二、氨基酸的理化性質(zhì)

（一）物理性質(zhì)

1.旋光性

除甘氨酸外，天然氨基酸由于其α-碳原子為不對(duì)稱碳原子，都具有光學(xué)活性，即可使偏振光振動(dòng)面向右（順時(shí)針?lè)较颍┗蛳蜃螅鏁r(shí)針?lè)较颍┬D(zhuǎn)，右旋常用“+”表示，左旋常用“-”表示。氨基酸的旋光符號(hào)和大小取決于R基的性質(zhì)，同時(shí)還與溶液的pH值有關(guān)。與其他旋光物質(zhì)一樣，比旋光度是α-氨基酸的一個(gè)重要物理常數(shù)，為鑒別各種氨基酸的依據(jù)之一。L-型和D-型氨基酸旋光方向相反，等量D-型和L-型氨基酸的混合物沒有旋光性，稱為消旋物。由有機(jī)合成方法合成氨基酸時(shí)，得到的氨基酸為DL-消旋物。發(fā)酵方法得到的氨基酸是L-型的。

2.溶解性和熔點(diǎn)

天然氨基酸固體為白色結(jié)晶，熔點(diǎn)一般都很高，常在200℃以上，可達(dá)250℃左右。當(dāng)溫度在熔點(diǎn)以上時(shí)，α-氨基酸就會(huì)發(fā)生分解。α-氨基酸都能溶解在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿中，除半胱氨酸和酪氨酸外，均可溶于水中。由于氨基酸呈內(nèi)鹽形式，故幾乎不溶于非極性溶劑。脯氨酸和羥脯氨酸可溶于乙醇、乙醚中，通常乙醇可以將氨基酸從水溶液中析出。不同氨基酸具有不同的結(jié)晶形狀，可以利用結(jié)晶形狀鑒別各種氨基酸。

3.味感

α-氨基酸都呈現(xiàn)味感，D-氨基酸多數(shù)帶有甜味，沒有旋光性的甘氨酸也呈現(xiàn)甜味。而L-氨基酸則按側(cè)鏈R基團(tuán)的不同而呈現(xiàn)甜、苦、鮮、酸四味。一般R為非極性基團(tuán)的L-型氨基酸帶有苦味；R為極性基團(tuán)的L-型氨基酸帶有甜味；而R中含有兩個(gè)羧基的谷氨酸和天冬氨酸的L-型則呈酸味，但其鈉鹽呈鮮味，因而谷氨酸鈉被用作鮮味劑。

一些氨基酸本身具有特殊的香氣，如苯丙氨酸具玫瑰花香氣，絲氨酸、蘇氨酸具酒香氣，亮氨酸具有肉香味，丙氨酸具花香氣等。

4.紫外吸收

常見的氨基酸在400～780nm的可見光區(qū)域內(nèi)均無(wú)吸收。但由于均具有羧基，所以在紫外光區(qū)的短波長(zhǎng)210nm附近，所有的氨基酸均有吸收。另外，酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸由于具有芳香環(huán)，分別在278nm、279nm和259nm處有較強(qiáng)的吸收，故可利用此性質(zhì)對(duì)這三種氨基酸進(jìn)行分析測(cè)定。結(jié)合后的酪氨酸、色氨酸殘基同樣在280nm附近有最大的吸收，故紫外分光光度法可以用于蛋白質(zhì)的定量分析。

酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸可以受激發(fā)而產(chǎn)生熒光，激發(fā)后它們可以在304nm、348nm和282nm分別產(chǎn)生熒光，而其他的氨基酸則不能產(chǎn)生熒光。

（二）化學(xué)性質(zhì)

1.氨基酸的兩性性質(zhì)

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，氨基酸既是酸又是堿。一個(gè)氨基酸分子，在酸性溶液中呈正離子狀態(tài)，在堿性溶液中則呈負(fù)離子狀態(tài)，這樣可以找到一個(gè)適當(dāng)?shù)膒H值，此時(shí)氨基酸分子呈兼性狀態(tài)（等離子狀態(tài)），如果沒有其他因素干擾，氨基酸分子在直流電場(chǎng)中不向任何方向移動(dòng)，這時(shí)的pH值可稱作氨基酸分子的等電點(diǎn)（pI）。以丙氨酸為例（圖4-3）流程如下：

