氨基酸定义

引言

氨基酸是有机物，同时含有氨基和羧基官能团。尽管自然界中存在着成百上千种氨基酸，但构成蛋白质的α-氨基酸是最重要的一类。在遗传密码中有22种α-氨基酸。

α-、β-、γ-或δ-氨基酸根据它们的结构和功能进行划分，并根据极性、电离和侧链基团的类型进一步分类。在水之后，由氨基酸残基组成的蛋白质占人体肌肉和组织的第二大组成部分。除了作为蛋白质残基外，氨基酸还参与神经递质的传递和生物合成。它们被认为是地球生命起源的重要因素。

国际纯粹与应用化学联合会-国际生物化学与分子生物学联盟联合命名委员会官方使用图示中的“中性”结构来命名氨基酸。例如，丙氨酸的科学名称是2-氨基丙酸，来源于公式CH3CH(NH2)COOH。委员会这样解释该策略：

综合名称和分子式是假定的形式，其中氨基未质子化，羧基未离解。这种方法有助于避免一些命名问题，但不应被误解为这些结构占氨基酸分子的大部分。

历史

在19世纪初，最早发现了一些氨基酸。天冬酰胺是第一个被发现的氨基酸，于1806年由法国科学家Louis-Nicolas Vauquelin和Pierre Jean Robiquet从芦笋中提取。胱氨酸于1810年被鉴定，但其单体半胱氨酸直到1884年才被发现。大约在1820年，发现了甘氨酸和亮氨酸。William Cumming Rose，他不仅鉴定了必需氨基酸，还确定了健康发育所需的全部氨基酸的最低日摄入量，并在1935年发现了20种已知氨基酸中的最后一种：苏氨酸。

Wurtz于1865年承认了分子类别的统一性，尽管他没有赋予它一个特定的名称。“氨基酸”一词最早于1898年在英语中使用；德语名称Aminosäure则更早使用。在酶作用或酸水解过程中，氨基酸被发现来源于蛋白质。Emil Fischer和Franz Hofmeister于1902年分别推测蛋白质由大量氨基酸组成，并且一个氨基的氨基与另一个氨基的羧基之间的相互作用导致了Fischer称之为“肽”的线性排列。

理化性质

二十种标准氨基酸根据它们的行为可分为几组。电荷、亲水性、疏水性、大小和官能团是重要变量。这些特性影响蛋白质的结构和相互作用。亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和色氨酸是疏水性残基，通常埋藏在水溶性蛋白质的中心，而亲水性侧链则暴露在溶剂中。（请记住，在生物化学中，残基是指多糖、蛋白质或核酸的聚合物分子中的特定单体。）膜蛋白上可及的疏水性氨基酸的外环通常作为蛋白质在脂质双层中的锚定。在一些外周膜蛋白的表面上发现的疏水性氨基酸带会使它们附着在膜上。例如，带负电荷的分子在带负电荷的氨基酸（如谷氨酸和天冬氨酸）表面富集，带正电荷的分子在带正电荷的氨基酸（如赖氨酸和精氨酸）表面富集，反之亦然。例如，核酸结合域的低复杂性区域包含大量的赖氨酸和精氨酸。氨基酸残基的疏水性尺度各不相同。

有些酸具有独特的性质。甘氨酸比其他氨基酸更具弹性，脯氨酸形成一个环状结构连接到多肽主链上。其他半胱氨酸残基和半胱氨酸可以通过二硫键共价结合。

而半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸则相反，高度活泼、复杂或疏水，而甘氨酸和脯氨酸在真核生物和原核生物蛋白质的低复杂性区域中含量显著。

许多蛋白质会经历各种翻译后修饰。例如，当一个信号蛋白含有半胱氨酸残基，可以引入脂肪酸棕榈酸并然后去除时，它可以连接并从细胞膜上分离。不同的化学基团有时会连接到氨基酸残基的侧链上，形成疏水性的脂蛋白或亲水性的糖蛋白，使蛋白质能够暂时附着在膜上。

