第十六帝氨基酸207 第十六章 氨基酸 一、内容提要 本章主要讨论组成蛋白质的。氨基酸和多肽的结构和性质，有关蛋白质的结构层沙 及酶的化学（简介）仅供参阅。 蛋白历由23种ā-氨基酸组成。除甘氨酸外，其它氨基酸均有手件，陆原千均为 (S)构型。氯基酸可分为中性，酸性和碱性三类。它们以偶极离子形式存在，具有高熔 点，在有机溶剂中难溶解。形成偶极离子的条件是分子内同时存在酸性和性基团，且 酸性基团的酸性较强，其共轭碱的碱性弱于碱性基团。氨基酸中的：-C0OH的酸性大于 一般脂肪族羧酸；而αNH,的减性弱于脂防伯皮。因此，具备形成偶极离子的结构条 件。在酸性氨基酸中，-CO0H的酸性最强，偶极离子中仍是-C00H解离成aC00 在碱性氨基酸中，赖氨酸的G-NH2的碱性大于a-NH;精氨酸的弧基碱性也大于a-NH,。 因此，在偶极离子中，由这些碱性基团质子化。组氨酸中的咪唑环的碱性小于xNH, 较仍是α-NH,质子化。氨基酸的酸性和碱性基团的强弱受诱导效应影响。 在溶液中，氨基酸将随溶液的酸碱度不同而以不同形式存在。在溶液中偶极离子浓 度最大时溶液的pH值，称为该氨基酸的等电点(P)。中性氨基酸的H在50-60：酸 性氨基酸2.7~3.2；碱性氨基酸7.6-10.8。可根据氨基酸等电点的不同，进行混合物 的分离纯化（粗分）。 氨基酸可发生氮基、後基及侧链所含官能团的反应。在发生氨基、羧基反应时需考患 偶极离子的特性，应加酸或碱游离出所需的反应基团，如加碱，游离出氨基。生物体内 能发生脱氨基和脱反应。有些反应（如与HO,、茚三酮水合物反成）可作定件或定量 用。 多肽是由氨基酸之间以酰胺键相连的化合物。因此，肽键中C一N健具有部分双键 特性而有刚性。命名时，习惯上从游离氨基一端(N嘴)开始，至游离我基一端(C端)。 具体名称，除C增最后一个氨基酸用原名外，其它氨基酸残基用“某酰基”表示。可用序 列分析和部分水解法测定多肽的组成和氨基酸的连接顺序。其中，N端氨基酸残基分析 有2,4二硝基氟苯法(DNTB)和异硫氰酸苯酯法：C端分析用酶法。 蛋白质具有四个结构层次：一级结构指多肽链中氨基酸的连接顺序，不涉及空间排 列：二级结构指多肽链骨架的局部空间结构(：螺策，B折叠、B转角等)，不考虑侧链的 构象及整个肽链的空间排列；三级结构是指整个肽健的折叠情况，包括侧链的排列。与 三级结构有关的，除氢键外，尚有静电作用、范德华力硫水作用、配位健和二硫键：四级 结构指由三级结构形成的不同亚基以非共价键结合在一起的复杂结构。 PDF created with pdfFactory trial version ww.pdffactory.com
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208有机化学学习指导 酶是具有生物活性的蛋白质，从酶的化学可以看出有机化学与生物代谢的密切关系， 生物过程归根结底是个有机化学的问题。 二、例题解析 [例1】在相当碱性的溶液中，一个中性氨基酸的a碳原子上有两个碱性基团 一NH,和C00。试问：哪一个碱性较强？当溶液加酸时，质子将优先到哪个基团上 去？产物是什么？ 解：中性氨基酸中的a-C00H的pKa=2.34;a-NH,的pKa为9.6，即a-C00H的酸 性大于α-NH,这样，它们的共轭碱的碱性应是一C00小于一NH2。当加酸时，质子将 优先加到-NH,上。产物为R-CHCO0。 'NH [例2]组氨酸的咪唑环在某些酶催化的反应中常作为质子的受体。在下列两种结 构式中，哪个是较稳定的形式？ NH CH.CHC0 -CH,CHC B 解：A为较穆定的形式。咪唑环上的两个氨原子的杂化状态不同，一个是p杂化 (N上无H者)：另一个是p杂化(NH者)。前者的未共用电子对未参与环的共轭，有 碱性；后者的未共用电子对参与了环的共轭，故无碱性。质子化时只可能加到p杂化 的氮原子上，故A为存在的形式。 [例3]在丘脑下部存在的生长藏素抑制剂(somtostin)是一个14肽。它的序列 已经与2,4二硝基氟苯反应和酶的水解实验测出。试在下列资料基础上，推出该肽的 一级结构。 (1)与2,4-二硝基氟苯反应，知N-端为Ala; (2)选择性的部分水解给出下列肽的片段序列：Phe-Tp、hr-Ser-C,Ly-Thr-Phe Thr-Phe-Thr-Ser-Cys,Asn-Phe-Phe-Trp-LysAla-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe; (3)该肽有一个二疏键。 