类和命名构成蛋白质的20余种常见氨基酸中除脯氨酸外，都是α-2COOHH2NHRL-氨基酸氨基酸，其结构可用通式表示：这些α-氨基酸中除甘氨酸外，都含有手性碳原子，有旋光性。其构型一般都是L-型（某些细菌代谢中产生极少量D-氨基酸）。氨基酸的构型也可用R、S标记法表示。根据α-氨基酸通式中R-基团的碳架结构不同，α-氨基酸可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环族氨基酸；根据R-基团的极性不同，α-氨基酸又可分为非极性氨基酸和极性氨基酸；根据α-氨基酸分子中氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的数目不同，α-氨基酸还可分为中性氨基酸（羧基和氨基数目相等）、酸性氨基酸（羧基数目大于氨基数目）、碱性氨基酸（氨基的数目多于羧基数目）。氨基酸命名通常根据其来源或性质等采用俗名，例如氨基乙酸因具有甜味称为甘氨酸、丝氨酸最早来源于蚕丝而得名。在使用中为了方便起见，常用英文名称缩写符号（通常为前三个字母）或用中文代号表示。例如甘氨酸可用Gly或RCHCOOHNH23G或“甘”字来表示其名称。氨基酸的系统命名法与其它取代羧酸的命名相同，即以羧酸为母体命名。组成蛋白质的氨基酸中，有八种动物自身不能合成，必须从食物中获取，缺乏时会引起疾病，它们被称为必需氨基酸。二、α-氨基酸的物理性质α-氨基酸一般为无色晶体，熔点比相应的羧酸或胺类要高，一般为200—300℃（许多氨基酸在接近熔点时分解）。除甘氨酸外，其它的α-氨基酸都有旋光性。大多数氨基酸易溶于水，而不溶于有机溶剂。三、α-氨基酸的化学性质氨基酸分子中既含有氨基又含有羧基，因此它具有羧酸和胺类化合物的性质；同时，由于氨基与羧基之间相互影响及分子中R-基团的某些特殊结构，又显示出一些特殊的性质。1．氨基酸的两性性质和等电点氨基酸分子中同时含有羧基（-COOH）和氨基（-NH2），不仅能与强碱或强酸反应生成盐，而且还可在分子内形成内盐。RCHCOHRCHCO-NH2OONH3+4内盐（偶极离子）氨基酸内盐分子是既带有正电荷又带有负电荷的离子，称为两性离子或偶极离子。固体氨基酸以偶极离子形式存在，静电引力大，具有很高的熔点，可溶于水而难溶于有机溶剂。氨基酸分子是偶极离子，在酸性溶液中它的羧基负离子可接受质子，发生碱式电离带正电荷；而在碱性溶液中铵根正离子给出质子，发生酸式电离带负电荷。偶极离子加酸和加碱时引起的变化，可用下式表示：正离子偶极离子负离子pHpIpIpHpI因此，在不同的pH值中，氨基酸能以正离子、负离子及偶极离子三种不同形式存在。如果把氨基酸溶液置于电场中，它的正离子会向阴极移动，负离子则会向阳极移动。当调节溶液的pH值，使氨基酸以偶极离子形式存在时，它在电场中既不向阴极移动，也不向阳极移动，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，通常用符号pI表示。当调节溶液的pH值大于某氨基酸的等电点时，该氨基酸主要以负离子RCHCOHRCHCO-OONH3++NH3NH2ORCHCO-OH-H+OH-H+5R-CH-COOH+HNO2─→R-CH-COOH+H2O+N2↑||NH2OH形式存在，在电场中移向阳极；当调节溶液的pH值小于某氨基酸的等电点时，该氨基酸主要以正离子形式存在，在电场中移向阴极。应当指出，在等电点时，氨基酸的pH值不等于7。对于中性氨基酸，由于羧基电离度略大于氨基，因此需要加入适当的酸抑制羧基的电离，促使氨基电离，使氨基酸主要以偶极离子的形式存在。所以中性氨基酸的等电点都小于7，一般在5-6.3之间。