第五章氨基酸,肽和蛋白质 第一节概述 蛋白质是生物体的重要组成部分,在生物体系中起着核心作用,占活细胞干 重的50%左右。虽然有关细胞的进化和生物组织信息存在于DNA中,但是,维持 细胞和生物体生命的化学和生物化学过程全部是由酶来完成。众所周知,每一种 酶在细胞中是高度专一的催化一种生物化学反应,酶是具有催化功能的蛋白质 此外,有的蛋白质,例如胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白等,在细胞和复杂的生物 体中作为结构单元,对于细胞的结构和功能起着重要作用。蛋白质之所以具有多 种功能,这是与蛋白质的化学组成和结构有关。许多种蛋白质已经从生物材料中 分离提纯,其相对分子质量大约在5000到几百万之间。蛋白质由50%~55%C、 6%~7%H、20%~23%0、12%~19%N和0.2%~3%S等元素构成,有些蛋白质分 子还含有铁、碘、磷或锌。蛋白质完全水解的产物是α一氨基酸,它们的侧链结 构和性质各不相同,大多数蛋白质是由20种不同氨基酸组成的生物大分子。蛋 白质分子中的氨基酸残基靠酰胺键连接,形成含多达几百个氨基酸残基的多肽 链。酰胺键的C-N键具有部分双键性质,不同于多糖和核酸中的醚键与磷酸二酯 键,因此蛋白质的结构非常复杂,这些特定的空间构象赋予蛋白质特殊的生物功 能和特性 根据蛋白质的分子组成,蛋白质可以分为两类,一类是分子中仅含有氨基酸 (即细胞中未被酶修饰的蛋白质)的简单蛋白( Hemoproteins),另一类是由氨 基酸和其他非蛋白质化合物组成(即经酶修饰的蛋白质)的结合蛋白( Conjugated proteins),又称杂蛋白( Heteroproteins)。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为 辅基( Prosthetic groups)。根据辅基的化学性质不同,可以分为核蛋白(核糖 体和病毒)、脂蛋白(蛋黄蛋白、一些血浆蛋白)、糖蛋白(卵清蛋白、κ-酪蛋 白)、磷蛋白(α-和β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶)和金属蛋白(血红蛋白、肌 红蛋白和几种酶)。其中糖蛋白和磷蛋白是蛋白质以共价键分别与碳水化合物和 磷酸基团连接,而其他的蛋白质则是蛋白质通过非共价键与核酸、脂类和金属离 子形成复合物。 每一种蛋白质都有其特定的三维结构。因此也可按照蛋白质的结构分为纤维 蛋白和球蛋白。纤维蛋白是由线形多肽链组成,构成生物组织的纤维部分,如胶 原蛋白、角蛋白、弹性蛋白和原肌球蛋白都属于这类蛋白质。球蛋白是一条或几 条多肽链靠自身折叠而形成球形或椭圆结构。此外,肌动蛋白和血纤维蛋白等纤 维蛋白分子是为α-球蛋白的线性聚集结构。大多数酶都属于球蛋白,纤维蛋白 总是起着结构蛋白的作用
第五章 氨基酸，肽和蛋白质 第一节 概述 蛋白质是生物体的重要组成部分，在生物体系中起着核心作用,占活细胞干 重的 50%左右。虽然有关细胞的进化和生物组织信息存在于 DNA 中，但是，维持 细胞和生物体生命的化学和生物化学过程全部是由酶来完成。众所周知,每一种 酶在细胞中是高度专一的催化一种生物化学反应，酶是具有催化功能的蛋白质。 此外，有的蛋白质，例如胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白等，在细胞和复杂的生物 体中作为结构单元，对于细胞的结构和功能起着重要作用。蛋白质之所以具有多 种功能，这是与蛋白质的化学组成和结构有关。许多种蛋白质已经从生物材料中 分离提纯，其相对分子质量大约在 5000 到几百万之间。蛋白质由 50%～55% C、 6%～7% H、20%～23% O、12%～19% N 和 0.2%～3% S 等元素构成，有些蛋白质分 子还含有铁、碘、磷或锌。蛋白质完全水解的产物是α-氨基酸，它们的侧链结 构和性质各不相同，大多数蛋白质是由 20 种不同氨基酸组成的生物大分子。蛋 白质分子中的氨基酸残基靠酰胺键连接，形成含多达几百个氨基酸残基的多肽 链。酰胺键的 C-N 键具有部分双键性质，不同于多糖和核酸中的醚键与磷酸二酯 键，因此蛋白质的结构非常复杂，这些特定的空间构象赋予蛋白质特殊的生物功 能和特性。 根据蛋白质的分子组成，蛋白质可以分为两类，一类是分子中仅含有氨基酸 （即细胞中未被酶修饰的蛋白质）的简单蛋白（Homoproteins）,另一类是由氨 基酸和其他非蛋白质化合物组成（即经酶修饰的蛋白质）的结合蛋白（Conjugated proteins）,又称杂蛋白（Heteroproteins）。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为 辅基（Prosthetic groups）。