3.1 蛋白质是由二十种不同的氨基酸构成的3.2 二十种氨基酸可以按其侧链分类3.3 氨基酸的离子状态取决于环境的 pH

3.4 氨基酸可进行特征的化学反应3.5 蛋白质中的氨基酸是通过肽键连接的

第 3 章 氨基酸和肽

3.1 蛋白质是由二十种不同的氨基酸构成的

20 种标准氨基酸都是 - 氨基酸特征： - 氨基酸分子中的 - 碳（分子中第 2 个碳， C ）结合着一个碱性的氨基和一个酸性的羧基，此外 C 还结合着一个 H 原子和一个侧链基团（用 R 表示）。 每一种氨基酸的 R 都是不同的，侧链上的碳依次按字母命名为、、和碳，分别指的是第 3 、 4 、 5 和 6 位碳。

生理条件（ pH7 附近）下氨基酸呈现兼性离子形式氨基（ -NH2 ）质子化变为（ -NH3

＋），

羧基（ -COOH ）离子化为（ -COO －），

绝大多数氨基酸是 L- 型氨基酸

如果侧链 R 不是 H ，则 C 结合了 4 种不同基团，所以

C 是个不对称碳。除了甘氨酸，其余的 19 种标准氨基酸都

至少含有一个不对称碳原子，含有一个不对称碳的氨基酸就存在着两种不能叠合的镜象立体异构体。

通过与构型标准物－甘油醛比较，氨基酸分为 D- 型氨基酸和 L- 型氨基酸。到目前为止，发现的游离的以及蛋白质温和水解得到的氨基酸绝大多数是 L- 型氨基酸。

L －甘油醛

D －甘油醛

L －丙氨酸

D －丙氨酸

二十种标准氨基酸

3.2 20 种标准氨基酸可以按其侧链分类

20 种氨基酸按照侧链基团可以分为： 6 种脂肪族、 3 种芳香族、 2 种含硫、 2 种羟基、 3 种碱性、 2 种酸性和 2 种酰胺氨基酸。

1 、 R 为脂肪族基团的氨基酸（ 6 种）甘氨酸（ - 氨基乙酸） ： 侧链是个 H ；丙氨酸（ - 氨基丙酸）： 侧链是一个甲基；缬氨酸（ - 氨基异戊酸）：含有支链的 3 碳侧链；亮氨酸（ - 氨基异己酸）： 4 碳侧链：异亮氨酸（ - 氨基 -β- 甲基戊酸）：含有支链的 4 碳侧链。脯氨酸（ β- 吡咯烷基 -- 羧酸）： 它有一个环形的饱和烃侧链， 结合在 - 氨基的氮和 - 碳上。

要注意的是，异亮氨酸分子中的 - 碳和 - 碳都是不对称碳。所以异亮氨酸存在着 4 种可能的立体异构体： L-

异亮氨酸， D- 异亮氨酸， L- 别构异亮氨酸，和 D- 别构异亮氨酸（别构是指一个异构形式）。

另外脯氨酸是一个亚氨基酸。不过在蛋白质中发现的脯氨酸也象其它氨基酸一样，它的 - 碳也是手性碳。脯氨酸的杂环吡咯烷环限制多肽的几何构型，有时会在多肽链中引进一个转折的变化。

甘氨酸 丙氨酸缬氨酸

脯氨酸异亮氨酸亮氨酸

2 、 R 为芳香族基团的氨基酸（ 3 种）苯丙氨酸（ - 氨基 -β- 苯丙酸）：一个含有苯基的氨基酸。酪氨酸（ - 氨基 -β- 对羟基苯丙酸）：结构类似于苯丙 氨酸，对位上含有一个羟基。酚是个比较弱的酸，所以酪 氨酸侧链的 pKa 值为 10.5 。

色氨酸（ β- 吲哚 -- 氨基丙酸）：侧链带有一个双环的吲 哚基，所以色氨酸又称之吲哚丙氨酸。

注意：三种芳香族氨基酸都吸收紫外光，在中性 pH 条件下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在 280nm ，而苯丙氨酸的在 260n

m ，大多数蛋白质中都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中 280nm 吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。

