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第17章 氨基酸和肽 目的要求 1. 掌握组成蛋白质的基本单元 — -氨基酸的结构特 点、分类、命名和化学性质 2. 掌握肽的结构和命名，熟悉肽链中C-端和N-端的分 析方法。 3. 了解氨基酸和活性肽在医学上的意义。 本章具体应掌握的内容提要 1. 氨基酸的结构 氨基酸是组成蛋白质的基本单元。天然存在的氨基酸约有数百种，但存 在于生物体内合成蛋白质的氨基酸仅为20种。它们在化学结构上都具有 共同的特点，即属于-氨基酸(脯氨酸为-亚氨基酸)，其中有8种为人体 必需氨基酸。除甘氨酸外，其余氨基酸的 -碳原子都是手性碳原子，都 有旋光性，且均属L-构型。不同的氨基酸，只是侧链R基有所不同。氨基 酸分子既含有碱性的氨基又含有酸性的羧基，在生理条件下，一般是以 偶极离子形式存在。 2. 氨基酸的分类 按R基的化学结构，可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸； 按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。氨 基酸还可根据侧链R基的极性及其所带电荷分为非极性R基氨基酸、不带 电荷的极性R基氨基酸、带正电荷的R基氨基酸和带负电荷的R基氨基酸。 3. 氨基酸的化学性质 氨基酸的化学性质与分子中所含有的羧基、氨基和侧链R基有关，其 中羧基和氨基的反应为氨基酸共有的性质。氨基酸是两性化合物， 与酸、碱都可成盐，在等电点时以内盐形式存在的氨基酸溶解度最 小；氨基酸在一定条件下可脱羧生成伯氨，可氧化脱氨生产酮酸， 也可发生分子间相互脱水生成肽类物质。含有某些特殊R基的氨基酸， 还可发生某些特殊的颜色反应。氨基酸的重要化学反应见表1。 表1 氨基酸的重要化学反应 4. 肽的结构和命名 肽是由氨基酸残基通过肽键(酰胺键)连接起来的。肽单位(—C—CO—NH—C—) 的6个原子处于同一平面，这个平面称为肽键平面，肽键中由于氮原子与羧羰基存在 p-共轭效应，限制了C—N键的自由旋转，使与C—N键相连的O与H或两个C原子 形成较稳定的反式构型。肽的命名从N-端开始，将分子中各氨基酸依次称为某氨酰 置于母体名称前，最后以C-端的氨基酸为母体称为某氨酸。肽的名称也常用中文或 英文的缩写符号来表示。 5. 多肽结构的测定 用酸将多肽彻底水解，得到各种游离氨基酸的混合物，通过层析法或氨基酸分析仪 以确定其组成成分，再经相对分子质量的测定计算出各种氨基酸分子的数目。 测定氨基酸在肽链中的排列顺序，往往需末端残基分析和部分水解法配合进行。N端分析可采用2,4-二硝基氟苯(DNFB)法、丹磺酰氯(DNS-Cl)法和Edman降解法等。 而C-端分析则可采用肼解法和羧肽酶催化水解法等。 6. 生物活性肽 生物体内有一些很强生物活性的肽类，统称为活性肽。生物的生长、发育、细胞 分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗衰老、生物钟规律及分子进 化等均涉及到活性肽。随着多肽的分离纯化、结构分析、化学合成及遗传工程等新 技术的广泛应用，新的生物活性肽不断被发现，对其功能的认识也不断增长。 建议学时 2～ 3学时 17.1 氨基酸的结构、分类和命名 17.2 氨基酸的物理性质 17.3 氨基酸的化学性质 17.4 多肽链的基本结构和肽的命名 17.5 内源性和外源性生物活性肽 17.1 氨基酸的结构、分类和命名 17.1.1 氨基酸的结构 氨基酸(Amino Acid)是一类取代羧酸，可视 为羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基取代的一类 产物。