第十九章氨基酸,肽和蛋白质
Amino Acids,Peptides and
Protein
本章主要内容一、氨基酸 (Amino Acid)（重点内容）
（一）结构特点
（二）20 种基本氨基酸
（三）氨基酸的特性
（四）氨基酸的合成与拆分二、肽 (Peptides)
三、蛋白质 (Proteins)（ 简述 ）
一,Amino Acid
z 分子中既含有氨基，又含有羧基的化合物统称为氨基酸。
CH
3
CHCOOH
COOH
NH
2
NH
2
NH
2
CH
2
CH
2
COOH
NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
COOH
α-amino acid β-amino acid
γ-amino acid
o-amino benzoic acid
z 组成肽和蛋白质的结构单元分子
—— α- amino Acid
一,Amino Acids
（一） Configuration
H
2
N H
COOH
R
H NH
2
COOH
R
L-α-amino acid
D-α-amino acid
When R ≠ H,α-C is a chiral carbon,there
are two stereoisomers (D and L- α-amino acid)
The amino acids in protein molecules are the
L- α - amino acids.
20 standard amino acids in proteins
（二） 20 standard amino acids
+
H
3
N
COO
-
H
+
H
2
N
COO
-
H
+
H
3
N
COO
-
H
CH
3
+
H
3
N
COO
-
H
CH(CH
3
)
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH(CH
3
)
CH(CH
3
)
2
CH
2
CH
3
Glycine (Gly)
Alanine (Ala) Valine (Val)
Leucine (Leu) Isoleucine (Ile)
Proline (Pro)
甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸脯氨酸
1,Nonpolar,aliphalic R groups (6)
*
肽链的骨架变化一、氨基酸 (Amino Acids)
（二） 20 standard amino acids
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
Phenylalanine (Phe)
Tyrosine (Tyr) Tryptophan (Try)
苯丙氨酸酪氨酸色氨酸
2,Aromatic R groups (3)
N
H
OH
UV 特征吸收,λ = 280 nm
（二） 20 standard amino acids
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
OH
+
H
3
N
COO
-
H
CHOH
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
SH
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
SCH
3
CONH
2
Serine (Ser) Threonine (Thr)
Cysteine (Cys)
Methionine (Met) Asparagine (Asn) Glutamine (Gln)
丝氨酸苏氨酸半胱氨酸甲硫氨酸（蛋氨酸）
门冬酰胺谷氨酰胺
3,Polar,uncharged R groups (6)
CH
3
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
CONH
2
一,Amino Acids
（二） 20 standard amino acids
Acidic amino acids——containing two carboxylic groups
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
COO
-
Aspartate (Asp)
Glutamate(Glu)
门冬氨酸谷氨酸
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
COO
-
4,Negatively charged R groups (2)
（二） 20 standard amino acids
Basic amino acids —— containing two amino groups
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
Lysine (Lys) Arginine (Arg)
赖氨酸精氨酸
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
CH
2
5,Positively charged R groups (3)
CH
2
CH
2
NH
3
+
NH
C
NH
2
NH
2
+
+
H
3
N
COO
-
H
H
2
C
HN
NH
guanidino
imidazole
Histidine
组氨酸
Histidine (酸碱催化中的重要氨基酸 )
COO
H
CH
2
H
3
N
COO
H
H
2
C
H
3
N
pK
a
=6.00
HNN NNH
COO
H
H
2
C
H
3
N
HNNH
+
COO
H
H
2
C
H
3
N
+
HNNH
H
+
-H
+
Essential amino acids
z The amino acids that must obtain from
our diets because we either cannot
synthesize them at all or cannot
synthesize them in adequate amounts
z 10 essential amino acids:
Val,Leu,Ile,Thr,Met,Lys,Arg,Phe,
His,Try
一,Amino Acids
（三） Properties of Amino Acids
1,旋光性 (optical activity)
2,酸碱性 (acid-base properties)
(1) 氨基酸既是酸又是碱
+
H
3
N CH
COO
-
R
物理性质：
① 高 熔点固体；
② 易 溶于水，不溶于非极性溶剂。
氨基酸在结晶状态或在接近中性的溶液中，是以两性离子 (dipolar ion) 的形式存在的。是一种内盐 (inner salt)。
2,酸碱性（ Acid-Base Properties）
(1) 氨基酸既是酸又是碱
Amino acid act either as an acid (proton donor)
RCCOO
-
NH
3
+
H
RCCOO
-
NH
2
H
+
H
+
Amino acid act either as an base (proton acceptor)
R C COO
-
NH
3
+
H
R C COOH
NH
3
+
H
+
H
+
Amino acids are ampholytes (两性电解质 )。
2,酸碱性（ Acid-Base Properties）
(2) Isoelectric Point (氨基酸的等电点 )
RCCOO
-
NH
3
+
H
I
11
+
RCCOO
-
NH
2
H
III
1
Low pH
High pH
OH
-
H
+
K
1
RCCOOH
NH
3
+
H
II
1
OH
-
H
+
K
2
如果在某一 pH 值下，氨基酸所带正电荷的数目与负电荷的数目正好相等，即 净电荷为零,则称该 pH 值为该氨基酸的 等电点 (pI)。
① pI 与解离常数 pK间的关系
Neutral amino acids,pI = (pK
1
+ pK
2
)/2
Acidic amino acids,pI = (pK
1
+ pK
RCOOH
)/2
Basic amino acids,pI = (pK
1
+ pK
RNH2
)/2
2.酸碱性（ Acid-Base Properties）
(2) Isoelectric Point
② 等电点时,amino acids 几乎全部以两性离子 I 的形式存在,并伴以极少量、严格相等的 II 和 III。
