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第3章氨基酸四大类生物分子中蛋白质是生物功能的主要载体，而氨基酸（aminoacid）是蛋白质的构件分子。自然界中存成千上万在的种蛋白质，在结构和功能上的惊人的多样性归根结底是由20种常见氨基酸的内在性质造成的。这些性质包括①聚合能力，②特有的酸碱性质，③侧链的结构及其化学功能的多样性，④手性。本章主要讲述这些性质，它们是讨论蛋白质和酶的结构、功能以及许多其他有关问题的基础。一、氨基酸—蛋白质的构件分子（一）蛋白质的水解一百多年前就开始了关于蛋白质的化学研究。在早期的研究中，水解作用提供了关于蛋白质组成和结构的极其价值的资料。蛋白质可以被酸、碱或蛋白酶催化水解。在水解过程中，逐渐降解成相对分子质量越来越小的肽段（peptidefragment），直到最后成为氨基酸的混合物。根据蛋白质的水解程度，可分为完全水解和部分水解两种情况。完全水解或称彻底水解，得到的水解产物是各种氨基酸的混合物。部分水解即不完全水解，得到的产物是各种大小不等的肽段和氨基酸。下面简略地介绍酸、碱和酶3种水解方法及其优缺点：⑴酸水解常用H2SO4或HCl进行水解。一般6mol/LHCl，4mol/LH2SO4；回流煮沸20h左右可使蛋白质完全水解。酸水解的优点是不引起消旋作用（racemization），得到的是L-氨基酸。缺点是色氨酸完全被沸酸所破坏，羟基氨基酸（丝氨酸及苏氨酸）有一小部分被分解，同时天冬氨酸和谷氨酰胺的酰胺基被水解下来。⑵碱水解一般与5mol/LNaOH共煮10~20h，即可使蛋白质完全水解。水解过程中多数氨基酸遭到不同程度的破坏，并且产生消旋现象，所得产物是D-和L-氨基酸的混合物，称消旋物（见本章氨基酸的光学活性部分）。此外，碱水解所需时间较长。因此酶法主要用于部分水解。常用的蛋白酶有胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶或称糜蛋白酶（chymotrypsin）以及胃蛋白酶（pepsin）等，它们主要用于蛋白质一级结构分析以获得蛋白质的部分水解产物。（二）α-氨基酸的一般结构从蛋白质水解产物中分离出来的常见氨基酸只有20种（更确切地说为19种氨基酸和1种亚氨基酸即脯氨酸）。除脯氨酸及其衍生物外，这些氨基酸在结构上的共同点是与羧基相邻的α-碳原子（Cα）上都有一个氨基，因此称为α-氨基酸。连接在α-碳上的还有一个氢原子和一个可变的侧链，称R基，各种氨基酸的区别就在于R基的不同。α-氨基酸的结构通式见图3-1.因为氨基酸同时含有氨基和羧基，所以它们能以首尾相连的方式进行聚合反应，除去一分子水形成一个共价酰胺键或称肽键：在水溶液中此反应的平衡有利于肽键的水解，因此在生物系统或实验室中形成肽键都是以输入能量的间接方式进行的（见第4章和下册第38章）。氨基酸在中性pH时，羧基以-COO-，氨基以-NH3+形式存在。着样的氨基酸分子含有一个正电荷和一个负电荷，称为兼性离子。α-氨基酸除R基为氢（甘氨酸）以外，其α-碳原子实一个手性碳原子，因此都具有旋光性。并且蛋白质中发现的氨基酸都是L型的。α-氨基酸都是白色晶体，熔点很高，一般在200℃以上。每种氨基酸都有特殊的晶体形状。利用结晶形状可以鉴别各种氨基酸。除胱氨酸和酪氨酸外，一般都能溶于水。脯氨酸和羟脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中。二、氨基酸的分类从各种生物体中发现的氨基酸已有180多种，但是参与蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸只有20种。此外在某些蛋白质中还存在若干种不常见的氨基酸，它们都是在已合成的肽链上由常见的氨基酸经专一酶催化的化学修饰转化而来的。180多种天然氨基酸中，大多数是不参与蛋白质组成的，这些氨基酸被称为非蛋白质氨基酸。参与蛋白质组成的20种氨基酸称为蛋白质氨基酸。为表达蛋白质或多肽结构的需要，氨基酸的名称常使用三字母的简写符号表示，有时也使用单字母的简写符号表示，后者主要用于表达长多肽链的氨基酸序列。