根据氨基和羧基在分子中相对位置的不同， 氨基酸可分为-，-，-，…，-氨基酸。 20种编码氨基酸中除甘氨酸外，其它各种氨基 酸分子中的-碳原子均为*C，都有旋光性。 COO－ ＋H N——H 3 R L-型 COO－ H——NH3＋ R D-型 具旋光活性的编码氨基酸均为L-型，如用 R/S法标记，则除半胱氨酸为R构型外，其余皆 为S构型。 由蛋白质水解得到的氨基酸都具有共同 的结构特点——-氨基酸。结构通式为： R——*CH—COOH NH2 不同的氨基酸只是R不同。仅有一个例外： COO N H H （脯氨酸为-亚氨基酸） R——*CH—COO－ NH 3＋ 氨基酸在固态或在生理 pH条件下，是一偶极离子 (zwitterion) ， 以 内 盐 形 式 存在。 表17-1 20种编码氨基酸的名称和结构式(*为必需氨基酸) 名 称 中文缩写 英文缩写 结构式 非极性氨基酸 Gly G 甘氨酸(Glycine) -氨基乙酸 甘 丙氨酸(Alanine) -氨基丙酸 丙 Ala A CH3 CH COO NH3 亮氨酸(Leucine)* -甲基--氨基戊酸 亮 Leu L (CH3)2CHCH2 CHCOO NH3 NH3 异亮 Ile I 缬氨酸(Valine)* -甲基--氨基丁酸 缬 Val V 脯氨酸(Proline) -吡咯啶甲酸 脯 Pro P 异亮氨酸(Isoleucine)* -甲基--氨基戊酸 CH2 COO CH3CH2CH CHCOO CH3 NH3 (CH3)2CH CHCOO NH3 COO N H H 20种编码氨基酸的名称和结构式(*为必需氨基酸) (续1) 名 称 中文缩 英文缩写 写 苯丙 Phe F 蛋(甲硫)氨(Methionine)* -氨基--甲硫基戊酸 蛋 Met M 色氨酸(Tryptophan) * -氨基--(3-吲哚基)丙酸 色 苯丙氨(Phenylalanine)* -苯基--氨基丙酸 结构式 CH2 CHCOO NH3 CH3SCH 2CH2 CHCOO NH3 Trp W CH2CH COO NH3 N H 非电离的极性氨基酸 丝 Ser S 谷氨酰胺(Glutamine) -氨基戊酰胺酸 谷胺 Gln Q 苏氨酸(Threonine)* -氨基--羟基丁酸 苏 Thr T 丝氨酸(Serine) -氨基--羟基丙酸 HOCH2 CHCOO NH3 H2N C CH2CH2CHCOO NH3 O CH3CH CHCOO OH NH3 20种编码氨基酸的名称和结构式(*为必需氨基酸) (续2) 名 称 中文缩写 英文缩写 结构式 半胱氨酸(Cysteine) -氨基--巯基丙酸 半胱 Cys C HSCH2 CHCOO NH3 天冬酰胺(Asparagine) -氨基丁酰胺酸 天胺 Asn N H2N C CH2CHCOO NH3 O 酪氨酸(Tyrosine) -氨基--对羟苯基丙酸 酪 Tyr Y 天冬氨酸(Aspartic acid) -氨基丁二酸 天 Asp D 谷氨酸(-氨基戊二酸) Glutamic acid 谷 HO CH2 CHCOO NH3 酸性氨基酸 HOOCCH2CHCOO NH3 Glu E HOOCCH2CH2CHCOO NH3 20种编码氨基酸的名称和结构式(*为必需氨基酸) (续3) 名 称 中文缩写 英文缩写 结构式 碱性氨基酸 赖氨酸(Lysine)* ,-二氨基己酸 赖 Lys K NH3 