③ 处 于等电点的氨基酸，其溶解度最小。
Titration Curve and pI
Calculation of pI (1)
H
C COOH NH
3
H
C COO NH
2
H
C COO
pK
1
pK
2
low pH pI high pH
电荷
1 1 1 1
编号
ⅡⅠⅢ
H
3
N
CH
3
CH
3
CH
3
Calculation of pI (2)
N
+
H
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOOH
NH
3
pK
1
N
+
H
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
3
pK
2
N
+
H
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
2
pK
NH2
NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
2
2
2 1
1 1
1
Calculation of pI (3)
HOOCCH
2
CH
2
CHCOOH
NH
3
pK
1
HOOCCH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
3
pK
COOH
-OOCCH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
3
pK
2
-OOCCH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
2
22 1
1 1
1
(2) Isoelectric Point
④纸电泳 (Paper electrophoresis)
pH < pI,样品带 正电荷,样品点向 阴 极移动
pH > pI,样品带 负电荷,样品点向 阳 极移动
pH = pI,样品 不带电荷,样品点 不移动
(2) Isoelectric Point
例题与习题现在有四个氨基酸：苯丙氨酸 pI=5.5、脯氨酸 pI=6.3、门冬氨酸 pI=2.8和赖氨酸 pI=9.7，请问在以下 pH条件下进行电泳，各氨基酸的主要存在形式是什么？在外电场作用下，
移向阳极还是阴极？
苯丙氨酸 脯氨酸 门冬氨酸 赖氨酸
（ 1） pH=7.0
（ 2） pH=6.0
（ 3） pH=5.0
（ 4） pH=2.0
负阳 极 负 阳 极 负阳 极 正阴 极负阳 极 正阴 极 负阳 极 正阴 极正阴 极 正 阴 极 负阳 极 正阴 极正阴 极 正 阴 极 正阴 极 正 阴 极
3,Chemical Reactions of Amino Acids
1) α-氨基酸的特殊反应：
① 分 子间失水
H
3
C
NH
2
C
O
OH
HO
O
NH
2
CH
3
+
HN
NH
O
O
H
3
C
CH
3
+ 2 H
2
O
② 茚 三酮反应 （ 鉴别反应 ）
O
O
OH
OH
RCCOO
-
NH
3
+
H
O
O
N
O
-
O
+
Ninhydrin
α-amino acid
Purple product (or yellow for Pro)
3,Chemical Reactions of Amino Acids
2) 合成中的 α-氨基酸的保护反应：
① 羧 基的保护
H
2
N
C
O
O
proline
CH
2
Ph OH
HCl(气体)
H
2
N
C
O
OCH
2
Ph
CHH
3
N
CH
2
Ph
C
O
OCH
2
Ph
H
2
，Pd
CHH
3
N
CH
2
Ph
COO
H
3
C
+
phenylalamine benzyl ester phenylalamine toluene
3,氨基酸的化学反应
2) 合成中的 α-氨基酸的保护反应：
② 氨 基的保护
CHH
2
N
CH
2
CH(CH
3
)
2
COOH
leucine
C
O
ClPhCH
2
O
CH
H
N
CH
2
CH(CH
3
)
2
COOHC
O
PhCH
2
O
N-benzyloxycarbonyl leucine
CH
2
O C
O
NHCHC
CH
3
O
Val Phe NH
2
CHC
CH
3
O
Val Phe
+ CO
2
+ CH
3
H
2
/Pd
4,Synthesis of Amino acid
1) 还原氨化法
2) α-卤代酸的氨化
3) Gabriel-丙二酸酯合成法
4) Strecker合成法消旋产物
4,Synthesis of Amino acid
1) 还原氨化法 ——实际是一步完成，又称为仿生合成
CR
O
COO
α-酮酸
(α-ketoacid)
+
NH
3
(过量)
CR COO
NH
NH
4
亚胺(imine)
H
2
/Pd
CHR
NH
2
COO
(D，L)-α-amino acid
CPhCH
2
COOH
O
3-phenyl-2-oxopropanoic acid
NH
3
，H
2
/Pd
CHPhCH
2
NH
2
COO NH
4
(D，L)-phenylalanine(ammonium salt)
(30%)
CHOOCCH
2
CH
2
COO
O
+
NH
4
N
HH
CNH
2
sugar
2-ketoglutaric acid
+
O
+ H
enzyme
CHHOOCCH
2
CH
2
NH
3
COO +
L-glutamic acid
N
H
sugar
NH
2
O
NAD
+
H
2
O
NADH
与生物合成极为相似
4,Synthesis of Amino acid
2） α -卤代酸的氨化
CRH
2
C OH
O
carboxylic acid
(1)Br
2
/PBr
3
(2)H
2
O
CRHC OH
OBr
α-bromo acid
NH
3
(大大过量)
(D，L)-α-amino acid
(ammoniusm salt)
CHC O
O
R
NH
2
NH
4
采用大大过量的氨邻位羧基的影响，降低了 α -氨基的亲核性能因此，反应可以得到很好地控制
4,Synthesis of Amino acid
3） Gabriel-丙二酸酯合成法
CH
COOC
2
H
5
COOC
2
H
5
Br
N
N
O
O
K
O
O
CH
COOEt
COOEt
N
O
O
C
COOEt
COOEt
R
(1)OH
-
(2)RX
H
+
，H
2
O
C
COOH
COOH
RH
3
N
CO
2
加热
CHH
3
N
R
COOH
(L，D)-α-amino acid
用这种方法可以得到其他合成方法难以得到的 α -氨基酸，如甲硫氨酸（蛋氨酸）
4,Synthesis of Amino acid
4） Strecker合成法 —— 最早发现的合成方法
CH
3
CHO + NH
3
+
HCN
H
2
O
CH
3
C H
CN
NH
2
H
3
O
+
CH
3
C H
COOH
NH
3
(D，L)-alamine(60%)
反应机理如下：
CR H
O
+
NH
3
aldehyde
H
+
imine
- H
2
O
CR H
N H
HCN
CR H
N
H H
CN
CR H
CN
NH
2
α-amino nitrile
H
3
O
+
CR
COOH
H
NH
3
（D，L）-α-amino acid(acidic form)
5,Resolution of D- and L-Amino acids
L-amino acid
D-amino acid
+纯手性碱(或酸)
L-氨基酸盐
D-氨基酸盐分离(重结晶，色谱法等)
化学法非对映异构体
COOH
H
2
N
R
H
H NH
2
R
COOH
L-AA
D-AA
COOH
H
R
H
3
CCHN
H
COOH
NHCCH
3
R
O
O
acylase
COOH
H
2
N
R
H
COOH
H
R
NHCCH
3
L-AA
acetyl-D-AA
O
racemic amino acid
(CH
3
CO)
2
O
酶法
6,Asymmetric Synthesis of
D- and L-α-Amino acids
例 1,Corey 法 ——利用不对称前体合成方法
NY
X
H
2
NOH
*
NY
X
N
CC
O
OR
*
Hydrogenation
NY
X
N
CC
O
O
H
R
H
*
*
Hydrogenolysis
H
2
NCH
R
COOH
*
+
NY
X
HOH
*
Hydrazonolactone
Optical pure amino acid
..,.
