氨基酸
氨基酸——蛋白质的构件分子¶
蛋白质的水解¶
要分析氨基酸之前，第一步是把蛋白质拆成单体。水解方式不同，得到的残基完整度和立体化学也不同。实验室常用的三类方案对比如下：
| 水解方式 | 条件与优缺点 | 典型注意事项 |
|---|---|---|
| 酸水解 | 浓盐酸或硫酸回流；不产生消旋，得到 L-氨基酸 | 色氨酸会完全破坏；羟基氨基酸部分断裂；天冬/谷氨酰胺的酰胺基被进一步水解 |
| 碱水解 | 氢氧化钠溶液加热；较好保留色氨酸 | 每种氨基酸约有一半转为 D 型；多种氨基酸被部分破坏；精氨酸脱氨生成鸟氨酸和尿素 |
| 酶水解 | 多种蛋白酶协同分解 | 保留天然构型，不消旋、不破坏残基，但耗时较长 |
后续分析一般沿两条路线展开：一是酸水解后接离子交换层析，用茚三酮显色统计氨基酸组成；二是 Edman 降解结合反相 HPLC，逐步读取肽链序列。选择哪种方式，取决于你更关心“有哪些氨基酸”还是“它们的排列顺序”。
α-氨基酸的基本框架¶
回到单个残基本身：绝大多数氨基酸都符合“α-碳挂氨基与羧基”的模板，脯氨酸是唯一的亚氨基酸例外。除甘氨酸外，所有氨基酸都具手性，约定俗成的 L/D 是相对甘油醛的配置，不必等同于旋光方向。也正因为存在手性，α-氨基酸大多以内盐形式存在，熔点高、溶于水、难溶于大多数有机溶剂；溶液中的电荷状态与溶解性会随 pH 改变。
二十种标准氨基酸¶
下面这张表是复习时最常翻的一页，列出了常见的命名、缩写和最具识别度的结构特征。
| 中文 | 英文 | 三字母 | 一字母 | 侧链要点 |
|---|---|---|---|---|
| 甘氨酸 | Glycine | Gly | G | 无手性中心，体积最小 |
| 丙氨酸 | Alanine | Ala | A | 小疏水残基 |
| 缬氨酸 | Valine | Val | V | 分支链，疏水 |
| 亮氨酸 | Leucine | Leu | L | 分支链，疏水 |
| 异亮氨酸 | Isoleucine | Ile | I | 分支链，双手性中心 |
| 脯氨酸 | Proline | Pro | P | 亚氨基酸，限制折叠 |
| 色氨酸 | Tryptophan | Trp | W | 吲哚环，紫外吸收最强 |
| 苯丙氨酸 | Phenylalanine | Phe | F | 芳香族，疏水 |
| 酪氨酸 | Tyrosine | Tyr | Y | 芳香族，可磷酸化 |
| 组氨酸 | Histidine | His | H | 咪唑基，pKa≈6 |
| 赖氨酸 | Lysine | Lys | K | ε-氨基带正电 |
| 精氨酸 | Arginine | Arg | R | 胍基带正电 |
| 天冬氨酸 | Aspartate | Asp | D | β-羧基带负电 |
| 谷氨酸 | Glutamate | Glu | E | γ-羧基带负电 |
| 天冬酰胺 | Asparagine | Asn | N | 酰胺侧链，极性 |
| 谷氨酰胺 | Glutamine | Gln | Q | 酰胺侧链，储氮 |
| 丝氨酸 | Serine | Ser | S | 羟基，可磷酸化 |
| 苏氨酸 | Threonine | Thr | T | 羟基，双手性中心 |
| 甲硫氨酸 | Methionine | Met | M | 硫醚，可供甲基 |
| 半胱氨酸 | Cysteine | Cys | C | 巯基形成二硫键 |
为了匹配不同的记忆方式，可以按结构、极性或特殊性再分组——用内容选项卡切换视角更直观。
内容选项卡：
- 脂肪族：甘氨酸、丙氨酸、支链氨基酸（缬/亮/异亮）、丝氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、天冬氨酸、谷氨酸及其酰胺、赖氨酸、精氨酸。