这两套简写符号见于表3-1。（一）常见的蛋白质氨基酸前面说过，各种氨基酸的区别就在于侧链R基的不同。这样组成蛋白质的20种常见氨基酸可以按R基的化学结构或极性大小进行分类。按R基的化学结构20种常见氨基酸可分为脂肪族、芳香族和杂环族3类，其中以脂肪族氨基酸为最多。1．脂肪族氨基酸（1）中性氨基酸①甘氨酸（氨基乙酸）是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。②丙氨酸（α-氨基丙酸）③缬氨酸（α-氨基-β-甲基丁酸）④亮氨酸（α-氨基-γ-甲基戊酸）⑤异亮氨酸（α-氨酸-β-甲基戊酸）（2）含羟基或硫氢氨基酸（图3-3）⑥丝氨酸（α-氨基-β-羟基丙酸）⑦苏氨酸（α-氨基-β-羟基丁酸）⑧半胱氨酸（α-氨基-β-巯基丙酸）在蛋白质中经常以其氧化型的胱氨酸存在。胱氨酸是由两个半胱氨酸通过它们侧链上的-SH基氧化成共价的二硫桥（disulfidebridge）连接而成的。⑨甲硫氨酸或称蛋氨酸（α-氨基-γ-甲硫基丁酸）它是体内代谢中甲基的供体。（3）酸性氨基酸及其酰胺（图3-4）：⑩天冬氨酸（α-氨基丁二酸）11谷氨酸（α-氨基戊二酸）12天冬酰胺13谷氨酰胺这两个酰胺在生理pH范围内其酰胺基不被质子化，因此侧链不带电荷。（4）碱性氨基酸14赖氨酸（α，ε-二氨基己酸）15精氨酸（α-氨基-σ-胍基戊酸）在蛋白质代谢中很重要，它是动物体内尿素形成中的中间物。2.芳香族氨基酸16苯丙氨酸（α-氨基-β-苯基丙酸）血浆和尿中游离氨基酸浓度的测定被临床上用作诊断的指标，其中苯丙氨酸浓度的测定就被用于苯丙酮尿症的诊断。17酪氨酸（α-氨基-β-对羟基丙酸）18色氨酸（α-氨基-β-吲哚基丙酸）在植物和某些动物体内能转变为尼克酸（维生素PP）。3.杂环族氨基酸19组氨酸（α-氨基-β-咪唑基丙酸）也属于碱性氨基酸。大量存在于珠蛋白（globin）中。20脯氨酸（β-吡咯烷基-α-羧酸）它与一般的α-氨基酸不同，没有自由的α-氨基，它是一种α-亚氨基酸，后者可以看成是α-氨基酸的侧链取代了自身氨基上的一个氢原子而形成的杂环结构。按R基的极性性质，20种常见氨基酸可以分成以下4组：①非极性R基氨基酸；②不带电荷的极性R基氨基酸；③带正电荷的R基氨基酸；④带负电荷的R基氨基酸（指在细胞内的pH范围即pH7左右时的解离状态）。1.非极性R基氨基酸这一组共有8种氨基酸。4种带有脂肪烃侧链的氨基酸，即丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸；两种含芳香环氨基酸：苯丙氨酸和色氨酸；一种含硫氨酸即甲硫氨酸和一种亚氨基酸，脯氨酸。这组氨基酸在水中的溶解度比极性R基氨基酸小。这组氨基酸中以丙氨酸的R基疏水性最小，它介于非极性R基氨基酸和不带电荷的极性R基氨基酸之间。2.不带电荷的极性R基氨基酸这一组有7种氨基酸。这组氨基酸比非极性R基氨基酸易溶于水。它们的侧链中含有不解离的极性基，能与水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸中侧链的极性是由于它们的羟基造成的；天冬酰胺和谷氨酰胺的R基极性是它们的酰胺基引起的；半胱氨酸则是由于含有巯基（-SH）的缘故。甘氨酸的侧链介于极性与非极性之间，有时也把它归入非极性类，但是它的R基只不过是一个氢原子，对极性强的α-氨基和α-羧基影响很小。这一组氨基酸中半胱氨酸和酪氨酸的R基极性最强。半胱氨酸的巯基和酪氨酸的酚羟基，虽然在pH7时电离很弱，但与这组中的其他氨基酸侧链相比失去质子的倾向要大的多，例如半胱氨酸的-SH。3.带正电荷的R基氨基酸这是一组碱性氨基酸，在pH7时携带正净电荷。属于碱性氨基酸的有赖氨酸、精氨酸和组氨酸。赖氨酸除α-氨基外，在侧链的ε位置上还有一个-NH3；精氨酸含有一个带正电荷的胍基；组氨酸有一个弱碱性的咪唑基。在pH6.0时，组氨酸分子50%以上质子化，但在pH7.0时，质子化的分子不到10%。组氨酸是唯一一个R基的pKa值在7附近的氨基酸。4.带负电荷的R基氨基酸5.属于一组的是两种酸性氨基酸：天冬氨酸和谷氨酸。