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1、第十九章 含氮天然化合物 在自然界中，存在许多含氮的有机物，例如氨基酸、多肽、蛋白质、核酸、生物碱等。这些化合物与生命现象有着非常密切的关系。了解这些物质的结构和基本性质，对人们理解生命现象将十分有益。19.1 氨基酸、多肽与蛋白质蛋白质（protein）是一类结构复杂的生物大分子，是生物体内一切细胞的重要组成成分，与多糖、核酸等生物大分子一样，蛋白质是生命的重要物质基础。从化学结构来看，蛋白质和多肽（polypeptide）都是氨基酸（amino acid）通过肽键（peptide linkage）连接而成的聚合物。将蛋白质和多肽水解可依次得到相对分子质量较小的低聚肽，最终得到氨基酸。由于蛋
2、白质分子中氨基酸的种类、数量、排列顺序和理化性质的不同，蛋白质种类繁多、结构复杂、生物功能各异。为了解多肽和蛋白质的结构特点和性质，本节对氨基酸的化学及多肽和蛋白质的结构特点作简单必要的介绍。19.1.1氨基酸一、氨基酸的结构、分类和命名自然界中存在的氨基酸有几百种，由生物体内蛋白质水解得到的氨基酸却只有20种，这20种氨基酸受DNA遗传密码控制合成蛋白质，故又称编码氨基酸，它们都是氨基羧酸（脯氨酸为亚氨基酸）。式中R代表侧链基团，不同的氨基酸只是R结构不同。R可以是H和烃基，也可以是含有其他功能基的基团。这20种氨基酸中除甘氨酸（R为H）外，其他各氨基酸分子中的碳原子均为手性碳原子，都有旋光
3、性。这些天然氨基酸按Fischer投影式表示时，氨基都在左边，因此都确定为L构型。氨基酸分子中既含有酸性的羧基，又含有碱性的氨基，因此存在质子在分子内转移的动态平衡。在生理pH情况下，羧基几乎完全以COO形式存在，大多数氨基则主要以NH3+形式存在。也就是说，氨基酸通常是偶极离子，以内盐形式存在：若用R/S构型表示法标记这些氨基酸中的手性碳原子，除半胱氨酸为R构型外，其余均为S构型。按分子中R基团的不同，氨基酸可以分为：1）脂肪族氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸等；2）芳香族氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸等；3）杂环氨基酸，如组氨酸、色氨酸等。按分子中羧基和氨基的数目不同，可以分为：1）酸性氨基酸。分子中
4、有两个羧基一个氨基的氨基酸，通常在生理pH情况下带有负电荷，它们是天冬氨酸和谷氨酸；2）碱性氨基酸。分子中有两个或两个以上的氨基或亚氨基、次氨基，只有一个羧基的氨基酸，通常在生理pH情况下带有正电荷，它们是赖氨酸、精氨酸和组氨酸；3）中性氨基酸。这些氨基酸因其分子中只含一个NH3+ 和一个COO-，如甘氨酸、丙氨酸等。根据R基团的结构和特性，中性氨基酸又可细分为两类：一类是R基团为非极性的疏水基团，如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等；另一类是R基团为极性的亲水基团，如丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸和半胱氨酸等。需注意的是，上述分类中的“酸性”、“碱性”和“中性”并非指这些氨基酸水溶液的pH值。在中性
5、氨基酸中，酸性基团释放出质子的能力比碱性基团接受质子的能力要强，所以中性氨基酸水溶液的pH值并不是7，而是略小于7。存在于生物体内蛋白质中的二十种常见氨基酸的名称、结构和英文缩写列于表19.1中。表19.1 存在于蛋白质中的20种氨基酸 中文名称英文名称英文三字母缩写中文缩写结构式（偶极离子）等电点(pI)非极性氨基酸甘氨酸glycineGlyG甘5.97丙氨酸alanineAlaA丙6.00亮氨酸*leucineLeuL亮5.98异亮氨酸*isoleucineIleI异亮6.02缬氨酸*valineValV缬5.96脯氨酸prolineProP脯6.30苯丙氨酸*phenylalanineP
