第三章 氨基酸——结构与功能

• 蛋白质和肽的组成单位• 通过共价键（肽键）相连• 蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸 20 种常见的蛋白质氨基酸 +2 种不常见的蛋白质氨基

酸 – 相同的结构通式– 差别在侧链基团（ R 基团）– 所有的生物体都含有 20 种常见的蛋白质氨基酸– 2 种不常见的蛋白质氨基酸：含硒半胱氨酸（第 21

种）和吡咯赖氨酸（第 22 种）• 蛋白质的不同结构与功能与氨基酸序列有关

氨基酸的结构通式

不同的侧链基团不同的理化性质

氨基酸的分类

•脂肪族•芳香族•含硫族

•极性 / 不带电荷•碱性 / 酸性

疏水：非极性 R 基团

亲水：极性的 R 基团（电中性、带负电荷、带正电荷）

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine 脂肪族氨基酸

H2N CH C

H

OH

O

氨基酸的结构

脂肪族氨基酸

H2N CH C

CH3

OH

O

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

缬氨酸 Valine

脂肪族氨基酸

H2N CH C

CH

OH

O

CH3

CH3

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

缬氨酸 Valine

亮氨酸 Leucine

脂肪族氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

CH CH3

CH3

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

缬氨酸 Valine

亮氨酸 Leucine

异亮氨酸 Ileucine

脂肪族氨基酸

H2N CH C

CH

OH

O

CH3

CH2

CH3

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

缬氨酸 Valine

亮氨酸 Leucine

异亮氨酸 Ileucine

脯氨酸 Proline

亚氨基酸

HN

C

OH

O

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

缬氨酸 Valine

亮氨酸 Leucine

异亮氨酸 Ileucine

脯氨酸 Proline

甲硫氨酸 Methionine

含硫氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

S

CH3

氨基酸的结构

甘氨酸 Glycine

丙氨酸 Alanine

缬氨酸 Valine

亮氨酸 Leucine

异亮氨酸 Ileucine

脯氨酸 Proline

甲硫氨酸 Methionine

半胱氨酸 Cysteine

含硫氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

SH

氨基酸的结构

芳香族氨基酸苯丙氨酸

PhenylalanineH2N CH C

CH2

OH

O

氨基酸的结构

芳香族氨基酸苯丙氨酸

Phenylalanine

酪氨酸

Tyrosine

H2N CH C

CH2

OH

O

OH

氨基酸的结构

芳香族氨基酸苯丙氨酸

Phenylalanine

酪氨酸

Tyrosine

色氨酸

Trytophan

H2N CH C

CH2

OH

O

HN

氨基酸的结构

碱性氨基酸精氨酸 Arginine

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

CH2

NH

C

NH2

NH

氨基酸的结构

碱性氨基酸精氨酸 Arginine

赖氨酸 LysineH2N CH C

CH2

OH

O

CH2

CH2

CH2

NH2

氨基酸的结构

碱性氨基酸精氨酸 Arginine

赖氨酸 Lysine

组氨酸 Histidine

H2N CH C

CH2

OH

O

N

NH

氨基酸的结构

天冬氨酸 Aspartate 酸性氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

C

OH

O

氨基酸的结构

天冬氨酸 Aspartate

谷氨酸 Glutamate

酸性氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

C

OH

O

氨基酸的结构

丝氨酸 Serine 含羟基氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

OH

氨基酸的结构

丝氨酸 Serine

苏氨酸 Threonine 含羟基氨基酸

H2N CH C

CH

OH

O

OH

CH3

氨基酸的结构

天冬酰胺 Asparagine 含酰胺氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

C

NH2

O

氨基酸的结构

天冬酰胺 Asparagine

谷酰胺 Glutamine

含酰胺氨基酸

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

C

NH2

O

脂肪族氨基酸

芳香族氨基酸

亲水氨基酸 VS 疏水氨基酸

极性氨基酸或亲水氨基酸的 R 基团为极性，对水分子具有一定的亲和性，一般能和水分子之间形成氢键。它们包括Ser、 Thr、 Tyr、 Cys、 Sec、 Asn、 Gln、Asp、 Glu、 Pyl、 Arg、 Lys、 His；非极性氨基酸或疏水氨基酸的 R 基团呈非极性，对水分子的亲和性不高或者极低，但对脂溶性物质的亲和性较高。属于疏水氨基酸的有Gly、 Ala、 Val、 Leu、 Ile、 Pro、Met、Phe和 Trp。

Non-polar Amino Acids

• There are 8 non-polar amino acids:

