二、蛋白质的结构单位

蛋白质的结构单位是氨基酸(amino acid)。已在各种生物体内鉴定的氨基酸有300多种(绝大多数是L-氨基酸)，其中在蛋白质中鉴定的有100多种，但用于合成蛋白质的只有20种，这20种氨基酸称为编码氨基酸(coded amino acid，标准氨基酸，基本氨基酸)；其他氨基酸(非编码氨基酸，noncoded amino acid，非标准氨基酸)有些是在蛋白质中由编码氨基酸转化生成的，例如胶原中的4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸、凝血因子中的γ-羧基谷氨酸(Gla)、翻译因子eEF-2中的白喉酰胺，然而更多的氨基酸并不存在于蛋白质中，例如尿素循环中的鸟氨酸和蛋氨酸循环中的同型半胱氨酸，这类氨基酸称为非蛋白质氨基酸(nonprotein amino acid)。

 硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸　①硒代半胱氨酸(selenocysteine，Sec，U)：用于合成硒蛋白，其密码子是位于一种称为硒代半胱氨酸插入序列的特殊序列上游的终止密码子UGA。②吡咯赖氨酸(pyrrolysine，Pyl，O)：甲烷八叠球菌属(产甲烷细菌)用于合成甲胺甲基转移酶，其密码子是位于一种特殊序列内的终止密码子UAG，被称为框内终止密码子。

(一)氨基酸结构

氨基酸在有机化合物中归类于取代羧酸，羧基是官能团，氨基是取代基。根据氨基位置不同分为α-、β-、γ-、…、ω-氨基酸。20种编码氨基酸都是α-氨基酸(脯氨酸是α-亚氨基酸)。除了甘氨酸之外，其余19种氨基酸的α-碳原子是手性碳原子，因而它们是手性分子，是L-α-氨基酸。书中提及L-α-氨基酸时常简称氨基酸，略去其构型及取代氨基位置。

D-氨基酸　最初发现于细菌细胞壁的部分肽及某些肽类抗生素中，如革兰阳性菌细胞壁的D-丙氨酸和D-谷氨酸。后来在其他生物也有发现，如霍乱弧菌肽聚糖中的D-蛋氨酸和D-亮氨酸，枯草杆菌分泌的D-蛋氨酸、D-酪氨酸、D-亮氨酸和D-色氨酸，人脑组织中的D-丝氨酸和D-天冬氨酸。肽类抗生素短杆菌酪肽和短杆菌肽S含D-苯丙氨酸。南美洲树蛙皮肤含有的皮啡肽是一种七肽类阿片肽，含D-丙氨酸。

(二)氨基酸分类

氨基酸可分为编码氨基酸(用于合成蛋白质的20种氨基酸)和非编码氨基酸(不能用于合成蛋白质)。编码氨基酸可进一步分类(表3-1)，例如根据R基极性及所带电荷分为5类，其中甘氨酸、组氨酸和半胱氨酸的归类并不绝对，如甘氨酸介于非极性和极性之间(表3-2、图3-1)。

1.非极性脂肪族R基氨基酸　这类氨基酸有7种，含有非极性疏水R基，属于疏水性氨基酸。它们通常位于蛋白质分子内部，可以通过疏水作用相互结合，以稳定蛋白质构象。①甘氨酸的结构最简单，它的R基太小(是一个氢原子)，因而与其他氨基酸的R基之间无疏水作用，实际上甘氨酸和丙氨酸也可以出现在蛋白质分子表面。②蛋氨酸(甲硫氨酸)是两种含硫氨基酸之一，它的R基含有非极性甲硫基。③脯氨酸的R基形成吡咯环结构，这种结构具有刚性，在蛋白质构象中具有特殊意义。④缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸统称支链氨基酸(第十章，223页)。

2.芳香族[R基]氨基酸　苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的R基都含有苯环结构，所以称为芳香族氨基酸。其中苯丙氨酸和色氨酸属于疏水性氨基酸，酪氨酸属于极性氨基酸。

