结构生物化学/蛋白质/氨基酸

蛋白质是由多个被称为氨基酸的单体亚基组成的聚合物，这些单体具有许多不同的官能团。自然界中存在 500 多种氨基酸，但从细菌到人类所有物种的蛋白质主要由 20 种被称为必需氨基酸的氨基酸组成。这 20 种主要氨基酸，以及数百种其他次要氨基酸，维持着我们的生命。蛋白质可以与其他蛋白质和生物分子相互作用形成更复杂的结构，并具有刚性或柔性结构以执行不同的功能。碘化酪氨酸和溴化酪氨酸也是在物种中发现的氨基酸，但由于其稀有性而未被列入 20 种主要氨基酸：碘化酪氨酸仅存在于甲状腺激素中，而溴化酪氨酸仅存在于珊瑚中。下面列出了在大多数（但不是全部）蛋白质中发现的 20 种主要氨基酸。

氨基酸

氨基酸是同时含有羧酸基和胺基的分子。在氨基酸中，羧基比羧酸更酸性。2-氨基酸，也称为α-氨基酸，是一种特殊的氨基酸，构成了蛋白质。这些氨基酸具有许多有趣的特性，将在接下来的部分中讨论。

氨基酸在作为蛋白质的构建块和作为代谢中间体方面发挥着核心作用。蛋白质是由将一个氨基酸的 α-羧基与另一个氨基酸的 α-氨基连接而成的线性聚合物。这种连接称为肽键或酰胺键。两个氨基酸形成二肽伴随着一个水分子的丢失。在这种情况下，反应的平衡偏向于水解而不是合成。因此，肽键的生物合成需要自由能的输入。尽管如此，肽键在动力学上相当稳定，因为水解速率极其缓慢；在没有催化剂的情况下，肽键在水溶液中的寿命接近 1000 年。因此，蛋白质中发现的 20 种氨基酸传达了广泛的化学多功能性。特定蛋白质的精确氨基酸含量及其氨基酸顺序由编码该蛋白质的基因中的碱基顺序决定。蛋白质中氨基酸的化学性质决定了蛋白质的生物活性。蛋白质不仅催化活细胞中的所有（或大多数）反应，而且还控制着几乎所有细胞过程。此外，蛋白质在其氨基酸序列中包含确定该蛋白质将如何折叠成三维结构以及所得结构稳定性的必要信息。蛋白质折叠和稳定性领域多年来一直是至关重要的研究领域，并且至今仍是未解之谜。然而，它正在积极研究中，并且每天都在取得进展。

氨基酸细分

构成蛋白质的 20 种主要氨基酸。它们中的每一种都含有一个独特的官能团，从而产生不同的特性。这些性质包括大小、形状、电荷、氢键能力、亲水性/疏水性（疏水相互作用）和化学反应性。根据 R 基侧链的化学性质，氨基酸可以大体上分为疏水性和亲水性。在水性环境中，疏水氨基酸无法参与氢键。它们相互缔合，主要位于蛋白质内部。另一方面，亲水氨基酸由于极性而倾向于在水性环境中相互作用。这些氨基酸通常位于外表面。

两性离子

当羧酸基去质子化而氨基同时质子化时，氨基酸处于两性离子状态。两性离子是偶极离子——意味着这些分子具有两种电荷，即正电荷和负电荷。水溶液的 pH 值是决定质子化状态的一个因素。这种状态使羧基端带负电荷 (-COO^-)，而相邻的氨基端带正电荷 (-NH₃⁺)。羧基 (-COO^-) 首先去质子化，因为其 pKa 约为 2，而胺基 (-NH₃⁺) 的 pKa 约为 9。两性离子形式的蛋白质的净电荷为零。 ^[1] 以这种方式表现的分子称为两性离子。在固态中，胺官能团会使羧酸基去质子化，从而产生两性离子、偶极实体。氨基酸在水溶液中的带电状态很大程度上取决于 pH 值。在 pH 值为 2 到 9 的情况下，所有氨基酸的主要形式是两性离子形式。在强酸性 (pH < 2) 中，主要的形态是完全质子化的铵阳离子，以及相应的羧酸的质子化形式。该物种的净电荷为 +1。在强碱性溶液 (pH > 9) 中，主要的形态是完全去质子化的氨基羧酸阴离子。该物种的净电荷将为 -1。这些形式通过酸碱平衡相互转化。这留下了很大的 pH 范围，在该范围内两性离子将作为主要物种发挥很大作用。质子化程度等于去质子化程度的 pH 值称为等电 pH 或等电点 (pI)。在这个 pH 值下，正电荷的量等于负电荷的量，并且电荷中和的两性离子形式的浓度达到最高。当酸的侧链带有额外的酸性或碱性官能团时，pH 值分别降低或升高。请注意，在大多数相关的生理 pH 范围内，两性离子将是迄今为止最丰富的物种。

组氨酸含有一个咪唑环，其中有 2 个氮原子：一个呈碱性，另一个不呈碱性。碱性氮参与了在酶催化过程中很重要的离域化。

以下是在中性 pH 下 L-氨基酸形成两性离子的示例

旋光性

所有蛋白质或多肽都是一系列连接的氨基酸。一个典型的α-氨基酸由一个中心碳（在本例中是 α-碳）组成，该中心碳连接到一个氨基 (-NH2)、一个羧酸 (-COOH)、一个氢原子和一个独特的 R 基。R 基通常被称为侧链，决定着每种氨基酸的性质。科学家根据侧链的性质将氨基酸分为不同的类别。具有四个不同基团的四面体碳原子称为手性。分子能够将平面偏振光旋转到左侧，L（左旋）或右侧，D（右旋）赋予它旋光和立体化学指纹。多肽中的所有氨基酸均以 L 形式配置。L 形式对应于 S 的绝对构型，这是一种用于指定有机化学领域立体化学的系统。虽然 D-氨基酸（在有机化学领域被指定为 R 立体异构体）天然存在，但它们不会出现在蛋白质中。到目前为止，科学家还没有提出关于生物体对 L 氨基酸的偏好的假设。然而，很明显，所有氨基酸的下游生理机制都针对识别和与特定的 L 构象相互作用。注意：由于中心碳连接着四个不同的基团，因此所有氨基酸都是手性的，除了甘氨酸，它是非手性的。这是因为甘氨酸的中心碳原子仅包含 3 个独特取代基，而不是 4 个（R 侧链 = H）。

修饰氨基酸

在蛋白质中，可以找到不属于 20 种标准类型的氨基酸。大多数这些氨基酸是通过对已经整合的氨基酸进行化学修饰而产生的。例如，胶原蛋白中存在脯氨酸的羟基化形式。此外，已知谷胱甘肽过氧化物酶中存在半胱氨酸的硒类似物。吡咯赖氨酸也被分离和鉴定。这些规则的例外是由 DNA 和 RNA 编码并由它们决定的，还有更多例子。

