華中科技大學(xué)有機化學(xué)氨基酸

華中科技大學(xué)有機化學(xué)氨基酸第1頁/共30頁對于含有兩個手性碳原子的-氨基酸，其構(gòu)型仍由-碳原子決定。例如：氨基酸的構(gòu)型也可以用R／S來表示，但習(xí)慣上用D／L標記法。第2頁/共30頁

二.-氨基酸的分類在-氨基酸分子中，氨基和羧基的數(shù)目有時不是一個，氨基和羧基的數(shù)目也不一定相等。分子中氨基和羧基數(shù)目相等的為中性氨基酸；氨基的數(shù)目多于羧基的為堿基氨基酸；氨基的數(shù)目少于羧基的為酸性氨基酸。常見的20種氨基酸的名稱、結(jié)構(gòu)和分類見下表。

常見氨基酸第3頁/共30頁第4頁/共30頁三.-氨基酸的物理性質(zhì)

-氨基酸都是無色結(jié)晶，熔點較高，并且多數(shù)在熔化時分解。例如甘氨酸的熔點為262℃(分解)，而相應(yīng)的乙酸的熔點僅16．5℃。所有的-氨基酸均溶于強酸或強堿中而不溶于乙醚、苯等非質(zhì)子性溶劑中。各種-氨基酸在水中的溶解度大小不一，例如25℃時100克水中僅溶解0.01克胱氨酸，但能溶解162.3克脯氨酸。第5頁/共30頁四、-氨基酸的化學(xué)性質(zhì)1．兩性與等電點-氨基酸分子中既含有堿性的氨基，又含有酸性的羧基，所以是兩性化合物。例加實際上，氨基酸分子本身的羧基或氨基能互相作用生成內(nèi)鹽：

內(nèi)鹽具有偶極和兩種離子的性質(zhì)，所以稱為偶極離子或兩性離子(zwitterion)。-氨基酸在固態(tài)時主要以兩性離子的形式存在因而熔點較高。第6頁/共30頁-氨基酸在水溶液中有如下的平衡：

由于-氨基酸中羧基離解質(zhì)子的能力和氨基接受質(zhì)子的能力并不相等，因而在上述平衡體系中，負離子、正離子和兩性離子的濃度并不相等。例如中性氨基酸在水溶液中，負離子的濃度比正離子的濃度要大一些。如調(diào)節(jié)。-氨基酸溶掖的酸堿性達到某一pH值，使正離子和負離子的濃度相等，此時-氨基酸主要以兩性離子的形式存在，在電場中既不向陽極也不向陰極移動，這時溶液的pH值叫做該氨基酸的等電點(isoelectricpoint)，用符號p表示。由于各種-氨基酸分子中的氨基和羧基的數(shù)目不等且相對強度各異，因而其等電點也各不相同。從上表可以看到，中性氨基酸的p值略小于7，在5．6—6．8之間；酸性氨基酸的值在2．8—3．2之間；堿性氨基酸的值大于7，在7．6—10．8之間。

將某-氨基酸溶液的pH值調(diào)節(jié)到大于它的PI值時，該-氨基酸就主要以負離子的形式存在，在電場中，向陽極移動；如將它的pH值調(diào)節(jié)到小于它的pI值時，該-氨基酸則主要以正離子的形式存在，在電場中向陰極移動。

-氨基酸在等電點時，兩性離子的濃度最大，在水中的溶解度最小，因而用調(diào)節(jié)等電點的方法可以分離氨基酸的混合物。第7頁/共30頁2．酯化和?；?氨基酸具有羧酸和胺的一般反應(yīng)。例如羧基可以酯化，氨基可以酰化。3．與亞硝酸的反應(yīng)-氨基酸中的氨基與亞硝酸作用時定量放出氮氣。

測定放出氮氣的體積，可計算出氨基的含量。這個方法叫做vansIyke氨基測定法。第8頁/共30頁4．與甲醛的反應(yīng)-氨基酸的氨基能與甲醛迅速起反應(yīng)，釋出H+。

以酚酞作指示劑，用NaOH滴定可間接測定氨基的含量*

第9頁/共30頁5．與水合茚三酮的反應(yīng)

