第二章_氨基酸的生物有机化学(

1、1第二章第二章 氨基酸的生物有机化学氨基酸的生物有机化学2 蛋白质、碳水化合物、脂肪蛋白质、碳水化合物、脂肪(甘油醇的脂肪酸酯甘油醇的脂肪酸酯)是人所需营养中的三种要素。是人所需营养中的三种要素。第一节第一节 氨基酸的结构、名称和物性氨基酸的结构、名称和物性 羧酸分子中烃基上的一个或几个氢羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代生成的化合物叫氨基酸。原子被氨基取代生成的化合物叫氨基酸。R-CH-COOHNH2HO2C(CH2)2-CH-COO-NH3+CH2-CH-COO-NH3+NNH一一 定义定义3二二 氨基酸的氨基酸的构型和存在形式构型和存在形式构型（用构型（用D、L表示）表示） -

2、氨基酸通式氨基酸通式 L型型 -氨基酸氨基酸 D型型 -氨基酸氨基酸 L-甘油醛甘油醛R-CH-COOHNH2除甘氨酸，天然除甘氨酸，天然 -氨基酸都是有旋光的，而且都是氨基酸都是有旋光的，而且都是L型的。型的。COOHNH2HRCOOHH2NHRCHOHOHCH342. 氨基酸的基本结构氨基酸的基本结构 氨氨19种氨基酸结构可以用十字图表示种氨基酸结构可以用十字图表示(除脯氨酸除脯氨酸) ： 二十种氨基酸的结构、性质，对了解蛋白质的功能是极二十种氨基酸的结构、性质，对了解蛋白质的功能是极为重要的。为重要的。 十字的中央为十字的中央为 碳原子碳原子 ，在周围的四个位置分别填上一个，在周围的四个

3、位置分别填上一个氢原子、羧基、氨基及一个氢原子、羧基、氨基及一个 R 基团基团，基本的氨基酸结构即，基本的氨基酸结构即完成完成 。L-form amino acid5R 基团基团可以由最简单的可以由最简单的 H 开始填入，就是最简单的开始填入，就是最简单的 glycine(甘甘氨酸氨酸)；再来是；再来是 CH3 就是就是 alanine (丙氨酸丙氨酸)；如此越来越大，并；如此越来越大，并加入其它种类的原子加入其它种类的原子 (如氧或硫如氧或硫)，或额外的氨基或羧基，就可，或额外的氨基或羧基，就可以组成以组成多采多姿多采多姿的二十种氨基酸。的二十种氨基酸。 R=H glycine(甘氨酸甘氨酸

4、) Gly, GR=CH3 alanine (丙氨酸丙氨酸) Ala, A6存在形式：氨基酸都以偶极离子的形式存在。存在形式：氨基酸都以偶极离子的形式存在。 组氨酸组氨酸CH3-CH-COO-NH3+HO2C(CH2)2-CH-COO-NH3+CH2-CH-COO-NH3+NNH谷氨酸谷氨酸丙氨酸丙氨酸7三三 名称和物理性质名称和物理性质 名名 称称氨基酸的氨基酸的 碳原子（除甘氨酸外）都是手性碳原子。碳原子（除甘氨酸外）都是手性碳原子。其构型的表示方法与糖一样，用其构型的表示方法与糖一样，用D或或L表示。表示。每个氨基酸都有俗名，并都用一个缩写符号表示。每个氨基酸都有俗名，并都用一个缩写符号

5、表示。 物物 理理 性性 质质大部分的氨基酸在水中有一定的溶解度；大部分的氨基酸在水中有一定的溶解度；酸性的氨基酸在水中的溶解度较差；酸性的氨基酸在水中的溶解度较差；氨基酸在氨基酸在200度以下都是稳定的；度以下都是稳定的；氨基酸的氨基酸的pKa为为2左右；左右；每一个光学纯的氨基酸都有旋光值。每一个光学纯的氨基酸都有旋光值。8 二十种氨基酸的简写符号氨基酸的简写符号9常见二十种常见二十种氨基酸氨基酸的记法的记法 甘丙缬亮异甘丙缬亮异脂链脂链; ; 丝苏半蛋丝苏半蛋羟巯添羟巯添; ; 天谷精赖组天谷精赖组酸碱酸碱; ; 脯酪苯色脯酪苯色芳杂环芳杂环; ; 天天冬酰胺冬酰胺谷谷酰胺酰胺. .10

