第一节 氨基酸和肽
一、氨基酸的结构和分类
（一）氨基酸的结构
氨基酸是分子中同时具有氨基和羧基、含有复合官能团的一类化合物。从蛋白质水解产物中分离出的22种氨基酸，除脯氨酸外，可视作为羧酸（R-CH2-COOH）α-碳原子上的1个氢原子被1个氨基取代后的产物，因而与羧基相邻的α-碳原子（Cα）上都有氨基，故称为α-氨基酸，它们有共同的结构通式，见图4-1。
图4-1 氨基酸结构的基本通式(非解离形式)
除甘氨酸外，与Cα连接的4个原子或基团是不同的，故Cα是不对称碳原子，因而具有旋光性。
α-氨基酸有L-型和D-型两种构型，互为对映体。组成蛋白质的α-氨基酸多是L-型氨基酸，D-型氨基酸只存在于某些抗生素和植物的个别生物碱中。L-和D-型的异构体具有相同的熔点、溶解度等物理性质和相同的化学性质，但其旋光方向相反。常见氨基酸的名称、符号、相对分子质量及结构式见表4-1。
表4-1 常见氨基酸的名称、符号、相对分子质量及结构式
表4-1中都是由基因编码的氨基酸，称为编码氨基酸。在蛋白质分子中还有非编码氨基酸，是在蛋白质生物合成后经乙酰化、磷酸化、羟化或甲基化等修饰形成的。在20种编码氨基酸中有3个氨基酸是最有个性的。一是脯氨酸，属于亚氨基酸，它的氨基和其他氨基酸的羧基形成的酰胺键有明显的特点，较易变成顺式的肽键。二是甘氨酸，它是唯一在α碳原子上只有两个氢原子、没有侧链的氨基酸，它既不能和其他残基的侧链相互作用，也不产生任何位阻现象，进而在蛋白质的立体结构形成中有特定的作用。三是半胱氨酸，它的个性不仅表现在其侧链有一定的大小和具有高度的化学反应活性，还在于两个半胱氨酸能形成稳定的带有二硫键的胱氨酸。二硫键不仅可以在肽链内，也可以在肽链间存在，而且，同样的一对二硫键还能具有不同的空间取向。
表4-1中，有8种氨基酸被称为必需氨基酸，包括缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸。营养学实践证明，缺少这8种氨基酸就会使蛋白质的代谢失去平衡，引起疾病，因此它们是维持生命的必需物质。另外，通常儿童无法制造足够发育所需的组氨酸及精氨酸，因此，对婴儿来说组氨酸与精氨酸也是必需氨基酸。人们可以从不同的食物内获得必需氨基酸，但不能从某一种食物内获得所有的必需氨基酸，因此食物的多样化是非常重要的。
还有几种氨基酸也是蛋白质的组成成分，但含量少，并且是在蛋白质合成后形成的。例如，羟脯氨酸是脯氨酸经过羟化反应生成的，在明胶中含量较多（占14%），一般蛋白质中含量较少。羟赖氨酸由赖氨酸经过羟化反应生成的，是动物组织蛋白成分之一。胱氨酸是两个半胱氨酸氧化后生成的，在毛、发、角、蹄中含量丰富。
（二）氨基酸的分类
1.根据氨基和羧基的相对位置分类
根据氨基酸中氨基和羧基在分子中相对位置的不同，可分为α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸、ε-氨基酸等。
羧酸分子中的α氢原子被氨基取代的生成物叫α-氨基酸，羧酸分子中的β氢原子被氨基取代的生成物叫β-氨基酸（图4-2），羧酸分子中的γ氢原子被氨基取代的生成物叫γ-氨基酸。
图4-2 α-氨基酸(左)和β-氨基酸(右)
2.根据氨基酸中烃基结构分类
根据氨基酸中烃基结构的不同可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。苯丙氨酸和酪氨酸分子中含有芳香环，属于芳香族氨基酸；脯氨酸、组氨酸和色氨酸分子中含有杂环，属于杂环氨基酸。其余都是脂肪族氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸等。有些氨基酸的R基团上还含有其他官能团，如—OH、—SH、—SCH3、—COOH、—NH2等。
3.根据侧链的极性不同分类
（1）具有非极性或疏水性侧链的氨基酸 这类氨基酸通常处于蛋白质分子内部。包括含有脂肪族侧链的亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸和芳香族侧链的苯丙氨酸，在水中的溶解度较极性氨基酸小，其疏水程度随着脂肪族侧链的长度增加而增大。
（2）带有极性、无电荷（亲水的）侧链的氨基酸 其侧链中含有羟基、巯基、酰胺基等极性基团，但它们在生理条件下却不带电荷，具有一定的亲水性，往往分布在蛋白质分子的表面。包括丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸。含有中性、极性基团（极性基团处在疏水氨基酸和带电荷的氨基酸之间）能够与适合的分子例如水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的极性与它们所含的羟基有关，天冬酰胺、谷氨酰胺的极性同其酰胺基有关。而半胱氨酸则因含有巯基，所以属于极性氨基酸。其中半胱氨酸和酪氨酸是这一类中具有最大极性基团的氨基酸，因为在pH值接近中性时，巯基和酚基可以产生部分电离。在蛋白质中，半胱氨酸通常以氧化态的形式存在，即胱氨酸。当两个半胱氨酸分子的巯基氧化时便形成1个二硫交联键，生成胱氨酸。天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或碱存在下容易水解并分别生成天冬氨酸和谷氨酸。这类氨基酸往往分布在蛋白质分子的表面。
（3）带正电荷侧链（在pH值接近中性时）的碱性氨基酸 在其侧链中常常带有易接受质子的基团（如胍基、氨基、咪唑基等），因此它们在中性和酸性溶液中带正电荷。包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸，它们分别具有ε-NH2、胍基和咪唑基（碱性）。这些基团的存在是使它们带有电荷的原因，组氨酸的咪唑基在pH7时，有10%被质子化，而pH6时50%被质子化。
（4）带有负电荷侧链的氨基酸（pH值接近中性时） 在其侧链中带有给出质子的羧基（酸性），因此它们在中性或碱性溶液中带负电荷。包括天冬氨酸和谷氨酸。
4.根据分子结构可分为六大类
（1）中性氨基酸 含有1个氨基和1个羧基，如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等。
（2）酸性氨基酸 含有1个氨基，2个羧基，如天冬氨酸、谷氨酸。
（3）碱性氨基酸 含有2个氨基，1个羧基，如精氨酸、赖氨酸。
（4）含羟氨基酸 含有1个氨基，1个羧基，1个羟基，如丝氨酸、苏氨酸。
（5）含硫氨基酸 含有1个氨基，1个羧基，1个巯基，如半胱氨酸、甲硫氨酸。
（6）含环氨基酸 含有1个氨基，1个羧基，1个环状结构，如苯丙氨酸、色氨酸、组氨酸、脯氨酸、酪氨酸。