-氨基酸的水溶液用水合茚三酮處理時呈紫色。在反應(yīng)中-氨基酸被氧化成醛，同時脫去氨基。

-氨基酸與水合茚三酮的反應(yīng)十分靈敏，幾微克-氨基酸就能顯色，所以常用水合茚三酮為顯色劑，定性鑒定-氨基酸。同時由于生成的紫色溶液在570nm有強吸收蜂，其強度與參加反應(yīng)的氨基酸的量成正比，因而可以定量測定-氨基酸的含量。第10頁/共30頁6.失羧將-氨基酸小心加熱或在高沸點溶劑中回流，可失羧生成胺。例如賴氨酸失羧后便得到戊二胺(尸胺)：細菌或動植物體內(nèi)的脫羧酶作用于氨基酸，也能發(fā)生失羧反應(yīng)。7．形成配合物氨基酸中的羧基可與金屬成鹽，同時氨基氮原子上的未共用電子對，可與成鹽的金屬離子通過配位鍵而形成配合物。例如-氨基酸能與Cu2＋形成藍色配合物晶體。第11頁/共30頁五、-氨基酸的制備方法1．化學(xué)合成法(1)-鹵代酸的氨化-鹵代酸和過量的氨作用可以得到-氨基酸。

由于-氨基酸中氨基的堿性比脂肪伯胺弱，進一步烷基化的傾向較小，所以可得到較純的-氨基酸。2)斯特雷克爾(Strecker)合成醛在氨存在下與氫氰酸加成生成-氨基腈，后者水解可生成-氨基酸。例如第12頁/共30頁3)丙二酸酯法鹵代丙二酸酯與鄰苯二甲酰亞胺的鹽作用生成N—丙二酸酯鄰苯二甲酰亞胺，后者經(jīng)烷基化、水解脫羧可得到-氨基酸。

上述化學(xué)合成得到的-氨基酸都是外消旋體，必須進行拆分才能得到光學(xué)純的。第13頁/共30頁2．蛋白質(zhì)水解法蛋白質(zhì)的酸性或堿性水解可得到多種-氨基酸的混合物，經(jīng)分離純化可得到天然的L—氨基酸。例如動物的毛發(fā)經(jīng)30％鹽酸水解得到水解液，調(diào)節(jié)其pH值到達4．8(等電點)時，即析出L—胱氨酸的沉淀。L—胱氨酸與L—半胱氨酸可通過氧化還原而相互轉(zhuǎn)化：第14頁/共30頁3．發(fā)酵法用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)-氨基酸，近年來獲得了迅速的發(fā)展，目前大多數(shù)常見-氨基酸都可以用發(fā)酵法生產(chǎn)。發(fā)酵法有許多優(yōu)點，原料來源豐富，產(chǎn)品都是L—氨基酸，不需要拆分。例如L—谷氨酸是由淀粉的微生物發(fā)酵得到。L—谷氨酸的單鈉鹽是日常的調(diào)味品味精。12.2多肽

-氨基酸分子中的羧基與另一分子-氨基酸的氨基生成的酰胺叫做肽(Peptide)，肽分子中的酰胺鍵叫做肽鍵(peptidebond)。由多個-氨基酸分子用肽鍵連接而成的化合物叫做多肽(polypeptide)。第15頁/共30頁

一、肽的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)蛋白質(zhì)水解的中間產(chǎn)物為多肽，多肽進一步水解最后生成-氨基酸。根據(jù)組成肽分子的氨基酸的數(shù)目可分為二肽、三肽和多肽等。

書寫肽的化學(xué)構(gòu)造式時，一般把氨基的一端寫在左邊，稱為N-端，把羧基的一端寫在右邊，稱為C-端。式中R基可以相同，也可以不同。第16頁/共30頁

肽的命名是以C端的氨基酸為母體，把肽鏈中其它的氨基酸中的酸字改成酰字，按順序依次寫在母體名稱之前。為了書寫方便，也常用縮寫符號代替化學(xué)名稱。例如甘氨酸和丙氨酸形成的兩種二肽的構(gòu)造式和名稱為：又例如谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸順次連接形成的三肽的構(gòu)造式和名稱為：

多肽也是兩性離子，也有等電點，在等電點時溶解度最小。多肽的性質(zhì)與氨基酸極為相似。第17頁/共30頁

生物體內(nèi)除了由蛋白質(zhì)部分水解生成的多肽之外，還存在一些游離的多肽，它們具有重要的生理功能。例如谷半胱甘肽是廣泛存在于生物體細胞內(nèi)的重要三肽，參與細胞的氧化還原過程。存在于垂體后葉腺中的催產(chǎn)素和增血壓素都是由九個氨基酸組成的九肽，兩者的結(jié)構(gòu)十分相似，僅3、8位上兩個氨基酸相異，但它們的生理作用完全不同。前者促進子宮和乳腺平滑肌收縮，臨床用于引產(chǎn)和減少產(chǎn)后出血，后者增加血壓和具抗利尿作用，臨床用子治療肺咯血和尿崩癥。第18頁/共30頁二、多肽的合成兩種氨基酸可以生成四種二肽。例如：