CC
OO
ROH
H
2
O
6,Asymmetric Synthesis of
D- and L-α-Amino acids
例 2：利用铑催化剂的不对称催化氢化反应
OPPh
2
OPPh
2
Rh
+
BF
4
R
3
COOR
1
NHR
2
H
2
催化剂R
3
COOR
1
NHR
2
*
H,H
2
O
+
R
3
COOH
NH
2
蒋氏催化剂
*讨论题,查阅文献，了解手性纯氨基酸的合成研究进展，小结主要的不对称合成途径。
二、肽 (Peptides)
?Peptides —— 由两个以上氨基酸通过肽键（酰胺键）连接起来的化合物。
二肽（ dipeptide）,2 amino acid residues
寡肽（ oligopeptide ）,2~10 amino acid residues
多肽（ polypeptide ）,> 10 amino acid residues
蛋白质（ protein ）,molecular weight > 10 Kd’
二、肽 (Peptides)
? 自然界存在多种肽类物质，如：
青霉素 短 杆菌肽 S
N
HOOC
H
N R
O
O
S
Penicilline
L-Val
D-Cys
脑啡肽
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu leucine enkephalin
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met methionine enkephalin
L-ValD-Orn
L-pro
D-Phe
L-Leu
L-OrnL-Val
L-Pro
L-Phe
L-Lue
gramicidin S
二、肽 (Peptides)
?肽的结构特征,Peptide bond —— 一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基失去一分子水而形成的酰胺键。
H
2
NCC
OH
H
R
1
O
N
H
C COOH
H
R
2
H
H
2
NCC
H
R
1
O
HN C COOH
H
R
2
peptide bond
H
2
O
?任何羧酸的羧基与任何胺的氨基形成的酰胺键是肽键吗？
Peptide Bonds
肽键的平面特征二、肽 (Peptides)
? 肽链的氨基酸顺序与命名
+
H
3
NHCC NHCH
2
C
NHCHC NHCHC NHCHCOO
-
O
CH
3
O
CH
2
CH
2
O
O
HOH
2
C
CH(CH
3
)
2
OH
Ser
Gly Tyr
Ala Leu
N-terminate
C-terminate
命名以 C-端氨基酸为母体丝氨酰 -甘氨酰 -色氨酰 -丙氨酰 -亮氨酸思考题,Are Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu and Leu-Ala-Tyr-
Gly-Ser same peptides?
二、肽 (Peptides)
?二硫键 Disulfide bond —— The S-S
bond in disulfide.
RSH2
氧化硫醇二硫化物
RS SR
R SH2
还原
RS SR
巯基
Disulfide Bonds
Hair:
Straight
or curly?
烫发的过程是一个旧二硫键还原打开而后又氧化形成新的二硫键过程二、肽 (Peptides)
? Determining the structure of peptides
1,氨基酸组分分析
2,氨基酸顺序分析纯多肽或蛋白质二硫键的拆分各条肽链选择性水解
(至少两种方法)
小肽段氨基酸顺序分析各肽段的氨基酸顺序
(至少两组)
叠加法肽链的氨基酸顺序肽中氨基酸组分分析
—— The number and kinds of amino acids
—— 6 N HCl,heating at 100
o
C for 24 h
—— automated amino acid analyzer
Amino Acids Analyzer
肽中氨基酸顺序分析
—— 从 N-端测序,Edman降解法：可用于自动测序
N C S
PITC
N
H
CHH
R
1
C
O
NH CH
R
2
C
O
+
N-端氨基酸第一步
CHN
NH
S
Ph
CH
R
1
C NH
O
CH
R
2
C
O
HN
C
CH
NH
R
1
C
S
O
Ph
NH CH
R
2
C
O
HN
CH C
N
S
R
1
O
NH
H
CH
Ph
R
2
C
O
HN
CH
N
S
O
Ph
R
1
+ CHNh
2
R
2
C
O
第二步第三步
PTH=苯乙内酰硫脲 (phenylthiohydrantoin)
PTH-氨基酸
PITC=异硫氰酸苯脂(phenyl isothiocyanate)
HF
H
+
适用于 50肽肽中氨基酸顺序分析
—— C-端氨基酸残基的分析：羧肽酶羧肽酶是肽链外切酶（ exopeptidase），即它专门催化水解肽链末端（即 C-端）的肽键。
CHHN
R
1
C NH
O
CH
R
2
C NH
O
CH
R
3
C O
O
羧肽酶断裂位点羧肽酶 A水解断裂那些不是 Arg和 Lys的 C-端氨基酸羧肽酶 B则仅水解断裂 C-端为 Arg或 Lys的氨基酸肽中氨基酸顺序分析
—— 多肽链的选择性水解：酶法和化学法化学法 ——溴化氰水解法，选择性切割甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。
CHHN
CH
2
C
CH
2
NH
O
SH
3
C
CH
R
C
O
+
CBr N
δ
+
δ
-
SCNH
3
C
-Br
-
+H
2
O
HC
H
2
C
H
2
C
O
C
HNHC
HN NH CH
R
C
O
+ CHH
3
N
R
C
O
高丝氨酸内酯
(homoserine lactone)
CHHN
CH
2
C
CH
2
NH
O
SH
3
C
CH
R
C
O
C N
O
O
肽中氨基酸顺序分析
—— 采用重叠法得出整个肽链的氨基酸顺序
T-1
T-2
T-3
T-4
GASMALIK
NGAAWHDFNPIDPR
QCVHSDWLIACGPMTK
T-2
T-3
placed at N-terminus
palced at C-terminus
C-1
C-2