酸性氨基酸的羧基多于氨基，必须加入较多的酸才能达到其等电点，因此酸性氨基酸的等电点一般在2.8-3.2之间。要使碱性氨基酸达到其等电点，必须加入适量碱，因此碱性氨基酸的等电点都大于7，一般在7.6-10.8之间。见表13-2。氨基酸在等电点时溶解度最小，最容易沉淀，因此可以通过调节溶液pH值达到等电点来分离氨基酸混合物；也可以利用在同一pH值的溶液中，各种氨基酸所带净电荷不同，它们在电场中移动的状况不同和对离子交换剂的吸附作用不同的特点，通过电泳法或离子交换层析法从混合物中分离各种氨基酸。2．氨基酸中氨基的反应（1）与亚硝酸反应大多数氨基酸中含有伯氨基，可以6定量与亚硝酸反应，生成α-羟基酸,并放氮气。该反应定量进行，从释放出的氮气的体积可计算分子中氨基的含量。这个方法称为范斯莱克（VanSlyke）氨基测定法，可用于氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。（2）与甲醛反应氨基酸分子中的氨基能作为亲核试剂进攻甲醛的羰基，生成（N,N-二羟甲基）氨基酸。在（N,N-二羟甲基）氨基酸中，由于羟基的吸电子诱导效应，降低了氨基氮原子的电子云密度，削弱了氮原子结合质子的能力，使氨基的碱性削弱或消失，这样就可以用标准碱液来滴定氨基酸的羧基，用于氨基酸含量的测定。这种方法称为氨基酸的甲醛滴定法。在生物体内，氨基酸分子中的氨基在某些酶的催化下，可与醛酮反应生成弱碱性的西佛碱（Schiff’base）,它是植物体内合成生物碱及生物体内酶促转氨基反应的中间产物。（3）与2,4-二硝基氟苯反应氨基酸能与2,4-二硝基氟苯（DNFB）反应生成N-（2,4-二硝基苯基）氨基酸，简称N-DNP-氨基酸。这个化合物显黄色，可+用于氨基酸的比色测定。英国科学家桑格尔（Sanger）首先用这个反应来标记R-CH-COOH+2HCHOR-CH-COOH|─→|NH2HOH2C-N-CH2OHR’CHO+H2N-CH-COOH─→R’CH=N-CH-COOH||RR西佛碱7多肽或蛋白质的N-端氨基酸，再将肽链水解，经层析检测，就可识别多肽或蛋白质的N-端氨基酸。（4）氧化脱氨反应氨基酸分子的氨基可以被双氧水或高锰酸钾等氧化剂氧化，生成α-亚氨基酸，然后进一步水解，脱去氨基生成α-酮酸。生物体内在酶催化下，氨基酸也可发生氧化脱氨反应，这是生物体内蛋白质分解代谢的重要反应之一。3．氨基酸中羧基的反应（1）与醇反应氨基酸在无水乙醇中通入干燥氯化氢，加热回流时生成氨基酸酯。α-氨基酸酯在醇溶液中又可与氨反应，生成氨基酸酰胺。这是生物体内以谷氨酰胺和天冬酰胺形式储存氮素的一OHO[O]H2O|-NH3‖R-CH-COOH─→R-C-COOH─→R-C-COOH─→R-C-COOH|‖|NH2NHNH2α-亚氨基酸α-羟基-α-氨基酸OO‖干HCl‖R-CH-C-OH+C2H5-OH─→R-CH-C-O-C2H5+H2O||NH2NH2OO‖‖R-CH-C-OC2H5+NH3─→R-CH-C-NH2+C2H5-OH||NH2NH2FNO2O2N+H2N-CHCOOHR弱碱NO2O2NNH-CHCOOHR+HFDNP-氨基酸（黄色）N-8种主要方式。（2）脱羧反应将氨基酸缓缓加热或在高沸点溶剂中回流，可以发生脱羧反应生成胺。生物体内的脱羧酶也能催化氨基酸的脱羧反应，这是蛋白质腐败发臭的主要原因。例如赖氨酸脱羧生成1,5-戊二胺（尸胺）。4．氨基酸中氨基和羧基共同参与的反应（1）与水合茚三酮的反应α-氨基酸与水合茚三酮的弱酸性溶液共热，一般认为先发生氧化脱氨、脱羧，生成氨和还原型茚三酮，产物再与水合茚三酮进一步反应，生成蓝紫色物质。这个反应非常灵敏，可用于氨基酸的定性及定量测定。