CH2CH2CH2CH2CHCOO NH2 精氨酸(Arginine) -氨基--胍基戊酸 精 Arg R H2N C NHCH2CH2CH2 CHCOO NH2 NH2 组氨酸(Histidine) -氨基--(4-咪唑基)丙酸 组 His H CH2CH N N H NH3 COO 17.1.2 氨基酸的分类 1 根据R基化学结构的不同分为： (1) 脂肪族氨基酸 甘、丙、缬、亮、异亮(不含其它官能团) 丝、苏(含-OH)； 半胱、蛋(含S)； 天酰、谷酰(含酰胺) 天冬、谷(1氨基2羧基) 精(含胍基) 赖（ 2氨基1羧基） (2) 芳香环的氨基酸：苯丙、酪 (3) 杂环的氨基酸：脯、组、色 2 根据分子中所含氨基和羧基的相对数目分为： 中性氨基酸(1氨基1羧基；由于羧基电离能力较 氨基大，其水溶液实际上为弱酸性)： 甘、丙、缬、亮、异亮、丝、苏、半胱、 蛋、苯丙、酪、色、天酰、谷酰、脯 酸性氨基酸(1氨基2羧基)：天冬、谷 碱性氨基酸(2氨基1羧基)：赖、 精、组 3 医学上常根据氨基酸侧链R基的极性及其所带电荷： (1) 非极性R基氨基酸：有甘、丙、亮、异亮、缬、脯、 苯丙、蛋、色9种。含非极性侧链，故具有疏水性，它 们通常处于蛋白质分子内部。 (2) 非极性R基氨基酸：有丝、谷胺、苏、天胺、酪、半 胱6种。侧链中含有羟基、巯基、酰胺基等极性基团， 但在生理条件下却不带电荷，具有一定的亲水性，往往 分布在蛋白质分子的表面。 (1)(2)两类为中性氨基酸。 (3) 带正电荷的R基氨基酸：有精、赖、组3种。为碱性 氨基酸。 (4) 带负电荷的R基氨基酸：有谷、天冬2种。为酸性氨 基酸。 17.1.3 、氨基酸的命名 1 系统命名法： 把氨基当作取代基，以羧酸做母体，称为氨基某酸。 氨基的位置习惯上用希腊字母-，-，-等表示。 2 俗名： 天然产氨基酸更普遍使用俗名，即按其来源或性质 命名。如甘氨酸是因具有甜味而得名的；天冬氨酸最初是 由天门冬的幼苗中发现的。生物体内作为合成蛋白质的原 料的20种编码氨基酸，象元素符号一样，都有国际通用的 符号，中文用简称表示。 20种氨基酸 营养必需氨基酸 亮、异亮、缬、苯丙、蛋、苏、色、赖等8种氨基酸 在人体内不能合成而又是营养所必不可少的，必需依靠食 物供应，若缺少则会导致许多种类蛋白质的代谢和合成失 去平衡，故这些氨基酸称为营养必需氨基酸。 半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。 修饰氨基酸 除20种编码氨基酸外，蛋白质分子中尚含有一些 氨基酸，它们在生物体内均无相应的遗传密码，往往 在蛋白质生物合成前后，由相应的编码氨基酸衍生而 成，称为修饰氨基酸 HO N H H H2NCH2CHCH2CH2CHCOO COO OH 4-羟基脯氨酸 NH3 5-羟基赖氨酸 二者主要存在于骨胶原和弹性蛋白中 COO COO H3N C H H3N C H CH2 S S CH2 I HO I O I CH2CHCOOH I NH2 胱氨酸 由2分子半胱中的巯基经氧化 以二硫键连接而成，对维持 蛋白质的结构具有重要作用 甲状腺素 存在于甲状腺球蛋白中 有些氨基酸不是蛋白质的组成成分，但能以游离或结合的形式存在于生 物界，这些氨基酸统称为非蛋白质氨基酸。它们中有的是L-型-氨基 酸的衍生物，有的是-、-、-氨基酸，有的是D-型氨基酸。 H2NCH2CH2CHCOOH NH2 H2N C NHCH2CH2CH2CHCOOH O 瓜氨酸 NH2 鸟氨酸 -氨基丁酸： 存在于脑中，可用于治疗癫痫、记忆障碍等脑病 -氨基--羟基丁酸：具有解痉作用 D-丙氨酸、D-谷氨酸、 D-赖氨酸和D-鸟氨酸存在于细菌中 生命活动中，人及动物通过消化道吸收氨基酸并通过体内 转化而维持其动态平衡，若其动态平衡失调，则机体代谢 紊乱，甚至引起病变。