C-3NGAAWHDFNPIDPRGASM
TKQCVHSD
ALIKWLIACGPM
NGAAWHDFNPIDPRGASMALIKWLIACGPMTKQCVHSDN-terminus C-terminus
T-2
T-3T-4T-1
C-1 C-3 C-2
disulfide
二、肽 (Peptides)
?Preparation of Peptides
There are three ways to obtain a peptides:
1 Purification from tissue
2 Genetic engineering
3 Direct chemical synthesis（化学合成）
—— to synthesize Asp-Phe-OMe
(Aspartame or NutraSweet,150 sweeter than sucrose)
Asp
+Phe
DCC
1,Asp-Phe
2,Phe-Asp
3,Asp-Asp
4,Phe-Phe
5,β-Asp-Phe
Chemical Synthesis of Peptides
—— 经典合成法
N-端氨基保护 羧基的活化 与第二个氨基酸偶联再活化羧基 与第三个氨基酸偶联
……..去保护
benzyl choroformate
CH
2
O C
O
Cl +CHH
2
N
CH
3
C
O
OH
Ala
CH
2
O C
O
NH CH
CH
3
COH
O
+ HCl
氯代甲酸苄基酯
(Z-Cl) Z-Ala
苄氧羰基(carbobenzoxy group)，简称Cbz或Z
NHCHZ
CH
3
CO
O
+ NHCHZ
CH
3
CO
O N
C
HN
proton
transfer
DCC
亚胺酯(imidate)
protected
activated
C
N
N
C
N
NH
OCCHNH
2
O
CH(CH
3
)
2
+
NHCHZ C
N
C
HN
O
CH
3
CH
NH
(H
3
C)
2
HC
CO
O
O H
tetrahedral intermediate
NHCHZ C
CH
3
O
NHCHCO
CH(CH
3
)
2
O
+
HN
C
HN
O
Z-Ala-Val dicyclohexylurea
new peptide bond
......
Chemical Synthesis of Peptides
—— Solid-Phase Peptide Synthesis
(1962,R,Bruce Merrifield)
CH
2
Cl
CH
2
OOCCHNH-tBoc
CHNH
R
1
-
OOC tBoc
R
1
cold CF
3
COOH
CH
2
OOCCHNH
3
+
R
1
CH
2
OOCCHNHCOCHNH-tBoc
R
1
CHNH
R
2
-
OOC tBoc
R
2
cold CF
3
COOH
HF Hydrolysis -
OOCCHNHCOCHNHCO
R
1
R
2
(From C-terminate
to N-terminate)
Insoluble
polystyrene bead
Chemical Synthesis of Peptides
—— Solid-Phase Peptide Synthesis
(1962,R,Bruce Merrifield)
AB
C
D
E
固相合成示意图
Chemical Synthesis of Peptides
——组合合成法：一次合成多种肽的混合物（多肽库）
混合裂分法三次合成就得到 27个三肽的三种混合物库
Chemical Synthesis of Peptides
——组合合成法：一次合成多种肽的混合物（多肽库）
光印迹法（光控合成法或光定向法）
紫外光照后后切除保护基，得到的自由氨基可以进一步反应光印迹法（光控合成法或光定向法）
采用蒙板覆盖控制 UV灯照射区域，则在定点区域发生反应光印迹法（光控合成法或光定向法）
多次改换蒙板覆盖区域，则得到不同区域的不同的多肽化合物
Biosynthesis of Peptides
Amino acid sequences can be deduced
from DNA sequences,Each amino acid is
encoded by a specific sequence of three
nucleotides (triplet) known as the genetic
code.
DNA mRNA Protein
transcription
tRNA
translation
三、蛋白质（ Proteins)
? Primary structure of proteins
—— the sequence of amino acids in
the chain abd the location of aa the
disulfide bridges
三、蛋白质（ Proteins)
? Secondary structure of proteins
—— the conformation of segments of
the backbone chain of a protein.
—— stabilized by hydrogen bonds
—— α-helix：由链内氢键维系
—— β-pleated sheet：由链间氢键维系
Secondary
structure
三、蛋白质（ Proteins)
? Tertiary structure of proteins
—— the three-dimensional arrangement
of all the atoms in the protein.
—— stabilized by disulfide bonds,
hydrogen bonds,electrostatic
attractions,hydrophobic interactions
三、蛋白质（ Proteins)
? Quaternary structure of proteins
—— the way the subunits are arranged
in space.
—— held by hydrogen bonds,
electrostatic attractions,hydrophobic
interactions
—— monomer,dimer,trimer,tetramer,
hexamer,etc.