如要合成指定的二肽，如苯丙—甘，必須把苯丙氨酸的氨基和甘氨酸的羧基保護起來，使肽鍵只能在指定的羧基和氨基之間生成，并且所選擇的保護基團在肽鍵生成后應(yīng)易于除去。另一方面必須使欲反應(yīng)的羧基或氨基活化，以便肽鍵的順利生成。此外，除甘氨酸之外的-氨基酸都是旋光的，因而必須注意任何一個反應(yīng)條件都不可發(fā)生構(gòu)型的轉(zhuǎn)化或外消旋化。多肽的合成過程必須滿足以上的嚴格要求。第19頁/共30頁氨基的保護氨基常用芐氧羰基(簡寫作Z)和叔丁氧羰基(簡寫作BOC)保護。例如

生成肽鍵后，芐氧羰基可以用催化氫解的方法除去，叔丁氧羰基可以用無水酸處理除去。第20頁/共30頁2.羧基的保護羧基常用芐酯或叔丁酯保護。例加芐酯可以用催化氫解的方法除去。叔丁酯可用溫和酸性水解除去。第21頁/共30頁3.肽鍵的生成要使已有保護基的兩個氨基酸之間形成肽鍵，還需使欲反應(yīng)的基團活化。常用的方法是加入羧基活化劑N,N’-二環(huán)己基碳二亞胺(簡寫作DCC)。等摩爾的羧酸和胺在DCC存在下在室溫可以迅速生成酰胺：第22頁/共30頁

氨基保護或羧基保護的氨基酸不再是兩性離子，它們可以溶于有機溶劑，在DCC存在下迅速反應(yīng)生成肽鍵，除去保護基后使得到二肽。例如：

適當(dāng)保護的氨基酸和二肽在DCC存在下再生成肽鍵，產(chǎn)物除去保護基后得到三肽。如此重復(fù)，可得到多肽。第23頁/共30頁4．多肽的固相合成

在多肽的合成中，每生成一個肽鍵，都要經(jīng)過官能團保護、官能團活化、形成肽鍵、去保護基等步驟，加上每一步產(chǎn)物的分離提純，操作十分復(fù)雜和費時，且產(chǎn)率低。1962年Merrifield提出的固相合成法使多肽的合成取得重要突破。這個合成方法是在不溶性聚合物表面上進行。所用聚合物是以對二乙烯基苯交聯(lián)的聚苯乙烯樹脂。將樹脂的部分苯環(huán)氯甲基化，然后與氨基被保護的氨基酸反應(yīng)形成氨基酸的芐酯。除去保護基Z，加入氨基被保護的氨基酸及活化劑DCC，就可生成固定在聚合物上的二肽：第24頁/共30頁

重復(fù)上述過程，可得到固定在聚合物上的三肽、四肽等。最后加入F3CCOOH＋HBr，使合成的多肽從聚合物上脫落下來。目前，已有計算機控制的多肽合成儀商品，每步反應(yīng)的產(chǎn)率在99％以上，多肽的合成已實現(xiàn)了自動化，推動了生物化學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的迅速發(fā)展。Merrifield獲得1984年諾貝爾化學(xué)獎。多肽和蛋白質(zhì)之間沒有明確的界限，通常把分子量大于10000(約100個左右氨基酸單位)且不能透過天然滲析膜的多肽稱為蛋白質(zhì)。第25頁/共30頁12.3肽結(jié)構(gòu)的測定1．氨基酸的分析測定肽結(jié)構(gòu)的第一步是斷開二硫橋鍵，這個反應(yīng)可以用過氧甲酸氧化來實現(xiàn)，沒有二硫橋鍵，這一步就不需要了。過氧甲酸可將二硫橋鍵轉(zhuǎn)變成磺酸基。第二步是測定全部氨基酸組成。一般采用6M鹽酸在100—120oC水解10－24h,將肽鍵全部水解，然后用色層分離法分析。第26頁/共30頁2．肽鏈中氨基酸殘基序列的測定人們常用端基分析及部分水解等方法來完成。(1)N-端氨基酸的鑒定(或稱氨端)鑒定氨端的方法有兩種：a．第一種由FrederickSanger提出，稱為Sanger法.第27頁/共30頁b．第二種由PehrEdman首先提出，稱為Edman降解法。第28頁/共30頁(2)C—端氨基酸的鑒定(或稱羧端)

測定C—端氨基酸最成功的方法是酶催化法，而不是化學(xué)法，例如用羧肽酶可以有選擇地切下C—端氨基酸，因羧肽酶只斷裂多肽鏈中與游離的-羧基相鄰的肽健，如下虛線所示：