3.极性[不带电荷R基]氨基酸　这类氨基酸有5种，含有极性亲水R基，可以与水形成氢键(半胱氨酸巯基可形成弱氢键)。因此，与非极性脂肪族R基氨基酸相比它们较易溶于水。丝氨酸和苏氨酸的极性源于其R基羟基，半胱氨酸源于其巯基，天冬酰胺和谷氨酰胺源于其酰胺基。

4.带正电荷[R基]氨基酸　又称碱性氨基酸。这类氨基酸有3种，其中赖氨酸R基氨基、精氨酸R基胍基和组氨酸R基咪唑基在生理状态下可结合H+而带正电荷。组氨酸咪唑基的pKR=6，接近生理pH，所以在酶促反应中咪唑基既可以作为H+(质子)供体又可以作为H+[接]受体，发挥酸碱催化作用(第五章，80页)。

5.带负电荷[R基]氨基酸　又称酸性氨基酸。天冬氨酸和谷氨酸的R基羧基在生理状态下可以电离出H+而带负电荷。

(三)氨基酸功能

氨基酸是蛋白质的合成原料。某些氨基酸还是卟啉、嘌呤、嘧啶、激素、激素释放因子、神经递质、神经调质、酶的辅助因子等的合成原料，有些氨基酸本身就是神经递质，甘氨酸参与生物转化，天冬氨酸和精氨酸参与尿素合成。

某些氨基酸是神经递质，包括兴奋性氨基酸和抑制性氨基酸。兴奋性氨基酸主要是谷氨酸，此外还有天冬氨酸、半胱氨酸、同型半胱氨酸、红藻氨酸、使君子氨酸、N-甲基-D-天冬氨酸，可以作为兴奋性神经递质促使突触后细胞去极化激活，也可作为神经毒素导致神经元死亡。抑制性氨基酸包括γ-氨基丁酸、甘氨酸、β-丙氨酸、牛磺酸，可以作为抑制性神经递质抑制突触后细胞去极化激活。

(四)氨基酸性质

各种氨基酸的理化性质不尽相同，甚至各有特性。这里介绍氨基酸的典型性质。

1.紫外吸收特征　分析吸收光谱可知，芳香族氨基酸都能吸收紫外线，特别是色氨酸在280nm波长附近存在吸收峰(图3-2)。由于大多数蛋白质都含有芳香族氨基酸，所以可用紫外分光光度法进行蛋白质定量分析。

2.茚三酮反应　水合茚三酮与氨基酸发生反应，生成蓝紫色化合物，该化合物在570nm波长附近存在吸收峰。茚三酮反应可用于氨基酸定量分析。

水合茚三酮与脯氨酸或羟脯氨酸等亚氨基酸反应生成黄色化合物。

3.两性电离与等电点　两性电解质(ampholyte)是指在溶液中既可给出H+而呈酸性，又可结合H+而呈碱性的电解质，例如氨基酸是两性电解质，在溶液中其羧基可以给出H+而呈酸性，其氨基可结合H+而呈碱性(图3-3)。

氨基酸在溶液中的电离度(解离度)受溶液pH影响，在某一pH值条件下，氨基酸电离成阳离子和阴离子的程度相等，溶液中的氨基酸是一种既带正电荷、又带负电荷的电中性离子(净电荷为零)，这种离子称为两性离子(兼性离子，zwitterion)，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点(pI)。等电点是氨基酸的特征常数。如果溶液的pH值大于氨基酸的等电点，则氨基酸净带负电荷，在电场介质中会向正极移动；如果溶液的pH值小于氨基酸的等电点，则氨基酸净带正电荷，在电场介质中会向负极移动。溶液的pH值越偏离等电点，氨基酸所带净电荷越多，在电场介质中的移动速度就越快。

等电点计算：中性氨基酸pI=(pK1+pK2)/2，酸性氨基酸和半胱氨酸pI=(pK1+pKR)/2，碱性氨基酸pI=(pK2+pKR)/2。

●一种氨基酸有两个(如甘氨酸)或三个(如谷氨酸)电离基团，因而在溶液中有三种或四种电离状态，磷脂等其他含有电离基团的生物分子同理。各电离状态的相对含量受溶液pH影响。教材中只给出生理条件下含量最多的电离状态的分子结构。○