本章主要内容一、氨基酸 (Amino Acid)（重点内容）
（一）结构特点
（二）20 种基本氨基酸
（三）氨基酸的特性
（四）氨基酸的合成与拆分二、肽 (Peptides)
三、蛋白质 (Proteins)（ 简述 ）
Amino Acids,Peptides and
Protein
本章主要内容一、氨基酸 (Amino Acid)（重点内容）
（一）结构特点
（二）20 种基本氨基酸
（三）氨基酸的特性
（四）氨基酸的合成与拆分二、肽 (Peptides)
三、蛋白质 (Proteins)（ 简述 ）
一,Amino Acid
z 分子中既含有氨基，又含有羧基的化合物统称为氨基酸。
CH
3
CHCOOH
COOH
NH
2
NH
2
NH
2
CH
2
CH
2
COOH
NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
COOH
α-amino acid β-amino acid
γ-amino acid
o-amino benzoic acid
z 组成肽和蛋白质的结构单元分子
—— α- amino Acid
一,Amino Acids
（一） Configuration
H
2
N H
COOH
R
H NH
2
COOH
R
L-α-amino acid
D-α-amino acid
When R ≠ H,α-C is a chiral carbon,there
are two stereoisomers (D and L- α-amino acid)
The amino acids in protein molecules are the
L- α - amino acids.
20 standard amino acids in proteins
（二） 20 standard amino acids
+
H
3
N
COO
-
H
+
H
2
N
COO
-
H
+
H
3
N
COO
-
H
CH
3
+
H
3
N
COO
-
H
CH(CH
3
)
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH(CH
3
)
CH(CH
3
)
2
CH
2
CH
3
Glycine (Gly)
Alanine (Ala) Valine (Val)
Leucine (Leu) Isoleucine (Ile)
Proline (Pro)
甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸脯氨酸
1,Nonpolar,aliphalic R groups (6)
*
肽链的骨架变化一、氨基酸 (Amino Acids)
（二） 20 standard amino acids
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
Phenylalanine (Phe)
Tyrosine (Tyr) Tryptophan (Try)
苯丙氨酸酪氨酸色氨酸
2,Aromatic R groups (3)
N
H
OH
UV 特征吸收,λ = 280 nm
（二） 20 standard amino acids
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
OH
+
H
3
N
COO
-
H
CHOH
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
SH
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
SCH
3
CONH
2
Serine (Ser) Threonine (Thr)
Cysteine (Cys)
Methionine (Met) Asparagine (Asn) Glutamine (Gln)
丝氨酸苏氨酸半胱氨酸甲硫氨酸（蛋氨酸）
门冬酰胺谷氨酰胺
3,Polar,uncharged R groups (6)
CH
3
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
CONH
2
一,Amino Acids
（二） 20 standard amino acids
Acidic amino acids——containing two carboxylic groups
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
COO
-
Aspartate (Asp)
Glutamate(Glu)
门冬氨酸谷氨酸
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
COO
-
4,Negatively charged R groups (2)
（二） 20 standard amino acids
Basic amino acids —— containing two amino groups
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
Lysine (Lys) Arginine (Arg)
赖氨酸精氨酸
+
H
3
N
COO
-
H
CH
2
CH
2
CH
2
5,Positively charged R groups (3)
CH
2
CH
2
NH
3
+
NH
C
NH
2
NH
2
+
+
H
3
N
COO
-
H
H
2
C
HN
NH
guanidino
imidazole
Histidine
组氨酸
Histidine (酸碱催化中的重要氨基酸 )
COO
H
CH
2
H
3
N
COO
H
H
2
C
H
3
N
pK
a
=6.00
HNN NNH
COO
H
H
2
C
H
3
N
HNNH
+
COO
H
H
2
C
H
3
N
+
HNNH
H
+
-H
+
Essential amino acids
z The amino acids that must obtain from
our diets because we either cannot
synthesize them at all or cannot
synthesize them in adequate amounts
z 10 essential amino acids:
Val,Leu,Ile,Thr,Met,Lys,Arg,Phe,
His,Try
一,Amino Acids
（三） Properties of Amino Acids
1,旋光性 (optical activity)
2,酸碱性 (acid-base properties)
(1) 氨基酸既是酸又是碱
+
H
3
N CH
COO
-
R
物理性质：
① 高 熔点固体；
② 易 溶于水，不溶于非极性溶剂。
氨基酸在结晶状态或在接近中性的溶液中，是以两性离子 (dipolar ion) 的形式存在的。是一种内盐 (inner salt)。
2,酸碱性（ Acid-Base Properties）
(1) 氨基酸既是酸又是碱
Amino acid act either as an acid (proton donor)
RCCOO
-
NH
3
+
H
RCCOO
-
NH
2
H
+
H
+
Amino acid act either as an base (proton acceptor)
R C COO
-
NH
3
+
H
R C COOH
NH
3
+
H
+
H
+
Amino acids are ampholytes (两性电解质 )。
2,酸碱性（ Acid-Base Properties）
(2) Isoelectric Point (氨基酸的等电点 )
RCCOO
-
NH
3
+
H
I
11
+
RCCOO
-
NH
2
H
III
1
Low pH
High pH
OH
-
H
+
K
1
RCCOOH
NH
3
+
H
II
1
OH
-
H
+
K
2
如果在某一 pH 值下，氨基酸所带正电荷的数目与负电荷的数目正好相等，即 净电荷为零,则称该 pH 值为该氨基酸的 等电点 (pI)。
① pI 与解离常数 pK间的关系
Neutral amino acids,pI = (pK
1
+ pK
2
)/2
Acidic amino acids,pI = (pK
1
+ pK
RCOOH
)/2
Basic amino acids,pI = (pK
1
+ pK
RNH2
)/2
2.酸碱性（ Acid-Base Properties）
(2) Isoelectric Point