等電點(diǎn)可以根據(jù)各個(gè)基團(tuán)的解離常數(shù)的方程式來(lái)計(jì)算。顯然，正離子濃度和負(fù)離子濃度相等時(shí)的pH值，就是等電點(diǎn)。

當(dāng)用電泳法來(lái)分離氨基酸時(shí)，在堿性溶液中（pH＞pI），氨基酸帶負(fù)電荷，因此向正極移動(dòng)；在酸性溶液中（pH＜pI），氨基酸帶正電荷，因此向負(fù)極移動(dòng)。在一定pH值范圍內(nèi)，氨基酸溶液pH值離等電點(diǎn)越遠(yuǎn)，該氨基酸所攜帶的凈電荷越大，其移動(dòng)速率就越快。當(dāng)溶液pH=pI時(shí)，溶液中該氨基酸以偶極離子形式存在，呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)。

2.氨基酸側(cè)鏈的親水性和疏水性

氨基酸由于其羧基及氨基的解離，形成離子型化合物，對(duì)偶極水分子有相當(dāng)?shù)挠H和性，表現(xiàn)出在水中有一定的溶解度。當(dāng)它們結(jié)合成肽鏈時(shí)，其親水性或疏水性取決于它們的側(cè)鏈基團(tuán)。總的來(lái)說(shuō)，除解離基團(tuán)外，天冬酰胺的側(cè)鏈酰胺基、絲氨酸和蘇氨酸側(cè)鏈上的羥基也都是親水性基團(tuán)；另外，丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸和色氨酸等的側(cè)鏈基團(tuán)都屬于疏水性基團(tuán)。蛋白質(zhì)在水中的溶解度、與脂肪的作用等功能性質(zhì)，同氨基酸側(cè)鏈的極性基團(tuán)和非極性（疏水）基團(tuán)數(shù)量及其分布狀況有關(guān)，蛋白質(zhì)的疏水性也由其組成氨基酸的疏水性決定，所以氨基酸的疏水性是一個(gè)重要的性質(zhì)指標(biāo)。

氨基酸的疏水性可以定義為將1mol的氨基酸從水溶液中轉(zhuǎn)移到乙醇溶液中時(shí)所產(chǎn)生的自由能變化。通過(guò)測(cè)定各種氨基酸在兩種介質(zhì)的溶解度，可以確定各個(gè)氨基酸側(cè)鏈的疏水性大小。在測(cè)定結(jié)果中，具有較大的正的數(shù)字意味著氨基酸的側(cè)鏈?zhǔn)鞘杷模诘鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)中該殘基傾向于分布在分子的內(nèi)部，而具有較大的負(fù)的數(shù)據(jù)意味著氨基酸側(cè)鏈在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中傾向于分子的表面。對(duì)于賴氨酸，由于含有多個(gè)亞甲基，所以可以優(yōu)先選擇環(huán)境，從而具有正的疏水性數(shù)值。

3.與茚三酮的反應(yīng)

α-氨基酸與水合茚三酮一起在水溶液中加熱，可發(fā)生反應(yīng)生成紫色化合物（但是茚三酮與脯氨酸和羥脯氨酸反應(yīng)則呈黃色）。該反應(yīng)先是氨基酸被氧化分解生成醛，放出氨和二氧化碳，水合茚三酮?jiǎng)t生成還原型茚三酮。還原型茚三酮與NH₃、1分子水合茚三酮縮合生成紫色化合物。

4.氨基的反應(yīng)

（1）與亞硝酸的反應(yīng)　在常溫下亞硝酸可以與氨基酸的游離氨基起反應(yīng)，定量地放出氮?dú)猓被岜谎趸闪u酸。含亞氨基的脯氨酸則不能與亞硝酸反應(yīng)。由于反應(yīng)所放出的N₂，一半來(lái)自氨基酸分子上的α-氨基，一半來(lái)自亞硝酸，故在固定條件下測(cè)定反應(yīng)所釋放的氮?dú)怏w積，即可計(jì)算出氨基的含量。其反應(yīng)見圖4-4。

