第二十一章氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸

蛋白質(zhì)(protein)存在于一切細胞中。它們是構(gòu)成人體和動植物組織的基本材料，肌肉、毛發(fā)、皮膚、指甲、腱、神經(jīng)、激素、抗體、血清、血紅蛋白、酶等都是由不同蛋白質(zhì)組成的。蛋白質(zhì)在有機體中承擔著多種生物功能，它們能供給機體營養(yǎng)，輸送氧氣，控制代謝過程，防御疾病、傳遞遺傳信息，負責(zé)機械運動，執(zhí)行保護機能，等等。可以說，蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是參與體內(nèi)各種生物化學(xué)變化最重要的組分。生命的基本特征就是蛋白質(zhì)的不斷自我更新。

從化學(xué)上看，蛋白質(zhì)是氨基酸的高聚物;氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的“基石'因此要討論蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，首先要了解氨基酸。

在本章介紹與蛋白質(zhì)有密切關(guān)系的另一類生物高分子化合物——核酸。21.1氨基酸

分子中既含有氨基（—NH2)，又含有羧基（—COOH)的化合物叫氨基酸（aminoacids)。根據(jù)氨基和羧基的相對位置不同，又可分為α-，β-，γ-或δ-氨基酸。組成蛋白質(zhì)的幾乎都是α-氨基酸。一、氨基酸的結(jié)構(gòu)、分類和命名

在自然界存在的α-氨基酸(亦稱天然氨基酸）目前已經(jīng)知道的有一百多種，但組成蛋白質(zhì)的氨基酸僅二十多種（見表21-1)。

天然氨基酸常使用俗名（根據(jù)來源或性質(zhì)），例如，微具甜味的稱為甘氨酸;最初從蠶絲中得到的氨基酸叫絲氨酸;最初由一種叫天門冬的幼苗中發(fā)現(xiàn)的稱為天門冬氨酸。每種氨基酸都有縮寫符號（即英文名稱的頭三個字母）。

從表21-1中可以看出，各種氨基酸的差別主要在于R基團的不同，而R基團的結(jié)構(gòu)是多種多樣的。在有些氨基酸的R基團中含有羥基、巰基、芳環(huán)或雜環(huán)，有的氨基酸分子中含有兩個氨基或羧基。根據(jù)分子中氨基和羧基的數(shù)目可將氨基酸分為中性氨基酸（氨基和羧基數(shù)目相等）；酸性氨基酸(羧基數(shù)目大于氨基數(shù)）；堿性氨基酸(氨基數(shù)目大于羧基數(shù)）。例如：

天然氨基酸，除甘氨酸外，α碳原子都有手性，且都是L構(gòu)型。氨基酸的構(gòu)型是與乳酸相比而確定的（也就是從甘油醛導(dǎo)出來的）。例如，與L-乳酸相應(yīng)的L-丙氨酸的構(gòu)型是：

正像糖類化合物一樣，氨基酸的構(gòu)型習(xí)慣于用D,L標記法。如果用R/S法標記，那么天然氨基酸大多屬于S構(gòu)型。但也有R構(gòu)型的，如L-半胱氨酸為R構(gòu)型。二、氨基酸的性質(zhì)

氨基酸是含有氨基和羧基的雙官能團化合物，所以它們既具有羧酸的性質(zhì)，又具有胺類的性質(zhì)，同時還具有這兩種官能團相互影響而賦于它們的某些特性。1.兩性和等電點（isoelectricpoint)

氨基酸既含有堿性基團（—NH2)，又含有酸性基團（—COOH)。它們具有兩性，與強酸或強堿作用都能生成鹽。

胺與羧酸反應(yīng)很容易形成銨鹽，當氨基和羧基存在于同一分子時，可在分子內(nèi)發(fā)生質(zhì)子遷移而形成內(nèi)鹽（zwitterion):

氨基酸的某些物理和光譜性質(zhì)表明，它們是以偶極離子（dipolarion)形式存在的分子中沒有游離的—NH2或—COOH。例如，氨基酸一般在200°C以下不熔化，具有很高的熔點（實際上是分解點）。氨基酸可溶于水，而不溶于苯、醚等有機溶劑。這些都是由偶極離子結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的特性。氨基酸的紅外光譜上，沒有典型的羧基（—C00H)伸展吸收峰（1725?1700cm―1)，而只有C00-的伸展吸收峰（1650?1545cm—1）。