6、二十种氨基酸基团在蛋白质分子结构中的模拟图解二十种氨基酸基团在蛋白质分子结构中的模拟图解 ：丙氨酸丙氨酸精氨酸精氨酸天冬酰胺天冬酰胺 天冬氨酸天冬氨酸半胱氨酸半胱氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸组氨酸组氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸脯氨酸脯氨酸丝胺酸丝胺酸苏氨酸苏氨酸色氨酸色氨酸酪氨酸酪氨酸颉氨酸颉氨酸N-C-C-N-C-C-N-C-CR1R2R311可以看出各种基团可以看出各种基团 大小大小 的不同，在蛋白质构造中所造成的不的不同，在蛋白质构造中所造成的不同填充效果；较大的基团同填充效果；较大的基团 (如如 Trp色氨酸色氨酸) 可占

7、据较大的空间，可占据较大的空间，较小如较小如 Gly 者几乎看不到者几乎看不到 各种带有各种带有 电荷电荷 的氨基酸基团，也会对蛋白质的构形或性质做的氨基酸基团，也会对蛋白质的构形或性质做出贡献；带负电荷的出贡献；带负电荷的 Asp (天冬氨酸天冬氨酸)与与 Glu(谷氨酸谷氨酸)色氨酸色氨酸12带有正电的碱性基团带有正电的碱性基团 (如如 Lys (赖氨酸赖氨酸), Arg (精氨酸精氨酸) 都有相当都有相当长的侧链基团，因此有相当大的自由活动空间：长的侧链基团，因此有相当大的自由活动空间： 赖氨酸赖氨酸Isoelectric point (pH) 9.59精氨酸精氨酸11.15 最别扭的最

8、别扭的 Pro(脯氨酸脯氨酸)则在蛋白质表面转折成一个急转角，蛋则在蛋白质表面转折成一个急转角，蛋白质长链通常会在此逆转方向，形成一个白质长链通常会在此逆转方向，形成一个 转角转角(turn) 脯氨酸脯氨酸6.3013虽然这二十种氨基酸很称职地组合成蛋白质的立体构造，虽然这二十种氨基酸很称职地组合成蛋白质的立体构造，但是其反应性基团的活性都不是非常高，但是其反应性基团的活性都不是非常高，无法提供极强力无法提供极强力的官能团，以供催化反应时的活性基团的官能团，以供催化反应时的活性基团。因此，许多蛋白质合成出来之后，经常还要进行各种修饰因此，许多蛋白质合成出来之后，经常还要进行各种修饰 (例如磷酸

9、化例如磷酸化)，或添加其它辅助因子，或添加其它辅助因子 (例如金属或辅酶例如金属或辅酶)，以便达成更复杂的任务。以便达成更复杂的任务。 14氨基酸模拟地铁图：氨基酸模拟地铁图环状线环状线15人体所必须的八种氨基酸人体所必须的八种氨基酸: :赖色缬赖色缬, ,苏亮亮苏亮亮, ,苯蛋苯蛋. .16 八个必需氨基酸八个必需氨基酸(CH3)2CHCH(NH2)COOH缬氨酸缬氨酸(CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH亮氨酸亮氨酸C2H5CHCH(NH2)COOHCH3异亮氨酸异亮氨酸C6H5CH2CH(NH2)COOH苯丙氨酸苯丙氨酸CH3CHCH(NH2)COOHOH苏氨酸苏氨酸CH3S(CH

10、2)2CH(NH2)COOH蛋氨酸蛋氨酸H2N(CH2)4CH(NH2)COOH赖氨酸赖氨酸CH2CH(NH2)COOHNH色氨酸色氨酸17一一 等电点等电点二二 与茚三酮反应与茚三酮反应三三 氨基酸金属盐络合物的形成氨基酸金属盐络合物的形成第二节第二节 氨基酸的性质氨基酸的性质四四 氨基酸的重要反应氨基酸的重要反应18谷氨酸谷氨酸 焦谷氨酸焦谷氨酸总述：具有胺和羧酸的共性。例如形成酰胺总述：具有胺和羧酸的共性。例如形成酰胺2分子甘氨酸分子甘氨酸 2,5-二嗪哌酮二嗪哌酮2 H3NCH2COO-+- 2H2OHNNHOO- H2OONH2COO-+ HOOCCH2CH2CHCOO-NH3+19