解：4充分利用给出的易得信息(1)和(3)。由(1)知，Aa为N端的氨基酸残基； 由信息(3)，先构造有二疏键的较长片段： Thr-Phe-Thr-Ser-Cys (N-)Aln-Gly-Cya-Lys-Aan-Phe 山.将其它片段从大到小排出与上述片段的关系 PDF created with pdfFactory trial version ww.pdffactory.com
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第十六章氢酸209 Thr-Ser-Cys Thr-Pbe-Thr-Ser-Cys (N-)Ala-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe Asn-Phe-Phe-Trp-Lys Lys-Thr-Phe Phe-Trp c,根据b得出的结果，各片段的位置已较清楚。但是，若按开链考虑，则应为16 肽，因此需考虑成环的可能。如果除N-端外的两端成环，正好。Thr-Phe是重复单元，这 样只剩14个氨基酸。由于片段的序列也应N端→C端，故此肽的结构如下： Aan Phe Phe Trp (N-端)AaCy一Cy 二梳键Cy hr Thr-Phe 三、习 爸 1.写出下列氮基酸的结构（偶极离子形式）： (1)酪氨酸(2)莉氨酸(3)谷氨酸(4)结氨酸 2.指出习题1中所列氨基酸在pH分别为2,7和12的水溶液中存在的主要形式。 3.试写出天冬氨酸在下列条件下的反应产物： (1)NaOH (2)HCI (3)H'/CH,OH (4)Ac,O/EtgN (5)NaNO2 +HCI 4,酪氨酸在pH值为10的溶液中的形式带有两个负电荷，试写出其结构式。 5.在室温下，N,N二甲基甲酰胺给出如下的氢核磁共振谱： 1单蜂2.88,3H b.单峰82.97,3Hc单峰8.02,1H 随着温度升高，信号a和b逐渐变宽和重叠起米；最后，在170℃它们合并成一个尖 锐的单峰。试问： (1)你如何解释这些现象？ (2)它们对肽键结构有什么意义？ 6.写出以下寒肽的中文名称： Glu-Dle-Met-Asn-Phe 7.某十肽经酸性水解后生成以下各三肽，请写出此肽中氨基酸残基的顺序 缬·半胱·甘、甘·苯丙·苯丙、谷·精·甘、酪·亮·缬及甘·谷·精 8.甜菜碱C,H,O,N存在于甜菜糖蜜中，它是一种水溶性固体，在300℃熔融分解 它不受碱的影响，但和盐酸作用生成一个结晶产物C,HO,NCl。它可用下面方法之一来 制备：用碘甲烷处理甘氨酸，或者用三甲胺处理氯乙酸。请写出其结构式。 9.氢基酸与羟基酸有类似的反应。请参照羟基酸的性质，预测下列氨基酸加热时 所得产物的结构： (1)ax氨基酸（甘氨酸）→C,H0,N,(二酮哌嗪) PDF created with pdfFactory trial version ww.pdffactory.com
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210有机化学学习指号 (2)B氨基酸CH,CH(NH2)CH,CO0H→C,H0, (3)y氨基酸CH,CH(NH2)CH,CH,COOH+C,H,ON(内酰胺) (4)6-氨基酸H,NCH,CH,CH,CH,C00H-→C,H,0N(内酰胺) 10.一个具有抗菌性质的多肽一—短杆菌肽S,它的完整结构已按下列方法确定 (1)从水解产物的分析得出组成氨基酸是亮·鸟·苯丙·脯·缬（鸟氨酸是罕见 的氨基酸，分子式为NH,(CH2),CHNH,CO0~),此肽中的苯丙氨酸是D-构型。分子量 测定得到大约的数值是1300。试问，短杆菌肽$的分子式是什么？ (2)对C端残基的分析是阴性的。用2,4-二硝基氟苯进行N-端残基分析只生 成以下化合物： 入YNH(CH,CHco0 ·NH NO, 此为鸟氨酸的二硝基苯的衍生物。请问此肽主链中有N端游离氨基吗？（提示：多 肽也可能是环状的) (3)部分水解短杆菌肽S,产生下列一些二肽和三肽： 亮·苯丙紫丙，浦 苯丙·脯·缬鸟·亮 缬·鸟脯·缬·鸟缬·鸟·亮 试问，短杆菌肽S的结构是什么？ 