肽键

任何关于氨基酸的讨论都不完整，没有提到每个氨基酸是如何连接到另一个氨基酸的。所有氨基酸通过一个涉及一个氨基酸的胺基和另一个氨基酸的羧酸基的缩合反应相互连接。这种酶促催化的反应形成酰胺实体：[R₁-NH₂ + R₂-COOH ==> R₁-NH-C(=O)-R₂ + H₂O]。酰胺键具有特殊的性质，因为它具有共振形式，这使得该键具有平面、刚性、双键的特征：[R₁-N-C(=O)-R₂ <==> R₁-N+=C(-O-)-R₂]。氨基酸可以以只有 2 或 3 个氨基酸的小单位连接在一起，称为二肽和三肽，但也可以连接成由数百甚至数千个氨基酸组成的非常长的链。每个完整的肽链都有一个 N 末端（氨基）和一个 C 末端（羧酸盐）。肽键系统中涉及的整体 4 个原子角对于研究蛋白质的人来说很重要。特别是，R-[N-C-C(=O)-N]-R 基团被称为 phi 扭转角，而相邻的角，即 psi 角，φ 扭转角，涉及 R-[C-N-C-C(=O)]-R 基团。这些角度很重要，已知肽角的自然分布在拉氏图中进行了总结。肽键由缩合反应形成，并由水解（加水）断裂。

四肽是一种通过肽键连接了四个氨基酸的肽。

氨基酸分类

非极性氨基酸

脂肪族 : 甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸

芳香族 : 苯丙氨酸、色氨酸。

环状 : 脯氨酸

极性氨基酸

含硫 : 半胱氨酸、蛋氨酸

含羟基 : 丝氨酸、苏氨酸

芳香族 : 酪氨酸

酸性酰胺 : 天冬酰胺、谷氨酰胺

带电氨基酸（在生理 pH 下）

酸性 : 天冬氨酸、谷氨酸

碱性 : 组氨酸、赖氨酸、精氨酸

20 种氨基酸列表

氨基酸	3 个字母缩写	1 个字母缩写	氨基酸类型（侧链）	疏水性指数（100 为极度疏水，0 为中性，-55 为亲水）	COOH 基团的 pKa	NH3+ 基团的 pKa	R 基团的 pKa	分子量 [g/mol]	α 螺旋	β 折叠	反向转角
甘氨酸	Gly	G	脂肪族、非极性	中性（pH = 2 时为 0；pH = 7 时为 0）	2.4	9.8	--	75.07	0.43	0.58	1.77
丙氨酸	Ala	A	脂肪族、非极性	疏水性（pH = 2 时为 47；pH = 7 时为 41）	2.4	9.9	--	89.1	1.41	0.72	0.82
缬氨酸	Val	V	脂肪族、非极性	高度疏水性（pH = 2 时为 79；pH = 7 时为 76）	2.3	9.7	--	117.15	0.90	1.87	0.41
亮氨酸	Leu	L	脂肪族、非极性	高度疏水性（pH = 2 时为 100；pH = 7 时为 97）	2.3	9.7	--	131.18	1.34	1.22	0.57
异亮氨酸	Ile	I	脂肪族、非极性	高度疏水性（pH = 2 时为 100；pH = 7 时为 99）	2.3	9.8	--	131.18	1.09	1.67	0.47
蛋氨酸	Met	M	含羟基或含硫、非极性	高度疏水性（pH = 2 时为 74；pH = 7 时为 74）	2.1	9.3	--	149.21	1.30	1.14	0.52
丝氨酸	Ser	S	含羟基或含硫、极性	中性（pH = 2 时为 -7；pH = 7 时为 -5）	2.2	9.2	--	105.09	0.57	0.96	1.22
半胱氨酸	Cys	C	含羟基或含硫、极性	疏水性（pH = 2 时为 52；pH = 7 时为 49）	1.9	10.7	8.4	121.16	0.66	2.40	0.54
苏氨酸	Thr	T	含羟基或含硫、极性	中性（pH = 2 时为 13；pH = 7 时为 13）	2.1	9.1	--	119.12	0.76	1.17	0.96
脯氨酸	Pro	P	环状	亲水性（pH = 2 时为 -46；pH = 7 时为 -46）	2.0	9.6	--	115.13	0.34	0.31	1.32
苯丙氨酸	Phe	F	芳香族	高度疏水性（pH = 2 时为 92；pH = 7 时为 100）	2.2	9.3	--	165.19	1.16	1.33	0.59
酪氨酸	Tyr	Y	芳香族	疏水性（pH = 2 时为 49；pH = 7 时为 63）	2.2	9.2	10.5	181.19	0.74	1.45	0.76
色氨酸	Trp	W	芳香族	高度疏水性（pH = 2 时为 84；pH = 7 时为 97）	2.5	9.4	--	204.25	1.02	1.35	0.65
组氨酸	His	H	碱性	pH=2 时亲水性 (-42)，pH=7 时中性 (8)	1.8	9.3	6.0	155.16	1.05	0.80	0.81
赖氨酸	Lys	K	碱性	亲水性（pH = 2 时为 -37；pH = 7 时为 -23）	2.2	9.1	10.5	146.188	1.23	0.69	1.07
精氨酸	Arg	R	碱性	亲水性（pH = 2 时为 -26；pH = 7 时为 -14）	1.8	9.0	12.5	174.2	1.21	0.84	0.90
天冬氨酸	Asp	D	酸性	pH=2 时中性 (-18)，pH=7 时亲水性 (-55)	2.0	9.9	3.9	133.10	0.99	0.39	1.24
谷氨酸	Glu	E	酸性	ph=2 时中性 (8)，pH=7 时亲水性 (-31)	2.1	9.5	4.1	147.13	1.59	0.52	1.01
天冬酰胺	Asn	N	酸性、极性	亲水性（pH = 2 时为 -41；pH = 7 时为 -28）	2.1	8.7	--	132.118	0.76	0.48	1.34
谷氨酰胺	Gln	Q	酸性、极性	中性（pH = 2 时为 -18；pH = 7 时为 -10）	2.2	9.1	--	146.15	1.27	0.98	0.84

网络方法

网络方法有助于确定蛋白质结构中已知位置的特定氨基酸的作用。网络通过将系统分解为一系列链接来简化复杂系统的行为。链接代表蛋白质分子中氨基酸的相邻位置。由于蛋白质以这种方式连接，并且蛋白质结构网络仅通过其他几个氨基酸元素相互连接，因此我们可以确定折叠概率。蛋白质结构网络越密集，折叠越容易，并且随着蛋白质结构变得更加紧凑，折叠概率会增加。
网络方法也可以应用于预测蛋白质中的活性中心。活性中心是蛋白质片段，它们在各自蛋白质显示的酶功能的催化反应中发挥关键作用。科学家已经使用远程网络拓扑结构从网络骨架中创建网络，他们可以从中仅研究对整个蛋白质信息流至关重要的侧链。网络分析表明，活性中心在蛋白质结构网络中占据中心位置，通常具有许多邻居，在其附近给出独特的连接，整合整个网络的通信，不参与普通残基的浪费行为，并收集和协调网络中的大部分能量。