根据辅基的化学性质不同，可以分为核蛋白（核糖 体和病毒）、脂蛋白（蛋黄蛋白、一些血浆蛋白）、糖蛋白（卵清蛋白、κ-酪蛋 白）、磷蛋白（α-和β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）和金属蛋白（血红蛋白、肌 红蛋白和几种酶）。其中糖蛋白和磷蛋白是蛋白质以共价键分别与碳水化合物和 磷酸基团连接，而其他的蛋白质则是蛋白质通过非共价键与核酸、脂类和金属离 子形成复合物。 每一种蛋白质都有其特定的三维结构。因此也可按照蛋白质的结构分为纤维 蛋白和球蛋白。纤维蛋白是由线形多肽链组成，构成生物组织的纤维部分，如胶 原蛋白、角蛋白、弹性蛋白和原肌球蛋白都属于这类蛋白质。球蛋白是一条或几 条多肽链靠自身折叠而形成球形或椭圆结构。此外，肌动蛋白和血纤维蛋白等纤 维蛋白分子是为α-球蛋白的线性聚集结构。大多数酶都属于球蛋白，纤维蛋白 总是起着结构蛋白的作用
蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序,而二级结构和三级 结构则与多肽链的三维结构有关,四级结构表示多肽链的几何排列,这些肽链间 大多是通过非共价键连接在一起。 蛋白质具有多种功能,根据功能不同可分为三大类:结构蛋白质,有生物活 性的蛋白质和食品蛋白质 肌肉、骨骼、皮肤等动物组织中含有结构蛋白质(角蛋白、胶原蛋白、弹性 蛋白等),它们的功能大多与其纤维结构有关。 具有生物活性的蛋白质是生物体的重要组成部分,它与生命活动有着十分密 切的关系,生命现象和生理活动往往是通过蛋白质的功能来实现的。酶是活性蛋 白中最重要的一类,已鉴定出的酶有2000种以上,它们都是高度专一性的催化 剂。其他生物活性蛋白质包括结构蛋白、调节代谢反应的激素蛋白质(胰岛素、 生长激素)、收缩蛋白质(肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白)、转移蛋白质(血红 蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白)、抗体蛋白(免疫球蛋白)、贮存蛋白质(卵清蛋 白、种子蛋白)和保护蛋白(毒素和过敏原)以及一些蛋白类的抗生素。有些蛋 白质还具有抗营养性质(例如胰蛋白酶抑制剂)。食品中存在的蛋白质抗原,可 导致抗体的合成,使人体内防御机制改变并出现许多种变态反应。贮存蛋白质主 要存在于蛋类和植物种子中,主要为种子和胚芽的萌发和生长提供氮源与氨基 酸。保护蛋白则是某些微生物和动物为了生存所建立的一部分防御机制。毒蛋白 存在于一些毒素和微生物中,如肉毒素、金黄色葡萄球菌毒素、毒蛇毒液和蓖麻 蛋白等。 从细菌到人类,所有物种其蛋白质本质上都由20种基本氨基酸构成,但有 的蛋白质可能不含有其中的一种或几种。这20种氨基酸其结构、大小、形状、 电荷、形成氢键的能力和化学活性方面都存在差异。蛋白质实现的功能范围所以 如此之广,就是由于20种氨基酸的差异,以及它们的各种组合的变化的结果 通过改变氨基酸的顺序、种类和比例,以及多肽链的链长,将可合成许多具有各 种独特性质的蛋白质。 食品蛋白质包括可供人类食用、易消化、安全无毒、富有营养、具有功能特 性的蛋白质。乳、肉(包括鱼和家禽)、蛋、谷物、豆类和油料种子是食品蛋白 质的主要来源。随着世界人口的增长,为了满足人们对蛋白质逐渐增长的需求, 不仅要寻求新的蛋白质资源和开发蛋白质利用的新技术,而且还应更充分地利用 现有的蛋白质资源和考虑成本。因此,必须了解和掌握食品蛋白质的物理、化学 和生物学性质,以及加工处理对这些蛋白质的影响,从而进一步改进蛋白质的性 质,特别是营养品质和功能特性
蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，而二级结构和三级 结构则与多肽链的三维结构有关，四级结构表示多肽链的几何排列，这些肽链间 大多是通过非共价键连接在一起。 蛋白质具有多种功能，根据功能不同可分为三大类：结构蛋白质，有生物活 性的蛋白质和食品蛋白质。 肌肉、骨骼、皮肤等动物组织中含有结构蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、弹性 蛋白等），它们的功能大多与其纤维结构有关。 具有生物活性的蛋白质是生物体的重要组成部分，它与生命活动有着十分密 切的关系，生命现象和生理活动往往是通过蛋白质的功能来实现的。酶是活性蛋 白中最重要的一类，已鉴定出的酶有 2000 种以上，它们都是高度专一性的催化 剂。其他生物活性蛋白质包括结构蛋白、调节代谢反应的激素蛋白质（胰岛素、 生长激素）、收缩蛋白质（肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白）、转移蛋白质（血红 蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白）、抗体蛋白（免疫球蛋白）、贮存蛋白质（卵清蛋 白、种子蛋白）和保护蛋白（毒素和过敏原）以及一些蛋白类的抗生素。