H2N CHC

CH3

OH

OH2N CHC

CH2

OH

O

CHCH3

CH3

H2N CHC

CH

OH

O

CH3

CH3

H2N CHC

CH

OH

O

CH2

CH2

CH2

HN

C OH

O

H2N CHC

CH2

OH

O

CH2

S

CH3

H2N CHC

CH2

OH

O

H2N CH

Proline (P)Isoleucine (I)

C

CH2

OH

O

Alanine (A) Leucine (L)Valine (V)

NH

Methionine (M) Phenylalanine (F) Trptophan (W)

Polar, Uncharged Amino Acids

• There 7 polar, uncharged amino acids:

H2N CHC

H

OH

O

H2N CHC

CH2

OH

O

OH

H2N CHC

CH

OH

O

OH

CH3

H2N CHC

CH2

OH

O

SH

H2N CHC

CH2

OH

O

C

NH2

O

H2N CHC

CH2

OH

O

CH2

C

NH2

O

H2N CHC

CH2

OH

O

OH

Glycine (G) Serine (S)

Glutamine (Q)

Cysteine (C)Threonine (T)

Asparagine (N)Tyrosine (Y)

Polar, Charged Amino Acids

• There are 5 polar charged amino acids:

H2N CHC

CH2

OH

O

NNH

H2N CHC

CH2

OH

O

CH2

CH2

CH2

NH2

H2N CHC

CH2

OH

O

CH2

CH2

NH

C

NH2

NH

H2N CHC

CH2

OH

O

CH2

C

OH

O

H2N CHC

CH2

OH

O

C

OH

O

Histidine (H) Lysine (K) Arginine (R)

Glutamic Acid (E) Aspartic Acid (D)

Gly, G, 甘氨酸Ala, A, 丙氨酸Val, V, 缬氨酸Leu, L, 亮氨酸Ile, I, 异亮氨酸Met, M, 蛋氨酸,

甲硫氨酸

Ser, S, 丝氨酸Thr, T, 苏氨酸Cys, C, 半胱氨酸Pro, P, 脯氨酸Asn, N, 天冬酰胺Gln, Q, 谷氨酰胺

Lys, K, 赖氨酸; Arg, R, 精氨酸; His, H, 组氨酸

Phe, F, 苯丙氨酸; Tyr, Y, 络氨酸; Trp, W, 色氨酸

含硒半胱氨酸只存在于含硒蛋白之中，而吡咯赖氨酸仅存在于一些真细菌和古细菌体内，作为与产甲烷代谢有关的某些酶的组分。

21st & 22nd AAs

必需氨基酸 VS非必需氨基酸必需氨基酸 VS非必需氨基酸

必需氨基酸是指人体必不可少，而机体内又不能合成、必须从食物中补充的氨基酸。如果饮食中经常缺少它们，就会影响健康。必需氨基酸共有 10种： Lys、 Trp、 Phe、Met、Thr、 Ile、 Leu、 Val、 Arg和 His。人体虽能够合成Arg和 His，但合成的量通常不能满足正常的需要，因此这两种氨基酸又被称为半必需氨酸。 -Tip MTV Hall余下的氨基酸则属于非必需氨基酸，动物体自身可以进行有效的合成，它们包括：Ala， Asn、 Asp、 Gln、 Glu、 Pro、 Ser、 Cys、 Tyr和 Gly。

笨（苯丙氨酸）蛋（蛋氨酸）精（精氨酸）来（赖氨酸）宿（苏氨酸）舍（色氨酸）住（组氨酸）亮（亮氨酸）凉（异亮氨酸）鞋（缬氨酸）

非蛋白质氨基酸• 这些氨基酸通常以游离的形式存在，具有

特殊的生理功能或者作为代谢的中间物和某些物质的前体，它们并不能参入到多肽和蛋白质分子之中。例如在动物体内充当神经递质的 - 氨基丁酸（ Gamma-aminobutyric acid， GABA ）、作为维生素泛酸（ pantothenic acid ）组分的 - 丙氨酸和参与尿素循环的鸟氨酸（ ornithine）和瓜氨酸（ citrulline ）。