丙氨酸 - Ala/ A

结构丙氨酸，也称为 2-氨基丙酸，（缩写为 Ala 或 A）是一种 α-氨基酸，化学式为 HOOCCH(NH₂)CH₃。它的摩尔质量为 89.09 g/mol，密度为 1.424 g/cm3。丙氨酸的 α-碳原子与一个甲基（-CH3）相连，使其成为最简单的 α-氨基酸之一，因为它在分子结构方面最简单，这也导致丙氨酸被归类为脂肪族氨基酸。丙氨酸的甲基不反应，因此几乎从不直接参与蛋白质功能。丙氨酸是非极性疏水分子。它具有两面性，这意味着它可以位于蛋白质分子的内部或外部。丙氨酸的 α-碳具有光学活性；在蛋白质中，只发现了 L-异构体。

特征丙氨酸是一种非必需氨基酸，这意味着它可以由人体制造，不需要直接从饮食中获得。丙氨酸存在于各种食物中，但特别集中在肉类中。它是一种非必需氨基酸，在血浆中以游离状态高浓度存在。

功能丙氨酸是糖和酸代谢的主要氨基酸。它通过产生抗体来增强免疫系统，并为肌肉组织、大脑和中枢神经系统提供能量。它用于注射或输注的药物制剂中。它也用作膳食补充剂和美拉德反应产物中的风味化合物。此外，它是一种刺激胰高血糖素分泌的物质。

化学合成 丙氨酸可以在体内由丙酮酸和支链氨基酸（如缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸）合成。丙氨酸最常见的是由丙酮酸的还原胺化产生的。由于转氨基反应是可逆的，丙酮酸的分布很广，所以丙氨酸很容易形成，因此与糖酵解、糖异生和柠檬酸循环等代谢途径密切相关。它也与乳酸一起产生，并通过丙氨酸循环从蛋白质中产生葡萄糖。可以通过施特雷克反应，在氰化钾存在下，乙醛与氯化铵缩合，制备外消旋丙氨酸。

分析丙氨酸可以通过紫外光谱、红外光谱 (IR)、核磁共振波谱 (NMR) 和质谱法来鉴定。

精氨酸 - Arg/ R

结构精氨酸，2-氨基-3-氨基甲酰丙酸，包含一个三碳脂肪族直链，其末端被一个胍基封端。其摩尔质量为 132.12g/mol。胍基的 pKa 为 12.48，在中性、酸性和甚至大多数碱性环境中都带正电荷。因此，精氨酸具有碱性化学性质。由于双键与氮孤对之间的共轭，正电荷被离域化，并能够形成多个氢键。

特点精氨酸是一种必需氨基酸，在氮代谢中起着重要作用。它是血管扩张剂一氧化氮（一种血管扩张剂）的化学前体。一氧化氮是一种强大的神经递质，有助于血管舒张，改善血液循环。富含精氨酸的食物包括红肉、鱼、家禽、小麦胚芽、谷物、坚果和种子，以及乳制品。

功能精氨酸有助于伤口愈合，并有助于烧伤治疗。它通过增强 T 细胞的产生，对正常的免疫系统活动是必需的。研究表明，精氨酸可能有助于治疗通过增加血管舒张而得到改善的疾病。一些用精氨酸治疗的疾病包括胸痛、动脉粥样硬化（动脉堵塞）、心脏病或衰竭、勃起功能障碍、间歇性跛行/周围血管疾病以及血管性头痛（引起头痛的血管肿胀）。精氨酸还有助于健美、增强精子产生以及预防患有危重疾病的人的组织消耗。精氨酸盐酸盐具有高氯含量，已被用于治疗代谢性碱中毒。

生物合成 精氨酸在细胞质酶精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂解酶存在下，由瓜氨酸合成。这是一个能量消耗很大的反应。因此，每个精氨酸琥珀酸分子的合成将与三磷酸腺苷 (ATP) 水解为单磷酸腺苷 (AMP) 偶联。

人体内精氨酸的合成主要通过肠道-肾轴进行，其中小肠的上皮细胞（主要从谷氨酰胺和谷氨酸产生瓜氨酸）与肾脏的近端小管细胞结合，近端小管细胞从循环中提取瓜氨酸并将其转化为精氨酸，精氨酸返回循环。

精氨酸和氮储存 为了让细胞生长，它需要氮，氮可以来自氨、硝酸盐、二氮或氨基酸。PII 蛋白是一种古老的信号蛋白，通过结合 2 OG 和 ATP/ADP 来感知和整合氮和碳的丰度。N-乙酰-L-谷氨酸激酶 (NAGK) 将氮存储为精氨酸，并将其掺入富含精氨酸的共聚物中。由于精氨酸富含氮，因此是氮储存的理想选择。当精氨酸掺入蛋白质时，精氨酸的渗透压影响最小。PII 蛋白仅在含氧光合生物中氮充足时与 NAGK 结合。但当氮缺乏时，2-酮戊二酸与 ATP 结合到 PII 蛋白上，导致 PII-NAGK 复合物解离。

精氨酸不敏感的 NAGK 是一种同二聚体，包含两个亚基中 16 链 β 片的骨架。然而，精氨酸敏感的 NAGK 是六聚体，最近的研究表明，这些酶是二聚体的环状六聚三聚体。该环是由三个 E. Coli NAGK 样二聚体之间的连接和 N 末端 α 螺旋形成的。在精氨酸敏感的 NAGK 中，精氨酸通过交错的 N 螺旋连接。这些螺旋是使 NAGK 成为精氨酸操作开关所必需的，表现出精氨酸抑制动力学的 S 形曲线。PII 蛋白是同三聚体，具有 βαββαβ 亚基拓扑结构，α 螺旋朝外，β 片朝内。T 环是一个大的、灵活的环，在蓝细菌和变形菌中包含磷酸化和尿苷酸化位点。当 PII 蛋白不存在时，S. elongates NAGK 不活跃，Vmax 低，NAG 的 Km 高，需要低浓度的精氨酸才能抑制。然而，酶 A. thaliana NAGK 非常活跃，NAG 的 Km 低四倍，Vmax 高三倍，比 S. elongates NAGK 高。当 PII 结合 S. Elongates NAGK 时，NAG 的 Vmax 增加到原始值的四倍，而 NAG 的 Km 降低到原始值的十倍。当它结合 A. thaliana NAGK 时，Km 不受影响，但 NAG 的 Vmax 增加到原始值的五倍。原始值是蛋白质 PII 不存在时的值。S. elongates PII-NAGK 复合物有一个被两个 PII 三聚体夹住的 NAGK 六聚体。由于 PII 蛋白没有紧紧地堆积在 NAGK 上，PII 仅与 T 环和 B 环上的 NAGK 相互作用。A. thaliana PII-NAGK 复合物在 PII 蛋白上结合了 MgATP，所有 NAGK 活性中心都包含结合的 NAG 和 ADP。

天冬酰胺 - Asn/ N

结构天冬酰胺是酸性氨基酸天冬氨酸或天冬氨酸盐的极性和不带电的衍生物；作为侧链，它具有一个羧酰胺基，在生理 pH 下呈中性，可以通过水解转化为羧酸，形成天冬氨酸。氨基酸的羧酰胺基可以形成氢键。