有些蛋 白质还具有抗营养性质（例如胰蛋白酶抑制剂）。食品中存在的蛋白质抗原，可 导致抗体的合成，使人体内防御机制改变并出现许多种变态反应。贮存蛋白质主 要存在于蛋类和植物种子中，主要为种子和胚芽的萌发和生长提供氮源与氨基 酸。保护蛋白则是某些微生物和动物为了生存所建立的一部分防御机制。毒蛋白 存在于一些毒素和微生物中，如肉毒素、金黄色葡萄球菌毒素、毒蛇毒液和蓖麻 蛋白等。 从细菌到人类，所有物种其蛋白质本质上都由 20 种基本氨基酸构成，但有 的蛋白质可能不含有其中的一种或几种。这 20 种氨基酸其结构、大小、形状、 电荷、形成氢键的能力和化学活性方面都存在差异。蛋白质实现的功能范围所以 如此之广，就是由于 20 种氨基酸的差异，以及它们的各种组合的变化的结果。 通过改变氨基酸的顺序、种类和比例，以及多肽链的链长，将可合成许多具有各 种独特性质的蛋白质。 食品蛋白质包括可供人类食用、易消化、安全无毒、富有营养、具有功能特 性的蛋白质。乳、肉（包括鱼和家禽）、蛋、谷物、豆类和油料种子是食品蛋白 质的主要来源。随着世界人口的增长，为了满足人们对蛋白质逐渐增长的需求， 不仅要寻求新的蛋白质资源和开发蛋白质利用的新技术，而且还应更充分地利用 现有的蛋白质资源和考虑成本。因此，必须了解和掌握食品蛋白质的物理、化学 和生物学性质，以及加工处理对这些蛋白质的影响，从而进一步改进蛋白质的性 质，特别是营养品质和功能特性
第二节氨基酸和蛋白质的物理化学性质 氨基酸的一般性质 1.结构和分类 氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位,有20种氨基酸通常存在于蛋白质水 解物中,其他种氨基酸也存在于自然界,并具有生物功能。为了了解蛋白质的性 质,必须首先了解氨基酸的结构性质 氨基酸是带有氨基的有机酸,分子结构中至少含有一个伯氨基和一个羧基, a-氨基酸含有一个a-碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链R基团。天然 a氨基酸具有以下结构: R是侧链基团,脯氨酸和羟基脯氨酸的R基团来自吡 R-C-Co咯烷,它们并不符合一般结构,蛋白质中常见的a-氨基 N 酸见表5-1。 表5-1蛋白质中常见的α-氨基酸 简写符号 相对分 名称 3个字母1个字母子质量 化学名称 结构式(中性pH) 丙氨酸 Ala A 89,1 氨基丙酸 CH, -CH-coo Alanine 精氨酸 742a-氨基-o-胍基戊酸H2N-C-NH-(cH2)H-co Arginine 天冬酰胺 Asn N 132.1天冬酸酰胺 2N→C-CH2CH-Coo Asparagine *NH3 天冬氨酸 A 13.1a-氨基琥珀酸 Aspartic acid C-CH-CH-Coo 半胱氨酸 121.1a-氨基-β-巯基丙酸 HS-CH-CH-COo Cysteine 谷氨酰胺 GIn Q 146.1 谷氨酸酰胺 H2N-C-(CH2)2-CH-coo Glutamine *NH3
第二节 氨基酸和蛋白质的物理化学性质 一、 氨基酸的一般性质 1.结构和分类 氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位，有 20 种氨基酸通常存在于蛋白质水 解物中，其他种氨基酸也存在于自然界，并具有生物功能。为了了解蛋白质的性 质，必须首先了解氨基酸的结构性质。 氨基酸是带有氨基的有机酸，分子结构中至少含有一个伯氨基和一个羧基， α-氨基酸含有一个α-碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链 R 基团。天然 α-氨基酸具有以下结构： R 是侧链基团，脯氨酸和羟基脯氨酸的 R 基团来自吡 咯烷，它们并不符合一般结构，蛋白质中常见的α-氨基 酸见表 5-1。 表 5-1 蛋白质中常见的α-氨基酸 名 称 简 写符 号 相对分 子质量 化学名称 结构式（中性 pH） 3 个字母 1 个字母 丙氨酸 Alanine Ala A 89.1 α-氨基丙酸 精氨酸 Arginine Arg R 174.2 α-氨基-σ-胍基戊酸 天冬酰胺 Asparagine Asn N 132.1 天冬酸酰胺 天冬氨酸 Aspartic acid Asp D 133.1 α-氨基琥珀酸 半胱氨酸 Cysteine Cys C 121.1 α-氨基-β-巯基丙酸 谷氨酰胺 Glutamine Gln Q 146.1 谷氨酸酰胺 R C COOH NH2 H a