11、 一个氨基酸总可以找到一个一个氨基酸总可以找到一个pH值，在该值，在该pH值下，正、值下，正、负离子的浓度完全相等，此时向阳极移动和向阴极移动的离负离子的浓度完全相等，此时向阳极移动和向阴极移动的离子彼此抵消（即没有净的迁移），或者说，电场中不显示离子彼此抵消（即没有净的迁移），或者说，电场中不显示离子的迁移。将此时的子的迁移。将此时的pH值值称为该氨基酸的等电点。称为该氨基酸的等电点。 氨基酸的特殊性质氨基酸的特殊性质一一 等电点等电点R-CH-COO-NH3R-CH-COOHNH3R-CH-COOHNH2R-CH-COO-NH2+H+H+HO-HO-20中性氨基酸的等电点：中性氨基酸的等电

12、点：pH=6.26.8 酸性氨基酸的等电点：酸性氨基酸的等电点：pH=2.83.2 碱性氨基酸的等电点：碱性氨基酸的等电点：pH=7.610.8 不同的氨基酸有不同的等电点，所以可以通过测定氨基不同的氨基酸有不同的等电点，所以可以通过测定氨基酸的等电点来鉴别氨基酸。酸的等电点来鉴别氨基酸。 等电点时，以两性离子形式存在的氨基酸浓度最等电点时，以两性离子形式存在的氨基酸浓度最大（在水溶液中），氨基酸的溶解度最小。大（在水溶液中），氨基酸的溶解度最小。21氨基酸羧基的pKa在1.82.6之间，比通常羧基（乙酸的为4.76）小，是场效应影响造成的N+HHHCCHOOHCHCHHOOHHCHCHHOO

13、-N+HHHCCHO-OHpK1=2.34pK1=4.76+H+H+正电荷相互排斥正负电荷相互吸引22二二 与茚三酮的反应与茚三酮的反应凡是有凡是有游离氨基游离氨基的氨基酸都可以和茚三酮发生的氨基酸都可以和茚三酮发生呈紫色呈紫色的反应。的反应。(例外：例外：Pro黄色黄色；Asn棕色棕色)OOOOOOHOH茚茚(indene)茚三酮茚三酮(ninhydrin) 水合茚三酮水合茚三酮R-CH-COOHNH2OOOHOH2OOOOHNOOOHON+紫色紫色-CO2，-RCHO-3H2O互变异构互变异构23三三 氨基酸金属盐络合物的形成氨基酸金属盐络合物的形成O=C-OO-C=OCH2NH2CuNH

14、2CH2金属上有空轨道，金属上有空轨道，N上有未共用电子对！上有未共用电子对！ 氨基酸金属盐络合物具有很好的结晶形状氨基酸金属盐络合物具有很好的结晶形状, 该该反应可用来沉淀和鉴别某些氨基酸。反应可用来沉淀和鉴别某些氨基酸。242526与苯异硫氢酸酯与苯异硫氢酸酯(PITC)反应生成苯氨基硫甲酰反应生成苯氨基硫甲酰(PTC)N C SRH2NCOOHNHCSRNHOOHH+CH3NO2NCSRNHOphenylthiocarbamoylphenylisothicyanate苯乙内酰硫脲衍生物苯乙内酰硫脲衍生物27H2NCH CR1OHO+ H2NCH CR2OHOH2NCH CR1OHNCH

15、CR2OHO+H2O28酰氯或酸酐在微碱中溶液中的与氨基酸的酰基化反应酰氯或酸酐在微碱中溶液中的与氨基酸的酰基化反应H2C O COClR CHNH2COONa1.Base2.H+H2C O CORCHNHCOOHH3C C O COClCH3CH3OOOSOClOH3CS OClONH3CCH3 叔丁氧酰氯(Tertiary butyloxycarbonyl chloride)邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 (phthalic) 丹黄酰氯丹黄酰氯(dansyl chloride)对甲苯磺酰氯对甲苯磺酰氯29303132H3NCH CRO-O+RCH2NH2+CO2335.与亚硝酸反应与亚硝酸反应R