特点天冬酰胺在芦笋中含量丰富，因此得名。天冬酰胺不是必需氨基酸，这意味着人类不需要摄入它来获得必要的量。天冬酰胺具有很高的氢键倾向，因为酰胺基可以接受两个氢键并捐赠两个氢键。它存在于蛋白质表面以及蛋白质内部。它是糖蛋白中碳水化合物附着的一个常见位点。含有天冬酰胺的食物来源包括乳制品、牛肉、家禽和鸡蛋。

功能天冬酰胺与谷氨酸一起，是一种重要的神经递质。由于天冬氨酸和天冬酰胺在脑部的海马体和下丘脑中浓度很高，而海马体和下丘脑对短期记忆和情绪很重要，这两种氨基酸在大脑和身体其他部位之间起着重要的作用。神经系统需要天冬酰胺来维持平衡，并且还需要天冬酰胺进行氨基酸从一种形式到另一种形式的转化，这在肝脏中实现。

合成天冬酰胺的合成需要草酰乙酸，C₄H₄O₅。通过一个叫做转氨酶的过程，与碳-2 相连的双键氧被来自谷氨酸的铵基取代。新形成的化合物，或天冬氨酸，通过用铵基取代带负电的氧端，转化为天冬酰胺。天冬酰胺合成将谷氨酰胺转化为谷氨酸，将 ATP 转化为 AMP 和焦磷酸。

分析可以通过以下方法鉴定天冬酰胺：紫外光谱、红外光谱 (IR)、核磁共振波谱 (NMR) 和质谱法。

天冬氨酸 - Asp/ D

结构天冬氨酸 (C₄H₇NO₄) 也称为 2-氨基丁二酸。其分子量为 133.1 g/mol。

天冬氨酸，也称为天冬氨酸盐，是一种酸性和极性氨基酸，具有羧酸基，在生理 pH 下失去一个质子成为羧酸盐基团，并带负电荷；氨基酸的羧酸基的 pKa 值为 4.1，比末端 α-羧基基团略微碱性。它的 pI 为 5.41。蛋白质对于维持体内 pH 平衡至关重要。参与蛋白质缓冲特性的正是带电荷的氨基酸。天冬氨酸类似于丙氨酸，但其中一个 β 氢被羧酸基团取代。这个羧酸基团是使天冬氨酸成为酸性氨基酸的原因。天冬氨酸有一个 α-酮同系物，称为草酰乙酸。天冬氨酸和草酰乙酸可以通过简单的转氨基反应相互转化。草酰乙酸是克雷布斯循环的中间体之一。克雷布斯循环是大多数活细胞在有氧呼吸过程中产生能量的反应序列。

特点天冬氨酸是一种非必需氨基酸，可以从中心代谢系统中获得。

功能天冬氨酸参与转氨基反应，其中草酰乙酸和天冬氨酸相互转化。它还通过促进免疫球蛋白的产生和抗体的产生，参与免疫系统活动。此外，天冬氨酸保护肝脏，并有助于解毒氨。

天冬氨酸盐是天冬氨酸的共轭碱，也作为神经递质发挥作用。与其他一些氨基酸一起，它的主要作用是激活脑中的 NMDA 受体；然而，它的作用不如谷氨酸显著。

除了作为一种兴奋性神经递质的作用外，天冬氨酸是一种蛋白质氨基酸，用于 DNA 的编码。

天冬氨酸在酶活性中心中作为酸发挥重要作用，以及在维持蛋白质的溶解性和离子特性方面也起着重要作用。

合成天冬氨酸通过转氨基作用从草酰乙酸合成。天冬氨酸也可以用作合成其他必需氨基酸的初始反应物，如：蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和赖氨酸。天冬氨酸需要被还原成其半醛形式 HOOCCH(NH₂)CH₂CHO。天冬酰胺也可以通过转酰胺作用从天冬氨酸获得：天冬氨酸 + 谷氨酰胺 -> 天冬酰胺 + 谷氨酸

半胱氨酸 - Cys/ C

结构半胱氨酸，C₃H₇NO₂S，分子量为 121.16 g/mol，是一种由巯基或硫醇基 (-SH) 组成的氨基酸，其亲核性比羟基强。它的另一个名称是 2-氨基-3-巯基丙酸。两个半胱氨酸残基可以被氧化形成稳定的二硫键。二硫键有助于赋予蛋白质二级和三级结构，例如蛋白质折叠。两个键合的半胱氨酸的单元被称为胱氨酸。半胱氨酸被认为是一种亲水性氨基酸，因为硫醇基与水相互作用良好。它也是一种非必需氨基酸，可以在人体内生物合成。

功能半胱氨酸中亲核硫醇基易于被氧化；因此，半胱氨酸具有很强的反应性，其 pK_a 为中性，在生物学中具有多种功能。

半胱氨酸能够使血液中的胰岛素失活。过量的半胱氨酸会减少胰岛素结构中三个二硫键中的一个。结果，胰岛素失去其功能。当患者因胰岛素水平高而出现低血糖症时，半胱氨酸使胰岛素失活的能力可以在医学和制药中使用。

半胱氨酸促进缺铁性贫血中的铁生成。它还通过增加红细胞的生成来帮助治疗肺病。半胱氨酸是许多重要蛋白质中的关键活性位点残基。半胱氨酸是谷胱甘肽还原酶中的关键残基，谷胱甘肽还原酶对紫外线、辐射和自由基具有保护作用。此外，甘油醛-3-磷酸脱氢酶是糖酵解中的关键酶，它使用半胱氨酸来实现其最关键的功能。

当半胱氨酸作为补充剂服用时，它以 N-乙酰-L-半胱氨酸 (NAC) 的形式存在。身体将其转化为半胱氨酸，然后转化为谷胱甘肽，一种强大的抗氧化剂。抗氧化剂可以对抗自由基，自由基是体内有害的化合物，会导致细胞膜和 DNA 损伤。研究人员认为自由基在衰老以及心脏病和癌症等多种健康问题的发生发展中发挥作用。NAC 还可以帮助预防药物反应和有毒化学物质引起的副作用。它还有助于分解体内的粘液。NAC 也能帮助治疗一些呼吸系统疾病，如支气管炎和慢性阻塞性肺病 (COPD)。COPD 是慢性阻塞性肺疾病的首字母缩略词。医生通常会给服用过量对乙酰氨基酚 (泰诺) 的人服用 NAC。NAC 有助于预防或减少肝脏和肾脏损伤。NAC 也能帮助减少心绞痛。心绞痛是指心肌供血不足引起的胸痛或不适。服用 NAC 会打开血管，改善血液流向心脏。研究还表明，NAC 可能有助于缓解慢性支气管炎的症状，从而减少发作。并非所有研究都得出这些结果。一些研究没有发现发作次数减少。其他研究表明，与其他疗法一起使用时，服用 NAC 的 COPD 患者的发作次数减少了约 40%。另一项研究表明，每天服用两次 NAC 的人比服用安慰剂的人的流感症状更少。一些研究表明，静脉注射 NAC 可能会提高谷胱甘肽水平，并有助于预防和/或治疗由急性呼吸窘迫综合征 (ARDS) 引起的肺损伤。其他结果与这些结果不一致。例如，给 ARDS 患者服用 NAC 有助于减轻其病情严重程度，但与安慰剂相比，并没有减少总死亡人数。半胱氨酸在角蛋白结构中很重要，而角蛋白在皮肤上头发和指甲的形成中很重要。从羊和其他动物身上获得的羊毛含有半胱氨酸。

