《有机化学》第十三章

第十三章氨基酸和蛋白质【知识目标】

掌握氨基酸和蛋白质的分类、结构和命名。掌握氨基酸和蛋白质的主要性质。了解蛋白质的空间结构。【技能目标】

学会氨基酸和蛋白质的鉴别方法。1氨基酸2蛋白质目录页过渡页学习目标二、蛋白质一、氨基酸过渡页2蛋白质1氨基酸第一节氨基酸氨基酸的结构、分类和命名一、氨基酸的结构和分类（一）羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基（－NH2）取代的化合物称为氨基酸。氨基酸中既含有氨基，又含有羧基。根据氨基和羧基相对位置的不同，氨基酸可分为α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸等。其中，α-氨基酸在自然界中存在最广，它是蛋白质的基本组成单位。α-氨基酸的结构通式为：第一节氨基酸氨基酸的结构、分类和命名一、氨基酸的结构和分类（一）根据分子中所含氨基和羧基相对数目的不同，氨基酸可分为中性氨基酸（氨基和羧基数目相等）、酸性氨基酸（羧基的数目大于氨基的数目）和碱性氨基酸（氨基数目大于羧基的数目）。中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸氨基酸的系统命名法是以羧酸为母体、氨基为取代基来命名的。例如：第一节氨基酸氨基酸的结构、分类和命名一、氨基酸的命名（二）3-甲基-2-氨基戊酸3-苯基-2-氨基丙酸1975年，IUPAC对氨基酸分别给出了正式名称及由3个字母组成的缩写符号。这些缩写符号在表示蛋白质和肽链结构时被广泛采用。目前已知的氨基酸种类已超过100种以上，但在生物体内作为合成蛋白质的原料只有20多种。一些常用的组成蛋白质的氨基酸如表13-1所示。表13-1一些常用的组成蛋白质的氨基酸，所示见教材。第一节氨基酸氨基酸的结构、分类和命名一、氨基酸的命名（二）第一节氨基酸氨基酸的性质二、物理性质（一）天然氨基酸都是无色晶体，易溶于水，难溶于非极性有机溶剂，其熔点比相应的羧酸或胺都高（在200℃以上），而且加热至熔点时常易分解。除甘氨酸外，其他氨基酸都有旋光性。酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸在紫外光区都有吸收带，因此，可以利用紫外分光光度法来测定蛋白质的含量。常见氨基酸的主要物理常数如表13-2所示。第一节氨基酸氨基酸的性质二、物理性质（一）表13-2常见氨基酸的主要物理常数，所示见教材。1．氨基酸的两性与等电点（1）两性氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基是酸性的，因而氨基酸既能与酸反应，也能与碱反应，是一个两性化合物。氨基酸中氨基可以接收分子内羧基的质子而形成内盐（或称为偶极离子）。第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）（2）等电点在氨基酸水溶液中加入酸或碱，当羧基和氨基的离子化程度相等（即氨基酸分子所带电荷呈中性，处于等电状态）时，溶液的pH值称为氨基酸的等电点，常以pI表示。第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）负离子两性离子（偶极离子）正离子pH＞pIpH＝pIpH＜pI.不同的氨基酸有不同的等电点。通常，中性氨基酸的等电点在5.6～6.3之间，酸性氨基酸的等电点在2.8～3.2之间，碱性氨基酸的等电点在7.6～10.8之间。在等电点时，偶极离子在水中的溶解度最小，氨基酸易结晶析出。