氨基酸的结构与性质详解

α-氨基酸是蛋白质的基本构成单位，它是由一个α-碳原子以及与之共价连接的一个氢原子、一个氨基、一个羧基和一个侧链R基组成。

天然存在的蛋白质由20种基本的氨基酸组成，它们彼此通过酰胺键（或称肽键）相连接。这些氨基酸的差别在于含有化学本质不同的侧链R基团（表5-1）。氨基酸的物理化学性质，包括净电荷、溶解度、化学反应活力和氢键形成能力，取决于R基团的化学本质。

表5-1 存在于蛋白质中的主要氨基酸

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根据侧链R基团与水相互作用的程度，可将氨基酸分成几类。含有脂肪族侧链的氨基酸（Ala、Ile、Leu、Val、Met）和含有芳香族基团的氨基酸（Phe、Trp和Tyr）是疏水性氨基酸，因此它们在水中的溶解度较低（表5-2）。极性（亲水）氨基酸易溶于水，它们或者带有电荷（Asp、Glu、Arg、His和Lys）或者不带电荷（Ser、Thr、Asn、Gln和Cys）。Arg和Lys的侧链分别含有胍基和氨基（碱性），在中性pH条件下带正电荷。His的咪唑基在中性pH条件下，略带正电荷。Asp和Glu的侧链分别含有一个羧基（酸性），在中性pH条件下这些氨基酸分别带有一个净负电荷。碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性。在生理条件下一种蛋白质的净电荷取决于分子中碱性和酸性氨基酸残基的相对数目。

表5-2 氨基酸在水中的溶解度25℃

不带电荷的极性氨基酸：Ser和Thr的极性可归之于它们含有能与水形成氢键的羟基。Asn和Gln的酰胺基能通过氢键与水相互作用。经酸或碱水解，Asn和Gln的酰胺基转变成羧基同时释放出氨。大多数Cys残基在蛋白质中以胱氨酸存在，后者是半胱氨酸通过它的巯基氧化形成二硫键而产生的二聚体。

脯氨酸是蛋白质分子中唯一的一种亚氨基酸。在脯氨酸分子中，丙基侧链通过共价连接的方式同时与α-碳和α-氨基连接形成一个吡咯烷环状结构。

（一）氨基酸的立体化学

除甘氨酸（Gly）外，所有氨基酸的α-碳原子都是不对称的，即有四个不同的基团与它相连接。由于在分子中存在着不对称中心，氨基酸显示光学活性，即它们能使线性偏振光的平面发生转动。异亮氨酸（Ile）和苏氨酸（Thr）除了含有不对称的α-碳原子外，β-碳原子也是不对称的，因此Ile和Thr都有4个对映体。在衍生的氨基酸中，羟基脯氨酸和羟基赖氨酸也含有两个不对称碳原子。天然存在的蛋白质仅含有L-氨基酸。L-和D-对映体可用下式表示

D-氨基酸

L-氨基酸

上述命名是根据D-和L-甘油醛构型，而不是根据线性偏振光实际转动的方向。即L-构型并非指左旋，事实上大多数L-氨基酸是右旋而非左旋。

（二）氨基酸的酸-碱性质

由于氨基酸同时含有羧基（酸性）和氨基（碱性），因此它们既有酸也有碱的性质，或者说它们是两性电解质。例如，最简单的氨基酸Gly在溶液中受pH的影响可能有3种不同的离解状态。

在中性pH范围，α-氨基和α-羧基都处在离子化状态，此时氨基酸分子是偶极离子或两性离子。偶极离子以电中性状态存在时的pH被称为等电点pI。当两性离子被酸滴定时，-COO^-基变成质子化。当-COO^-和-COOH的浓度相等时的pH被称为pK_a1（即离解常数K_a1的负对数）。类似地，当两性离子被碱滴定时，—基变成去质子化，当—和—NH₂浓度相等时的pH被称为pK_a2。图5-1是偶极离子典型的电化学滴定曲线。除α-氨基和α-羧基外，Lys、Arg、His、Asp、Glu、Cys和Tyr的侧链也含有可离子化的基团。在表5-3中列出了氨基酸中所有可离子化基团的pK_a。根据下式，可以从氨基酸的pK_a1，pK_a2和pK_a3估算等电点。

侧链不含有带电荷基团的氨基酸，pI=（pK_a1+pK_a2）/2

酸性氨基酸，pI=（pK_a1+pK_a3）/2

碱性氨基酸，pI=（pK_a2+pK_a3）/2

下标1、2和3分别代表α-羧基、α-氨基和侧链上可离子化的基团。

在蛋白质分子中，一个氨基酸的α-COOH通过酰胺键与相邻氨基酸的α-NH₂相结合，因而，可以离子化的基团是N-末端氨基、C-末端羧基和侧链上可离解的基团。这些蛋白质分子中可离子化的基团的pK_a不同于它们在游离氨基酸中相应的数值（表5-3）。在蛋白质分子中酸性侧链（Glu和Asp）的pK_a3大于在游离氨基酸中相应的值，而碱性侧链的pK_a3则小于游离氨基酸相应的值。

