19.1氨基酸 19.1.1氨基酸的结构、分类和命名 1.结构 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。 构成蛋白质的20余种常见氨基酸中除脯氨酸外,都是α一氨基酸,其结构可用通式 表示: RCHCOOH NH, 2.分类 ①肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环氨基酸 ②根据氨基和羧基的相对位置分为:a一氨基酸、β一氨基酸和y一氨基酸。 ③根据氨基和羧基的数目可分为:中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。 ④除氨基和羧基外,还可根据连的基团(或原子)不一样可分: 氢氨基酸(甘氨酸)、烃基氨基酸(丙氨酸,缬氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,异氨酸, 苯丙氨酸)、羟基氨基酸(丝氨酸,苏氨酸,酪氨酸)、氨基氨基酸(色氨酸,赖氨酸, 精氨酸,组氨酸,)、含硫氨基酸(半胱氨酸,蛋氨酸)、含羧基氨基酸(门冬氨酸,谷氨 酸)、含酰氨氨基酸(谷氨酰胺)、含杂环氨基酸(脯氨酸)。 3.命名: 根据氨基酸的来源或性质命名。 见P450表19-1。生物体内作为合成蛋白质的原料只有二十种。这二十种氨基酸 都有国际通用的符号,但熟记比较困难,暂用它的中文名的第一个字,如甘氨酸用“甘”。 4.氨基酸的构型 D/L标记法:距羧基最近的手性碳原子为标准。 COOH COOH H CH2N CH3 H3 L乳酸 L丙氨酸 L型氨基酸 注意和糖中讲的D/L构型区别,糖中是以距醛基最远的手性碳原子为标准。 H3 L苏氨酸 D苏阿糖
1 19.1 氨基酸 19.1.1 氨基酸的结构、分类和命名 1．结构 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。 构成蛋白质的 20 余种常见氨基酸中除脯氨酸外，都是α-氨基酸，其结构可用通式 表示： ２．分类 ① 肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环氨基酸 ② 根据氨基和羧基的相对位置分为：α—氨基酸、β—氨基酸和γ—氨基酸。 ③ 根据氨基和羧基的数目可分为：中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。 ④ 除氨基和羧基外，还可根据连的基团（或原子）不一样可分： 氢氨基酸（甘氨酸）、烃基氨基酸（丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，异氨酸， 苯丙氨酸）、羟基氨基酸（丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸）、氨基氨基酸（色氨酸，赖氨酸， 精氨酸，组氨酸，）、含硫氨基酸（半胱氨酸，蛋氨酸）、含羧基氨基酸（门冬氨酸，谷氨 酸）、含酰氨氨基酸（谷氨酰胺）、含杂环氨基酸（脯氨酸）。 ３．命名： 根据氨基酸的来源或性质命名。 见 P４５０表１９－１。生物体内作为合成蛋白质的原料只有二十种。这二十种氨基酸 都有国际通用的符号，但熟记比较困难，暂用它的中文名的第一个字，如甘氨酸用“甘”。 ４．氨基酸的构型 D/L 标记法：距羧基最近的手性碳原子为标准。 注意和糖中讲的 D/L 构型区别，糖中是以距醛基最远的手性碳原子为标准。 RCHCOOH NH2 HO COOH H CH3 H2N COOH H CH3 H2N COOH H R L- 乳酸 L- 丙氨酸 L- 型氨基酸 L- 苏氨酸 H2N COOH H CH3 H OH D- 苏阿糖 HO CHO H CH3 H OH
19.1.2物理和光谱性质 1.q一氨基酸都是无色结晶。因是在等电点成两性离子时结晶出来的,在分子内即 有极强的静电引力,其熔点无疑要较相应的胺或羧酸高,通常熔融时都分解。 2.α一氨基酸溶于水,在等电点时溶解度最小。由于它具两性离子的结构,一般难 溶于非极性有机溶剂。 3.a一氨基酸IR:1600cm处有一羧负离子的吸收带(1720cm没有羧基的典型 谱带)。在3100-2600cm间有一强而宽的N-H键伸缩吸收带。 19.1.3化学性质 具有氨基和羧基的典型反应。还表现出特性 1.酸碱性一两性 ①形成内盐氨基酸在一般情况下不是以游离的羧基或氨基存在的,而是两性电 离,在固态或水溶液中形成内盐。 R-CH-COOH= R-CH-COO NH2 NH3 如果把测得甘氨酸的K值看成是代表甘氨酸中铵离子的酸度 H3 NCHRCoo H,O H3O H2 NCHRCOO Ka JHO1H2 NCHRCOO H3 NCHRCOO 如果把测得甘氨酸的K值看成是代表甘氨酸中羧酸根离子的碱度 H3 NCHRCOO +H,0= H3 NCHRCOOH HO ⊥ NCHRCOOHIHo-I Ha Nchrcoo 测得甘氨酸的K=1.6×100,甘氨酸的K=2.5×102。而大多数羧酸K约为10°,大 多数脂肪胺的K约为10。 因为在水溶液中,一个共轭酸和它的共轭碱的酸碱度的关系式是K×K=10-。由上 式算出甘氨酸中的正离子一NH3K=1.6×10°,这意味着它的共轭碱一NH的K=6.3×10° 样算出甘氨酸中共轭碱一000的K为2.5×102,这意味着它的共轭酸一CO0H的K=4 ×103。前者对一个脂肪胺来说,后者对一个有强吸电子的羧酸来说,其酸碱度都是合理 的数值。因此,在象甘氨酸这样简单的氨基酸中它的酸性基团是一NH3,它的碱性基团是 ②氨基酸存在形式:氨基酸在强酸性溶液中以正离子存在,在强碱性溶液中以负离