通用框架

21种真核蛋白生成氨基酸根据其在生理pH（7.4）下侧链所带电荷进行分类。

R代表页面顶部结构中每个氨基酸特有的侧链。-碳是紧邻羧基的碳原子。术语“氨基酸”是指氨基直接连接到-碳的氨基酸。它们包括仲胺脯氨酸和羟脯氨酸[b]。过去它们经常被称为氨基酸，这是不正确的，因为它们缺少亚胺基团HN=C。

异构现象

氨基酸最普遍的天然形式被称为-氨基酸，因为它们包含连接到同一C原子的NH+3（或脯氨酸为NH+2）和CO2官能团。天然氨基酸是唯一具有L构型的氨基酸，并且除了非手性甘氨酸外，仅在核糖体翻译过程中出现在蛋白质中。

L和D的命名约定不是根据氨基酸本身的光学活性，而是根据氨基酸可能产生的甘油醛异构体的光学活性。D-甘油醛是右旋的，L-甘油醛是左旋的。

（S）和（R）指示符可以作为另一种约定来描述绝对构型。

蛋白质几乎包含所有的（S）氨基酸，除了半胱氨酸（R）和甘氨酸（非手性）。半胱氨酸的侧链在几何位置上与其他氨基酸的侧链相同。然而，Cahn-Ingold-Prelog序列规则将侧链的优先级置于羧基氧之上，导致R/S命名法颠倒。这与其他侧链不同，后者由于其原子组成，优先级低于羧基。

偶尔，蛋白质也包含D-氨基酸残基，这些残基是作为翻译后修饰由L-氨基酸产生的。

侧链

当氨基氮原子连接到-碳（羧酸根基团旁边的碳原子）时，氨基酸

出现与功能

由于它们有助于构成蛋白质，因此氨基与靠近羧基的碳原子相连的氨基酸对生物体尤其重要。它们通常被称为2-、α-或-氨基酸（通用公式：H2NCHRCOOH，其中R是称为“侧链”的化学取代基）；通常，“氨基酸”一词专门用于指代它们。它们包括22种蛋白生成（蛋白质构建）氨基酸，它们结合形成肽链（或“多肽”），这是各种蛋白质的基本单位。除了少数D-氨基酸（“右旋”对映体）外，所有这些都是L-立体异构体，即“左旋”对映体，但它们可能存在于某些抗生素、细菌细胞壁以及神经调节剂D-丝氨酸中。

许多氨基酸，包括蛋白生成和非蛋白生成的氨基酸，都具有生物学用途。例如，谷氨酸或γ-氨基丁酸（非标准γ-氨基酸）是人类大脑中主要的抑制性和兴奋性神经递质。脯氨酸转化为羟脯氨酸，这是结缔组织中胶原蛋白的关键组成部分。血红细胞可用的卟啉由甘氨酸生物合成。肉碱有助于脂质的转运。由于人体无法从其他物质中合成九种蛋白生成氨基酸，因此必须通过食物摄取。这些氨基酸被称为人类的“必需”氨基酸。在特定的年龄或医学状况下，其他氨基酸可能被认为是条件必需的。必需氨基酸的种类也因物种而异。由于其生物学重要性，氨基酸对营养至关重要，并经常用于膳食补充剂、肥料、饲料和食品技术中。工业应用包括手性催化剂、可生物降解聚合物和药品的生产。

肽生成氨基酸

蛋白质由氨基酸构成。它们通过缩合过程结合形成较短的多聚链（肽）或蛋白质，或者形成较长的链（多肽）。这些链中的每个氨基酸残基都连接到两个相邻的氨基酸上，形成线性的、无分支的链。mRNA模板（生物体基因的RNA拷贝）读取遗传密码，并决定氨基酸的添加顺序。在自然界中，DNA/RNA编码的蛋白质的产生过程称为翻译，它涉及一个称为核糖体的核酶，将氨基酸一个接一个地添加到正在构建的蛋白质链上。