氨基酸偶極離子作為兩性物質(zhì)，既能從一個強酸接受一個質(zhì)子，又可向強堿給出一個質(zhì)子。

若在氨基酸的平衡水溶液中加入酸，則生成正離子2,加堿生成負離子3。當把該溶液置于電場中，在強酸性條件下，氨基酸分子主要以正離子2存在，應(yīng)向陰極移動;在強堿性條件下，氨基酸分子主要以負離子3存在，應(yīng)向陽極移動。調(diào)節(jié)pH值，使平衡水溶液中的氨基酸分子主要以偶極離子1存在，其凈電荷為零，氨基酸分子既不向陰極也不向陽極移動，此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點，簡稱pl(isoelectricpoint)。由于各種氨基酸結(jié)構(gòu)不同，酸、堿性質(zhì)不同，所以等電點也不盡相同。一般酸性氨基酸約為3，中性氨基酸約為6，堿性氨基酸約為9?11。

氨基酸等電點可由相應(yīng)氨基酸鹽酸鹽的pKa值求出。如丙氨酸鹽酸鹽，可看作一個二元酸，具有兩個平衡常數(shù)K1和K2

用堿調(diào)節(jié)丙氨酸鹽酸鹽水溶液pH值，當加入0.5mol堿時，平衡中氨基酸正離子4的濃度與偶極離子5的相同，[4]=[5]此時溶液pH值等于pK1，實際上此溶液中只有50%的偶極離子5。當加入1.5mol堿時，溶液中氨基酸偶極離子5的濃度等于負離子6，[5]=[6]此時溶液的pH值等于pK2，溶液中也含50%偶極離子5。所以使丙氨酸完全以偶極離子5存在時，pH值應(yīng)為pK1和pK2的平均值，這個pH值即為丙氨酸的等電點(pI),pI=(pK1+pK2)/2。根據(jù)表21-2數(shù)據(jù)，丙氨酸鹽酸鹽的pK1為2.3、pK2為9.7，可求出丙氨酸等電點為6.0:

又如賴氨酸的鹽酸鹽具有三個PK值，它的離解平衡可描述如下:

平衡中第二步離解可生成凈電荷為零的偶極離子，它繼續(xù)離解生成負離子的形式。根據(jù)表21-2中賴氨酸的pK值，可求出賴氨酸等電點（pI)約為9.8:

等電點是每一種氨基酸的特定常數(shù)。在等電點時，氨基酸的水溶解度最小，所以可利用不同氨基酸的等電點來進行分離提純。用電泳技術(shù)分離氨基酸正是基于不同氨基酸具有不同等電點性質(zhì)。問題21-1寫出下列氨基酸在給定PH值的離子結(jié)構(gòu)。(1)半胱氨酸(PH4.80) (2)精氨酸(PH10.95)問題21-2下列氨基酸在pH=6時，置于電場中，推測其移動方向。

(1)纈氨酸

（2)谷氨酸（3)賴氨酸2.羧基的反應(yīng)3.氨基的反應(yīng)

以上這些反應(yīng)在化學(xué)上和生物體中都很重要，例如，氨基酸和HNO2反應(yīng)，定量放出氮氣，可用來測定—NH2的含量。氨基酸和甲醛反應(yīng)可以在用酸堿滴定測羧基的含量時將氨基保護起來，避免干擾。氨基酸與2,4-二硝基氟苯的反應(yīng)可用于多肽結(jié)構(gòu)的N-端分析(見21.2節(jié)）。氨基酸氧化脫氨生成酮酸的反應(yīng)在生物體內(nèi)是在酶的催化下完成的，它是體內(nèi)蛋白質(zhì)分解代謝中的重要過程。4.與水合茚三酮的反應(yīng)

α-氨基酸與水合茚三酮在堿性溶液中加熱，發(fā)生氧化、脫氨、脫羧作用，最終生成藍紫色物質(zhì)。其反應(yīng)過程為：

這是檢驗氨基酸的靈敏方法。與水合茚三酮反應(yīng)，脯氨酸或羥脯氨酸顯黃色。

在生化實驗中，常常用紙層析、柱層析或薄層層析法分離氨基酸，當氨基酸分開后，總是利用水合茚三酮的顯色來定性或定量測定各種氨基酸。5.氨基酸的受熱反應(yīng)

