第一節 氨基酸和肽
一、氨基酸的結構和分類
（一）氨基酸的結構
氨基酸是分子中同時具有氨基和羧基、含有復合官能團的一類化合物。從蛋白質水解產物中分離出的22種氨基酸，除脯氨酸外，可視作為羧酸（R-CH2-COOH）α-碳原子上的1個氫原子被1個氨基取代后的產物，因而與羧基相鄰的α-碳原子（Cα）上都有氨基，故稱為α-氨基酸，它們有共同的結構通式，見圖4-1。
圖4-1 氨基酸結構的基本通式(非解離形式)
除甘氨酸外，與Cα連接的4個原子或基團是不同的，故Cα是不對稱碳原子，因而具有旋光性。
α-氨基酸有L-型和D-型兩種構型，互為對映體。組成蛋白質的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個別生物堿中。L-和D-型的異構體具有相同的熔點、溶解度等物理性質和相同的化學性質，但其旋光方向相反。常見氨基酸的名稱、符號、相對分子質量及結構式見表4-1。
表4-1 常見氨基酸的名稱、符號、相對分子質量及結構式
表4-1中都是由基因編碼的氨基酸，稱為編碼氨基酸。在蛋白質分子中還有非編碼氨基酸，是在蛋白質生物合成后經乙酰化、磷酸化、羥化或甲基化等修飾形成的。在20種編碼氨基酸中有3個氨基酸是最有個性的。一是脯氨酸，屬于亞氨基酸，它的氨基和其他氨基酸的羧基形成的酰胺鍵有明顯的特點，較易變成順式的肽鍵。二是甘氨酸，它是唯一在α碳原子上只有兩個氫原子、沒有側鏈的氨基酸，它既不能和其他殘基的側鏈相互作用，也不產生任何位阻現象，進而在蛋白質的立體結構形成中有特定的作用。三是半胱氨酸，它的個性不僅表現在其側鏈有一定的大小和具有高度的化學反應活性，還在于兩個半胱氨酸能形成穩定的帶有二硫鍵的胱氨酸。二硫鍵不僅可以在肽鏈內，也可以在肽鏈間存在，而且，同樣的一對二硫鍵還能具有不同的空間取向。
表4-1中，有8種氨基酸被稱為必需氨基酸，包括纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、蘇氨酸、賴氨酸。營養學實踐證明，缺少這8種氨基酸就會使蛋白質的代謝失去平衡，引起疾病，因此它們是維持生命的必需物質。另外，通常兒童無法制造足夠發育所需的組氨酸及精氨酸，因此，對嬰兒來說組氨酸與精氨酸也是必需氨基酸。人們可以從不同的食物內獲得必需氨基酸，但不能從某一種食物內獲得所有的必需氨基酸，因此食物的多樣化是非常重要的。
還有幾種氨基酸也是蛋白質的組成成分，但含量少，并且是在蛋白質合成后形成的。例如，羥脯氨酸是脯氨酸經過羥化反應生成的，在明膠中含量較多（占14%），一般蛋白質中含量較少。羥賴氨酸由賴氨酸經過羥化反應生成的，是動物組織蛋白成分之一。胱氨酸是兩個半胱氨酸氧化后生成的，在毛、發、角、蹄中含量豐富。
（二）氨基酸的分類
1.根據氨基和羧基的相對位置分類
根據氨基酸中氨基和羧基在分子中相對位置的不同，可分為α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸、ε-氨基酸等。
羧酸分子中的α氫原子被氨基取代的生成物叫α-氨基酸，羧酸分子中的β氫原子被氨基取代的生成物叫β-氨基酸（圖4-2），羧酸分子中的γ氫原子被氨基取代的生成物叫γ-氨基酸。
圖4-2 α-氨基酸(左)和β-氨基酸(右)
2.根據氨基酸中烴基結構分類
根據氨基酸中烴基結構的不同可分為脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和雜環氨基酸。苯丙氨酸和酪氨酸分子中含有芳香環，屬于芳香族氨基酸；脯氨酸、組氨酸和色氨酸分子中含有雜環，屬于雜環氨基酸。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基團上還含有其他官能團，如—OH、—SH、—SCH3、—COOH、—NH2等。
3.根據側鏈的極性不同分類
（1）具有非極性或疏水性側鏈的氨基酸 這類氨基酸通常處于蛋白質分子內部。包括含有脂肪族側鏈的亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、纈氨酸和芳香族側鏈的苯丙氨酸，在水中的溶解度較極性氨基酸小，其疏水程度隨著脂肪族側鏈的長度增加而增大。
（2）帶有極性、無電荷（親水的）側鏈的氨基酸 其側鏈中含有羥基、巰基、酰胺基等極性基團，但它們在生理條件下卻不帶電荷，具有一定的親水性，往往分布在蛋白質分子的表面。包括絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸。含有中性、極性基團（極性基團處在疏水氨基酸和帶電荷的氨基酸之間）能夠與適合的分子例如水形成氫鍵。絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸的極性與它們所含的羥基有關，天冬酰胺、谷氨酰胺的極性同其酰胺基有關。而半胱氨酸則因含有巰基，所以屬于極性氨基酸。其中半胱氨酸和酪氨酸是這一類中具有最大極性基團的氨基酸，因為在pH值接近中性時，巰基和酚基可以產生部分電離。在蛋白質中，半胱氨酸通常以氧化態的形式存在，即胱氨酸。當兩個半胱氨酸分子的巰基氧化時便形成1個二硫交聯鍵，生成胱氨酸。天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或堿存在下容易水解并分別生成天冬氨酸和谷氨酸。這類氨基酸往往分布在蛋白質分子的表面。
（3）帶正電荷側鏈（在pH值接近中性時）的堿性氨基酸 在其側鏈中常常帶有易接受質子的基團（如胍基、氨基、咪唑基等），因此它們在中性和酸性溶液中帶正電荷。包括賴氨酸、精氨酸和組氨酸，它們分別具有ε-NH2、胍基和咪唑基（堿性）。這些基團的存在是使它們帶有電荷的原因，組氨酸的咪唑基在pH7時，有10%被質子化，而pH6時50%被質子化。
（4）帶有負電荷側鏈的氨基酸（pH值接近中性時） 在其側鏈中帶有給出質子的羧基（酸性），因此它們在中性或堿性溶液中帶負電荷。包括天冬氨酸和谷氨酸。
4.根據分子結構可分為六大類
（1）中性氨基酸 含有1個氨基和1個羧基，如甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等。
（2）酸性氨基酸 含有1個氨基，2個羧基，如天冬氨酸、谷氨酸。
（3）堿性氨基酸 含有2個氨基，1個羧基，如精氨酸、賴氨酸。
（4）含羥氨基酸 含有1個氨基，1個羧基，1個羥基，如絲氨酸、蘇氨酸。
（5）含硫氨基酸 含有1個氨基，1個羧基，1個巰基，如半胱氨酸、甲硫氨酸。
（6）含環氨基酸 含有1個氨基，1個羧基，1個環狀結構，如苯丙氨酸、色氨酸、組氨酸、脯氨酸、酪氨酸。