16、 CHNH2COOHHNO2R CHOHCOOHH2ON2是是Van Slyke法测定氨基酸的基础法测定氨基酸的基础346.与醛反应生成西佛碱与醛反应生成西佛碱(Schiffs base)R1CHORH2NCOOHRNCOOHR1Schiffsw base357.叠氮反应叠氮反应RONHYONH2NH2H2OROHNNHYONH2HNO2RON-NHYON+N3637一一 氨化还原法氨化还原法二二 斯瑞克合成法斯瑞克合成法(Strecker)-醛的氨氰化法醛的氨氰化法三三 赫尔赫尔-乌尔哈乌尔哈-泽林斯基泽林斯基-溴化法溴化法四四 盖布瑞尔法盖布瑞尔法五五 丙二酸酯法丙二酸酯法第三节第三节 氨

17、基酸的经典化学合成氨基酸的经典化学合成38一 氨化还原法RCCOOHONH3RCCOOHNHRCHCOOHNH2H2氨基酸的来源：（氨基酸的来源：（1）天然产物酸性水解）天然产物酸性水解 （2） 微生物发酵法微生物发酵法 （3） 化学合成法化学合成法39改进方法：改进方法： 用用NH4CN or NH4Cl+KCN代替代替HCN+NH3应应 用：用： 合成比原料醛多一个碳的氨基酸合成比原料醛多一个碳的氨基酸二二 斯瑞克合成法斯瑞克合成法-醛的氨氰化法醛的氨氰化法RCHO + HCN +NH3RCHCN+_NH2RCHCOO-NH3+_H3+OStrecker合成合成（1850年德国化学家年德国

18、化学家Strecker发现）发现）40应用盖布瑞尔法可以制备很纯的氨基酸。应用盖布瑞尔法可以制备很纯的氨基酸。三三 赫尔赫尔-乌尔哈乌尔哈-泽林斯基泽林斯基-溴化法溴化法RCHCOOHNH2RCHCOOHBrRCH2COOHNH3Br2P在封管或高在封管或高压釜内进行压釜内进行四四 盖布瑞尔法盖布瑞尔法+ RCHCOOCH3BrNKOOCHCOOCH3NOORCOOHCOOH+ + NH3CHCOO- + CH3OHRH3O+411. 通过酰基丙二酸酯法通过酰基丙二酸酯法五五 丙二酸酯法丙二酸酯法COOEtCH2+ O=N-OHCOOEtCOOEtC=N-OHCOOEtH-C-NHCOCH3C

19、OOEtCOOEtH-C-NHCOCH3COOEtCOOEtNCCH2CH2-C-NHCOCH3COOEtCOOEt+ NC-CH=CH2H2NCH2CH2CH2CHCOOHNH2H3+OH2/Pt醋酸醋酸麦克尔加成麦克尔加成 碱碱H2/催催加热加热-CO242OH -丝氨酸的合成丝氨酸的合成H-C-NHCOCH3COOEtCOOEt+ CH2=OHOCH2-C-NHCOCH3COOEtCOOEtH3+O-CO2丝氨酸丝氨酸 （65%）+NH3HOCH2CHCOO-432. 通过溴代丙二酸酯法合通过溴代丙二酸酯法合成成CH2(COOEt)2BrCH(COOEt)2ClCH2CH2SCH3NKO

20、ON-CH(COOEt)2OONH-C-CH2CH2SCH3COO-OCOO-COO-N-C-CH2CH2SCH3OOCOOEtCOOEtH3N+-CH-CH2CH2SCH3COO-HClBr2 CCl4NaNaOH蛋氨酸（蛋氨酸（ 50%） 烷基化烷基化44谷氨酸的合成谷氨酸的合成N-CH(COOEt)2OON-C-CH2CH2COOEtOOCOOEtCOOEtHOOC(CH2)2CHCOO-NH3+ CH2=CHCOOEt麦克尔加成麦克尔加成NaOEtH3+O谷氨酸谷氨酸 （70%）45脯氨酸的合成脯氨酸的合成N-CH(COOEt)2OON-C-CH2CH2CH2BrOOCOOEtCOOE