② 等电点时,amino acids 几乎全部以两性离子 I 的形式存在,并伴以极少量、严格相等的 II 和 III。
③ 处 于等电点的氨基酸，其溶解度最小。
Titration Curve and pI
Calculation of pI (1)
H
C COOH NH
3
H
C COO NH
2
H
C COO
pK
1
pK
2
low pH pI high pH
电荷
1 1 1 1
编号
ⅡⅠⅢ
H
3
N
CH
3
CH
3
CH
3
Calculation of pI (2)
N
+
H
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOOH
NH
3
pK
1
N
+
H
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
3
pK
2
N
+
H
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
2
pK
NH2
NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
2
2
2 1
1 1
1
Calculation of pI (3)
HOOCCH
2
CH
2
CHCOOH
NH
3
pK
1
HOOCCH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
3
pK
COOH
-OOCCH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
3
pK
2
-OOCCH
2
CH
2
CHCOO
-
NH
2
22 1
1 1
1
(2) Isoelectric Point
④纸电泳 (Paper electrophoresis)
pH < pI,样品带 正电荷,样品点向 阴 极移动
pH > pI,样品带 负电荷,样品点向 阳 极移动
pH = pI,样品 不带电荷,样品点 不移动
(2) Isoelectric Point
例题与习题现在有四个氨基酸：苯丙氨酸 pI=5.5、脯氨酸 pI=6.3、门冬氨酸 pI=2.8和赖氨酸 pI=9.7，请问在以下 pH条件下进行电泳，各氨基酸的主要存在形式是什么？在外电场作用下，
移向阳极还是阴极？
苯丙氨酸 脯氨酸 门冬氨酸 赖氨酸
（ 1） pH=7.0
（ 2） pH=6.0
（ 3） pH=5.0
（ 4） pH=2.0
负阳 极 负 阳 极 负阳 极 正阴 极负阳 极 正阴 极 负阳 极 正阴 极正阴 极 正 阴 极 负阳 极 正阴 极正阴 极 正 阴 极 正阴 极 正 阴 极
3,Chemical Reactions of Amino Acids
1) α-氨基酸的特殊反应：
① 分 子间失水
H
3
C
NH
2
C
O
OH
HO
O
NH
2
CH
3
+
HN
NH
O
O
H
3
C
CH
3
+ 2 H
2
O
② 茚 三酮反应 （ 鉴别反应 ）
O
O
OH
OH
RCCOO
-
NH
3
+
H
O
O
N
O
-
O
+
Ninhydrin
α-amino acid
Purple product (or yellow for Pro)
3,Chemical Reactions of Amino Acids
2) 合成中的 α-氨基酸的保护反应：
① 羧 基的保护
H
2
N
C
O
O
proline
CH
2
Ph OH
HCl(气体)
H
2
N
C
O
OCH
2
Ph
CHH
3
N
CH
2
Ph
C
O
OCH
2
Ph
H
2
，Pd
CHH
3
N
CH
2
Ph
COO
H
3
C
+
phenylalamine benzyl ester phenylalamine toluene
3,氨基酸的化学反应
2) 合成中的 α-氨基酸的保护反应：
② 氨 基的保护
CHH
2
N
CH
2
CH(CH
3
)
2
COOH
leucine
C
O
ClPhCH
2
O
CH
H
N
CH
2
CH(CH
3
)
2
COOHC
O
PhCH
2
O
N-benzyloxycarbonyl leucine
CH
2
O C
O
NHCHC
CH
3
O
Val Phe NH
2
CHC
CH
3
O
Val Phe
+ CO
2
+ CH
3
H
2
/Pd
4,Synthesis of Amino acid
1) 还原氨化法
2) α-卤代酸的氨化
3) Gabriel-丙二酸酯合成法
4) Strecker合成法消旋产物
4,Synthesis of Amino acid
1) 还原氨化法 ——实际是一步完成，又称为仿生合成
CR
O
COO
α-酮酸
(α-ketoacid)
+
NH
3
(过量)
CR COO
NH
NH
4
亚胺(imine)
H
2
/Pd
CHR
NH
2
COO
(D，L)-α-amino acid
CPhCH
2
COOH
O
3-phenyl-2-oxopropanoic acid
NH
3
，H
2
/Pd
CHPhCH
2
NH
2
COO NH
4
(D，L)-phenylalanine(ammonium salt)
(30%)
CHOOCCH
2
CH
2
COO
O
+
NH
4
N
HH
CNH
2
sugar
2-ketoglutaric acid
+
O
+ H
enzyme
CHHOOCCH
2
CH
2
NH
3
COO +
L-glutamic acid
N
H
sugar
NH
2
O
NAD
+
H
2
O
NADH
与生物合成极为相似
4,Synthesis of Amino acid
2） α -卤代酸的氨化
CRH
2
C OH
O
carboxylic acid
(1)Br
2
/PBr
3
(2)H
2
O
CRHC OH
OBr
α-bromo acid
NH
3
(大大过量)
(D，L)-α-amino acid
(ammoniusm salt)
CHC O
O
R
NH
2
NH
4
采用大大过量的氨邻位羧基的影响，降低了 α -氨基的亲核性能因此，反应可以得到很好地控制
4,Synthesis of Amino acid
3） Gabriel-丙二酸酯合成法
CH
COOC
2
H
5
COOC
2
H
5
Br
N
N
O
O
K
O
O
CH
COOEt
COOEt
N
O
O
C
COOEt
COOEt
R
(1)OH
-
(2)RX
H
+
，H
2
O
C
COOH
COOH
RH
3
N
CO
2
加热
CHH
3
N
R
COOH
(L，D)-α-amino acid
用这种方法可以得到其他合成方法难以得到的 α -氨基酸，如甲硫氨酸（蛋氨酸）
4,Synthesis of Amino acid
4） Strecker合成法 —— 最早发现的合成方法
CH
3
CHO + NH
3
+
HCN
H
2
O
CH
3
C H
CN
NH
2
H
3
O
+
CH
3
C H
COOH
NH
3
(D，L)-alamine(60%)
反应机理如下：
CR H
O
+
NH
3
aldehyde
H
+
imine
- H
2
O
CR H
N H
HCN
CR H
N
H H
CN
CR H
CN
NH
2
α-amino nitrile
H
3
O
+
CR
COOH
H
NH
3
（D，L）-α-amino acid(acidic form)
5,Resolution of D- and L-Amino acids
L-amino acid
D-amino acid
+纯手性碱(或酸)
L-氨基酸盐
D-氨基酸盐分离(重结晶，色谱法等)
化学法非对映异构体
COOH
H
2
N
R
H
H NH
2
R
COOH
L-AA
D-AA
COOH
H
R
H
3
CCHN
H
COOH
NHCCH
3
R
O
O
acylase
COOH
H
2
N
R
H
COOH
H
R
NHCCH
3
L-AA
acetyl-D-AA
O
racemic amino acid
(CH
3
CO)
2
O
酶法
6,Asymmetric Synthesis of
D- and L-α-Amino acids
例 1,Corey 法 ——利用不对称前体合成方法
NY
X
H
2
NOH
*
NY
X
N
CC
O
OR
*
Hydrogenation
NY
X
N
CC
O
O
H
R
H
*
*
Hydrogenolysis
H
2
NCH
R
COOH
*
+
NY
X
HOH
*
Hydrazonolactone
Optical pure amino acid
..,.