谷氨酸 Glu e 147.1 q-氨基戊二酸 o-C-(CH2) -CH-co0 G 75.1 q-氨基乙酸 H→cH-coo Glvcine +NH 155.2a-氨基-β-咪唑基丙 异亮氨酸 Ile I a-氨基-B一甲基戊酸cH3CH2CH-CH-coo Isoleucine CH、NH 亮氨酸 131.1a-氨基异己酸 CH3-CH-CH2-CH-Coo CH NH 赖氨酸 146.2 氨基己酸 NH2(CH2)-CH-coo NH 蛋氨酸 a-氨基y-甲硫醇基cH2-s-(cH2)-cH-coo Methionine 正丁酸 苯丙氨酸 165.2 q-氨基-β-苯基丙酸 CH.-CH-COO PHeny lalanine NH Pr 1吡咯烷-2-羧酸 coO 丝 S 氨基-B一羟基丙酸 HO- CH2 -CH-Co0 NH l19.1 氨基-β-羟基正丁 CH,-CH-CH- COo 3 OH NH Tr 204.2a-氨基-B-3-吲哚基 CH2-CH-Coo 丙酸
谷氨酸 Glutamic acid Glu E 147.1 α-氨基戊二酸 甘氨酸 Glycine Gly G 75.1 α-氨基乙酸 组氨酸 Histidine His H 155.2 α-氨基-β-咪唑基丙 酸 异亮氨酸 Isoleucine Ile I 131.2 α-氨基-β-甲基戊酸 亮氨酸 Leucine Leu L 131.1 α-氨基异己酸 赖氨酸 Lysine Lys K 146.2 α-ε-二氨基己酸 蛋氨酸 Methionine Met M 149.2 α-氨基-γ-甲硫醇基 正丁酸 苯丙氨酸 PHenylalanine Phe F 165.2 α-氨基-β-苯基丙酸 脯氨酸 Proline Pro P 115.1 吡咯烷-2-羧酸 丝氨酸 Serine Ser S 105.1 α-氨基-β-羟基丙酸 苏氨酸 Threonine Thr T 119.1 α-氨基-β-羟基正丁 酸 色氨酸 Trytophan Trp W 204.2 α-氨基-β-3-吲哚基 丙酸
酪氨酸 q-氨基-β-对羟苯基 CH.-CH-coo yrosine 117.1a-氨基异戊酸 CH.-CH-CH-coo Valine H3 每种氨基酸具有特定的R侧链,它决定着氨基酸的物理化学性质。根据侧链 的极性不同可将氨基酸分成四类 (1)具有非极性或疏水性侧链的氨基酸(丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫 氨酸、脯氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸),在水中的溶解度 较极性氨基酸小(表5-2),其疏水程度随着脂肪族侧链的长度増加而増 大 (2)带有极性、无电荷(亲水的)侧链的氨基酸含有中性、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,甘氨酸有时也属于此类氨基酸。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一个 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 解并生成天冬氨酸和谷氨酸。 (3)带正电荷侧链(在p接近中性时)的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸和组氨 酸,它们分别具有ε-N2、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%质子化。 (4)带有负电荷侧链的氨基酸(pH接近中性时)包括天冬氨酸和谷氨酸。由 于侧链为羧基(酸性),在中性pH条件下带一个净负电荷 除了20种常见的氨基酸外,从蛋白质水解物中还离析出另外的氨基酸,例 如胶原蛋白中含有羟基脯氨酸和5-羟基赖氨酸,弹性蛋白中含锁链素 ( desmosine)和异锁链素( i sodesmos ine),肌肉蛋白中存在甲基组氨酸,ε-N 甲基赖氨酸和ε-N三甲基赖氨酸。表5-2氨基酸在水中的溶解度(25℃)