Amino Acids not found in Proteins

氨基酸的性质•缩合•手性（ Gly除外）•酸碱解离性质与两性离子• R 基团的结构变化和化学反应性质

氨基酸的缩合反应与肽

D 型氨基酸与 L 型氨基酸D 型氨基酸与 L 型氨基酸

22种蛋白质氨基酸分子中，除了甘氨酸，均至少含有一个不对称碳原子（ Thr和 Ile有两个手性碳），因此除甘氨酸以外的 21种标准氨基酸都具有手性性质。如果以 L 型甘油醛为参照物，具有不对称碳原子的氨基酸就有 D 型和 L 型两种对映异构体。实验证明，蛋白质分子中的不对称氨基酸都是 L 型。 D型氨基酸仅存在于一些特殊的抗菌肽和某些细菌的细胞壁成分之中，它们不能参入到在核糖体上合成的多肽或蛋白质分子之中。氨基酸的 D 型和 L 型与氨基酸的旋光方向没有必然的联系。

由于氨基酸既含有碱性的氨基又含有酸性的羧基，因此氨基酸具有特殊的解离性质，但氨基算的碱性和酸性分别弱于单纯的胺和羧酸。一个氨基酸分子内部的酸碱反应使氨基酸能同时带有正负两种电荷，以这种形式存在的离子被称为兼性离子（ zwitterions）或两性离子。

特殊的酸碱性质与等电点

对于任何一种氨基酸来说，总存在一定的pH值，使其净电荷为零，这时的 pH值被称为等电点。 pI是一个氨基酸的特征常数。在等电点 pH时，氨基酸在电场中，不向两极移动，并且绝大多数处于兼性离子状态，少数可能解离成阳离子和阴离子，但解离成阴、阳离子的趋势和数目相等。

等电点（ pI）

pI = (pK1+pK2)/2

氨基酸净电荷为零时的 pH值，称为等电点（ pI) 。

pI=1/2( pK1 ′+pK2 ′)

Isoelectric PointsIsoelectric Points

The isoelectric point of an amino acid occurs at the pH where the amino acid exists as the zwitterion.

The isoelectric point of an amino acid occurs at the pH where the amino acid exists as the zwitterion.

deprotonated

base solution

high pH

protonated

acid solution

low pH

zwitterion

isoelectric point

H3NCHCO

ORH3O

+

H3NCHCOH

OROH

-H2NCHCO

OR

• No net charge

• Minimum solubility in water

• protein will precipitate out at its isoelectric point

• can separate amino acids and peptides based in electrophoresis:• + charged amino acids move to - electrode• - charged amino acids move to + electrode

• amino acids at their isoelectric points do not move

ElectrophoresisElectrophoresis

A mixture of histidine, serine, and glutamic acid can be separated by electrophoresis at pH = 5.68.

A mixture of histidine, serine, and glutamic acid can be separated by electrophoresis at pH = 5.68.

- +

negatively charged

(deprotonated) glutamic acid

serine at its isoelectric point

at pH = 5.68

H3NCHCOH

O

CH2

N

NH2

H3NCHCO

O

CH2OH

H2NCHCO

O

CH2CH2COO

positively charged

(protonated) histidine

UV-absorbing Properties of Amino Acids

• Only three amino acids, Phe, Tyr, and Trp, absorb light in the near UV range (230 nm-300 nm). These amino acids dominate the UV absorption spectra of proteins. The wavelength maxima for tyrosine and tryptophan are around 280 nm. In contrast, nucleic acids (we will discuss later) have absorption maximum of 260 nm. Thus a simple UV scan can allow one to distinguish between protein and nucleic acids.

反应类型 反应试剂 主要反应产物 用途氨基参与的反应 HNO2

甲醛酰化试剂－苄氧酰氯、叔丁氧酰氯、对甲苯磺酰氯、丹磺酰氯等2,4－二硝基氟苯 (DNFB)苯异硫氰酸酯（ PITC ）氨基酸氧化酶、转氨酶等

羟酸， N2

二羟甲基氨基酸酰化氨基酸DNP- 氨基酸PTC- 氨 基酸 ， PTH- 氨 基酸酮酸等

Van Slyke 定氮氨基酸滴定肽的人工合成氨基的保护；丹磺酰氯可用于 N- 端氨 基 酸 的 标记和微量氨基酸的定量。多 肽 和 蛋 白 质 N- 端氨 基 酸 的 鉴 定（ Edman降解）细胞内氨基酸的代谢

羧基参与的反应 碱醇tRNA 、 氨酰－ tRNA 合成酶、 ATP等脱羧酶

氨基酸盐氨基酸酯氨酰－ tRNA胺

氨基酸羧基的保护和活化蛋白质的生物合成氨基酸的代谢

氨基和羧基同时参与的反应

茚三酮肽酰转移酶等

紫色物质Pro 为黄色物质 肽

氨基酸的定性和定量多肽和蛋白质的生物合成

氨基酸的主要反应

Reaction with HNO2

and Van Slyke Determination

Reaction with Ninhydrin

• Used to visualize spots or bands of amino acids separated by chromatography or electrophoresis.