（2）與甲醛等的反應(yīng)　在中性pH值和常溫條件下，甲醛能很快與氨基酸上的氨基結(jié)合，使氨基酸的解離平衡向H⁺解離方向移動(dòng)，促進(jìn)—N上質(zhì)子釋放出來(lái)，從而使溶液酸性增強(qiáng)，這樣就可用氫氧化鈉來(lái)滴定。每釋放出1個(gè)質(zhì)子，就相當(dāng)于有1個(gè)—NH₂。此法不夠精確，但簡(jiǎn)便快速，不僅用于快速測(cè)定氨基酸含量，也常用來(lái)測(cè)定蛋白質(zhì)水解程度。甲醛反應(yīng)還可用于生物組織的固定和保存。氨基酸可以與其他的醛類化合物反應(yīng)生成希夫堿類化合物。希夫堿與非酶褐變反應(yīng)有關(guān)，是美拉德反應(yīng)的中間產(chǎn)物。其反應(yīng)見圖4-5。

（3）與2，4-二硝基氟苯等的反應(yīng)　在弱堿溶液中，氨基酸的氨基很容易與2，4-二硝基氟苯作用，生成2，4-二硝基苯氨基酸。其反應(yīng)見圖4-6。氨基與三硝基苯磺酸的反應(yīng)也是相似的反應(yīng)機(jī)制。該反應(yīng)可用于對(duì)肽的N端氨基酸來(lái)進(jìn)行分析。而氨基酸的氨基與熒光胺、鄰苯二甲醛等反應(yīng)生成的產(chǎn)物也具有熒光性質(zhì)，可以用于分析氨基酸、蛋白質(zhì)等中氨基的含量。

（4）酰基化反應(yīng)　氨基可與芐氧基甲酰氯在弱堿性條件下反應(yīng)，生成氨基衍生物。在合成肽的過(guò)程中可利用此反應(yīng)保護(hù)氨基酸的氨基，有利于肽合成反應(yīng)的定向發(fā)生。

5.羧基的反應(yīng)

（1）酯化反應(yīng)　所有的氨基酸在無(wú)水乙醇中通入干燥氯化氫，然后加熱回流，可生成氨基酸酯。各種氨基酸酯的物理化學(xué)性質(zhì)不同，可用減壓分餾法分離。其反應(yīng)見圖4-7。

（2）還原反應(yīng)　在LiBH₄作催化劑的條件下，氨基酸可加氫，被還原生成氨基伯醇類化合物。

（3）脫羧反應(yīng)　在特定的脫羧酶作用下，氨基酸脫羧生成伯胺并放出二氧化碳?xì)怏w。例如，大腸桿菌含有L-谷氨酸脫羧酶能夠使氨基酸脫羧。

6.側(cè)鏈基團(tuán)的反應(yīng)

（1）氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)　α-氨基酸的側(cè)鏈R基的反應(yīng)很多。R基上含有酚基時(shí)可還原Folin-酚試劑，生成鉬藍(lán)和鎢藍(lán)，在分析工作中可用于蛋白質(zhì)的定量分析。又如R基上含有—SH基時(shí)，則在氧化劑存在下可生成二硫鍵。在還原劑存在下二硫鍵亦可被還原，重新變?yōu)椤猄H基。氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)參與的反應(yīng)一般用于個(gè)別氨基酸的鑒定或蛋白質(zhì)分子上側(cè)鏈基團(tuán)的修飾。有些顏色反應(yīng)可用于特定氨基酸或含有該氨基酸的肽的檢測(cè)。

（2）與金屬離子反應(yīng)　氨基酸可與一些金屬離子反應(yīng)生成絡(luò)合物。例如，谷氨酸可以與Zn²⁺、Ca²⁺、Ba²⁺等作用生成難溶于水的絡(luò)合物。