生物合成 半胱氨酸合成的前体是丝氨酸和蛋氨酸。丝氨酸有一个羟基，蛋氨酸有一个硫作为它们的取代基。蛋氨酸最初被转化为高半胱氨酸。与丝氨酸一起，高半胱氨酸变成胱硫醚 (C₇H₁₄N₂O₄S)，同时释放出一个水分子。最后，从胱硫醚中添加水和氨的离去导致半胱氨酸和 α-酮丁酸作为副产物。

谷氨酰胺 - Gln/ Q

结构

谷氨酰胺或 2-氨基-4-氨甲酰基丁酸，其分子式为 C₅H₁₀N₂O₃，分子量为 146.16 g/mol。它是酸性氨基酸谷氨酸或谷氨酸的极性和不带电荷的衍生物；它具有一个酰胺基，该酰胺基在生理 pH 值下呈中性，可以通过水解转变为羧酸以形成谷氨酸。该氨基酸的酰胺基可以形成氢键。

谷氨酰胺最终

合成如前所述，谷氨酰胺是一种非必需氨基酸。在体内，谷氨酰胺通过谷氨酰胺合成酶 (GS) 和添加 ATP 和氨来合成。(见图)。

谷氨酸 + ATP + NH₃ → 谷氨酰胺 + ADP + 磷酸 + H₂0

将氨掺入谷氨酸是一种酰胺化反应，ATP 水解为 ADP 推动反应前进。ATP 直接参与反应，因为它磷酸化谷氨酸侧链上的羧基并形成一个酰基磷酸中间体 (见图：谷氨酰胺最终)。酰基磷酸中间体与游离氨反应并形成谷氨酰胺。谷氨酰胺合成酶 (GS) 起着重要作用，因为在中间体形成后，GS 中形成了一个对氨具有高亲和力的结合位点，以防止中间体水解。中间体的水解不会产生谷氨酰胺，从而浪费了宝贵的 ATP 分子。

功能谷氨酰胺是一种非必需氨基酸，这意味着它会在人体中自然产生，不需要从外源来源获取。它是体内最丰富的氨基酸之一。谷氨酰胺在血液中循环，能够直接穿过血脑屏障。

谷氨酰胺在生物化学中具有多种功能。它的主要作用是蛋白质合成，但它也有助于通过平衡酸碱水平来维持肝脏的 pH 值中性。

与葡萄糖一样，谷氨酰胺能够为细胞体提供能量。它通过合成代谢反应将氮捐献给细胞，并在柠檬酸循环中提供碳。它对胃肠系统至关重要，因为它为小肠提供能量。值得注意的是，肠道是人体中唯一使用谷氨酰胺作为主要能量来源的器官。肾脏、活化的免疫细胞和癌细胞也需要谷氨酰胺，但不是作为主要能量来源。

在细胞内，谷氨酰胺对于细胞生长和蛋白质翻译至关重要。此外，它还充当氮供体，并帮助维持线粒体膜上的梯度。

正常细胞需要谷氨酰胺。另一方面，癌细胞使用的谷氨酰胺量远高于正常细胞。正如 David R. Wise 和 Craig B. Thompson 在论文“谷氨酰胺成瘾：癌症治疗的新靶点”中所讨论的那样，癌细胞有时会表现出所谓的“谷氨酰胺成瘾”。在这种成瘾中，癌细胞会从体内吸收比细胞功能所需的更多的谷氨酰胺。事实上，癌细胞会摄入比细胞所能代谢的更多的谷氨酰胺。剥夺癌细胞这种过量的谷氨酰胺会导致它们死亡。这种剥夺是潜在的谷氨酰胺为基础的癌症治疗的关键。谷氨酰胺的消耗量可以超过细胞中任何其他氨基酸的消耗量的十倍。在癌细胞中，代谢发生了转变，因此谷氨酰胺取代葡萄糖成为细胞的主要碳来源。

身体可以为其正常需求制造足够的谷氨酰胺，但极度压力（如剧烈运动或受伤）会导致身体需要更多的谷氨酰胺。大多数谷氨酰胺储存在肌肉中，其次是肺，在那里制造了大量的谷氨酰胺。通常，身体可以制造足够的谷氨酰胺，因此没有必要服用谷氨酰胺补充剂。然而，某些疾病（包括受伤、手术、感染和长期住院）会降低谷氨酰胺水平。在这些情况下，服用谷氨酰胺补充剂可能会有所帮助。

谷氨酰胺对于去除体内常见的废物氨至关重要。谷氨酰胺还有助于免疫系统的功能，是正常大脑功能和消化所必需的。谷氨酰胺对伤口愈合和疾病恢复很重要。当身体处于压力状态时，它会释放皮质醇激素进入血液。高浓度的皮质醇会降低体内谷氨酰胺的储存量。其他研究表明，在肠内营养中添加谷氨酰胺有助于降低创伤和重症病人的死亡率。临床研究发现，谷氨酰胺补充剂可以增强免疫系统并减少感染。谷氨酰胺补充剂还有助于严重烧伤的恢复。谷氨酰胺的另一个重要作用是保护称为粘膜的胃肠道内壁。患有炎症性肠病 (IBD) 的人可能体内没有足够的谷氨酰胺。两项临床试验发现，服用谷氨酰胺补充剂并没有改善克罗恩病的症状。艾滋病毒或艾滋病患者经常出现严重体重减轻，因此这些患者会服用谷氨酰胺补充剂以及其他营养素，包括维生素 C 和 E、β-胡萝卜素、硒和 N-乙酰半胱氨酸，以增加体重并帮助肠道更好地吸收营养。参加耐力赛的运动员可能会减少体内的谷氨酰胺含量，从而更容易在运动后感冒。研究表明，服用谷氨酰胺补充剂会导致感染减少。

谷氨酰胺与癌症 研究表明，一些癌细胞对谷氨酰胺具有成瘾性，因为谷氨酰胺摄取率增加。谷氨酰胺摄取率的增加是由于谷氨酰胺除了为蛋白质（氨基酸）和核苷酸生物合成提供氮之外，还发挥着其他作用。

癌细胞依靠过量的特定化合物来产生能量的第一个迹象是由奥托·海因里希·瓦尔堡发现的。瓦尔堡注意到，大多数癌细胞产生的能量是通过过量葡萄糖的糖酵解产生的，而过量葡萄糖在乳酸发酵过程中又转化为乳酸。这种过程与正常细胞中的能量产生形成对比，正常细胞中也会发生糖酵解，但随后在线粒体中进行丙酮酸氧化。因此，瓦尔堡得出结论，这些癌细胞一定已经退化为单细胞真核生物中所见到的更原始的代谢形式。因此，这种癌细胞为其能量需求而摄取过量葡萄糖的效果被称为“瓦尔堡效应”。后来发现谷氨酰胺在一些肿瘤细胞中也反映了这种效应。