氨基酸的受熱反應(yīng)與相應(yīng)的羥基酸的極為相似:α-氨基酸加熱生成交酰胺或肽（關(guān)于肽見21.2節(jié)）;β-氨基酸加熱生成α，β不飽和酸；γ-氨基酸加熱生成內(nèi)酰胺。

三、氨基酸的來源與合成

氨基酸不僅是組成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元，而且它們本身也是人體生長的重要營養(yǎng)物質(zhì)，具有特殊的生理作用，因此氨基酸的生產(chǎn)和應(yīng)用早就得到人們的重視。

生產(chǎn)氨基酸主要有以下四條途徑:1.蛋白質(zhì)的水解

由蛋白質(zhì)水解制備氨基酸是從1820年開始的,這是一個最古老的方法。味精早期就是由小麥蛋白質(zhì)—面筋水解得到。胱氨酸、半咣氨酸是由頭發(fā)水解制得的。

蛋白質(zhì)水解法的缺點是分離比較困難，因為水解時所得到的總是各種氨基酸的混合物。2.微生物發(fā)酵法

該法是以糖質(zhì)原料(如淀粉、果糖、蔗糖)或以石油及其制品（如石蠟油、煤油、乙醇、醋酸)

為主要碳源，在其他氮、磷、鉀等物質(zhì)存在下,經(jīng)過微生物發(fā)酵時生成氨基酸。1957年開始用該法生產(chǎn)谷氨酸（味精），目前谷氨酸發(fā)酵工藝生產(chǎn)的谷氨酸占世界年總產(chǎn)量(20萬噸）中的大部分。微生物發(fā)酵法的原料價廉，在大多數(shù)情況下，由于細菌的特異作用，能直接得到L型氨基酸,無須再進行外消旋體的拆分。3.酶法

在酶的作用下，可將一定原料轉(zhuǎn)化成L-氨基酸。酶法的特點是酶的催化選擇性很強，生產(chǎn)過程簡單，周期短，成本低，產(chǎn)率高，副產(chǎn)物少。目前利用酶法生產(chǎn)的氨基酸有L-丙氨酸,L-天門冬氨酸，L-賴氨酸,L-色氨酸，L-鳥氨酸等。4.合成法

為了經(jīng)濟、大量地生產(chǎn)氨基酸，還需要用化學(xué)合成法。合成氨基酸的主要方法有以下幾種：

在這種反應(yīng)中，常常有仲、叔胺衍生物生成，不易得到純的產(chǎn)品。但在使用大量過量氨的情況下還是可以得到一定產(chǎn)率的氨基酸。例如：(6)氨基酸手性合成

用上述方法獲得的氨基酸都是外消旋體，只有經(jīng)過拆分才能得到L或D構(gòu)型氨基酸。氨基酸不對稱合成近年來發(fā)展很快，例如，利用膦銠手性絡(luò)合催化劑可得到L或D構(gòu)型的氨基酸，有的光學(xué)產(chǎn)率可達100%。最常用的催化劑是R-1，2-雙（二苯基膦基）丙烷和銠的絡(luò)合物,R-1,2-雙（二苯基膦基）丙烷可被叫做R-prophose，它可作為配基。當用R-prohose與降冰片二烯反應(yīng)后，可生成手性銠絡(luò)合物，在溶劑（如乙醇）中用氫處理，

可得到氨基酸不對稱合成的手性催化劑，其分子式為[Rh(R-prophose)(H2)(C2H5OH)2]+。當2-乙酰氨基丙烯酸在這個催化劑存在下氫化，可產(chǎn)生L-乙酰氨基丙酸，經(jīng)水解得到L-丙氨酸。由于催化劑是手性的，加氫過程具有立體選擇性，可成功地完成這個不對稱合成。

當采用3位有取代基的(Z)-乙酰氨基丙烯酸時，利用這個膦銠催化劑的手性誘導(dǎo)作用經(jīng)上述步驟可合成其他L-氨基酸。

在氨基酸手性合成中貢獻最大的科學(xué)家之一是Knowks，他不僅在1968年首次合成出了催化氫化的催化劑，并不斷地