第一節(jié) 氨基酸的結(jié)構(gòu)、分類及作用

蛋白質(zhì)可以在酸、堿或蛋白酶等的作用下發(fā)生水解，簡單蛋白質(zhì)在水解過程中，會逐漸降解成為越來越小的肽段（peptide fragment），最終水解成為氨基酸的混合物。根據(jù)蛋白質(zhì)的水解程度不同，可分為部分水解和完全水解兩種情況，部分水解得到的產(chǎn)物為各種大小不等的肽段和氨基酸，而完全水解得到的產(chǎn)物為各種氨基酸的混合物。例如，一種簡單蛋白質(zhì)用6mol/L的鹽酸，在真空下110℃水解約16h，可達(dá)到完全水解（酸性水解的條件下，色氨酸、酪氨酸易被破壞）。利用層析等手段分析可證明蛋白質(zhì)完全水解液的組成是氨基酸的混合物。因此，雖然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但簡單蛋白質(zhì)經(jīng)適當(dāng)條件水解后，最終產(chǎn)物證明為氨基酸的混合物（而結(jié)合蛋白質(zhì)在一定條件下水解后的最終產(chǎn)物除了氨基酸外，還有非氨基酸類物質(zhì)）。

因此，氨基酸是蛋白質(zhì)水解的最終產(chǎn)物，它是組成蛋白質(zhì)的基本單位。特定的蛋白質(zhì)具有特定的氨基酸排列序列，并通過氨基酸結(jié)構(gòu)上各種基團(tuán)之間特定的相互作用，使得特定蛋白質(zhì)具有特定的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生特定的生物活性功能，本章主要介紹組成蛋白質(zhì)的氨基酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

一、氨基酸的結(jié)構(gòu)

氨基酸是含有氨基和羧基的有機(jī)化合物，存在于自然界中的氨基酸有300余種，但構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的基本氨基酸只有20種（表1-1），稱之為標(biāo)準(zhǔn)氨基酸（或基本氨基酸），從蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物中分離出來的20種基本氨基酸除脯氨酸為α-亞氨基酸外，其余19種基本氨基酸都是α-氨基酸。α-氨基酸在結(jié)構(gòu)上共同的特點(diǎn)總結(jié)如下：

α-氨基酸可用如下結(jié)構(gòu)通式表示：

α-氨基酸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：至少有一個(gè)氨基（—NH₂）和一個(gè)羧基（—COOH），并且一個(gè)氨基和一個(gè)羧基連在同一個(gè)碳原子上。R基稱為氨基酸的側(cè)鏈，不同氨基酸的區(qū)別就在于側(cè)鏈R的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同。

不同的氨基酸，R基不同，除了R基為氫原子的甘氨酸外，其他氨基酸的α碳原子都是不對稱碳原子（asymmetric carbon）或稱手性碳原子（chiral carbon）。

二、氨基酸的分類

從α-氨基酸（amino acid ，簡寫為AA或aa）的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式可以知道，各種α-氨基酸的區(qū)別在于側(cè)鏈R基團(tuán)不同，即不同的氨基酸，側(cè)基R基團(tuán)不同。不同側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的氨基酸具有不同的性能。組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸有多種分類方法，通常可以按照側(cè)鏈R的化學(xué)結(jié)構(gòu)、極性大小、氨基、羧基的多寡以及側(cè)基特征基團(tuán)（含硫、羥基）等進(jìn)行分類。

1.按側(cè)鏈R基團(tuán)酸堿性分類

（1）中性氨基酸。側(cè)鏈R中不含—NH₂和—COOH，即氨基酸中—NH₂與—COOH數(shù)目相等，甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、絲氨酸、蘇氨酸等均為中性氨基酸。

（2）酸性氨基酸。側(cè)鏈R中含有—COOH，即氨基酸中—NH₂比—COOH數(shù)目少，如谷氨酸、天門冬氨酸均為酸性氨基酸。

（3）堿性氨基酸。側(cè)鏈R中含有—NH₂、—NH—等堿性基團(tuán)，即氨基酸中—NH₂比—COOH數(shù)目多，如精氨酸、賴氨酸、組氨酸等均為堿性氨基酸。

2.按側(cè)鏈R基團(tuán)的極性不同或帶電性質(zhì)不同分類

（1）疏水性或非極性氨基酸。氨基酸的側(cè)基R不帶電荷，或極性很弱的屬于非極性中性氨基酸，例如，甘氨酸、丙氨酸 、纈氨酸 、亮氨酸、異亮氨酸 、脯氨酸 、苯丙氨酸，它們的R基團(tuán)具有疏水性，該類氨基酸在水中溶解度比極性氨基酸小。用紙上層析法可以將此類氨基酸分離。