谷氨酰胺已被证明参与必需氨基酸的信号传导和摄取。例如，它能够充当线粒体的底物，以维持线粒体膜电位的完整性。它还在各种补体反应中发挥着不可或缺的作用。

谷氨酰胺向癌细胞捐赠氮。像所有细胞一样，癌细胞必须合成氮化合物来产生核苷酸和其他氨基酸。谷氨酰胺捐赠了合成这些化合物所需的氮。谷氨酰胺捐赠其酰胺基并转化为谷氨酸。谷氨酸通过转氨酶将其胺基转移到α-酮酸，用于生成非必需氨基酸。这种分解为包括丙氨酸、丝氨酸、天冬氨酸和脯氨酸在内的几种氨基酸提供了氮。酪氨酸是唯一不能从葡萄糖或谷氨酰胺中产生的非必需氨基酸。

谷氨酰胺是某些癌细胞摄取必需氨基酸和作为分子信号所必需的

谷氨酰胺通过谷氨酰胺溶质载体 SLC1A5 导入，并迅速通过 SLC7A5 氨基酸转运蛋白输出，以交换细胞外必需氨基酸。然而，当谷氨酰胺进口商受损时，必需氨基酸的摄取也会受损。这种损伤表明谷氨酰胺是必需氨基酸摄取所必需的。没有必需氨基酸，雷帕霉素敏感 (mTORC1) 不会被激活。mTORC1 在调节细胞生长和蛋白质翻译以及抑制巨自噬中起着至关重要的作用。因此，mTORC1 的失活会抑制细胞生长和蛋白质翻译。因此，谷氨酰胺在一些癌细胞中充当 mTORC1 的信号和必需氨基酸的来源。

谷氨酰胺为癌细胞提供补体

补体是指补充线粒体中碳库的过程。草酰乙酸 (OAA) 是线粒体中的一种底物，最终导致许多重要的生物大分子（如胆固醇）的合成。在胶质母细胞瘤细胞中，谷氨酰胺代谢提供了大部分的 OAA 细胞库。因此，谷氨酰胺代谢为 OAA 的速率增加证实了谷氨酰胺是癌细胞中的一种主要底物，它为线粒体提供了前体大分子以执行其代谢功能。

c-Myc 调节癌细胞中的谷氨酰胺代谢

嘌呤和嘧啶的合成以谷氨酰胺作为氮源，通过五个酶促步骤完成。五个步骤中的三个受 c-MYC（Myc）的调节，c-MYC 是一种 DNA 转录因子。Myc 的致癌水平在转录水平上促进谷氨酰胺分解的增加以及谷氨酰胺代谢为乳酸。谷氨酰胺的分解代谢为细胞提供了用于补体的碳和 NADPH 的产生。

Myc 是一种转录因子，编码一种与 DNA 结合的蛋白质。在癌细胞中，Myc 被放大。Myc 摄取谷氨酰胺并将其转化为谷氨酸和乳酸。Myc 的过表达会导致谷氨酰胺分解代谢的增加，从而导致细胞中碳含量增加，从而使细胞能够产生更多的 NADPH。Myc 的这种过表达触发了从葡萄糖到谷氨酰胺作为细胞碳源的代谢转换。

基于谷氨酰胺的癌症治疗

一些癌细胞对谷氨酰胺的依赖是新型癌症治疗的目标。需要进一步研究以确定非毒性剂量；也就是说，这种剂量不会无差别地抑制谷氨酰胺的产生，并且只在癌细胞中起作用。

由于癌细胞依赖于谷氨酰胺，因此剥夺这些细胞的谷氨酰胺会导致它们死亡。因此，谷氨酰胺已成为新型癌症治疗的目标。新的治疗方法试图通过减少体内谷氨酰胺的含量来剥夺癌细胞的谷氨酰胺来源。然而，由于谷氨酰胺对身体的许多其他过程至关重要，例如大脑中的突触通讯，因此从身体中去除谷氨酰胺不是一种可行的治疗方法，并且非常危险。其他治疗方法试图通过靶向 Myc 和其他负责将谷氨酰胺转运到细胞中的蛋白质来降低细胞摄取谷氨酰胺的能力。其他治疗方法试图重新编程线粒体，使其不再依赖谷氨酰胺。另一种治疗方法涉及靶向 mTOR 的谷氨酰胺反应。与从体内去除所有谷氨酰胺相比，这些治疗方法显示出更大的希望，危害更小。

这些治疗方法靶向癌细胞中的主要谷氨酰胺活性

谷氨酰胺摄取和 mTOR 激活：L-γ-谷氨酰-对硝基苯胺 (GPNA) 抑制 SLC1A5，它是 Myc 的靶点。这种抑制会抑制细胞中谷氨酰胺的摄取。2-氨基双环-(2,2,1)庚烷羧酸 (BCH) 也抑制 SLC7A5 并阻断 mTOC 激活，从而诱导自噬。
谷氨酰胺依赖性补体和线粒体中的活性：研究表明，来自谷氨酰胺的碳通过转氨酶进入柠檬酸循环。因此，氨基氧乙酸 (AOA) 作为一种转氨酶抑制剂，显示出作为有希望的癌症治疗剂的潜力。此外，线粒体 NAD+ 的再生可能会阻止谷氨酰胺通过柠檬酸循环进入。二甲双胍，一种双胍类药物，抑制了这种机制。

用法

伤口愈合
炎症性肠病
艾滋病/艾滋病
肥胖症
腹膜炎
运动员
癌症
等等。

谷氨酸 - Glu/ E

结构谷氨酸的分子式为 C₅H₉NO₄。它的分子量为 147.13 g/mol。谷氨酸也称为谷氨酸，是一种极性氨基酸，具有羧酸基团，该基团会失去一个质子以在生理 pH 值下变成羧酸盐基团，并带负电荷；氨基酸的羧酸基团的 pK_a 值为 4.3，比末端 α-羧基基团和天冬氨酸的羧酸基团略微碱性。由于额外亚甲基基团的感应效应，谷氨酸的 pK_a 值明显高于天冬氨酸。在某些蛋白质中，由于维生素 K 依赖性羧化酶，一些谷氨酸将是二羧酸，称为 γ 羧基谷氨酸，它们形成钙离子的紧密结合位点。谷氨酸和 α-酮戊二酸是克雷布斯循环中的中间体，可以通过转氨基作用相互转化。因此，谷氨酸可以进入克雷布斯循环进行能量代谢，并被谷氨酰胺合成酶转化为谷氨酰胺，谷氨酰胺是氮代谢中的关键参与者之一。

功能谷氨酸在代谢中起着至关重要的作用。在柠檬酸循环中，α-酮戊二酸与丙氨酸或天冬氨酸的转氨基作用分别产生谷氨酸和丙酮酸或草酸盐。由转氨基作用形成的丙酮酸和草酸盐在细胞代谢中起着至关重要的作用。

谷氨酸是一种非必需氨基酸。它在 DNA 合成中起着重要作用。它还有助于伤口和溃疡愈合。谷氨酸参与兴奋性神经递质和糖类以及脂肪的代谢。它有助于钾通过血脑屏障移动。谷氨酸是大脑的燃料来源。它能够附着到胺基以形成谷氨酰胺。形成谷氨酰胺的过程会解毒体内含有的氨。