图5-1 一种典型氨基酸的滴定曲线

表5-3在游离氨基酸和蛋白质分子中可离子化基团的pK_a和pI

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注：*蛋白质分子中可离子化基团的pK_a。(www.xing528.com)

一个基团在任何指定的溶液pH下的离子化程度可根据Henderson-Hasselbach方程计算：

根据此式测定各个可离子化基团的离子化程度，然后将总的负电荷和正电荷数相加，计算一种蛋白质在指定pH下的净电荷。

（三）氨基酸的疏水性

构成蛋白质的氨基酸残基的疏水性是影响蛋白质和肽的物理化学性质（例如结构、溶解度、结合脂肪的能力）的一个重要因素。

氨基酸从乙醇转移至水的自由能变化ΔG_t（E_t→W）被用来表示氨基酸的疏水性，如果一种氨基酸的ΔG_t（E_t→W）是一个很大的正值，那么它的疏水性就很大。

如同所有其他热力学参数，ΔG_t也是一个加和函数。如果一个分子含有两个基团A和B，它们通过共价键结合在一起，那么ΔG_t是基团A和基团B分别从一种溶剂转移至另一种溶剂的活化能变化的加和，即

ΔG_t，AB=ΔG_t，A+ΔG_t，B

例如，缬氨酸（Val）可被看作是甘氨酸在α-碳原子上连接着异丙基侧链的一个衍生物。

于是，缬氨酸从乙醇转移至水的自由能变化可按下式计算，

ΔG_t，Val=ΔG_t，Gly+ΔG_{t，异丙基侧链}

或

ΔG_{t，异丙基侧链}=ΔG_t，Val-ΔG_t，Gly

换言之，从ΔG_{t，氨基酸}减去ΔG_t，Gly即为氨基酸（AA）的侧链的疏水性。

表5-4所示为按上述方法得到的氨基酸侧链的疏水性值。具有大的正ΔG_t的氨基酸侧链是疏水性的，它会优先选择处在有机相而不是水相。在蛋白质分子中，疏水性的氨基酸残基倾向于排列在蛋白质分子的内部。具有负的ΔG_t的氨基酸侧链是亲水性的，这些氨基酸残基倾向于排列在蛋白质分子的表面。必须指出，天然Lys被认为是蛋白质分子中一种亲水性的氨基酸残基，但是它具有一个正的ΔG_t，这是由于它的侧链含有优先选择有机环境的4个—CH₂—基。事实上，在蛋白质分子中，Lys侧链被埋藏的同时它的ε-氨基突出在分子立体结构的表面。

表5-4 氨基酸侧链的疏水性（25℃）

（四）氨基酸的光学性质

芳香族氨基酸Try、Tyr和Phe在近紫外区（250～300nm）吸收光。此外，Try和Tyr在紫外区还显示荧光。表5-5所示为芳香族氨基酸最大吸收和荧光发射的波长。由于氨基酸所处环境的极性影响它们的吸收和荧光性质，因此氨基酸光学性质的变化常被用来考察蛋白质构象的变化。

表5-5 芳香族氨基酸的紫外吸收和荧光

注：①在260nm的消光；

②在280nm的消光。

存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反应基团，像氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫醚基（Met）、咪唑基和胍基，能够参与类似于它们与其他小的有机分子相连接时所能发生的化学反应。其中有些反应能改变蛋白质和肽的亲水和疏水性质或者功能性质，从而导致蛋白质和肽的化学改性。还有一些反应可被用来定量氨基酸和蛋白质分子中特定的氨基酸残基。例如，氨基酸与茚三酮、邻苯二甲醛或荧光胺的反应常被用来定量氨基酸。

氨基酸与茚三酮的反应如下式所示。1mol的游离氨基酸与2mol茚三酮反应生成1mol紫色产物，即Ruhemann紫，它在570mm波长具有最大吸收。需要注意的是，脯氨酸或羟脯氨酸与茚三酮反应则生成黄色产物，它在440nm波长具有最大吸收。上述显色反应是比色法测定氨基酸含量的基础。

当存在2-巯基乙醇时，氨基酸与邻苯二甲醛反应生成高荧光的衍生物，在390nm波长激发时在450nm波长具有最高荧光发射。此法能被用来定量氨基酸以及蛋白质和肽。

含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应生成高荧光的衍生物，在390nm波长激发时，它在475nm波长具有最高荧光发射。此法也能被用来定量氨基酸以及蛋白质和肽。