2 １9．１．２物理和光谱性质 1．α—氨基酸都是无色结晶。因是在等电点成两性离子时结晶出来的，在分子内即 有极强的静电引力，其熔点无疑要较相应的胺或羧酸高，通常熔融时都分解。 2．α—氨基酸溶于水，在等电点时溶解度最小。由于它具两性离子的结构，一般难 溶于非极性有机溶剂。 3．α—氨基酸 IR：1600cm-1 处有一羧负离子的吸收带（1720 cm-1 没有羧基的典型 谱带）。在 3100-2600 cm-1 间有一强而宽的 N-H 键伸缩吸收带。 １9．１．３化学性质 具有氨基和羧基的典型反应。还表现出特性。 1．酸碱性－两性 ①形成内盐 氨基酸在一般情况下不是以游离的羧基或氨基存在的，而是两性电 离，在固态或水溶液中形成内盐。 如果把测得甘氨酸的 Ka 值看成是代表甘氨酸中铵离子的酸度， 如果把测得甘氨酸的 Kb 值看成是代表甘氨酸中羧酸根离子的碱度， 测得甘氨酸的 Ka=1.6×10-10，甘氨酸的 Kb=2.5×10-12。而大多数羧酸 Ka 约为 10-5，大 多数脂肪胺的 Kb 约为 10-4。 因为在水溶液中，一个共轭酸和它的共轭碱的酸碱度的关系式是 Ka×Kb=10-14。由上 式算出甘氨酸中的正离子—N + H3Ka=1.6×10-10，这意味着它的共轭碱—NH2 的 Kb=6.3×10-5。 同样算出甘氨酸中共轭碱—COO -的 Kb 为 2.5×10-12，这意味着它的共轭酸—COOH 的 Ka=4 ×10-3。前者对一个脂肪胺来说，后者对一个有强吸电子的羧酸来说，其酸碱度都是合理 的数值。因此，在象甘氨酸这样简单的氨基酸中它的酸性基团是—N + H3，它的碱性基团是 —COO -。 ② 氨基酸存在形式：氨基酸在强酸性溶液中以正离子存在，在强碱性溶液中以负离 H3 NCHRCOO + - + H2O H3O + + H2NCHRCOO - H3 NCHRCOO + - + H2O + HO - H3 NCHRCOOH + Ka= H3O + H2NCHRCOO - H3 NCHRCOO + - HO - Kb= H3 NCHRCOO + - H3 NCHRCOOH + R CH COOH NH2 R CH COO NH3 + -
子存在。在等电点时,氨基酸主要以两性离子存在: R-CH-COOH_OH R-CH-coo R-CH-COO (Ⅱ) 正离子 两性离子 负离子 这样,在强酸性介质中电解氨基酸溶液,则在阴极上析出氨基酸:反之,如在强碱 性介质中,则氨基酸的负离子移向阳极 ③成盐 R-CH-COOH CH-COO 在溶液中有少量不电离的氨基酸,可与强酸、强碱都能成盐,遇酸成铵盐,遇碱成 羧酸盐: R-CH-COOH HC R一CH-COOH+Ci NH2 R-CH-COOH +NaOH- R-CH-COO Na NH2 NH2 ④离子化 在水溶液中,氨基酸分子中的羧基和氨基可以分别象酸或碱一样的离子化。 R一CH-COOH+H2O R一CH-coo+H3O NH NH2 R一CH-COOH+H2O CH-COOH OH NH2 等电点 氨基酸在水中可以发生离子化,但离子化程度是不相同的。当向氨基酸水溶液中 入酸或碱可以抑制氨基酸分子中的羧基或氨基的离子化程度。 OH +R-CH-COOH H20 R-CH-Co0'2o -R-CH-COO+ H3O NH3 (I) 正离子 两性离子 负离子
3 子存在。在等电点时，氨基酸主要以两性离子存在： 这样，在强酸性介质中电解氨基酸溶液，则在阴极上析出氨基酸；反之，如在强碱 性介质中，则氨基酸的负离子移向阳极。 ③ 成盐 在溶液中有少量不电离的氨基酸，可与强酸、强碱都能成盐，遇酸成铵盐，遇碱成 羧酸盐： ④ 离子化 在水溶液中，氨基酸分子中的羧基和氨基可以分别象酸或碱一样的离子化。 2．等电点 氨基酸在水中可以发生离子化，但离子化程度是不相同的。当向氨基酸水溶液中加 入酸或碱可以抑制氨基酸分子中的羧基或氨基的离子化程度。 OH - R CH COOH NH3 R CH COO NH3 + + - R CH COO NH2 H - 2O H2O （Ⅰ） （Ⅱ） + 正离子 两性离子 负离子 + H3O + OH - R CH COOH NH3 R CH COO NH3 + - R CH COO NH2 - （Ⅰ） （Ⅱ） + 正离子 两性离子 负离子 H + OH - H + R CH COOH NH2 R CH COO NH3 + - R CH COOH NH2 + HCl R CH COOH NH3 + + Cl - R CH COOH NH2 + R CH COO NH2 NaOH + - Na + R CH COOH NH2 + R CH COO NH2 + - H2O H3O + R CH COOH NH2 + R CH COOH NH3 H2O + + OH -