谷氨酸可用于纠正人格障碍和治疗儿童行为障碍。它还用于治疗癫痫、智力迟钝、肌营养不良、溃疡和低血糖昏迷。

其他次要用途包括增味剂、GABA 前体、营养素和植物肥料。

合成谷氨酸的生物合成涉及各种方案。最常见的方案是通过用谷氨酰胺酶作为辅助酶，在谷氨酰胺中添加水分子来将谷氨酰胺转化为谷氨酸。副产物是氨基。在 N-乙酰谷氨酸中添加水也会产生谷氨酸和乙酸。酮戊二酸是谷氨酸合成的另一种常见前体。添加 NADPH 和氨或 α-氨基酸会产生谷氨酸。参与的酶包括谷氨酸脱氢酶和转氨酶。其他方法包括 1-吡咯啉-5-羧酸 + NAD⁺ + HOH 和 N-甲酰亚氨基-L-谷氨酸 + FH₄。

谷氨酸很容易转化为脯氨酸。首先，γ 羧基基团被还原为醛，生成谷氨酸半醛。然后醛与 α-氨基基团反应，在形成席夫碱时消除水。在第二步还原步骤中，席夫碱被还原，生成脯氨酸。

甘氨酸 - Gly/ G

结构甘氨酸的分子式和质量分别为 C₂H₅NO₂ 和 75.07 g/mol。甘氨酸是所有 20 种氨基酸中最小的氨基酸，其取代基只有一个氢原子。因此，它能够适合分子中其他任何氨基酸都无法适应的紧密空间，因此甘氨酸在进化上是保守的。大多数蛋白质含有少量甘氨酸，但胶原蛋白是其中一个例外，它含有 35% 的甘氨酸。因此，如果从组成整个蛋白质的氨基酸链中裂解甘氨酸，它要么会改变该蛋白质的功能，要么完全使其变性。它也是唯一的手性氨基酸，因为它的 R 基团只是一个 H 原子。特别地，它不利于螺旋的形成。

功能甘氨酸是非必需氨基酸，这意味着人体可以自行合成。它在维持中枢神经系统和消化系统中起着重要作用。甘氨酸通过增加肌酸来防止肌肉分解，肌酸是一种有助于构建肌肉质量的化合物。甘氨酸还能使皮肤保持紧致和柔韧。如果没有甘氨酸，皮肤可能会受到紫外线、氧化和自由基的损害。

甘氨酸调节血糖水平，并帮助为身体提供葡萄糖。

甘氨酸在中枢神经系统中，特别是脊髓中，充当抑制性神经递质。当甘氨酸与受体结合时，它会激活氯离子通道打开。当氯离子进入通道时，膜会发生超极化，从而导致抑制性突触后电位 (IPSP)。

一些可以使用甘氨酸治疗的疾病包括精神分裂症、中风、良性前列腺增生症 (BPH) 和一些罕见的遗传性代谢疾病。它还用于保护肾脏免受器官移植后使用的一些药物的有害副作用的影响，以及保护肝脏免受酒精的有害影响。其他用途包括预防癌症和增强记忆力。

有些人将甘氨酸直接涂抹在皮肤上以治疗腿部溃疡并治愈其他伤口。人体利用甘氨酸来制造蛋白质。甘氨酸也参与大脑中化学信号的传递，因此人们对尝试用它来治疗精神分裂症和改善记忆力感兴趣。一些研究人员认为甘氨酸可能在预防癌症中发挥作用，因为它似乎会干扰某些肿瘤所需的血液供应。

生物合成 甘氨酸是丝氨酸和 3-磷酸甘油酸的衍生物。丝氨酸的转化需要一种特定的酶，称为丝氨酸羟甲基转移酶和辅因子磷酸吡哆醛。该过程可以简化为以下反应：丝氨酸 + 四氢叶酸 -> 甘氨酸 + N⁵ 或 N¹⁰-亚甲基四氢叶酸 + 水。

该反应在肝脏中继续进行。甘氨酸合酶被用作 N⁵ 或 N¹⁰-亚甲基四氢叶酸转化中的酶。在这个反应中，二氧化碳、铵、NADH 和质子将四氢叶酸分子转化为甘氨酸。

甘氨酸的降解有三种途径。最常见的途径是前一个反应的相反：将甘氨酸转化为四氢叶酸分子。另一种途径是将丝氨酸转化为丙酮酸和丝氨酸脱水酶。最后一个途径涉及将甘氨酸通过 D-氨基酸氧化酶转化为乙醛酸。该途径使乙醛酸氧化为草酸。

组氨酸 - His/ H

结构组氨酸，C₆H₉N₃O₂，也称为 2-氨基-3-(1H-咪唑-4-基)丙酸。其分子量为 155.15 g/mol。它是一种碱性、极性氨基酸，具有咪唑基团，咪唑基团是一个芳香环，可以带正电荷，并且亲水。氨基酸的咪唑基团的 pKa 值为 6，在中性 pH 值下可以是无电荷或带正电荷。这种氨基酸通常存在于酶的活性位点中，其中咪唑基团充当化学反应的缓冲剂（质子受体或供体）。组氨酸是组胺的前体，组胺是免疫系统细胞在过敏反应期间释放的化合物。

特征在大约 7 的生理 pH 值下，可以使用亨德森-哈塞尔巴尔赫方程来给出咪唑侧链的去质子化/质子化比率 (pKa = 6)。事实证明，组氨酸侧链在中性 pH 值下大约 10% 处于质子化状态。这不是可以忽略不计的量，它赋予组氨酸残基一定量的缓冲能力。碱性氮作为亲核试剂激活咪唑位点。

功能组氨酸在血红蛋白中含量很高。因此，它有助于治疗贫血并维持最佳的血液 pH 值。此外，组氨酸是组胺的前体，组胺参与局部免疫反应。

组氨酸是一种必需氨基酸，这意味着人体无法合成它。组氨酸在刺激皮肤和粘膜的炎症反应中起着重要作用。它还刺激消化酶胃泌素的分泌，并作为组胺水平的来源和控制。组氨酸是生长和修复组织所必需的，以及维持作为神经细胞保护器的髓鞘。组氨酸也是制造红细胞和白细胞所必需的。体内存在组氨酸有助于保护人体免受辐射造成的损害，并从体内去除重金属。组氨酸也存在于胃中。它有助于产生胃液，患有胃液不足或消化不良的人也可能从这种营养素中受益。人们认为组氨酸可能对患有关节炎和神经性耳聋的人有益。这尚未得到确凿的证实。组氨酸也被用于性唤起、功能和享受。组氨酸血症是组氨酸代谢的先天性错误，由于缺乏组氨酸酶，血液和尿液中组氨酸含量很高，可能表现为言语障碍和智力障碍。据报道组氨酸没有副作用，但组氨酸含量过高会导致压力和精神疾病，如焦虑，而患有精神分裂症的人发现组氨酸含量较高。患有精神分裂症或双相（躁狂）抑郁症的人在未经医疗专业人员批准的情况下不应服用组氨酸补充剂。