第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）接上页第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）2．成肽反应一个氨基酸分子中的羧基可以跟另一个氨基酸分子中的氨基发生脱水反应，形成的酰胺基（）称为肽键，此过程称为成肽反应。第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）由两个氨基酸缩合而成的肽称为二肽，由三个氨基酸缩合而成的肽称为三肽，其余类推。由多个氨基酸缩合而成的肽称为多肽。一般把含100个以上氨基酸的多肽（有时是含50个以上）称为蛋白质。在多肽分子中，肽链上有氨基的一端称为N端；有羧基的一端称为C端。在书写多肽结构时，通常把N端写在左边，把C端写在右边。第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）多肽的命名以含有完整羧基的氨基酸为母体，从多肽的N端开始，按顺序依次将各酰基的名称从左到右写在母体名称之前，称为某氨酰某氨酰…某氨酸。丙氨酰丝氨酰苯丙氨酸第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）3．脱羧反应将氨基酸缓缓加热或在高沸点的溶剂中回流，可发生脱羧反应（失去CO2）生成胺。例如，赖氨酸脱羧后，生成戊二胺。赖氨酸戊二胺（尸胺）生物体内，氨基酸在脱羧酶的作用下，也能发生脱羧反应。脱羧反应在动植物的生理过程中是很常见的，这也是蛋白质变质发臭的主要原因。第一节氨基酸氨基酸的性质二、化学性质（二）4．与水合茚三酮反应α-氨基酸在碱性溶液中与水合茚三酮作用，生成蓝紫色的有色物质，这个反应称为水合茚三酮反应。此反应很灵敏，是鉴定α-氨基酸最迅速、最简单的定性及定量分析方法。用反应后的蓝紫色溶液在570nm强吸收处进行比色分析，证明其强度与氨基酸的浓度成正比关系。水合茚三酮蓝紫色过渡页1氨基酸2蛋白质蛋白质一般由C、H、O、N、S等元素组成，有些蛋白质还含有P、Fe、I等元素。无论蛋白质的种类和来源如何，其各元素的质量百分组成变化不大，如表13-3所示。蛋白质的元素组成（一）蛋白质的元素组成和分类一、第二节蛋白质蛋白质中的含氮量变化不大，其平均含量约为16%，即每克氮相当于6.25g蛋白质。生物体中绝大部分氮都存在于蛋白质中，因此，可以通过氮的定量分析，来测定生物样品中蛋白质的近似含量，称为粗蛋白含量。蛋白质的元素组成（一）蛋白质的元素组成和分类一、第二节蛋白质表13-3蛋白质中各种元素的平均含量元素CHONSPFe平均含量（%）（按干物质计）50～556.0～7.019～2415～170.0～0.40.0～0.80.0～0.4粗蛋白含量（%）＝含氮量×6.25（6.25为计算粗蛋白含量的转换系数）蛋白质的分类（二）蛋白质的元素组成和分类一、第二节蛋白质单纯蛋白质只由氨基酸组成。按溶解性能不同，蛋白质还可分为不溶于水的纤维状蛋白质和能溶于水的球状蛋白质两大类。结合蛋白质由单纯蛋白质和非蛋白质物质两部分组成。结合蛋白质中的非蛋白质部分称为辅基。按其化学组成不同，蛋白质可分为单纯蛋白质和结合蛋白质两大类。蛋白质的结构非常复杂。不仅蛋白质的多肽链中α-氨基酸有一定的排列次序，而且蛋白质还有复杂的空间结构。多肽链中α-氨基酸的组成和排列次序是蛋白质的一级结构，如图13-1a所示。长肽链中邻近基团之间发生氢键作用，使肽链按一定规律成螺旋状卷曲或折叠形成特定的空间结构，这是蛋白质的二级结构，如图13-1b所示。蛋白质的结构二、第二节蛋白质（a）蛋白质的一级结构（b）蛋白质的二级结构具有二级结构的蛋白质进一步盘曲折叠形成更稳定的空间结构，这是蛋白质的三级结构，如图13-1c所示。