一、氨基酸

1.1 组成与结构

  1. 氨基酸：羧酸分子烃基上的氢原子被氨基取代后得到的化合物。
  2. 天然氨基酸大多属于\(\alpha\)-氨基酸，即氨基连接在与羧基相邻的\(\alpha\)位碳原子上。
  3. \(\alpha\)-氨基酸的一般结构可表示为\(\ce{H2N-CH(R)-COOH}\)。
  4. 氨基酸分子中至少含有两类官能团：
    1. 氨基\(\ce{-NH2}\)。
    2. 羧基\(\ce{-COOH}\)。
  5. 氨基和羧基连接在同一个碳原子上，使氨基酸既具有胺的性质，也具有羧酸的性质。

{此处插入氨基酸通式与成肽反应概览图，重点观察氨基酸的氨基、羧基和成肽位置}

1.2 常见氨基酸

俗名结构简式系统命名
甘氨酸\(\ce{H2NCH2COOH}\)氨基乙酸
丙氨酸\(\ce{CH3CH(NH2)COOH}\)2-氨基丙酸
苯丙氨酸\(\ce{C6H5CH2CH(NH2)COOH}\)2-氨基-3-苯基丙酸
谷氨酸\(\ce{HOOCCH2CH2CH(NH2)COOH}\)2-氨基戊二酸
半胱氨酸\(\ce{HSCH2CH(NH2)COOH}\)2-氨基-3-巯基丙酸

1.3 性质

1. 物理性质

  1. 天然氨基酸一般为无色晶体。
  2. 熔点较高。
  3. 一般能溶于水，难溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。

2. 两性

  1. 氨基酸分子中含有羧基\(\ce{-COOH}\)，能与碱反应。
  2. 氨基酸分子中含有氨基\(\ce{-NH2}\)，能与酸反应。
  3. 因此氨基酸属于两性化合物。
  4. 以甘氨酸为例：

\(\ce{H2NCH2COOH + HCl -> ClH3NCH2COOH}\)

\(\ce{H2NCH2COOH + NaOH -> H2NCH2COONa + H2O}\)

  1. 氨基酸在不同酸碱条件下存在形式不同：
    1. 酸性条件下主要以阳离子形式存在。
    2. 碱性条件下主要以阴离子形式存在。
    3. 中性条件下主要发生分子内成盐，以两性离子形式存在。

3. 成肽反应

  1. 两个氨基酸分子在一定条件下，可以通过一个分子的羧基与另一个分子的氨基缩合脱水，形成含肽键的化合物。
  2. 该反应称为成肽反应。
  3. 肽键可表示为\(\ce{-CONH-}\)，不能写成\(\ce{-CNHO-}\)。
  4. 以两个氨基酸分子缩合为例：

\(\ce{H2NCH(R)COOH + H2NCH(R')COOH -> H2NCH(R)CONHCH(R')COOH + H2O}\)

  1. 两个氨基酸分子缩合形成的含肽键化合物称为二肽。
  2. 多个氨基酸分子缩合可形成多肽，多肽进一步盘曲、折叠并形成一定空间结构，可构成蛋白质。
  3. 若\(n\)个氨基酸分子发生成肽反应并形成一条肽链，通常生成\(n-1\)个肽键，同时生成\(n-1\)个水分子。

