氨基酸与多肽

引入

氨基酸为什么既能与酸反应,又能与碱反应?

什么是等电点?为什么氨基酸在等电点时溶解度最小?

氨基酸如何通过缩合形成蛋白质?肽键的本质是什么?

氨基酸是连接有机化学和生物化学的桥梁。它同时含有氨基 $-\mathrm{NH}{}_2$ 和羧基 $-\mathrm{COOH}$,是典型的两性化合物。氨基酸通过脱水缩合形成肽键,多个氨基酸连成多肽,进一步折叠形成蛋白质。

正文

定义

氨基酸是分子中同时含有氨基 $-\mathrm{NH}{}_2$ 和羧基 $-\mathrm{COOH}$ 的有机化合物。构成蛋白质的氨基酸都是 $\alpha$-氨基酸,通式为 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}$。

结构特点

$\alpha$-氨基酸的结构通式:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\underset{\mathrm{R}}{\underset{|}{\mathrm{CH}}}-\mathrm{COOH}$

• 氨基和羧基都连在同一个碳原子（$\alpha$-碳）上
• R 基团（侧链）决定氨基酸的种类和性质
• 除甘氨酸（R = H）外,所有 $\alpha$-氨基酸的 $\alpha$-碳都是手性碳,存在 D 型和 L 型两种构型
• 天然蛋白质中的氨基酸几乎都是 L 型

常见氨基酸

名称	缩写	R 基团	特点
甘氨酸	Gly	$-\mathrm{H}$	最简单,无手性
丙氨酸	Ala	$-\mathrm{CH}{}_3$	脂肪族
缬氨酸	Val	$-\mathrm{CH}(\mathrm{CH}{}_3){}_2$	支链,必需氨基酸
亮氨酸	Leu	$-\mathrm{CH}{}_2\mathrm{CH}(\mathrm{CH}{}_3){}_2$	支链,必需氨基酸
异亮氨酸	Ile	$-\mathrm{CH}(\mathrm{CH}{}_3)\mathrm{CH}{}_2\mathrm{CH}{}_3$	支链,必需氨基酸
苯丙氨酸	Phe	$-\mathrm{CH}{}_2\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5$	芳香族,必需氨基酸
丝氨酸	Ser	$-\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}$	含羟基
半胱氨酸	Cys	$-\mathrm{CH}{}_2\mathrm{SH}$	含巯基,可形成二硫键
赖氨酸	Lys	$-(\mathrm{CH}{}_2){}_4\mathrm{NH}{}_2$	碱性,必需氨基酸
谷氨酸	Glu	$-\mathrm{CH}{}_2\mathrm{CH}{}_2\mathrm{COOH}$	酸性,味精的主要成分
色氨酸	Trp	含吲哚环	芳香族,必需氨基酸

构成蛋白质的常见氨基酸共 20 种,其中 8 种为必需氨基酸（人体不能合成）。

两性

氨基酸同时含有碱性的氨基和酸性的羧基,既能与酸反应,也能与碱反应。

与酸反应:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}+\mathrm{HCl}\to {}_{}^{}{}_{}^{+}\mathrm{H}{}_3\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}\cdot \mathrm{Cl}{}^{-}$

与碱反应:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}+\mathrm{NaOH}\to \mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COO}{}^{-}\mathrm{Na}{}^{+}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

内盐（两性离子）

在水溶液中,氨基酸分子内部发生质子转移,羧基给出 $\mathrm{H}{}^{+}$,氨基接受 $\mathrm{H}{}^{+}$,形成内盐（两性离子）:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}\rightleftharpoons {}_{}^{}{}_{}^{+}\mathrm{H}{}_3\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COO}{}^{-}$

内盐形式是氨基酸在水溶液中的主要存在形式。

等电点

定义

等电点（$\mathrm{pI}$）是氨基酸（或蛋白质）以两性离子形式存在,净电荷为零时溶液的 $\mathrm{pH}$ 值。

在等电点时:

• 氨基酸的溶解度最小
• 在电场中不向任何电极移动

不同氨基酸的等电点不同:

类型	$\mathrm{pI}$ 范围	原因
中性氨基酸	$5.0\sim 6.5$	R 基团不影响电离
酸性氨基酸	$2.8\sim 3.2$	R 基团含额外羧基
碱性氨基酸	$7.6\sim 10.8$	R 基团含额外氨基

成肽反应

两个氨基酸分子可以通过脱水缩合形成肽键 $-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}{}^{-}$:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_1-\mathrm{COOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_2-\mathrm{COOH}\to \mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_1-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-\mathrm{CHR}{}_2-\mathrm{COOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

产物叫二肽,含有一个肽键。

继续缩合:

$\text{二肽}+\text{氨基酸}\to \text{三肽}\to \cdots \to \text{多肽}\to \text{蛋白质}$

肽键的结构特征:

• 肽键 $-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}{}^{-}$ 实际上是酰胺键（参见胺）
• 肽键具有部分双键特性（共振）,不能自由旋转
• 肽键平面上的 6 个原子（$\mathrm{C}\alpha -\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-\mathrm{C}\alpha$）共平面

氨基酸的化学性质

反应	说明
与酸反应	氨基结合质子
与碱反应	羧基失去质子
成肽反应	脱水缩合形成肽键
与亚硝酸反应	氨基被取代（Van Slyke 法测定氨基含量）
与水合茚三酮反应	生成蓝紫色物质,用于检验氨基酸
颜色反应	含苯环的氨基酸遇浓硝酸变黄

氨基酸的来源

**天然来源:**蛋白质水解得到氨基酸混合物。

工业制备:

• 发酵法（谷氨酸、赖氨酸）
• 酶法
• 化学合成法

应用:

• 食品添加剂（谷氨酸钠 = 味精）
• 医药（氨基酸注射液）
• 饲料添加剂
• 化妆品

引出

20 种氨基酸是如何排列组合形成数百万种不同蛋白质的?

蛋白质的四级结构是如何形成的?

人工合成多肽有什么困难?

参考:蛋白质、胺、羧酸及羧酸衍生物、基本营养物质