许多氨基酸还参与代谢作用，不少 已用来治疗疾病。 甘氨酸:对芳香族物质起解毒作用 酪氨酸:合成甲状腺素和肾上腺素的前体 精氨酸:参与鸟氨酸循环，用于因血氨升高引起的肝昏迷 谷氨酸与谷胺酰胺:用于改善脑出血后遗的记忆障碍 谷胺酰胺和组氨酸:用于治疗消化道溃疡 甘氨酸和谷氨酸:调节胃液酸度 亮氨酸:加速皮肤和骨头创伤愈合，降血糖及头晕治疗药 医药上氨基酸主要用于复合氨基酸输液 生命活动中，人及动物通过消化道吸收氨基酸并通过体内 转化而维持其动态平衡，若其动态平衡失调，则机体代谢 紊乱，甚至引起病变。许多氨基酸还参与代谢作用，不少 已用来治疗疾病。 甘氨酸:对芳香族物质起解毒作用 酪氨酸:合成甲状腺素和肾上腺素的前体 精氨酸:参与鸟氨酸循环，用于因血氨升高引起的肝昏迷 谷氨酸与谷胺酰胺:用于改善脑出血后遗的记忆障碍 谷胺酰胺和组氨酸:用于治疗消化道溃疡 甘氨酸和谷氨酸:调节胃液酸度 亮氨酸:加速皮肤和骨头创伤愈合，降血糖及头晕治疗药 医药上氨基酸主要用于复合氨基酸输液 17.2 氨基酸的物理性质 -氨基酸为无色结晶，熔点较高，一般在200～300C之间，这是 因为晶体中氨基酸以内盐形式存在，但往往在熔化前受热分解放出 CO2。每种氨基酸都有特殊的结晶形状，利用结晶形状可以鉴别氨基 酸。 各种氨基酸都能溶于水，其水溶液是无色的，但溶解度不同；酪氨 酸在冷水中很难溶解，而在热水中溶解度较大。除脯氨酸易溶于乙醇 外，其它均不溶解或很少溶解，但氨基酸的盐酸盐比游离的氨基酸易 溶于酒精中。所有氨基酸都不溶于乙醚、氯仿等非极性溶剂，而易溶 于强酸、强碱中。 除甘氨酸外，所有编码氨基酸都具有旋光性，用测定比旋光度的方 法可以测定氨基酸的纯度。 17.3 氨基酸的化学性质 氨基酸除具有氨基和羧基的一些典型反应之外， 还有二者相互影响、相互作用的某些特性。 1、两性解离和等电点 氨基酸分子中含有酸性的羧基和碱性的氨基，因 此氨基酸是两性化合物，能分别与酸或碱作用成盐。 氨基酸溶于水时，氨基和羧基同时解离成为一种 两性离子(zwitterion)。若将此溶液酸化，则两性离子 与H+离子结合成为阳离子；若向此水溶液中加碱，则 两性离子与OH-结合成为阴离子。 R CH COOH NH2 R CH COO H R CH OH NH2 阴离子(pH > pI) COO H R OH COOH NH3+ NH3+ 两性离子(pH = pI) CH 阳离子(pH < pI) 调节溶液的pH值，使氨基酸的酸性解离与碱性解离 相等，所带正、负电荷数相等，此时溶液的pH值称为该 氨基酸的等电点(Isoelectric Point)，以pI表示。 pH=pI，主要以两性离子形式存在。在电场中既不向正 极移动，也不向负极移动。 pH>pI，主要以阴离子形式存在。在电场中向正极移动； pH<pI，主要以阳离子形式存在。在电场中向负极移动； 等电点是氨基酸的一个重要特征常数之一，可由实验测得， 也可通过计算得到。每种氨基酸都有其特定的等电点。 酸性氨基酸： pI 2.7 ~ 3.2 (pH<4) 中性氨基酸： pI 5.0 ~ 6.5 (pH<7) 碱性氨基酸： pI 7.5 ~ 10.7 (pH>7.5) 2、氧化脱氨基反应 R CHCOOH NH2 2H R C COOH NH H2O OH R C NH3 COOH NH2 R C COOH O 氨基酸经氧化剂或氨基酸氧化酶作用，可脱去氨基生成酮酸， 此反应在脱氨前涉及脱氢和水解两个步骤。