- 芳香族：苯丙氨酸（苯丙酮尿症筛查的靶点）、酪氨酸（酚羟基可修饰）、色氨酸（可转化为烟酸）。
- 杂环族：组氨酸（咪唑基 pKa 接近生理值）、脯氨酸（环状结构限制肽链折叠）。
- 非极性：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。
- 极性不带电：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、半胱氨酸。
- 极性带正电：赖氨酸（ε-氨基）、精氨酸（胍基）、组氨酸（咪唑基）。
- 极性带负电：天冬氨酸、谷氨酸。
- 分支链残基（亮/异亮/缬）在 β、γ 位具有额外甲基。
- 不常见蛋白质氨基酸：焦谷氨酸、ε-三甲基赖氨酸等多由翻译后修饰产生。
- 非蛋白质氨基酸：D-氨基酸、瓜氨酸、甜菜碱、D-环丝氨酸常见于细菌细胞壁或抗生素。
酸碱性质与等电点¶
酸碱行为是一切后续实验设计的基础。每个可解离基团都带来一个缓冲平台；当净电荷为 0 时，溶液 pH 即为等电点，通常取邻近的两个 pKa 平均值得到。甲醛滴定可以暂时“封住”氨基，帮助测出较高的 pKa。常见的解离顺序是 α-羧基 > γ-羧基 > α-氨基 > ε-氨基，理解这一顺序能快速判断滴定曲线的拐点。
易混概念
预测 pI 时必须把侧链可解离基团一并纳入计算；碱性环境中的氨基酸未必带负电，酸性环境下也未必必然带正电，关键在于具体的 pKa 对比。
α-氨基与 α-羧基的典型反应¶
理解酸碱性质后，记住几个常用反应有助于鉴定和修饰氨基酸。α-氨基可在范史莱克反应中被亚硝化，或与 DNS、DNFB、PITC 等试剂衍生化，用于 N 端分析；弱碱条件下还可和醛缩合成西佛碱，再进一步脱氨。α-羧基则容易与碱成盐、与醇成酯，若先保护氨基，再用二氯亚砜或五氯化磷把羧基转为酰氯，便能继续拓展反应。
常用于指认残基特征的还包括：茚三酮在弱酸性下显紫色（脯氨酸、羟脯氨酸呈黄）、两个甘氨酸的酯化可形成二酮吡嗪；酪氨酸的黄蛋白反应、色氨酸的 Hopkins-Cole 与 Ehrlich 反应、精氨酸对 1,2-环己二酮的显色、半胱氨酸对硝普盐或 Ellman 试剂的响应、甲硫氨酸参与甲基转移等。
巯基还原剂
使用还原剂拆除二硫键时，可按稳定性和气味从 TCEP、DTT 到 β-巯基乙醇的顺序优先选择。它们都会络合二价金属离子，记得配合 EDTA。
光谱与层析¶
当化学反应不足以回答问题时，光谱和层析就是另一把钥匙。苏氨酸、异亮氨酸这类双手性中心的氨基酸在旋光测定中表现复杂；芳香族残基在 257–280 nm 区间有显著紫外吸收，便于用分光光度计估算浓度；NMR 则能呈现溶液中构象的分布。分离方面，分配层析关注分配系数 K = c_M / c_S，纸层析与薄层层析以 Rf 判读；离子交换层析常用 CM-/DEAE-纤维素树脂，气液层析、离子对层析和 HPLC 则应对更复杂的样品。此处可插入层析流程示意图
层析选型小抄
目标是分离亲水与疏水残基时，优先考虑反相 HPLC；若要按电荷差异细分，选择阳/阴离子交换层析；中性但体积差异大的肽则适合凝胶过滤。
氨基酸衍生物与代谢延伸¶
别把目光只放在 20 个标准残基上，它们还是许多关键分子的前体。谷胱甘肽（γ-谷氨酰-半胱氨酰-甘氨酸）利用 γ-谷氨酰循环将氨基酸跨膜运入小肠、肾小管和脑细胞。肌酸由甘氨酸提供骨架、精氨酸提供胍基、甲硫氨酸（SAM）提供甲基，构成肌肉高能量缓冲的磷酸肌酸体系。甘氨酸与琥珀酰-CoA 缔合后形成卟啉环，是血红素、叶绿素、血蓝蛋白、维生素 B12 的核心；相关酶缺陷会导致卟啉症。
非核糖体肽合成酶还能把氨基酸活化成硫酯中间体，不依赖 mRNA 和核糖体即可拼出短杆菌肽等抗菌化合物。微生物常见的 D-氨基酸来自消旋酶，它们参与细菌细胞壁和某些抗生素结构。至于甲硫氨酸在 SAM 循环中的角色，则体现在“甲基捐赠—再生 Met”的闭环上。