R-CH-COOH OH R-CH-coo OH R-CH-COO NH NH3 正离子 偶极离子 pH pI ①等电点:当溶液调节至一定的pH值时,氨基酸可以两性离子的形式存在,将此 溶液置于电场中,氨基酸不向电场的任何一极移动,即处于电中性状态,这时溶液的pH 值称为氨基酸的等电点,通常以pl表示。 pI=pK+pK2 K:-COOH电离常数;K2:-NH3电离常数。 ②p值:中性氨基酸的等电点小于7(负离子要多些)。等电点一般在5~6.3之 酸性氨基酸需加入酸将溶液调到等电点,故其等电点小于7。等电点一般在2.8~ 3.2之间。 碱性氨基酸需加入碱将溶液调到等电点,故其等电点大于7。等电点一般在7.6 10.8之间。(习题:P649,2) pH<pI氨基酸以正离子形式存在(酸性增加) pB>pI氨基酸以负离子形式存在(碱性增加) ③氨基酸在等电点时,溶解度最小。可用调节氨基酸等电点的方法分离氨基酸的 混合物。 3.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,可以定量与亚硝酸反应,生成α-羟 基酸,并放氮气 R-CH-COOH+HNO2-→R- CH-COOH+H2O+N2↑ NH2 OH 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( Van Slyke)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
4 R-CH-COOH + HNO2 ─→ R-CH-COOH + H2O + N2↑ | | NH2 OH 正离子 偶极离子 负离子 pH < pI pI pH > pI ① 等电点：当溶液调节至一定的 pH 值时，氨基酸可以两性离子的形式存在，将此 溶液置于电场中，氨基酸不向电场的任何一极移动，即处于电中性状态，这时溶液的 pH 值称为氨基酸的等电点，通常以 pl 表示。 K1：-COOH 电离常数；K2：-NH3 +电离常数。 ② pH 值：中性氨基酸的等电点小于 7（负离子要多些）。等电点一般在 5～6.3 之 间。 酸性氨基酸需加入酸将溶液调到等电点，故其等电点小于 7。等电点一般在 2.8～ 3.2 之间。 碱性氨基酸需加入碱将溶液调到等电点，故其等电点大于 7。等电点一般在 7.6～ 10.8 之间。（习题：P649，2） pH<pI 氨基酸以正离子形式存在(酸性增加)； pH>pI 氨基酸以负离子形式存在(碱性增加)。 ③ 氨基酸在等电点时，溶解度最小。可用调节氨基酸等电点的方法分离氨基酸的 混合物。 3．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（Van Slyke）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。 R CH COOH NH3 R CH COO NH3 + - R CH COO NH2 - （Ⅰ） （Ⅱ） + H + OH - OH - H + pI = pK1+pK2 2
R-CH-COOH R-CH-COOH +2HCHO→→ HOH,C-N-CH,OH 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。 R'CHO+H2N- CH-COOH一→R'CH=N-CH-COH 西佛碱 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NDNP-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。 O2N F+H2 N-CHCOOH碱 -NH-CHCOOH +hE R N-DNP氨基酸(黄色) 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。 R-CH-COO一→R- C-COOH R-C-CO0H a-亚氨基酸a-羟基-a-氨基酸 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
5 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。 R-CH-COOH R-CH-COOH | + 2HCHO ─→ | NH2 HOH2C-N-CH2OH R’CHO + H2 N-CH-COOH ─→R’CH=N-CH-COOH | | R R 西佛碱 OH O [O] H2O | -NH3 ‖ R-CH-COOH ─→ R-C-COOH ─→ R-C-COOH ─→ R-C-COOH | ‖ | NH2 NH NH2 α-亚氨基酸 α-羟基-α-氨基酸 F NO2 O2N + H2N-CHCOOH R 弱碱 NO2 O2N NH-CHCOOH R + HF N-DNP-氨基酸（黄色）