{此处插入成肽反应机理图，重点观察羧基脱羟基、氨基脱氢形成肽键}

二、蛋白质

2.1 组成与结构

  1. 蛋白质是由多种氨基酸通过肽键等相互连接形成的一类生物大分子。
  2. 蛋白质主要由\(\ce{C}\)、\(\ce{H}\)、\(\ce{O}\)、\(\ce{N}\)、\(\ce{S}\)等元素组成，有些蛋白质还含有\(\ce{P}\)、\(\ce{Fe}\)、\(\ce{Zn}\)、\(\ce{Cu}\)等元素。
  3. 人体内蛋白质种类超过10万种，不同蛋白质中氨基酸的种类、数目和排列顺序不同，空间结构也不同，因此性质和功能不同。
  4. 蛋白质的结构通常分为四个层次：
    1. 一级结构：氨基酸单体的排列顺序。
    2. 二级结构：肽链中原子或基团之间形成氢键，使肽链盘绕或折叠成特定空间结构。
    3. 三级结构：肽链在二级结构基础上进一步盘曲折叠，形成更复杂的空间结构。
    4. 四级结构：多个具有特定三级结构的多肽链，通过非共价键和相互作用组合而成。
  5. 蛋白质的高级结构是蛋白质性质和功能的基础。

{此处插入蛋白质四级结构和蛋白质性质局部图}

2.2 性质

1. 特征反应

  1. 含有苯环的蛋白质遇浓硝酸会变黄色，这称为蛋白质的颜色反应。
  2. 灼烧蛋白质时，可闻到烧焦羽毛的特殊气味。
  3. 这两个现象常用于蛋白质的检验或鉴别。

2. 两性

  1. 蛋白质由氨基酸缩合而成。
  2. 多肽链两端通常仍有游离的氨基和羧基，侧链中也可能含有酸性或碱性基团。
  3. 因此蛋白质和氨基酸一样具有两性，能与酸、碱反应。

3. 水解反应

  1. 蛋白质在酸、碱或酶的作用下可以发生水解。
  2. 水解过程可概括为：蛋白质 → 多肽 → 氨基酸。
  1. 蛋白质完全水解的最终产物是氨基酸。
  2. 多肽与蛋白质都由氨基酸缩合形成，蛋白质不完全水解可得到相对分子质量较小的多肽。

4. 盐析

  1. 向蛋白质溶液中加入一定量的盐，如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等，当盐的浓度达到一定程度时，蛋白质的溶解度降低并从溶液中析出。
  2. 这种现象称为蛋白质的盐析。
  3. 盐析是可逆过程，加水后蛋白质通常可以重新溶解。
  4. 盐析可用于分离和提纯蛋白质。

5. 变性

  1. 蛋白质在某些物理因素或化学因素作用下，空间结构被破坏，性质和生理功能发生改变，这种现象称为蛋白质的变性。
  2. 常见物理因素：
    1. 加热。
    2. 加压。
    3. 搅拌、振荡。
    4. 紫外线、超声波等。
  3. 常见化学因素：
    1. 强酸。
    2. 强碱。
    3. 重金属盐。
    4. 乙醇、甲醛等。
  4. 蛋白质变性通常不可逆。变性后的蛋白质在水中不能重新溶解，同时会失去原有的生理活性。
  5. 生活中的应用：
    1. 利用乙醇、碘酒等杀菌消毒，本质是使细菌或病毒的蛋白质变性。
    2. 疫苗等生物制剂常需低温保存，是为了防止蛋白质变性。
    3. 登山时防晒护目，是为了避免强紫外线引起皮肤和眼睛中蛋白质变性。
    4. 误服铅、汞等重金属盐时，可服用牛奶、蛋清或豆浆，以减轻重金属盐对人体蛋白质的伤害。

2.3 蛋白质与人体健康

  1. 蛋白质约占人体质量的16%-20%。
  2. 人体内蛋白质种类很多，性质和功能不同，但都由氨基酸按不同比例组合而成。
  3. 食物中的蛋白质在人体内经过消化水解为氨基酸，被吸收后重新合成人体所需蛋白质。
  4. 人体内蛋白质处于不断代谢和更新的动态平衡中。
  5. 食入蛋白质的质和量、各种氨基酸的比例，与人体蛋白质合成密切相关。
  6. 青少年生长发育、孕产妇优生优育、老年人健康长寿等，都与膳食中蛋白质的质和量密切相关。
  7. 蛋白质可分为完全蛋白质和不完全蛋白质：
    1. 富含必需氨基酸、品质优良的蛋白质称为完全蛋白质，如奶、蛋、鱼、瘦肉和大豆蛋白等。
    2. 缺乏必需氨基酸或含量很少的蛋白质称为不完全蛋白质，如谷类、麦类、玉米所含的蛋白质和动物皮骨中的明胶等。