酪氨酸 Tyrosine Tyr Y 181.2 α-氨基-β-对羟苯基 丙酸 缬氨酸 Valine Val V 117.1 α-氨基异戊酸 每种氨基酸具有特定的 R 侧链，它决定着氨基酸的物理化学性质。根据侧链 的极性不同可将氨基酸分成四类： (1)具有非极性或疏水性侧链的氨基酸（丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫 氨酸、脯氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸），在水中的溶解度 较极性氨基酸小（表 5-2），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，甘氨酸有时也属于此类氨基酸。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一个二 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 解并生成天冬氨酸和谷氨酸。 (3)带正电荷侧链（在 pH 接近中性时）的氨基酸包括赖氨酸、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%质子化。 (4)带有负电荷侧链的氨基酸（pH 接近中性时）包括天冬氨酸和谷氨酸。由 于侧链为羧基（酸性），在中性 pH 条件下带一个净负电荷。 除了 20 种常见的氨基酸外，从蛋白质水解物中还离析出另外的氨基酸，例 如胶原蛋白 中含有 羟基脯氨 酸和 5- 羟基赖 氨酸，弹 性蛋白 中含锁链素 （desmosine）和异锁链素（isodesmosine），肌肉蛋白中存在甲基组氨酸，ε-N 甲基赖氨酸和ε-N 三甲基赖氨酸。表 5-2 氨基酸在水中的溶解度（25℃）
表5-2氨基酸在水中的溶解度 氨基酸 溶解度(g/L) 氨基酸 溶解度(g/L) 丙氨酸 167.2 亮氨酸 21.7 精氨酸 855.6 赖氨酸 天冬酰胺 蛋氨酸 天冬氨酸 苯丙氨酸 半胱氨酸 脯氨酸 1620.0 谷胺酰胺 7.2(37℃) 丝氨酸 谷氨酸 苏氨酸 甘氨酸 249.9 色氨酸 组氨酸 酪氨酸 0.4 58.1 除上述20种氨基酸外,在动物、植物或微生物的细胞中还存在150种以上 游离或结合的氨基酸,其中多数是重要的代谢中间产物(或前体),或者是参与 传递神经冲动的化学介体。在某些抗生素中还存在D构型氨基酸。 2.氨基酸的酸碱性质 氨基酸的离子化能力在生物学上是非常重要的,这种性质可用来进行定量分 析。另外,氨基酸的一些性质(熔点、溶解度、偶极矩和在水溶液中的介电常数) 都是由于在水溶液中的电荷分布不均匀而产生的。因而,所有氨基酸在接近中性 pH的水溶液中主要以两性离子( zwitterion),亦称偶极离子( dipolarion)的 形式存在。 R一CH-COO N 由于,氨基酸同时含有羧基(酸性)和氨基(碱性),因此,当氨基酸溶解 于水时,可表现为酸的行为: R—CH-cOO H++ R-CH--CO0 又可表现出碱的性质 R--CH-CO0+HT=R-CH--COOH +NH3 因此,是一类两性电解质。以最简单的甘氨酸(Gly)为例,在溶液中由于受pH
表 5-2 氨基酸在水中的溶解度 除上述 20 种氨基酸外，在动物、植物或微生物的细胞中还存在 150 种以上 游离或结合的氨基酸，其中多数是重要的代谢中间产物（或前体），或者是参与 传递神经冲动的化学介体。在某些抗生素中还存在 D 构型氨基酸。 2. 氨基酸的酸碱性质 氨基酸的离子化能力在生物学上是非常重要的，这种性质可用来进行定量分 析。另外，氨基酸的一些性质（熔点、溶解度、偶极矩和在水溶液中的介电常数） 都是由于在水溶液中的电荷分布不均匀而产生的。因而，所有氨基酸在接近中性 pH 的水溶液中主要以两性离子（zwitterion），亦称偶极离子（dipolarion）的 形式存在。 由于，氨基酸同时含有羧基（酸性）和氨基（碱性），因此，当氨基酸溶解 于水时，可表现为酸的行为： 又可表现出碱的性质： 因此，是一类两性电解质。以最简单的甘氨酸（Gly）为例，在溶液中由于受 pH 氨基酸 溶解度(g/L) 氨基酸 溶解度（g/L） 丙氨酸 167.2 亮氨酸 21.7 精氨酸 855.6 赖氨酸 739.0 天冬酰胺 28.5 蛋氨酸 56.2 天冬氨酸 5.0 苯丙氨酸 27.6 半胱氨酸 -- 脯氨酸 1620.0 谷胺酰胺 7.2（37℃） 丝氨酸 422.0 谷氨酸 甘氨酸 8.5 249.9 苏氨酸 色氨酸 13.2 13.6 组氨酸 -- 酪氨酸 0.4 异亮氨酸 34.5 缬氨酸 58.1 R COO NH2 R COO H ++ CH - +NH3 CH - H + R COO NH3 + R COO +H+ CH NH3 CH - R COO +NH 3 CH -