• Deep purple color formed with traces of any amino acid except Pro (yellow). =>

Reaction with formaldehyde

and formol titration

Reaction with 2,4-dinitrofluorobenzene(DNFB)

Reaction with

phenylisothiocyanate (PITC)

所有氨基酸及具有游离 α-氨基的肽与茚三酮反应都产生蓝紫色物质，只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质。

Functional Significance of AA R-Groups

• 氨基酸侧链具有功能基团时也能发生化学反应。这些功能基团有羟基、酚基、吲哚基、咪唑基、胍基、甲硫基以及非 α-羧基和非 α-氨基等。每种功能基团都可以和多种试剂起反应。

• 蛋白质的化学修饰：在较温和的条件下，以可控制的方式使蛋白质与某种试剂（称化学修饰剂）起特异反应，以引起蛋白质中个别氨基酸侧链或功能基团发生共价化学改变。

侧链基团 反应试剂 产物 用途Arg 的胍基 α-萘酚、次溴酸钠

—坂口试剂桃红色物 鉴定 Arg

Met的 -S-CH3 H2O2 过氧化物 抑制某些蛋白质的活性

Cys的 -SH 碘代乙酸、过甲酸 乙酸硫基、磺基 肽链拆分

His 的咪唑基 重氮苯磺酸—Pauly试剂

樱红色物 鉴定 His

Tyr 的酚基 重氮苯磺酸—Pauly试剂

桔黄色物 鉴定 Tyr

Tyr 的酚基 磷钼酸、磷钨酸—Folin试剂

蓝色物质 定量测定蛋白质、 Tyr

Trp 的吲哚基 对二甲基氨基苯甲醛

蓝色物质 鉴定 Trp

Ser、 Thr和 Tyr 的羟基

激酶、 ATP/镁离子 磷酸化的氨基酸 调节酶的活性

氨基酸侧链基团的反应性质

-OOC CHCH2 SH

NH3+

-OOC CHCH2 S

NH3+

OCCH2

O

CH2-OOC CHCH2 S

NH3+

CH2OCCl

O

CH2Cl

ICH2CNH2

O

CH2CNH2

O

-OOC CHCH2 S

NH3+

巯基与卤化烷剂反应生成相应的稳定烷基衍生物

（ 1 ） Millon反应：检测 Tyr或含 Tyr的蛋白质的反应。Millon试剂：汞的硝酸盐与亚硝酸盐溶液。产物：红色的化合物。（ 2 ） Folin反应：检测 Tyr或含 Tyr的蛋白质的反应。Folin试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。（ 3 ）坂口反应：检测 Arg或含 Arg的蛋白质的反应。坂口试剂： α—萘酚的碱性次溴酸钠溶液。产物：砖红色的沉淀。（ 4 ） Pauly 反应：检测 His 、 Tyr 及含 His 、 Tyr 蛋白质的反

应。试剂：对氨基苯磺酸盐酸溶液、亚硝酸钠、碳酸钠混合溶液产物：橘红色的化合物。（ 5 ）乙醛酸的反应：检测 Trp或含 Trp蛋白质的反应。 当 Trp与乙醛酸和浓硫酸在试管中叠加时，产生分层现象，界面出现紫色环。（ 6 ） Cys 的反应： Cys 或含 Cys 蛋白质与亚硝基亚铁氰酸钠在稀

氨的溶液中，产生一种红色的化合物。

侧链反应（颜色反应）

氨基酸的分离与纯化技术

所有关于氨基酸的分离手段都建立在它们在物理性质（大小）或化学性质（电荷）的差别的基础之上。用于分离、纯化氨基酸的主要手段是电泳和层析。

Separation and Analysis ofAmino Acid Mixtures

• The ability to separate amino acids in mixtures is usually based on relative differences in their physical and chemical traits. These are all mediated by their “R” or functional groups.

• The general strategy is to exploit the ability of a given amino acid to partition between two different phases. It could be two liquid phases (extraction), a solid-liquid phase, or a gas-liquid phase. In particular, solid-liquid phase methods are routinely used, the procedure being termed chromatography.

• Typically, the first strategy is to exploit any charge differences among the amino acids at a given pH. This is done by ion-exchange chromatography.

• If you were given a mixture of amino acids, K, A, G, R, E, and H, could you predict their relative elution pattern from a cation exchange column at pH 7.0?

• Dp = pI – pH

Ala、 Lys和 Asp的电泳分离

离子交换层析分离氨基酸的原理