上述过程也是生物体内 氨基酸分解代谢的重要方式。 3、脱水成肽反应 在适当条件下，氨基酸分子间氨基与羧基相互脱水缩合生 成的一类化合物，叫做肽(peptide)。 H2NCHCOOH + H2NCHCOOH R1 R2 H2O H2NCHCO NHCHCOOH R1 R2 肽分子中的酰胺键(—CO—NH—)常称做肽键(peptide bond). 用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。 4、与茚三酮反应 O O OH + H2NCHCOOH OH R O O O O OH OH OH H + NH3 + OH O H + NH3 + RCHO + CO2 OH O N O O (ÂÞÂüÊÏ×Ï) O 根据生成紫色化合物颜色的深浅程度，或根据放出 CO2气体的体积，可对-氨基酸进行定量分析。常用于氨 基酸和蛋白质的定性鉴定及标记。 脯氨酸和羟脯氨酸等亚氨基酸(含亚氨基结构)与茚 三酮反应生成黄色化合物。而N-取代的-氨基酸以及β氨基酸、γ-氨基酸等不与茚三酮发生显色反应。 5、与亚硝酸反应 R CHCOOH + HNO2 NH2 R CH COOH + N2 OH 根据放出氮气的体积，可定量分析氨基酸的含量。 也可用来定量测定蛋白质或多肽分子中的游离氨基的含 量(Van Slyke 氨基氮测定法)。 亚氨基酸(如脯氨酸)与HNO2 反应生成N-亚硝基化 合物。 6、脱羧反应 RCHCOOH Ba(OH) 2 RCH2NH2 + CO2 NH2 在肠道细菌的作用下，组氨酸可脱羧生成组胺，过 量的组胺在肌体内易引起变态反应。 CO2 N CH2CH2 NH2 CH2CH COOH N N NH2 N H H 组氨酸 组胺 7、与2,4-二硝基氟苯反应 在室温和弱碱性条件下，氨基酸中氨基上的氢原子可与2,4-二 硝基氟苯(DNFB) 发生亲核取代反应生成稳定的二硝基苯基氨基酸 (DNP-氨基酸)。 F + H2NCHCOOH O2N NO2 DNFB R NHCHCOOH + HF O2N NO2 R DNP-氨基酸 DNP-氨基酸呈黄色，使用纸层析与标准DNP-氨基酸比较，可 用于氨基酸的检出，英国科学家Sanger F用此法首次阐明了组成 胰岛素的氨基酸的种类、数目和排列顺序，为认识蛋白质的结构 作出了重要贡献。 8、侧链 R 基的反应 鉴别具有特殊R基氨基酸的显色反应 反应名称 蛋白黄反应 Millon反应 乙醛酸反应 试 剂 浓硝酸再加碱 硝酸汞、亚硝酸汞 和硝酸的混合物 乙醛酸＋浓硫酸 颜 色 深黄色或橙红色 红 色 鉴别的氨基酸 苯丙、酪、色 酪氨酸 两液层界面处呈紫红色环 色氨酸 17.4 多肽链的基本结构和肽的命名 1、多肽的结构和命名 肽是氨基酸残基之间彼此通过酰胺键(肽键) 连接而成的一类化合物。其通式为： H3NCHCO NH CHCO NH CHCO NH CHCO .... NH CHCOO R1 R2 R3 R4 Rn 多肽分子中的酰胺键称为肽键(peptide bond)，一般为 -COOH与-NH2脱水缩合而成。多肽链中的每个氨基酸单 元称 HN CH CO 为氨基酸残基(amino acid residue)。 R 肽也以两性离子的形式存在。 通常在多肽链的一端含有一个未结合的—NH3+，称为 氨基酸的N-端，一般写在肽链的左边；在另一端含有一个 未结合的—COO- ，称为羧基酸的C-端，通常写在肽链的 右边。 肽的结构不仅取决于组成肽链的氨基酸种类和数目， 也与肽链中各氨基酸残基的排列顺序有关。 