凡是有游离氨基的氨基酸都和水合茚三酮试剂发生显色△H2N-CH2(CH2)3-CH-COOH─→H2N-(CH2)5-NH2|NH2戊二胺（尸胺）CCCOOHOHCCCOOOHOH+H2N-CH-COOH│R──→+R-CHO+CO2+NH3CCCOOHOHCCCOOHOHO蓝紫色+NH3+──→还原型茚三酮CCCOOCCCONO-9反应，多肽和蛋白质也有此反应，脯氨酸和羟脯氨酸与水合茚三酮反应时，生成黄色化合物。（2）与金属离子形成配合物某些氨基酸与某些金属离子能形成结晶型化合物，有时可以用来沉淀和鉴别某些氨基酸。例如二分子氨基酸与铜离子能形成深紫色配合物结晶：（3）脱羧失氨作用氨基酸在酶的作用下，同时脱去羧基和氨基得到醇。工业上发酵制取乙醇时，杂醇就是这样产生的。此外，一些氨基酸侧链具有的官能基团，如羟基、酚基、吲哚基、胍基、巯基及非α-氨基等，均可以发生相应的反应，这是进行蛋白质化学修饰的基础。α-氨基酸还可通过分子间的-NH2基与-COOH基缩合脱水形成多肽，该反应是形成蛋白质一级结构的基础，将在蛋白质部分介绍。5.氨基酸的受热分解反应α-氨基酸受热时发生分子间脱水生成交酰胺；γ-或δ-氨基酸受热时发生分子内脱水生成内酰胺；β-氨基酸受热时不发生脱水反应，而是失氨生成不饱和酸。酶(CH3)2CH-CH2-CH-COOH+H2O──→(CH3)2CH-CH2-CH2OH+CO2+NH3│NH2NH2O/R-CHC=O│Cu│2R-CH-COOH+Cu2+──→O=CCH-R+2H+│/NH2ONH210α-氨基酸交酰胺β-氨基酸α,β-不饱和酸γ-氨基酸内酰胺RCH=CHCOOH+NH3NH2RCHCH2COOHOCNH2RCHNHRCHCH2CH2COOHCH2CH2R-CHOHNH2HOCCOONH2CH-ROCR-CHNHNHCH-ROC11教案首页课程名称有机化学COrganicChemistryC计划学时（2）授课章节第十四章氨基酸和蛋白质第二节蛋白质protein教学目的和要求：1.掌握蛋白质的沉淀与变性等性质。2.了解蛋白质一级结构和二级结构和常见理化性质。教学基本内容：一、蛋白质的元素组成及分类二、蛋白质的结构（一、二级结构、α-螺旋和β-折叠结构）三、蛋白质的性质：两性性质和等电点；胶体性质；沉淀作用（可逆与不可逆沉淀）；蛋白质的变性；蛋白质的水解反应；蛋白质的颜色反应教学重点和难点：重点：蛋白质的性质。难点：蛋白质的结构。授课方式方法和手段：多媒体加板书作业与思考题：P3395,6,9,10,1112第二节蛋白质蛋白质是由多种α-氨基酸组成的一类天然高分子化合物，分子量一般可由一万左右到几百万，有的分子量甚至可达几千万，但元素组成比较简单，主要含有碳、氢、氮、氧、硫，有些蛋白质还有磷、铁、镁、碘、铜、锌等。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%，即每克氮相当于6.25g蛋白质，生物体中的氮元素，绝大部分都是以蛋白质形式存在，因此，常用定氮法先测出农副产品样品的含氮量，然后计算成蛋白质的近似含量，称为粗蛋白含量。W粗蛋白=W氮×6.25一、蛋白质的分类蛋白质种类繁多，结构复杂，目前只能根据蛋白质的形状、溶解性及化学组成粗略分类。蛋白质根据其形状可分为球状蛋白质（如卵清蛋白）和纤维蛋白质（如角蛋白）；根据化学组成又可分简单蛋白质和结合蛋白质。1.简单蛋白质仅由氨基酸组成的蛋白质称为简单蛋白质。2.结合蛋白质由简单蛋白质与非蛋白质成分（称为辅基）结合而成的复杂蛋白质，称为结合蛋白质。结合蛋白质又可根据辅基不同进行分类13二、蛋白质的结构蛋白质分子是由α-氨基酸经首尾相连形成的多肽链，肽链在三维空间具有特定的复杂而精细结构。这种结构不仅决定蛋白质的理化性质，而且是生物学功能的基础