（2）極性氨基酸。依據(jù)氨基酸側(cè)基R基團(tuán)極性不同，極性氨基酸又可以分為能解離的帶電荷極性氨基酸及不解離的中性極性氨基酸兩種，所以極性氨基酸又分為：

①極性中性氨基酸。R基團(tuán)有極性，但不解離或僅有極弱的解離，它們的R基團(tuán)有親水性。例如，絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、酪氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、色氨酸。該類氨基酸在水中溶解度比非極性氨基酸大。

②帶負(fù)電荷的極性酸性氨基酸。R基團(tuán)有極性，且解離，在中性溶液中呈酸性，帶負(fù)電，親水性強(qiáng)。如天門冬氨酸、谷氨酸。

③帶正電荷極性堿性氨基酸。R基團(tuán)有極性，且解離，在中性水溶液中呈堿性，帶正電，親水性強(qiáng)。如組氨酸、賴氨酸、精氨酸。

不同種類氨基酸極性大小不同、分子結(jié)構(gòu)不同，因此，在電場中遷移方向和遷移速度不同，可采用電泳方法分離氨基酸的混合物。

3.按側(cè)鏈R基團(tuán)結(jié)構(gòu)不同分類

（1）脂肪族氨基酸：有四種帶有脂肪烴側(cè)鏈的基本氨基酸：丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸。

（2）芳香族氨基酸：色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸。

（3）雜環(huán)氨基酸：組氨酸、色氨酸。

（4）含羥基極性基團(tuán)的氨基酸：蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸。

（5）含亞氨基的氨基酸：脯氨酸。

（6）含酰胺基的氨基酸：天門冬酰胺、谷氨酰胺。

（7）含巰基的氨基酸：半胱氨酸。

（8）含硫氨基酸：半胱氨酸、甲硫氨酸。

表2-1是按氨基酸側(cè)鏈R結(jié)構(gòu)性能不同進(jìn)行的分類總結(jié)。

表2-1 按氨基酸側(cè)鏈R結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行的分類總結(jié)表

續(xù)表

續(xù)表

4.從營養(yǎng)學(xué)角度分類 構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸都有營養(yǎng)價(jià)值，但根據(jù)動物體內(nèi)是否能自身制造這些氨基酸，即依據(jù)人們（或其他動物體）對氨基酸的營養(yǎng)需要，通常可將氨基酸分為必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸三大類。蛋白質(zhì)食品的營養(yǎng)價(jià)值可由其中所含的必需氨基酸種類、數(shù)量和有效性來評價(jià)。在20種基本氨基酸中，依據(jù)其營養(yǎng)角度分類總結(jié)如下：

（1）八種人體的氨基酸。凡人體自身不能合成，必須從食物中攝取的氨基酸，稱為必需氨基酸（essential amino acid），必需氨基酸有八種：賴氨酸（Lys）、纈氨酸（Val）、蛋氨酸（Met）、色氨酸（Trp）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、蘇氨酸（Thr）、苯丙氨酸（Phe）。

（2）半必需氨基酸。半必需氨基酸是指在人體內(nèi)合成速度很低，特別是新生兒或患病期，還需要給予食物補(bǔ)充的氨基酸。例如，嬰兒時(shí)期所需的精氨酸（Arg）、組氨酸（His）。

（3）非必需氨基酸。非必需氨基酸是指人體自身能夠合成或能由其他氨基酸轉(zhuǎn)化而來的氨基酸。例如，甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、絲氨酸（Ser）、酪氨酸（Tyr）、半胱氨酸（Cys）、脯氨酸（Pro）、天冬酰胺（Asn）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）。

三、氨基酸的作用

氨基酸是構(gòu)建生物機(jī)體的眾多生物活性大分子的基本單元之一，是構(gòu)建細(xì)胞和修復(fù)組織的基礎(chǔ)材料。氨基酸有眾多的作用，例如，氨基酸被人體用于制造抗體蛋白，以對抗細(xì)菌和病毒的侵蝕；制造血紅蛋白以傳送氧氣；制造酶和激素以維持正常的化學(xué)反應(yīng)和調(diào)節(jié)新陳代謝；氨基酸是制造精卵細(xì)胞的主體物質(zhì)，是合成神經(jīng)介質(zhì)的不可缺少的前提物質(zhì)；氨基酸能夠?yàn)闄C(jī)體和大腦活動提供能源，因此氨基酸是一切生命之源。人們所需要的不同種類的氨基酸可以從不同種類的食物中獲取，人們攝取的蛋白質(zhì)可以在消化道內(nèi)全部水解為氨基酸，然后再吸收到組織內(nèi)，不同組織利用不同的氨基酸來合成其自身需要的蛋白質(zhì)，以滿足人們營養(yǎng)的需要和生長發(fā)育的需要。