由2种不同的氨基酸可形成2种二肽： CH3 CH3 H3NCH2CONHCHCOO 甘氨酰丙氨酸(甘丙肽) H3NCHCONHCH2COO 丙氨酰甘氨酸(丙甘肽) 3种不同的氨基酸可形成6种不同的三肽 4种不同的氨基酸可形成24不同的四肽 氨基酸按不同的排列顺序可形成大量的异构体，它 们构成了自然界中种类繁多的多肽和蛋白质。 命名时以C-末端的氨基酸残基为母体，由N -端由左 至右依次称为某氨酰某氨酸。 CH3 CH2OH H3NCH2CONHCHCONHCHCOO 命名：甘氨酰丙氨酰丝氨酸(甘丙丝肽) 缩写：Gly—Ala—Ser或G—A—S 2、肽键平面 肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。 组成肽键的6个原子处于同一平面，称为肽单位(peptide unit)。 肽键一般呈反式构型。 相邻的肽键平面可围绕C旋转，肽键骨架也可视为一系列通 过C原子衔接的肽键平面所组成。 3、多肽结构测定和端基分析 测定多肽结构的一般顺序是首先确定组成多肽的氨基酸种 类和数目，然后确定肽链中氨基酸的排列顺序。 确定氨基酸在肽链中的排列顺序，往往需末端残基分析和部 分水解法配合进行。 末端残基分析法中N-端分析可用2,4-二硝基氟苯(DNFB)法、 丹磺酰氯(DNS-Cl)法和Edman降解法等，而C-端分析可采用肼 解法和羧肽酶催化水解法等。 部分水解法是采用不同的蛋白酶酶切肽链的不同部位，当 有足够的小碎片被鉴定以后，再进行组合、排列对比，找出关 键性的重叠，推断各小片断在肽链中的位置，就可能得出整个 肽链中各氨基酸残基的排列顺序。 17.5 内源性和外源性生物活性肽 在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质 的亚单位。 但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存 在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为 生物活性肽(biological active peptide)。 内源性生物活性肽：如谷胱甘肽、神经肽、催产素、 加压素、心房肽等，在生物体内游离存在。 外源性生物活性肽：微生物、动植物蛋白中分离出 的具有潜在生物活性的肽类，它们在消化酶的作用 下释放出来，以肽的形式被吸收后，参与摄食、消 化、代谢及内分泌的调节，这种非机体自身产生的 却具有生物活性的肽类称为外源性生物活性肽。 饲料和食物是外源性生物活性肽的重要来源，目前研究的主 要外源性生物活性肽有外啡肽、免疫调节肽、抗微生物肽、 抗凝血肽、抗应激肽、抗氧化肽等。 无论是从结构或从功能来说，生物活性肽是自然界中种类、 功能较复杂的一类化合物。生物活性肽在生物的生长、发育、 细胞分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗 衰老及分子进化等方面起着重要的作用，具有涉及神经、激 素和免疫调节、抗血栓、抗高血压、抗胆固醇、抗细菌病毒、 抗癌、抗氧化、清除自由基等多重功效。 生物活性肽在体内一般含量较低，但功能极其微妙，结构相 同或极为相似的活性肽，由于产生于不同器官，行使的功能 也有所不同。 从生物活性肽的组成来看，小的由二、三个氨基酸残基组成， 大的则为上百个氨基酸残基并含有由亚基组成的糖蛋白。 随着多肽的分离纯化、结构分析、化学合成、放射免疫测定、 免疫细胞化学及遗传工程等新技术的广泛应用，新的生物活 性肽不断被发现，对其功能的认识也不断增长。