苯丙氨酸 酪氨酸色氨酸

色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的紫外吸收谱，

在中性 pH 条件下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在 280nm ，而苯丙氨酸的在260nm

色氨酸

酪氨酸

苯丙氨酸

3 、 R 为含硫基团的氨基酸（ 2 种） 蛋氨酸（ - 氨基 -γ- 甲硫基丁酸）：侧链上带有一个非极性 的甲基硫醚基，不过其中的硫原子是亲核的。半胱氨酸（ - 氨基 -β- 巯基丙酸）：侧链含有巯基（ -SH ）， 又称为巯基丙氨酸， -SH 是一个高反应性的基团。

蛋氨酸 半胱氨酸

两个半胱氨酸氧化可以形成胱氨酸，胱氨酸还原又可以形成两个半胱氨酸

半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸

4 、 R 为含醇基基团的氨基酸（ 2 种）丝氨酸和苏氨酸是两个侧链含有 - 羟基的不带电荷的氨基酸：

丝氨酸（ - 氨基 -β- 羟基丁酸）：侧链为羟甲基（ -CH2OH ）；

苏氨酸（ - 氨基 -β- 羟基丙酸）：侧链为羟丙基。 苏氨酸也象异亮氨酸一样含有两个手性碳原子，即 - 碳和 - 碳原子， 通常出现在蛋白质中的 L- 苏氨酸只是 4 种立体异构体中的一种。

丝氨酸苏氨酸

5 、 R 为碱性基团的氨基酸（ 3 种）组氨酸（ - 氨基 -β- 咪唑基丙酸）：侧链有一个咪唑环。赖氨酸（ ,- 二氨基己酸）：含有 - 和 - 氨基。精氨酸（ - 氨基 -δ-胍基戊酸）：侧链含有胍基。

赖氨酸精氨酸

组氨酸

6 、 R 为酸性基团的氨基酸（ 2 种）天冬氨酸（ - 氨基丁二酸）：侧链含有一个 - 羧基；谷氨酸（ - 氨基戊二酸）：侧链含有一个 - 羧基。

天冬氨酸谷氨酸

7 、 R 为含酰胺基团的氨基酸（ 2 种）天冬酰胺（ β-氨基 -β-羧基丙酰胺）：天冬氨酸酰胺化产物；谷氨酰胺（ γ- 氨基 -γ- 羧基丁酰胺）：谷氨酸的酰胺化产物。

天冬酰胺谷氨酰胺

必需和非必需氨基酸： 以上氨基酸分类完全是根据侧链的性质分类的，从营养学角度又可将氨基酸分为必需和非必需氨基酸。

必需氨基酸：赖氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、 异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、色氨酸、 组氨酸、精氨酸， 其中组氨酸和精氨酸，人虽然能合成，但效率低， 尤其在婴幼儿时期，需要由外界供给。

非必需氨基酸：甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、 谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、 脯氨酸、丙氨酸。