蛋白生成的22种氨基酸自然地整合到多肽中。其中20种由整个遗传密码表示。硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸，另外2种，通过特定的合成方法整合到蛋白质中。某些产甲烷古菌在其用于生产甲烷的酶中利用吡咯赖氨酸。当正在转译的mRNA具有SECIS元件时，UGA密码子不编码终止密码子，而是插入硒代半胱氨酸。它由密码子UAG表示，在某些物种中通常是终止密码子。在此UAG密码子之后，紧跟着PYLIS反序列。

根据几项独立的进化研究，甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、缬氨酸、丝氨酸、脯氨酸、谷氨酸、亮氨酸和苏氨酸可能构成了最早的遗传密码，而半胱氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、色氨酸、组氨酸和苯丙氨酸可能构成了后来添加到遗传密码中的氨基酸。

标准与非标准氨基酸

标准或常规氨基酸是指由人类遗传密码密码子直接表示的20种氨基酸。在细菌、线粒体和叶绿体中，蛋氨酸经常被一种称为N-甲酰蛋氨酸的氨基酸的修饰形式替换，作为蛋白质的第一个氨基酸。这类氨基酸称为非经典或非标准氨基酸。大多数非标准氨基酸也是非蛋白生成的，这意味着它们在翻译过程中不能被转化为蛋白质。然而，这两种非标准氨基酸可以通过不包含在全球遗传密码中的数据在翻译过程中转化为蛋白质。

硒代半胱氨酸存在于大多数真核生物和非真核生物中，但不直接由DNA编码，而吡咯赖氨酸是两种非标准蛋白生成氨基酸。这些非常规氨基酸很少被整合。例如，硒代半胱氨酸存在于25种人类蛋白质的基本结构中，并用作结构确定的酶（硒代酶）活性区域的催化部分。通过替代密码子，吡咯赖氨酸和硒代半胱氨酸被编码。例如，终止密码子和SECIS元件编码硒代半胱氨酸。

在细菌、线粒体和叶绿体中，N-甲酰蛋氨酸通常是蛋白质的第一个氨基酸，而不是被视为一个独立的蛋白生成氨基酸。通过使用非天然密码子-tRNA配对，遗传密码也可以被“扩展”，以产生包含非蛋白生成氨基酸的新型蛋白质，称为全蛋白。

非蛋白生成氨基酸

氨基酸不参与蛋白质合成。

除了22种蛋白生成氨基酸外，还发现了许多非蛋白生成氨基酸。它们要么不是由典型的细胞机制直接独立合成（包括左甲状腺素、GABA和肉碱），要么不存在于蛋白质中，或者两者皆有。

非蛋白生成有机分子在蛋白质中存在的形式是翻译后修饰或翻译过程中发生的修饰。这些修饰对于蛋白质的调控或功能至关重要。例如，谷氨酸的羧化作用增强了钙阳离子的结合，而脯氨酸的羟基化作用产生了羟脯氨酸，它存在于胶原蛋白中。另一个例子是由翻译起始蛋白EIF5A中的赖氨酸残基修饰产生的hypusine。这些修饰也可能影响蛋白质的位置；例如，引入长的疏水性基团可以使蛋白质附着到磷脂膜上。

然而，有些氨基酸不存在于蛋白质中。γ-氨基丁酸和2-氨基异丁酸是两个例子。非蛋白生成氨基酸通常在其他氨基酸的代谢过程中充当介体。例如，鸟氨酸和瓜氨酸存在于尿素循环中，这是氨基酸分解代谢的一个步骤。氨基酸β-丙氨酸，被微生物和植物用于生产泛酸（乙酰-CoA 的一个组成部分），是生物体中-氨基酸占主导地位的罕见例外。

非蛋白质功能

神经递质血清素的前体是色氨酸。非蛋白质氨基酸作为代谢中间体在人体中具有重要功能，例如生产GABA神经递质。几种其他化合物的合成涉及氨基酸的使用，包括：

酪氨酸（及其前体苯丙氨酸）是多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、其他儿茶酚胺类神经递质和一些痕量胺的前体。