21、tNHCOO-COO-H2NCOO-COO-BrNH2COO-H+H3+ONaOEtBr(CH2)3BrEtOHNaOH脯氨酸脯氨酸 70%分子内亲核取代分子内亲核取代 46第四节第四节 氨基酸的不对称合成氨基酸的不对称合成拆分拆分不对称烷基化不对称烷基化亚胺的不对称烷基化亚胺的不对称烷基化Kagan-Corey合成法合成法Corey法合成手性纯氨基酸法合成手性纯氨基酸不对称氢化不对称氢化 Evans合成法合成法47D氨基酸L氨基酸手性酸（或碱）D氨基酸盐L氨基酸盐分离（重结晶、色谱法） 氨基酸具有酸性，经常可以用手性有机碱和氨基醇来拆分。氨基酸具有酸性，经常可以用手性有机碱和氨基醇来拆分。

22、48Berkes采用采用结晶诱导动力学拆分结晶诱导动力学拆分(CIDR)方法拆分氨基酸，即方法拆分氨基酸，即通过通过Micheal加成把手性氨基醇，采用适当的溶剂，加成把手性氨基醇，采用适当的溶剂，(R)构型构型产物产物1溶解度比较小而析出，溶解度比较小而析出，(S)构型异构体通过溶解沉淀平构型异构体通过溶解沉淀平衡而逐步转化为（衡而逐步转化为（R）构型产物。）构型产物。 PhOCOOHBnNH2OHPhOCOO-H2+NBnOHPhOCOO-H2+NBnOH+dissolution precipitaion1PhOCOO-H2+NBnOH49Deng用用金鸡纳碱衍生物金鸡纳碱衍生物(DHQD

23、)2AQN 2进行动力学拆分消旋氨基酸前体进行动力学拆分消旋氨基酸前体噁唑酮。两种构型氨基酸都可以用这种拆分方法得到，而且噁唑酮。两种构型氨基酸都可以用这种拆分方法得到，而且ee值很高，值很高，有一定应用前景有一定应用前景 Hang, J.; Tian, S.-K.; Tang, L.; Deng, L. J. Am. Chem. Soc., 2001; 123(50); 12696-12697.ONMeOONOMeNEtNHHOOEt2 (DHQD)2AQNPhZNOOOPhNHZOMeOPhZNOOOPhNHZOHOH2O+(S) (up to 98%ee)(R) (up to 97%ee

24、)Catalyst (10mol%)MeOH (0.55equiv.)Et2O, MS (4A)5051Wong用用L苏氨酸苏氨酸Aldol酶酶(LTA)从醛和甘氨酸出发通过从醛和甘氨酸出发通过Aldol反应合成手性反应合成手性 羟基羟基 氨基酸，氨基酸，苏式苏式/赤式比赤式比99% ee70-91% ee91-95% ee 54不对称不对称Mannich反应反应 OEtONHOSiR3R2TsR1+OOEtHNTsR2OR12-10mol% Cat*THF or CH2Cl2-78 to 0oC*Lectka 研究了不对称催化烷基化研究了不对称催化烷基化 -亚胺酯亚胺酯合成合成-酮酮- -氨

25、基酸氨基酸。他发现。他发现Pd(ClO4)2与与BINAP 络合的催化剂可以络合的催化剂可以有效催化这个反应，但是有效催化这个反应，但是AgSbF4或或CuClO4和和BINAP络络合的催化剂可取得更高的对映选择性，而合的催化剂可取得更高的对映选择性，而CuClO4-TolBINAP催化剂是最好的催化剂，取得高达催化剂是最好的催化剂，取得高达99%ee的的对映选择性，对映选择性，anti/syn达到达到20/1Ferraris, D.; Young, B.; Lectka, T; et al. J. Am. Chem. Soc.; 2002; 124(1), 67-77. 55CO2EtNPMPHNRCO2EtR1OR2HOR1R2+L-Proline (5mol%) 2-24h, rtR1=H or alkyl; R2=alkylBarbas报道了通过报道了通过L-脯氨酸催化的脯氨酸催化的Mannich型反应来合成型反应来合成手性手性 -氨基酸，在相当温和的条件下，氨基酸，在相当温和的条件下，L-脯氨酸催化各种脯氨酸催化各种未改良的醛或者酮跟未改良的醛或者酮跟N-PMP保护的保护的 -亚胺乙酯进行亚胺乙酯进行Mannich反应，产率（大于反应，