这两种氨基酸都含有两个羧基，并且第二个羧基在pH7左右也完全解离，因此分子带负电荷。（二）不常见的蛋白质氨基酸有些氨基酸虽然不常见但在某些蛋白质中存在。它们都是相应的常见氨基酸经修饰而来的。其中包括5-羟赖氨酸（5-hydroxylysine）和4-羟脯氨酸（4-hydroxyproline），它们存在于结缔组织的胶原蛋白中。某些肌肉蛋白如肌球蛋白含有甲基化的氨基酸，包括甲基组氨酸（methylhistidine）、ε-N-甲基赖氨酸（ε-N-methyllysine）和ε-N，N，N-三甲基赖氨酸（ε-N，N，N-trimethyllysine）。γ-羧基谷氨酸（γ-carboxyglutamicacid）最先在凝血酶原中发现，它也存在于其他一些与血液凝固有关的蛋白质中。焦谷氨酸（pyroglutamicacid，p-Glu）在细菌紫膜质（bacteriorhodopsin）中找到，它是一种光驱动的质子泵蛋白质。某些涉及细胞生长和调节的蛋白质可以在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的-OH上进行可逆性磷酸化，磷酸化的氨基酸还有组氨酸和精氨酸。从甲状腺球蛋白中分离出甲状腺素和3，3’，5-三碘甲腺原氨酸（3，3’，5-triiodothyronine），它们是酪氨酸的碘化衍生物，其结构式见第17章。在染色体缔合的组蛋白（histone）中发现N-甲基精氨酸（N-methylarginine）和N-乙酰赖氨酸（N-acetyllysine）。此外，从谷物中分离的蛋白质中存在α-氨基已二酸（α-aminoadipicacid）。（三）非蛋白质氨基酸除了参与蛋白质组成的20~30种氨基酸外，还在各种组织和细胞中找到150多种其他氨基酸。这些氨基酸大多是蛋白质中存在的L型α-氨基酸的衍生物。但是有一些是β-，γ-，或σ-氨基酸，并且有些事D型氨基酸。如细菌细胞壁的肽聚糖中发现有D-谷氨酸和D-丙氨酸；在一种抗生素短杆菌肽S（gramicidinS）中含有D-苯丙氨酸。这些氨基酸中有一些事重要的代谢物前体或代谢中间物。例如存在于肌肽和鹅肌肽中的β-丙氨酸是遍多酸（一种维生素）的一个成分；γ-氨基丁酸（γ-aminobutyricacid）由谷氨酸脱羧产生的，它是传递神经冲动的化学介质，称神经递质（neurotransmitter）。肌氨酸（sarcosine）是一碳单位代谢的中间物，它和D-缬氨酸也是放线菌素D的结构成分。D-环丝氨酸（cycloserine）是一种链酶菌属（Streptomyces）细菌产生的抗生素，能抑制细菌细胞壁的形成，用作抗结核菌药物。羊毛硫氨酸（lanthionine）的内消旋体和外消旋体混合物可从羊毛的碱水解物中分离获得，它也是肽类抗生素枯草菌素（subtilin）和乳酸链球菌肽（nisin）的组成成分。瓜氨酸（L-citruline）和鸟氨酸（L-ornithine）是尿素循环的中间物。此外，甜菜碱（betaine）、高半胱氨酸（homocysteine）、高丝氨酸homoserine）等也都是重要的代谢中间物。三、氨基酸的酸碱化学掌握氨基酸的酸碱性质是及其重要的，是了解蛋白质的很多性质的基础，也是氨基酸的分析分离工作的基础。而氨基酸的分析分离是测定蛋白质的氨基酸组成和序列的必要步骤。（一）氨基酸的兼性离子形式过去曾长期认为，氨基酸在晶体甚至在水溶液中是以不解离的中性分子形式RІH2NCHCOOH存在的。后来发现氨基酸晶体的熔点很高，一般在200℃以上，例如甘氨酸在233℃熔解并分离；L-酪氨酸的熔点更高，344℃；但是普通的有机化合物如二苯胺（diphenylamine），熔点为53℃.此外还发现氨基酸能使水的介电常数（dielectricconstant）增高，而一般的有机化合物如乙醇、丙酮等却使水的介电常数降低。如果氨基酸在晶体或水中主要是以兼性离子（zwitterion）亦称偶极离子（dipolarion）的形式存在：不带电荷的中性分子为数极少，那么上述的两个事实就很容易解释。也就是说氨基酸晶体是由离子晶格组成的，像氯化钠晶体一样，维持晶格中质点的作用力是强大的异性电荷之间的静电吸引，因此熔点高；而一般的有机化合物晶体是由