3.3 氨基酸的离子状态取决于环境的 pH 游离氨基酸的酸性和碱性基团的 pKa 值和氨基酸的等电点（ pI ）。

氨基酸 分子量-COOH

pKa

-NH3+ R基团

pI 蛋白质中

出现的几率 (%)*

甘氨酸 75 2.34 9.60 5.97 7.5

丙氨酸 89 2.34 9.69 6.01 9.0

缬氨酸 117 2.32 9.62 5.97 6.9

亮氨酸 131 2.36 9.60 5.98 7.5

异亮氨酸 131 2.36 9.68 6.02 4.6

脯氨酸 115 1.99 10.96 6.48 4.6

苯丙氨酸 165 1.83 9.13 5.48 3.5

酪氨酸 181 2.20 9.11 10.07 5.66 3.5

色氨酸 204 2.38 9.39 5.89 1.1

丝氨酸 105 2.21 9.15 5.68 7.1

苏氨酸 119 2.11 9.62 5.87 6.0

半胱氨酸 121 1.96 8.18 10.28 5.05 2.8

蛋氨酸 149 2.28 9.21 5.74 1.7

天冬酰胺 132 2.02 8.80 5.41 4.4

谷氨酰胺 146 2.17 9.13 5.65 3.9

天冬氨酸 133 1.88 9.60 3.65 2.77 5.5

谷氨酸 147 2.19 9.67 4.25 3.22 6.2

赖氨酸 146 2.18 8.95 10.53 9.74 7.0

精氨酸 174 2.17 9.04 12.48 10.76 4.7

组氨酸 155 1.82 9.17 6.00 7.59 2.1

* 在 200多种蛋白质中出现的平均几率。

氨基酸的 -COOH 基是个弱酸，利用 Henderson-Hasselbalc

h方程可以计算任何 pH 下离子化基团的比例。 〖共轭碱〗

pH＝ pKaα ＋ log——————

〖弱酸〗

游离氨基酸的 -COOH 的 pKa 值的范围是 1.8 至 2.5

典型的氨基酸的 -COOH 的 pKa 值大约是 2 ，在 pKa＝ 2

时，羧酸盐对羧酸的比是 100000 :1 ，占优势的成分是羧酸盐离子。

- 氨基的 pKa 值的范围是 8.7 至 10.7

它的共轭碱（游离的胺 -NH2 ）对共轭酸（质子化的胺 -NH3

＋）的比，在 pKa＝ 9 时为 1:1000 。计算表明，在 pH7 条件下，游离氨基酸主要是以兼性离子形式存在的。

通过氨基酸的滴定曲线可以确定氨基酸的各个解离基团 pKa

值

丙氨酸的滴定曲线： 丙氨酸有两个可解离基团， -COOH 和 -NH3

＋，它们的pKa 值分别是 2.4 和 9.9 ，所以丙氨酸的解离方程式可写成如下形式：

净电荷为 0净电荷为＋ 1 净电荷为－1

兼性离子

丙氨酸有两个可解离基团， -COOH 和 -NH3

＋，它

们的 pKa 值分

别是 2.34 和 9.

69 ，每一 pKa

值都位于滴定曲线缓冲区的中心。

丙氨酸滴定曲线

组氨酸滴定曲线

组氨酸有 3 个可解离基团，即 -COOH 、 -NH3＋和侧

链基团咪唑基， pKa 值分别是 1.82 、 6.0 和 9.17 ，其解离方程式可表示如下：

净电荷为＋1

净电荷为－ 1净电荷为 0净电荷为＋ 2

兼性离子

组氨酸滴定曲线

3.4 氨基酸可进行特征的化学反应1 、氨基酸氨基与茚三酮（ ninhydrin ）的反应：

茚三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，所有具有游离氨基的氨基酸都生成紫色化合物（ 470 ）。

脯氨酸是一个亚氨基酸，与茚三酮反应生成的是黄色化合物（ 440 ）。

2 、 2,4- 二硝基氟苯（ DNFB ）与氨基酸氨基的反应2,4- 二硝基氟苯（ DNFB ）也叫做 Sanger试剂。 DNFB 在弱碱性溶液中与氨基酸发生取代反应，生成黄色化合物二硝基苯基氨基酸（ DNP 氨基酸）。

3 、丹磺酰氯与氨基酸氨基的反应

丹磺酰氯是 5- 二甲基氨基萘 -1-磺酰氯的简称。丹磺酰氯与氨基酸反应生成荧光性质强和稳定的磺胺衍生物。

4 、苯异硫氰酸酯（ PITC ）与氨基酸氨基的反应苯异硫氰酸酯（ PITC ）在弱碱性条件下，与氨基酸反应生成苯乙内酰硫脲（ PTH ）衍生物，即 PTH- 氨基酸（图 1.8c ），此反应又称为 Edman 反应，该反应是蛋白质或多肽氨基酸序列测定常用的反应。