CC
OO
ROH
H
2
O
6,Asymmetric Synthesis of
D- and L-α-Amino acids
例 2：利用铑催化剂的不对称催化氢化反应
OPPh
2
OPPh
2
Rh
+
BF
4
R
3
COOR
1
NHR
2
H
2
催化剂R
3
COOR
1
NHR
2
*
H,H
2
O
+
R
3
COOH
NH
2
蒋氏催化剂
*讨论题,查阅文献，了解手性纯氨基酸的合成研究进展，小结主要的不对称合成途径。
二、肽 (Peptides)
?Peptides —— 由两个以上氨基酸通过肽键（酰胺键）连接起来的化合物。
二肽（ dipeptide）,2 amino acid residues
寡肽（ oligopeptide ）,2~10 amino acid residues
多肽（ polypeptide ）,> 10 amino acid residues
蛋白质（ protein ）,molecular weight > 10 Kd’
二、肽 (Peptides)
? 自然界存在多种肽类物质，如：
青霉素 短 杆菌肽 S
N
HOOC
H
N R
O
O
S
Penicilline
L-Val
D-Cys
脑啡肽
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu leucine enkephalin
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met methionine enkephalin
L-ValD-Orn
L-pro
D-Phe
L-Leu
L-OrnL-Val
L-Pro
L-Phe
L-Lue
gramicidin S
二、肽 (Peptides)
?肽的结构特征,Peptide bond —— 一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基失去一分子水而形成的酰胺键。
H
2
NCC
OH
H
R
1
O
N
H
C COOH
H
R
2
H
H
2
NCC
H
R
1
O
HN C COOH
H
R
2
peptide bond
H
2
O
?任何羧酸的羧基与任何胺的氨基形成的酰胺键是肽键吗？
Peptide Bonds
肽键的平面特征二、肽 (Peptides)
? 肽链的氨基酸顺序与命名
+
H
3
NHCC NHCH
2
C
NHCHC NHCHC NHCHCOO
-
O
CH
3
O
CH
2
CH
2
O
O
HOH
2
C
CH(CH
3
)
2
OH
Ser
Gly Tyr
Ala Leu
N-terminate
C-terminate
命名以 C-端氨基酸为母体丝氨酰 -甘氨酰 -色氨酰 -丙氨酰 -亮氨酸思考题,Are Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu and Leu-Ala-Tyr-
Gly-Ser same peptides?
二、肽 (Peptides)
?二硫键 Disulfide bond —— The S-S
bond in disulfide.
RSH2
氧化硫醇二硫化物
RS SR
R SH2
还原
RS SR
巯基
Disulfide Bonds
Hair:
Straight
or curly?
烫发的过程是一个旧二硫键还原打开而后又氧化形成新的二硫键过程二、肽 (Peptides)
? Determining the structure of peptides
1,氨基酸组分分析
2,氨基酸顺序分析纯多肽或蛋白质二硫键的拆分各条肽链选择性水解
(至少两种方法)
小肽段氨基酸顺序分析各肽段的氨基酸顺序
(至少两组)
叠加法肽链的氨基酸顺序肽中氨基酸组分分析
—— The number and kinds of amino acids
—— 6 N HCl,heating at 100
o
C for 24 h
—— automated amino acid analyzer
Amino Acids Analyzer
肽中氨基酸顺序分析
—— 从 N-端测序,Edman降解法：可用于自动测序
N C S
PITC
N
H
CHH
R
1
C
O
NH CH
R
2
C
O
+
N-端氨基酸第一步
CHN
NH
S
Ph
CH
R
1
C NH
O
CH
R
2
C
O
HN
C
CH
NH
R
1
C
S
O
Ph
NH CH
R
2
C
O
HN
CH C
N
S
R
1
O
NH
H
CH
Ph
R
2
C
O
HN
CH
N
S
O
Ph
R
1
+ CHNh
2
R
2
C
O
第二步第三步
PTH=苯乙内酰硫脲 (phenylthiohydrantoin)
PTH-氨基酸
PITC=异硫氰酸苯脂(phenyl isothiocyanate)
HF
H
+
适用于 50肽肽中氨基酸顺序分析
—— C-端氨基酸残基的分析：羧肽酶羧肽酶是肽链外切酶（ exopeptidase），即它专门催化水解肽链末端（即 C-端）的肽键。
CHHN
R
1
C NH
O
CH
R
2
C NH
O
CH
R
3
C O
O
羧肽酶断裂位点羧肽酶 A水解断裂那些不是 Arg和 Lys的 C-端氨基酸羧肽酶 B则仅水解断裂 C-端为 Arg或 Lys的氨基酸肽中氨基酸顺序分析
—— 多肽链的选择性水解：酶法和化学法化学法 ——溴化氰水解法，选择性切割甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。
CHHN
CH
2
C
CH
2
NH
O
SH
3
C
CH
R
C
O
+
CBr N
δ
+
δ
-
SCNH
3
C
-Br
-
+H
2
O
HC
H
2
C
H
2
C
O
C
HNHC
HN NH CH
R
C
O
+ CHH
3
N
R
C
O
高丝氨酸内酯
(homoserine lactone)
CHHN
CH
2
C
CH
2
NH
O
SH
3
C
CH
R
C
O
C N
O
O
肽中氨基酸顺序分析
—— 采用重叠法得出整个肽链的氨基酸顺序
T-1
T-2
T-3
T-4
GASMALIK
NGAAWHDFNPIDPR
QCVHSDWLIACGPMTK
T-2
T-3
placed at N-terminus
palced at C-terminus
C-1
C-2
C-3NGAAWHDFNPIDPRGASM
TKQCVHSD
ALIKWLIACGPM