6、heF苯5.48甲硫(蛋)氨酸*methionineMetM甲硫(蛋)5.74R基团为极性且不带电荷氨基酸丝氨酸serineSerS丝5.68谷氨酰胺glutamineGlnQ谷酰5.65苏氨酸*threonineThrT苏5.60半胱氨酸cysteineCysC半胱5.07天冬酰胺asparagineAsnN天酰5.41酪氨酸tyrosineTyrY酪5.66色氨酸*tryptophanTrpW色5.89酸性氨基酸天冬氨酸aspartic acidAspD天2.77谷氨酸glutamic acidGluE谷3.22碱性氨基酸赖氨酸*lysineLysK赖9.74精氨酸arginineArgR
7、精10.76组氨酸histidineHisH组7.59表中带*为必需氨基酸氨基酸的命名可采用系统命名法，即以羧酸为母体，氨基作为取代基进行命名。但习惯上往往根据其来源和某些特性而使用俗名，例如氨基乙酸因其具有甜味而称为甘氨酸，天冬氨酸最初来源于天门冬植物而得其名。还常用其英文名称的缩写符号表示，这在表示长链大分子时尤为适用。不同蛋白质中所含氨基酸的种类和数目各异，有些氨基酸在人体内不能合成或合成数量不足，必需从食物蛋白中摄取，这些氨基酸称为必需氨基酸，表19.1中用“*”标记的八种氨基酸，就是常见的必需氨基酸。二、氨基酸的物理与化学性质氨基酸一般为无色晶体，熔点一般在 200300C之间，比相
8、应的羧酸和胺都高。多数氨基酸在较高温度时分解放出CO2，因而没有确定的熔点。氨基酸易溶于强酸、强碱等极性溶剂中，大多难溶于乙醚、苯和石油醚等有机溶剂。不同的氨基酸在水和乙醇中的溶解度差异较大。除甘氨酸外，其他的氨基酸都有旋光性。氨基酸具有氨基和羧基的典型反应。例如，氨基可以发生酰化反应，可与亚硝酸作用；羧基可以形成羧酸衍生物等。不同的侧链基团也表现出不同的特性。此外，由于分子中同时具有氨基与羧基，它们的相互影响使氨基酸还表现出一些特殊的性质。1）酸碱两性和等电点氨基酸在固态或水溶液中是偶极离子，既能与较强的酸成盐，也能与较强的碱成盐，具有两性化合物特征。在酸性较强的水溶液中，偶极离子中的COO
9、-作为碱，从H3O+中夺取H+ 后，氨基酸以阳离子形式存在；在碱性较强的水溶液中，偶极离子中NH3+作为酸给出H+ 后，氨基酸以阴离子形式存在。氨基酸在水溶液中形成如下的平衡体系：由于COOH给出质子的能力大于NH3+，其共轭碱COO- 接受质子的能力小于NH2，所以中性氨基酸的水溶液显弱酸性，带有负电荷。适当调节溶液的pH值使氨基酸主要以偶极离子形式存在，所带正、负电荷数相等，净电荷为零，在电场中也不泳动。这种使氨基酸处于等电状态时溶液的pH值，称为氨基酸的等电点（isoelectric point），以pI表示。当氨基酸处于等电点时，再加入一定量的酸，则pHpI，偶极离子中的COO- 接受
10、质子，平衡左移，此时氨基酸主要以阳离子形式存在，在电场中向负极移动；相反，若加入适量碱后，则pHpI，偶极离子中的NH3+ 给出质子，平衡向右移动，氨基酸主要以阴离子形式存在，在电场中向正极移动。氨基酸的等电点是一个特定参数，每种氨基酸都有各自特定的pI值（表19.1）。酸性氨基酸的等电点较小，在2.53.5之间，碱性氨基酸的等电点较大，在911之间，中性氨基酸的等电点略小于7，一般在56.5之间。在不同的pH溶液中，同一氨基酸可呈现不同的离子形式，在同一pH溶液中，不同氨基酸也可有不同的离子形式。氨基酸在等电点时，由于静电荷为零，此时氨基酸的溶解度最小，容易沉淀析出。故在高浓度的混合氨基酸溶
