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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α－氨基酸。 由于蛋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α－氨基羧酸（脯氨酸为α－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α—碳原子均为手性碳原子，都有旋光性。这些天然氨基酸按Fischer投影式表示时，α—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α—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 glycine Gly G 甘 5.97 丙氨酸 alanine Ala A 丙 6.00 亮氨酸* leucine Leu L 亮 5.98 异亮氨酸* isoleucine Ile I 异亮 6.02 缬氨酸* valine Val V 缬 5.96 脯氨酸 proline Pro P 脯 6.30 苯丙氨酸* phenylalanine Phe F 苯 5.48 甲硫(蛋)氨酸* methionine Met M 甲硫(蛋) 5.74 R基团为极性且不带电荷氨基酸 丝氨酸 serine Ser S 丝 5.68 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 谷酰 5.65 苏氨酸* threonine Thr T 苏 5.60 半胱氨酸 cysteine Cys C 半胱 5.07 天冬酰胺 asparagine Asn N 天酰 5.41 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 酪 5.66 色氨酸* tryptophan Trp W 色 5.89 酸性氨基酸 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 天 2.77 谷氨酸 glutamic acid Glu E 谷 3.22 碱性氨基酸 赖氨酸* lysine Lys K 赖 9.7