二级结构和三级结构都是蛋白质中肽链的特有结构。许多蛋白质是由两条或多条肽链组成的，肽链之间的次级作用使这些肽链聚集而形成蛋白质的四级结构，如图13-1d所示。蛋白质的结构二、第二节蛋白质（c）蛋白质的三级结构（d）蛋白质的四级结构蛋白质的两性和等电点（一）蛋白质的性质三、第二节蛋白质在蛋白质分子的两端，由于含有氨基和羧基，所以蛋白质的性质与氨基酸相似，具有两性性质和等电点。用酸或碱调节某一蛋白质溶液的pH值，当蛋白质分子所带的正、负电荷相等时，即成为静电荷为零的偶极离子，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。蛋白质的两性和等电点（一）蛋白质分子在溶液中解离的情况可以用下面的反应式表示，其中，—COOH代表蛋白质分子中所有的酸性基团，—NH2代表蛋白质分子中所有的碱性基团，Pr是蛋白质分子的缩写。蛋白质的性质三、第二节蛋白质负离子两性离子（偶极离子）正离子pH＞pIpH＝pIpH＜pI接上页蛋白质的两性和等电点（一）由于不同蛋白质分子所含的可解离基团的数目不同，且各种基团的解离能力也不同，所以不同蛋白质的等电点也不同。如表13-4所示为常见蛋白质的等电点。蛋白质的性质三、第二节蛋白质表13-4常见蛋白质的等电点名称等电点名称等电点乳酪蛋白胃蛋白酶胰岛素麻仁球蛋白血红蛋白4.62.55.35.56.7鸡卵清蛋白马肌红蛋白麦角蛋白核糖核酸酶玉米醇溶蛋白4.97.06.59.46.2在同一pH值的溶液中，不同蛋白质分子的大小和所带电荷的性质、数量不相同，故在电场中移动的速度也不相同。利用这种性质可以将各种蛋白质进行分离和提纯，这种方法称为电泳分析法。胶体性质（一）蛋白质分子颗粒的大小正处于胶体的大小范围（1～100nm）以内，故蛋白质溶液具有胶体溶液的性质。蛋白质颗粒表面有许多亲水基团，能与水形成氢键，故对水有很强的亲合力，如下图13-2所示。蛋白质的性质三、第二节蛋白质带正电荷的蛋白质颗粒等电点的蛋白质颗粒带负电荷的蛋白质颗粒变性作用（三）蛋白质的性质三、第二节蛋白质当在加热、加压、超声、光照、辐射、震荡、搅拌、干燥、脱水或强酸、强碱、重金属盐、乙醇或丙酮等作用下，蛋白质中的氢键、疏水键、盐键等都将受到不同程度的破坏，蛋白质的物理、化学性质都发生改变，且失去生理活性，即产生了蛋白质的变性作用。变性作用（三）蛋白质的性质三、第二节蛋白质变性作用的早期阶段，蛋白质的三级和四级结构受到一定程度的破坏，变性作用是可逆的。例如，血红蛋白在低浓度的水杨酸钠溶液中变性，除去水杨酸钠后其天然性质仍可以恢复。但发生变性作用过度时，蛋白质分子的二级和三级结构都彻底破坏，蛋白质将不能再恢复到其原有的结构，这样的变性作用是不可逆的。变性后的蛋白质最显著的特点是溶解度降低、黏度增加、难以结晶，且蛋白质原有的生理活性完全丧失，更容易被蛋白酶催化水解。接上页蛋白质能形成稳定的胶体溶液，不易析出。但在某些因素作用下，蛋白质能从溶液中析出，这种现象称为蛋白质的沉淀作用。沉淀出的蛋白质有些是已经变性的，有些并未变性。使蛋白质沉淀的主要方法有下面几种。沉淀作用（四）蛋白质的性质三、第二节蛋白质往蛋白质水溶液中加入氯化钠等中性电解质，使蛋白质颗粒表面的电荷被中和，导致蛋白质颗粒凝聚沉淀，这称为盐析效应。如果盐析时溶液的pH值正好为蛋白质的等电点，其盐析效果更佳，沉淀出的蛋白质一般不会发生变性。①盐析加热既能破坏蛋白质颗粒表面的水化膜，又能破坏蛋白质分子内的氢键，使蛋白质规则的空间结构受到破坏，发生变性凝固沉淀。例如，加热灭菌就是使细菌体内的蛋白质凝固而失去生理活性。②加热沉淀作用（四）蛋白质的性质三、第二节蛋白质往蛋白质溶液中加入丙酮、甲醇和乙醇等亲