的影响可能有3种不同的离解状态。 a1-OH-t2-aH2-00-2N-0m-00 酸性 中性 碱性 氨基酸的这种性质决定于介质的pH值,即氨基酸分子是两性的。当以完全质子 化的形式存在时,α-氨基酸(-氨基、-羧基)用碱滴定可以释放出两个质子。 氨基酸的等电点pI是指在溶液中净电荷为零时的p值。pKa值是上述两个反应 的离解常数的负对数,即 log [HTIROJ R+] (5-1) pk,=-log [H+IIR] IRoI (5-2) 在上列公式中,Ka1和Ka2分别代表a碳原子上的-COO0H和NH3的表观离解常 数,R如果侧链基上有离解基团,其表观电离常数用Ka3表示。在中性p范围,a 氨基和a-羧基都处在离子化状态,因而当用酸滴定时,-C00被质子化(-CO0H 碱滴定时,-N3发生去质子化。图5-1是典型氨基酸两性离子电化学滴定曲线。 仅含a-氨基和a-羧基的氨基酸(侧链是不可离解的)的pKa1的范围为2.0~3.0, pKa2为9.0~10.0(见表5-3)。带有可离解R基侧链的氨基酸,例如 Lys,Arg,Asp,Glu,Cys和Tyr,相当于三元酸,有3个pKa值,因此滴定曲线比较 复杂。绝大多数主要氨基酸的pKa和pI值见表5-3,氨基酸的羧基pKa1值比脂 肪族羧酸低(醋酸的pKa为4.74),因为氨基酸的带正电荷的氨基连接在邻近羧 基的α碳原子上。 1.0 嘲0.8 0.4 0.2 0.2 等离子点 0.6 0.8 12345678910111213 pH 图5-1一种典型氨基酸滴定曲线
的影响可能有 3 种不同的离解状态。 酸性 中性 碱性 氨基酸的这种性质决定于介质的 pH 值，即氨基酸分子是两性的。当以完全质子 化的形式存在时，α-氨基酸（-氨基、-羧基）用碱滴定可以释放出两个质子。 氨基酸的等电点 pI 是指在溶液中净电荷为零时的 pH 值。pKa 值是上述两个反应 的离解常数的负对数，即 在上列公式中，Ka1和 Ka2分别代表α碳原子上的-COOH 和 N + H3的表观离解常 数,R 如果侧链基上有离解基团,其表观电离常数用 Ka3表示。在中性 pH 范围，α -氨基和α-羧基都处在离子化状态，因而当用酸滴定时，-COO- 被质子化（-COOH）; 碱滴定时，-NH3 +发生去质子化。图 5-1 是典型氨基酸两性离子电化学滴定曲线。 仅含α-氨基和α-羧基的氨基酸（侧链是不可离解的）的pKa1的范围为2.0～3.0， pKa2 为 9.0～10.0（ 见表 5-3）。带有可 离解 R 基 侧链的氨 基酸，例如 Lys,Arg,Asp,Glu,Cys 和 Tyr,相当于三元酸，有 3 个 pKa 值，因此滴定曲线比较 复杂。绝大多数主要氨基酸的 pKa 和 pI 值见表 5-3，氨基酸的羧基 pKa1值比脂 肪族羧酸低（醋酸的 pKa 为 4.74）,因为氨基酸的带正电荷的氨基连接在邻近羧 基的α碳原子上。 图 5-1 一种典型氨基酸滴定曲线 [ ] [ ][ ] log 0 1 + + = − R H R pKa CH2 COO + NH H CH2 COO + NH - NH CH2 COO- 3 3 3 K K 1 + + 2 H H [ ] [ ][ ] log 0 2 R H R pKa + − = − （5-1） （5-2）
pKa是表观离解平衡常数的负对数,pl(等电点)是电中性状态(净电荷为 零)时的皿值。根据下列等式,利用氨基酸的pKa,pKa2和pKa3值可估算等电点 值 不带电荷侧链的氨基酸pI=(pKan+pKa2)/ 酸性氨基酸 pI=(pKa, +pka3)/ 碱性氨基酸 pI=(pKa2tpKa3)/2 在等电点以上的任何p值,氨基酸带净负电荷,并因此在电场中将向正极 移动。在低于等电点的任一p值,氨基酸带有净正电荷,在电场中将向负极移 动。在一定pH范围内,氨基酸溶液的pH离等电点愈远,氨基酸携带的净电荷愈 多 在蛋白质分子中,氨基酸的α-CO0H是通过酰胺键与邻近氨基酸的α-NH2相 结合,可以离解的基团只能是N-端氨基酸残基的氨基,C-端氨基酸残基的羧基 和侧链上的可离解基团。因此,蛋白质中这些可离解基团的pKa值不同于相应的 游离氨基酸。蛋白质中的谷氨酸和天冬氨酸的酸性侧链基团的pKa3值大于相应的 游离氨基酸的pKa3值,而碱性侧链的pKa3值则小于相应游离氨基酸的pKa3值 根据 Henderson- Hasselbach公式 供轭碱 pH=pKa+供共轭酸 (5-3) 可以计算出任一p条件下一种氨基酸的各种离子的离子化程度,并求出总 的负电荷和正电荷之和,从而可计算出某一蛋白质在此pH时的净电荷。 3.氨基酸的疏水性 蛋白质在水中的溶解度同氨基酸侧链的极性基团(带电荷或不带电荷)和非 极性(疏水)基团的分布状态有关,而且蛋白质和肽的结构、溶解性和结合脂肪 的能力等许多物理化学性质,都受到组成氨基酸疏水性的影响。氨基酸以及肽和 蛋白质的疏水程度可以根据氨基酸在水和弱极性溶剂例如乙醇中的相对溶解度 来确定,将lmol氨基酸从水溶液中转移到乙醇溶液中,自由能的变化(即转移自 由能)可从下式计算(忽略活度系数) △AG=- RTIns乙醇/S水 (5-4) 式中,S和S水分别表示氨基酸在乙醇和水中的溶解度(mol/L)。假若氨基酸 有多个基团,则△AG°是氨基酸中各个基团的加合函数。 △△G:=∑△G1° (5-5) 例如苯丙氨酸,从水向乙醇中转移的自由能可以分为两个部分,一部分是苄 基,另一部分是氨基和羧基