11、液中通过调节溶液的pH值，可使不同的氨基酸分步沉淀而分离，以得到较纯的各种氨基酸。在同一pH的缓冲溶液中，不同的氨基酸带电状态不同，它们在直流电场中移动的方向和速率也不相同，可利用电泳的方法来分离或鉴定不同的氨基酸。2）羧基的反应 氨基酸的羧基能转化成酯、酐和酰胺等，这里重点介绍氨基酸的脱羧反应。a氨基酸与氢氧化钡一起加热或在高沸点溶剂中回流，可发生脱羧反应，失去二氧化碳后，得到少一个碳原子的胺：氨基酸的脱羧也可在脱羧酶的作用下进行。动物死后其尸体失去抗菌能力，蛋白质中的精氨酸、赖氨酸等在细菌作用下脱羧可得腐胺（NH2(CH2)4NH2）和尸胺（NH2(CH2)5NH2）等，散发出难闻的气味。
12、很多肉食品中的肌球蛋白含有的组氨酸在脱羧酶的作用下可脱羧转变成组胺，过量组胺会导致人体产生过敏反应，甚至严重的疾病。3）氨基的反应氨基酸分子中的氨基能发生酰基化、烷基化等反应。氨基酸中的氨基NH2与亚硝酸作用，生成相应的羟基酸，同时定量地释放出氮气：测定反应中所释放出N2的量，即可计算出样品物质中氨基酸的含量，这种方法称为范斯莱克（Van Slyke）氨基氮测定法，常用于氨基酸的定量分析。脯氨酸分子中含有的亚氨基属于仲胺，与亚硝酸作用不能释放出氮气。氨基酸与5-二甲氨基萘-1-磺酰氯（丹酰氯，dansyl chloride，DNS-Cl）进行磺酰化反应，分子中的氨基被磺酰化，生成丹酰基氨基酸，
13、在紫外光下呈强烈的黄色荧光。该反应很灵敏，常用于微量氨基酸的定量测定及多肽的N-末端氨基酸分析。4）与水合茚三酮的反应氨基酸与茚三酮的水溶液共热时，能生成蓝紫色的化合物，称为罗曼紫（Ruhemanns purple）。罗曼紫的颜色深浅以及CO2的产生量，可作为氨基酸定量分析的依据。亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）呈黄色。在层析和电泳等实验中，也常利用该显色反应对氨基酸和蛋白质进行定性鉴定和标记。需注意的是其他含有伯氨基（NH2）的物质也有此反应，医学实验中检验氨基酸、多肽和蛋白质的存在常常使用茚三酮。5）脱水反应 a氨基酸受热后可脱水形成六元环状的二酰胺：此反应类似于a羟基酸脱水形成交酯的反应，其
14、产物也可看作是二酮吡嗪的衍生物。在适当条件下，氨基酸分子间还可脱水形成链状的缩合物：19.1.2 多肽一、多肽的结构、分类和命名由多个氨基酸相互之间脱水以酰胺键连接形成的链状缩合物称作肽（peptide）。肽分子中的酰胺键又称为肽键，肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基。根据组成肽的氨基酸残基数目不同，可分别称为二肽、三肽等，依此类推。般由十个氨基酸以下组成的叫寡肽或低聚肽（oligopeptide），而由更多氨基酸组成的称为多肽（polypeptide）。在肽链里的有游离a氨基的一端称为N端，有游离a羧基的另一端称为C端。书写时通常以N端在左，C端在右。命名时以C端的氨基酸残基为母体称为“某氨酸”，从N端开始依次将其他氨基酸残基称为“某氨酰”置于母体名称之前。简写时通常以氨基酸的中文或英文的缩写符号来表示。例如由丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸形成的一个三肽结构式为：二、 肽键的平面结构肽键与两个a碳原子组成的结构部分称为肽单元。经过对寡肽晶体结构的键长、键角以及构象的研究。发现肽键中C-N键的键长为0.132nm，介于正常的C-N单键（0.149nm）和C-N双键（0.127nm）之间，可以推测这是由于肽键中氮原子与羰基的p共轭造成的。这使得C-N键具有一定的双键特征，因而肽单元是有一定刚性的平面结构。这种