在人类中，苯丙氨酸是酪氨酸和苯乙胺的前体。它作为植物中许多对植物代谢至关重要的苯丙素类化合物的前体。

• 血红素等卟啉是甘氨酸的前体。
• 精氨酸可以产生一氧化氮。
• 多胺的前体包括鸟氨酸和S-腺苷甲硫氨酸。

在人类营养中

人类从饮食中摄入的20种标准氨基酸要么用于制造蛋白质和其他大分子，要么通过氧化为尿素和二氧化碳作为能量来源。转氨酶在氧化途径开始时去除氨基，然后氨基被输入尿素循环。另一个转酰胺副产物是一种称为酮酸的酸，它进入柠檬酸循环。通过糖异生，也可以从糖原性氨基酸中产生葡萄糖。20种标准氨基酸中的九种——组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸——被称为必需氨基酸，因为人体无法从其他化学物质中产生足够的量以满足正常发育的需求，必须通过食物摄取。此外，儿童的牛磺酸是一种半必需氨基磺酸，半胱氨酸、酪氨酸和精氨酸都被认为是半必需氨基酸。创造这些单体的代谢过程尚未完全成熟。由于所需的数量也主要取决于人的年龄和健康状况，因此很难概括特定氨基酸的饮食需求。人类神经退行性疾病，包括肌萎缩侧索硬化症，与饮食接触非标准氨基酸BMAA有关。

工业用途

肥料

在肥料中，氨基酸的螯合能力有时被用来加速矿物质向植物的供应，以解决缺铁引起的缺铁性黄化等矿物质短缺问题。这些肥料也用于改善植物的健康状况并防止缺苗。

动物饲料

由于动物饲料中的一些成分，如大豆，缺乏必需氨基酸，特别是赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和色氨酸，氨基酸有时会被添加到动物饲料中。氨基酸也用于螯合金属，以增强饲料补充剂中矿物质的吸收。

食物

制造商经常在食品中添加氨基酸，以通过改善矿物质吸收和尽量减少主要无机补充剂的负面影响来帮助缓解钾缺乏症的症状，如贫血。特别是谷氨酸，用作风味增强剂，以及天冬甜素，用作人造甜味剂，是食品行业氨基酸的主要消费者。

化妆品和药品

同样，制药行业使用多种氨基酸化合物。这些包括依氟鸟氨酸，一种抑制鸟氨酸脱羧酶并治疗昏睡病；L-DOPA（L-二羟基苯丙氨酸），一种用于治疗抑郁症的实验疗法；以及5-HTP（5-羟色氨酸）。一些化妆品是用氨基酸制成的。

遗传密码的扩展

自2001年以来，通过使用特殊的密码子和相应的转运RNA：氨酰-tRNA合成酶对，已将40种非天然氨基酸添加到蛋白质中，以编码具有各种理化和生物学性质的蛋白质。这使得创造新颖或改进的蛋白质以及探索蛋白质结构和功能成为可能。

无效子

虽然无效子是理论上编码某种氨基酸的记录器，但自然界偏向于不使用它们，而倾向于使用其他密码子。例如，细菌更喜欢使用CGA密码子而不是AGA来编码精氨酸。结果，产生了一些在基因组中不存在的序列。这种性质可以被利用，用于开发新颖的、选择性的癌症治疗方法，并防止犯罪现场的遗传物质被污染。

化学成分

作为廉价的原料，氨基酸至关重要。这些物质在手性池合成中用作对映体纯的构建块。尽管没有实际应用，但氨基酸已被研究为手性催化剂前体，尤其是在不对称氢化过程中。

可回收塑料

氨基酸已被认为是可生物降解材料的构建块，这些材料可用于制造假体植入物和环保包装。聚天冬氨酸是一种液体可生物降解聚合物，在农业和一次性尿布中具有潜在用途，是此类材料的一个有趣例子。除了作为缓蚀剂和可生物降解的抗垢剂外，聚天冬氨酸还是金属离子的溶解剂和螯合剂。芳香族氨基酸酪氨酸也被认为是生产聚碳酸酯的可行替代酚类（如双酚A）的替代品。