三、酶

3.1 概念

  1. 酶是一类由细胞产生的、对生物体内化学反应具有催化作用的有机化合物。
  2. 绝大多数酶是蛋白质。

3.2 催化特点

  1. 条件温和，一般在接近体温和中性的条件下进行。
  2. 具有高度的专一性。
  3. 具有高效催化作用，催化效率通常远高于普通催化剂。
  4. 酶在高温、强酸、强碱等条件下容易失去生理活性，因此不能简单地用升高温度来提高酶催化反应速率。
  5. 酶的专一性常被比喻为“钥匙开锁”：一种酶通常只对某一种或某一类特定反应起催化作用。

四、蛋白质的检验与有机物鉴别

4.1 蛋白质的检验

  1. 颜色反应：含苯环的蛋白质遇浓硝酸变黄色。
  2. 灼烧法：灼烧蛋白质可闻到烧焦羽毛的特殊气味。
  3. 双缩脲反应：蛋白质遇双缩脲试剂呈现紫玫瑰色。含有\(\ce{-NH2}\)的\(\alpha\)-氨基酸通常也能与茚三酮发生显色反应。

4.2 常见有机物鉴别方法

鉴别有机物时，优先根据官能团选择试剂或方法。一般思路为：

  1. 官能团\(\ce{->}\)性质\(\ce{->}\)试剂或方法\(\ce{->}\)实验现象。
  2. 根据溶解性差异可鉴别部分物质：
    1. 乙酸、乙酸乙酯、乙醇等与水混合现象不同。
    2. 卤代烃、油脂等通常不溶于水，易溶于有机溶剂。
  3. 根据密度差异可鉴别部分不溶于水的有机物：
    1. 苯、硝基苯都不溶于水。
    2. 苯的密度比水小，硝基苯的密度比水大。
  4. 根据燃烧现象可鉴别部分有机物：
    1. 观察是否可燃。
    2. 观察是否产生黑烟。
    3. 闻燃烧产物或灼烧后的气味。
  5. 根据官能团反应鉴别：
物质或官能团试剂或方法现象
不饱和烃溴水或酸性\(\ce{KMnO4}\)溶液褪色
苯的同系物侧链酸性\(\ce{KMnO4}\)溶液褪色
卤代烃与\(\ce{NaOH}\)水溶液共热后酸化，再加\(\ce{AgNO3}\)溶液生成沉淀
含醛基物质银氨溶液水浴加热，或与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)共热产生银镜或砖红色沉淀
醇金属钠有气体放出
羧酸紫色石蕊溶液或\(\ce{NaHCO3}\)溶液石蕊变红或有气体逸出
酚类物质\(\ce{FeCl3}\)溶液，或足量浓溴水显紫色，或产生白色沉淀
淀粉溶液碘水溶液显蓝色
蛋白质灼烧有烧焦羽毛气味

{此处插入有机物鉴别方法局部表，作为实验题查阅用}

五、蛋白质知识归纳

  1. 氨基酸含有氨基和羧基，因此具有两性。
  2. 氨基酸之间可发生成肽反应，形成肽键\(\ce{-CONH-}\)。
  3. 蛋白质由氨基酸通过肽键等连接形成，完全水解最终得到氨基酸。
  4. 蛋白质具有两性、盐析、变性、水解和颜色反应等性质。
  5. 盐析是可逆过程，可用于分离提纯蛋白质。
  6. 变性通常不可逆，会破坏蛋白质的空间结构和生理活性。
  7. 酶绝大多数是蛋白质，具有温和性、专一性和高效性。