3.5 蛋白质中的氨基酸是通过肽键连接的 一个氨基酸的 - 羧基与另一个氨基酸的 - 氨基缩合，通过形成的酰胺键将两个氨基酸连接在一起，这个酰胺键称之肽键（ peptide bond ），氨基酸缩合生成的产物称之肽（ peptide ）。

二肽

氨基酸 氨基酸

五肽结构由丝氨酸、甘氨酸、酪氨酸、丙氨酸和亮氨酸形成的五肽

氨基端 羧基端

谷胱甘肽（还原型）

两个还原型谷胱甘肽氧化生成氧化型谷胱甘肽

谷胱甘肽（氧化型）结构式

二硫健

加压素

催产素

加压素和催产素都是由下丘脑分泌，然后贮存在垂体后叶中，需要时释放出来。两个多肽都是由 9 个氨基酸组成（ 9 肽）。

加压素也称之为抗利尿激素

利尿素也称之为秘乳激素

胰岛素：

肾上腺髓质分泌的激素

胰岛素由 51 个氨基酸组成， A 链含有 21 个氨基酸， B 链含有 30

个氨基酸，两条链由两个二硫健连接。另外在A 链还存在一个链内二硫健。

胰岛素是促进血糖吸收的激素，或称之为降血糖激素。

阿斯巴甜（天冬氨酰苯丙氨酸甲酯）

甜味剂，其甜度比蔗糖高得多。

1. 蛋白质是由 20 种标准氨基酸组成的。每一种氨基酸都含有一个 α- 氨基、 α- 羧基和一个侧链（ R ）。除了甘氨酸没有手性碳以外，其他 19 种氨基酸都至少含有一个手性碳。蛋白质中几乎所有的氨基酸都是 L

构型。

2. 氨基酸的侧链可以按照它们的化学结构分为：脂肪族的、芳香族的、含硫的、含醇的、碱性的、酸性的和酰胺类。氨基酸侧链基团的不同反映了氨基酸性质方面的差别，侧链特性在蛋白质的结构和功能中起着决定性的作用。

要点归纳

3. 色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸三种芳香族氨基酸都吸收紫外光，在中性 pH 条件下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在 280nm ，而苯丙氨酸的在 260nm ，大多数蛋白质中都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中 280nm 吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。

4. 各个氨基酸的等电点都不同，所带净电荷取决于所处环境的 pH 。处于等电点（ pI ）的氨基酸所带净电荷为零，当 pH低于 pI 时，氨基酸带净正电荷，当 pH 大于 pI 时，氨基酸带净负电荷。可离子化的侧链的带电状况取决于 pH

和它们的 pKa 值，带电上的差异常用来分离氨基酸和蛋白

质。

5. 许多氨基酸具有非极性的侧链，例如亮氨酸、缬氨酸等，在水溶液中它们倾向于聚集在一起，以减少与水相互作用的面积，这种倾向称为疏水相互作用。

6. 氨基酸的 α- 氨基和 α- 羧基具有化学反应性，一些氨基酸的侧链还含有羟基、氨基、羧基等可反应基团。除了脯氨酸与茚三酮反应生成黄色化合物以外，其他 19 种氨基酸与茚三酮生成的都是紫色化合物。 2,4- 二硝基氟苯、丹黄酰氯和苯异硫氰酸酯都能与氨基酸的氨基反应，这些试剂常用来测定多肽游离的 N末端氨基酸残基。

7. 氨基酸是蛋白质的构件分子，蛋白质中的氨基酸残基是通过肽键（酰胺健）连接的，残基的序列称为蛋白质的一级结构。但酰胺健并不等于肽健，只有两个氨基酸之间形成的酰胺健才定义为肽健。肽和小的蛋白质可以化学合成，现在常用的是固相合成法，是由 C端向N端合成。

8. 肽也象氨基酸那样具有等电点（ pI ），处于等电点的肽所带净电荷为零。当肽所处溶液 pH 大于该肽的pI 时，带负电荷，如果 pH < pI 时，肽带正电荷。肽的溶解性随着 pH 和离子强度而变化。