pKa 是表观离解平衡常数的负对数，pI（等电点）是电中性状态（净电荷为 零）时的 pH 值。根据下列等式,利用氨基酸的 pKa1,pKa2和 pKa3值可估算等电点 值： 不带电荷侧链的氨基酸 pI=(pKa1+pKa2)/2 酸性氨基酸 pI=(pKa1+pKa3)/2 碱性氨基酸 pI=(pKa2+pKa3)/2 在等电点以上的任何 pH 值，氨基酸带净负电荷，并因此在电场中将向正极 移动。在低于等电点的任一 pH 值，氨基酸带有净正电荷，在电场中将向负极移 动。在一定 pH 范围内，氨基酸溶液的 pH 离等电点愈远，氨基酸携带的净电荷愈 多。 在蛋白质分子中，氨基酸的α-COOH 是通过酰胺键与邻近氨基酸的α-NH2相 结合，可以离解的基团只能是 N-端氨基酸残基的氨基，C-端氨基酸残基的羧基 和侧链上的可离解基团。因此，蛋白质中这些可离解基团的 pKa 值不同于相应的 游离氨基酸。蛋白质中的谷氨酸和天冬氨酸的酸性侧链基团的 pKa3值大于相应的 游离氨基酸的 pKa3值，而碱性侧链的 pKa3值则小于相应游离氨基酸的 pKa3值。 根据 Henderson-Hasselbach 公式 可以计算出任一 pH 条件下一种氨基酸的各种离子的离子化程度，并求出总 的负电荷和正电荷之和，从而可计算出某一蛋白质在此 pH 时的净电荷。 3.氨基酸的疏水性 蛋白质在水中的溶解度同氨基酸侧链的极性基团（带电荷或不带电荷）和非 极性（疏水）基团的分布状态有关，而且蛋白质和肽的结构、溶解性和结合脂肪 的能力等许多物理化学性质，都受到组成氨基酸疏水性的影响。氨基酸以及肽和 蛋白质的疏水程度可以根据氨基酸在水和弱极性溶剂例如乙醇中的相对溶解度 来确定，将 1mol 氨基酸从水溶液中转移到乙醇溶液中，自由能的变化(即转移自 由能)可从下式计算（忽略活度系数）： ∆ Gt 0 = -RTlnS 乙醇/S 水 （5-4） 式中，S 乙醇和 S 水分别表示氨基酸在乙醇和水中的溶解度（mol/L）。假若氨基酸 有多个基团，则∆ Gt 0是氨基酸中各个基团的加合函数。 ∆ Gt 0 =Σ Gt 0 ´ （5-5） 例如苯丙氨酸，从水向乙醇中转移的自由能可以分为两个部分，一部分是苄 基，另一部分是氨基和羧基。 共轭酸 共轭碱 pH = pKa + log （5-3）
CH2+CH--COO 苄基 +H3甘氨酰基 第二部分与给定甘氨酸的转移自由能相似,因而从该氨基酸和甘氨酸的转移 自由能之差,可以表示出侧链的疏水性 △△G0(侧链)=△G。(氨基酸)一△G10(甘氨酸) 表5-4给出了某些氨基酸侧链的疏水性数值。用这些数据可以预测氨基酸在 疏水性载体上的吸附行为(它可作为疏水性的一个函数),像聚苯乙烯或连接脂 肪族C或C3链的二氧化硅,吸附系数与疏水程度成正比。具有较大的正△G的 氨基酸侧链是疏水性的,因此易溶于有机相而不是水相。蛋白质分子中的疏水氨 基酸残基倾向于处在蛋白质分子内部,氨基酸侧链的ΔG为负值时则是亲水的, 这些氨基酸残基趋向于蛋白质分子表面。这里必须提出,赖氨酸尽管被认为是 种亲水性氨基酸,但△G10为正值(这是由于它有4个易溶于有机相的-CH2-基)。 事实上,蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时,它的ε-氨基则突出在蛋白 质分子的表面。 表5-3氨基酸的pKa和pl(25℃) 名称 pKa pAz (a=C00) (a-NH,) (R=侧链) AA侧链 丙氨酸2.349.69 6. 精氨酸 9.04 12.48>12.0 天冬酰胺 5.41 天冬氨酸 1.88 3.654.60 2.77 半胱氨酸 10.28 8.188.80 谷氨酰胺 2.17 5.65 谷氨酸 2.19 9.67 4.254.60 甘氨酸 5.98 组氨酸 1.82 6.007.00 7.59 异亮氨酸 9.68 6.02 亮氨酸 蛋氨酸 9.21 5.74 赖氨酸 2.18 8.95 10.5310.20 9.74 苯丙氨酸 9.13 5.48