NGAAWHDFNPIDPRGASMALIKWLIACGPMTKQCVHSDN-terminus C-terminus
T-2
T-3T-4T-1
C-1 C-3 C-2
disulfide
二、肽 (Peptides)
?Preparation of Peptides
There are three ways to obtain a peptides:
1 Purification from tissue
2 Genetic engineering
3 Direct chemical synthesis（化学合成）
—— to synthesize Asp-Phe-OMe
(Aspartame or NutraSweet,150 sweeter than sucrose)
Asp
+Phe
DCC
1,Asp-Phe
2,Phe-Asp
3,Asp-Asp
4,Phe-Phe
5,β-Asp-Phe
Chemical Synthesis of Peptides
—— 经典合成法
N-端氨基保护 羧基的活化 与第二个氨基酸偶联再活化羧基 与第三个氨基酸偶联
……..去保护
benzyl choroformate
CH
2
O C
O
Cl +CHH
2
N
CH
3
C
O
OH
Ala
CH
2
O C
O
NH CH
CH
3
COH
O
+ HCl
氯代甲酸苄基酯
(Z-Cl) Z-Ala
苄氧羰基(carbobenzoxy group)，简称Cbz或Z
NHCHZ
CH
3
CO
O
+ NHCHZ
CH
3
CO
O N
C
HN
proton
transfer
DCC
亚胺酯(imidate)
protected
activated
C
N
N
C
N
NH
OCCHNH
2
O
CH(CH
3
)
2
+
NHCHZ C
N
C
HN
O
CH
3
CH
NH
(H
3
C)
2
HC
CO
O
O H
tetrahedral intermediate
NHCHZ C
CH
3
O
NHCHCO
CH(CH
3
)
2
O
+
HN
C
HN
O
Z-Ala-Val dicyclohexylurea
new peptide bond
......
Chemical Synthesis of Peptides
—— Solid-Phase Peptide Synthesis
(1962,R,Bruce Merrifield)
CH
2
Cl
CH
2
OOCCHNH-tBoc
CHNH
R
1
-
OOC tBoc
R
1
cold CF
3
COOH
CH
2
OOCCHNH
3
+
R
1
CH
2
OOCCHNHCOCHNH-tBoc
R
1
CHNH
R
2
-
OOC tBoc
R
2
cold CF
3
COOH
HF Hydrolysis -
OOCCHNHCOCHNHCO
R
1
R
2
(From C-terminate
to N-terminate)
Insoluble
polystyrene bead
Chemical Synthesis of Peptides
—— Solid-Phase Peptide Synthesis
(1962,R,Bruce Merrifield)
AB
C
D
E
固相合成示意图
Chemical Synthesis of Peptides
——组合合成法：一次合成多种肽的混合物（多肽库）
混合裂分法三次合成就得到 27个三肽的三种混合物库
Chemical Synthesis of Peptides
——组合合成法：一次合成多种肽的混合物（多肽库）
光印迹法（光控合成法或光定向法）
紫外光照后后切除保护基，得到的自由氨基可以进一步反应光印迹法（光控合成法或光定向法）
采用蒙板覆盖控制 UV灯照射区域，则在定点区域发生反应光印迹法（光控合成法或光定向法）
多次改换蒙板覆盖区域，则得到不同区域的不同的多肽化合物
Biosynthesis of Peptides
Amino acid sequences can be deduced
from DNA sequences,Each amino acid is
encoded by a specific sequence of three
nucleotides (triplet) known as the genetic
code.
DNA mRNA Protein
transcription
tRNA
translation
三、蛋白质（ Proteins)
? Primary structure of proteins
—— the sequence of amino acids in
the chain abd the location of aa the
disulfide bridges
三、蛋白质（ Proteins)
? Secondary structure of proteins
—— the conformation of segments of
the backbone chain of a protein.
—— stabilized by hydrogen bonds
—— α-helix：由链内氢键维系
—— β-pleated sheet：由链间氢键维系
Secondary
structure
三、蛋白质（ Proteins)
? Tertiary structure of proteins
—— the three-dimensional arrangement
of all the atoms in the protein.
—— stabilized by disulfide bonds,
hydrogen bonds,electrostatic
attractions,hydrophobic interactions
三、蛋白质（ Proteins)
? Quaternary structure of proteins
—— the way the subunits are arranged
in space.
—— held by hydrogen bonds,
electrostatic attractions,hydrophobic
interactions
—— monomer,dimer,trimer,tetramer,
hexamer,etc.
本章主要内容一、氨基酸 (Amino Acid)（重点内容）
（一）结构特点
（二）20 种基本氨基酸
（三）氨基酸的特性
（四）氨基酸的合成与拆分二、肽 (Peptides)
三、蛋白质 (Proteins)（ 简述 ）