四、参考答案 (一)练习题参考答案 16.1不能。因氨基酸为偶极离子，熔点在300℃以上，高温会分解。 16.2氨基酸和对氨基苯磺酸中的酸性基团酸性较强，其共轭碱比分子中的氨基碱 性弱：对氨基苯甲酸和邻氨基苯甲酸中的羧基酸性弱，其共轭碱的碱性大于苯环上的氨 基。 16.3在酸性溶液中，使-C00~成为一C00H。 16.4(1)用调节溶液pH值的办法（按各自的I)。pH为3.22时，谷氨酸析出 (过滤出)：pH为5.97时，甘氨酸析出（过滤出）：pH为9.74时，析出赖氨酸。 (2)Cu:向正极，Gy:向负极；Lys:向负极 16.5(1)在100克蛙精蛋白中，各种氨基酸的含量被各自的分子量除后得： 丙氨酸：0.01摩尔；精氨酸：0.50摩尔；甘氨酸：0.04摩尔； 异亮氨酸：0.01摩尔脯氨酸：0.06摩尔丝氢酸：0.07廉尔； 缬氨酸：0.03摩尔 故实验式是丙，精如甘，异亮，脯。丝，缬影 (2)因在100克鲑精蛋白中有0.01摩尔丙氨酸，10000克鲑精蛋白中一定有 1摩尔丙氨酸，这意味着每分子中只有一个丙氨酸，因而分子式与实验式一样。 166苯丙·缬·天冬·谷·组 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
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第十六意题基酸211 (二)习题参考答案 1.(no -CH,CHCOO-略氨酸 ·NH (2)H;NCH2CH,CH]CH,CHCOO 赖氨酸 NH, (3)HOOCCH,CH,CHCOO- 谷氨酸 ·NH NH, (4)HaNC-NH(CH,CHCOO- 精氨酸 2. pH 2 pH7 (1)$氨骏H0-⊙一CH,CHc0H ·NH PH 12 0⊙a4ac00 NH. (2)换氢酸H,N(CH,).CHCOOH H,N(CH,).CHC00°H,N(CH,),CHC00 ◆NH, ◆NH (3)谷氢酸H00C(CH),CHC00H00C(CH,),CHC00~00C(CH,)2,CHC00 ·NH .NH NH, 'NH2 NH: (4)精氯酸H,NCNH(CH,),CHCOOH H,NCNH(CH,),CHCOO NH, NH. H,NCNH(CH,),CHCOO- NH, 3.(1)HOOCCH CHCOO+NaOH-HOOCCH,CHCOO ·NH (2)HOOCCHCHCOO+HCI-HOOCCH,CHCOOH NH 'NH, (3)HOOCCHCHCOO HOCCH,CHCCH, 'NH PDF created with pdfFactory trial version ww.pdffactory.com
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212有机化学学习指导 (4)HOOCCH,CHCOO- OCCH.CHCOO NHCOCH (5)HOOCCH,CHCOO N HOOCCH,CHCOOH 'NH. OH 4.0-○-aLcc0 NH2 5.(1)在N,N二甲基甲酰胺中，酰胺键中氮原子上的未共用电子对与羰基间的 Pm共轭使C一N键具有部分双键特性，双键的旋转受阻，因此N上两个甲基处于不同的 化学环境，在核磁共振谱中有两个分开的信号。但在高温时，通过高速旋转，N上两个 甲基变成等性，因此合并成单峰， (2)肽键结构中C一N键也具有类似的特性，故肽键有刚性。 6.谷氨酰异亮氨酰蛋氨酰天冬酰胺酰苯丙氨酸 7、酪·亮·缬·半胱·甘·谷·精·甘·苯丙·苯丙 8.CH,C00 'N(CH) 9()￥0 (2)CH,CH=CHCOOH (3)4, HNy-内酰胺 (4)H内胺 0 10.(1)亮·鸟·苯丙·脯·缬的分子量相加是660，短杆菌肽S的分子量约为 1300,意味着每个残基有两个，分子式为亮2·鸟，·苯丙：·脯，·缬2。 (2)说明不存在N端和C端，有可能是环状的。 (3)短杆菌肽S的结构（环十肽）： 玉影哦中 PDF created with pdfFactory trial version ww.pdffactory.com
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