苄基 甘氨酰基 第二部分与给定甘氨酸的转移自由能相似，因而从该氨基酸和甘氨酸的转移 自由能之差，可以表示出侧链的疏水性。 ∆ Gt 0（侧链）= Gt 0（氨基酸）— Gt 0（甘氨酸） 表 5-4 给出了某些氨基酸侧链的疏水性数值。用这些数据可以预测氨基酸在 疏水性载体上的吸附行为（它可作为疏水性的一个函数），像聚苯乙烯或连接脂 肪族 C8或 C18链的二氧化硅，吸附系数与疏水程度成正比。具有较大的正 Gt 0的 氨基酸侧链是疏水性的，因此易溶于有机相而不是水相。蛋白质分子中的疏水氨 基酸残基倾向于处在蛋白质分子内部，氨基酸侧链的 Gt 0为负值时则是亲水的， 这些氨基酸残基趋向于蛋白质分子表面。这里必须提出，赖氨酸尽管被认为是一 种亲水性氨基酸，但 △ Gt 0为正值（这是由于它有 4 个易溶于有机相的-CH2- 基）。 事实上，蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时，它的 ε-氨基则突出在蛋白 质分子的表面。 表 5-3 氨基酸的 pKa 和 pI（25℃） 名称 pKa1 （α-COO-） pKa2 （α-NH3 +） pKaR （R=侧链） AA 侧链* pI 丙氨酸 2.34 9.69 — 6.00 精氨酸 2.17 9.04 12.48 >12.00 10.76 天冬酰胺 2.02 8.80 — 5.41 天冬氨酸 1.88 9.60 3.65 4.60 2.77 半胱氨酸 1.96 10.28 8.18 8.80 5.07 谷氨酰胺 2.17 9.13 － 5.65 谷氨酸 2.19 9.67 4.25 4.60 3.22 甘氨酸 2.34 9.60 5.98 组氨酸 1.82 9.17 6.00 7.00 7.59 异亮氨酸 2.36 9.68 — 6.02 亮氨酸 2.30 9.60 — 5.98 蛋氨酸 2.28 9.21 — 5.74 赖氨酸 2.18 8.95 10.53 10.20 9.74 苯丙氨酸 1.83 9.13 — 5.48 3 CH - +NH CH2 COO
脯氨酸 1.94 10.60 6.30 丝氨酸 9.15 5.68 苏氨酸 9.15 5.68 色氨酸 9.39 5.89 酪氨酸 10.079.60 5.66 缬氨酸 5.96 *蛋白质分子中可离子化基团的pKa值 表5-4氨基酸侧链的疏水性(乙醇→水) 氨基酸 △△G°侧链(kJ/mol) 氨基酸 △△G侧链(kJ/mol) 丙氨酸 2.09 亮氨酸 9.61 精氨酸 赖氨酸 天冬酰胺 蛋氨酸 天冬氨酸 苯丙氨酸 0.45 半胱氨酸 4.18 脯氨酸 谷氨酰胺 丝氨酸 谷氨酸 苏氨酸 1.67 甘氨酸 色氨酸 组氨酸 酪氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 6.27 4.氨基酸的立体化学 蛋白质温和水解(酸或酶法)产生的所有氨基酸除甘氨酸外,都具有旋光性, 这种性质(手性)是因为有不对称α-碳原子存在,不对称碳原子轨道为sp3杂 化。根据碳原子上四种不同取代基的正四面体位置,可以得到两种立体异构体(或 对映体)。因此,用费歇尔法表示,按D和L-甘油醛类推,而不是按对线性偏振 光的旋转方向确定。L-和D氨基酸的两种立体异构体可用下式表示: C00 H R D氨基酸 L氨基酸 天然存在的蛋白质中,只存在L型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定 蛋白质结构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等4
脯氨酸 1.94 10.60 — 6.30 丝氨酸 2.20 9.15 — 5.68 苏氨酸 2.21 9.15 — 5.68 色氨酸 2.38 9.39 — 5.89 酪氨酸 缬氨酸 2.20 2.32 9.11 9.62 10.07 9.60 — 5.66 5.96 *蛋白质分子中可离子化基团的 pKa 值 表 5-4 氨基酸侧链的疏水性（乙醇→水） 氨基酸 ∆△Gt 0 侧链（kJ/mol） 氨基酸 ∆△Gt 0 侧链（kJ/mol） 丙氨酸 2.09 亮氨酸 9.61 精氨酸 — 赖氨酸 — 天冬酰胺 0 蛋氨酸 5.43 天冬氨酸 2.09 苯丙氨酸 10.45 半胱氨酸 4.18 脯氨酸 10.87 谷氨酰胺 -0.42 丝氨酸 -1.25 谷氨酸 2.09 苏氨酸 1.67 甘氨酸 0 色氨酸 14.21 组氨酸 异亮氨酸 2.09 12.54 酪氨酸 缬氨酸 9.61 6.27 4.氨基酸的立体化学 蛋白质温和水解（酸或酶法）产生的所有氨基酸除甘氨酸外，都具有旋光性， 这种性质（手性）是因为有不对称 α-碳原子存在，不对称碳原子轨道为 sp 3杂 化。根据碳原子上四种不同取代基的正四面体位置，可以得到两种立体异构体（或 对映体）。因此，用费歇尔法表示，按 D-和 L-甘油醛类推，而不是按对线性偏振 光的旋转方向确定。L-和 D-氨基酸的两种立体异构体可用下式表示： 天然存在的蛋白质中，只存在 L 型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定 蛋白质结构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等 4 D-氨基酸 L-氨基酸 NH2 H R - COO H NH2 C R - COO C α α