代谢组氨酸可以通过组氨酸脱羧酶转化为组胺。羧基离开组氨酸。

食物来源 含有组氨酸的食物包括乳制品、肉类、家禽、鱼类、大米、小麦和黑麦。

异亮氨酸 - Ile/ I

结构异亮氨酸，HOOCCH(NH₂)CH(CH₃)CH₂CH₃，也称为 2-氨基-3-甲基戊酸，摩尔质量为 131.17 g/mol。异亮氨酸是一种非极性、脂肪族或疏水性氨基酸，具有两个用于 α-碳原子和 R 基团的手性中心。异亮氨酸，因为它包含两个立体中心，是两种非对映异构体之一。如果不是生物体对一种特定立体异构体的选择性，由于存在 2 个手性中心，将会有 4 种可能的立体异构体。然而，在生物体中只有一种形式存在：2S，3S 形式。该结构通过疏水效应稳定水溶性蛋白质。

特征异亮氨酸无法通过 MS 与亮氨酸区分，因为它们具有相同的分子量。相反，这两种残基通常需要通过 HPLC 或 TLC 与已知标准品分离和表征。

异亮氨酸也被降解为琥珀酰辅酶 A 和乙酰辅酶 A，并被 TCA 循环消耗。

功能异亮氨酸是一种必需氨基酸，这意味着人体无法合成它。它对于血红蛋白的形成和调节血糖和能量水平至关重要。异亮氨酸在肌肉力量和耐力中起着重要作用，是肌肉组织能量的来源。

异亮氨酸促进剧烈运动后肌肉恢复。异亮氨酸是血红蛋白形成所必需的，以及帮助调节血糖水平和能量水平。它还参与血凝块的形成。

异亮氨酸缺乏的人可能会出现头痛、头晕、疲劳、抑郁、困惑以及易怒等症状。缺乏症状可能类似于低血糖的症状。这种营养素也被发现存在于患有精神和身体疾病的人中，但需要对此进行更多研究。对于大多数人来说，摄入较高量的异亮氨酸与任何健康风险无关，但患有肾脏或肝脏疾病的人在没有医疗建议的情况下不应摄入高剂量的氨基酸。摄入较高量异亮氨酸的人报告排尿量增加。参与高强度体育活动、极度压力和高海拔环境的人可能从补充这种营养素中获益。

异亮氨酸的食物来源 含有异亮氨酸的食物包括杏仁、腰果、鸡肉、鸡蛋、鱼类、扁豆、肝脏、肉类等。

生物合成 异亮氨酸的合成涉及多个步骤。异亮氨酸可以从丙酮酸和α-酮戊酸衍生而来。所需的催化酶如下

1. 乙酰乳酸合酶 2. 乙酰羟酸异构还原酶 3. 二羟酸脱水酶 4. 缬氨酸转氨酶

在工业上，异亮氨酸可以从 2-溴丁烷和丙二酸二乙酯合成。

亮氨酸 - Leu/ L

结构亮氨酸的分子式和质量分别为 C₆H₁₃NO₂ 和 131.17 g/mol。亮氨酸，也称为 2-氨基-4-甲基戊酸，具有脂肪族 R 基团。它是三种具有支链烃侧链（通常埋在折叠的蛋白质中）的氨基酸之一，并导致非极性或疏水性氨基酸。疏水效应有助于稳定水溶性蛋白质。

特征亮氨酸无法通过 MS 与异亮氨酸区分，因为它们具有相同的分子量。相反，这两种残基通常需要通过 HPLC 或 TLC 分离和表征。

功能亮氨酸具有氨基酸异亮氨酸的所有功能，因为它们在支链烃侧链方面具有相似性。亮氨酸通过调节天然止痛剂脑啡肽的释放促进皮肤愈合和骨骼愈合。它也是胆固醇的前体，通过减缓肌肉的降解过程来增加肌肉组织的合成。亮氨酸是一种必需氨基酸。它对促进婴儿生长和调节成人氮浓度至关重要。亮氨酸通常用作增味剂。

缺乏和过量 这种特定氨基酸的缺乏会导致低胰岛素血症、抑郁症、慢性疲劳综合征、克瓦希奥科病（或饥饿）等。亮氨酸过量会导致酮症。

生物合成 作为一种必需氨基酸，亮氨酸无法在人体内合成，必须从外部来源获取。从丙酮酸开始，转化包括缬氨酸、酮戊酸盐、异丙基苹果酸盐和酮异己酸盐，通过还原。所需的酶包括：1. 乙酰乳酸合酶、乙酰羟酸异构还原酶、二羟酸脱水酶、异丙基苹果酸盐合酶和异构酶，以及亮氨酸转氨酶。

赖氨酸 - Lys/ K

结构赖氨酸是一种必需氨基酸。这意味着它对人体健康至关重要，但人体无法自身产生，因此必须从食物或补充剂中获取。赖氨酸是蛋白质的组成部分。赖氨酸具有带正电荷的胺基链。ε-胺基具有约 10.8 的高 pKa 值，比末端的 α-胺基更碱性。这种碱性胺基具有很高的反应活性，并参与酶活性中心的反应。尽管末端 ε-胺基在生理条件下带电，但具有三个亚甲基的烃侧链仍然是疏水的。

特征赖氨酸是人体中天然存在的一种必需氨基酸。它促进婴儿的最佳生长和成人的氮平衡。

功能赖氨酸可以治疗单纯疱疹病毒和病毒相关的慢性疲劳综合征，因为它可以抑制病毒生长。它促进胶原蛋白的形成，胶原蛋白是筋膜、骨骼、韧带、肌腱、软骨和皮肤的主要成分。它还有助于钙的吸收，这对婴儿的骨骼生长至关重要。

赖氨酸对正常生长很重要，它在肉碱的产生中起着至关重要的作用，肉碱是一种将脂肪酸转化为能量并有助于降低胆固醇的营养物质。赖氨酸帮助人体吸收钙，它在胶原蛋白的形成中起着重要作用，胶原蛋白是骨骼和结缔组织（包括皮肤、肌腱和软骨）的重要物质。

单纯疱疹病毒 (HSV) 定期食用赖氨酸可能有助于预防唇疱疹和生殖器疱疹的爆发。赖氨酸通过阻断精氨酸的活性或促进 HSV 复制来发挥抗病毒作用。研究表明，在疱疹爆发初期服用赖氨酸并没有减轻症状。研究表明，赖氨酸与 L-精氨酸一起使用可以使骨骼生成细胞更活跃并增强胶原蛋白的生成。还没有研究调查赖氨酸是否可以帮助预防人类骨质疏松症。

骨质疏松症赖氨酸帮助人体吸收钙，从而减少尿液中钙的流失。钙对强健骨骼至关重要，因此一些研究人员假设赖氨酸可能有助于预防与骨质疏松症相关的骨骼流失。

缺乏和过量赖氨酸缺乏可见于疱疹、慢性疲劳综合征、艾滋病、贫血、脱发和体重减轻等。过量摄入赖氨酸会导致血液中氨浓度升高。大多数人从饮食中获得足够的赖氨酸，但运动员、不食用豆类的素食者以及烧伤患者可能需要更多。赖氨酸不足会导致疲劳、恶心、头晕、食欲不振、躁动不安、眼睛充血、生长缓慢、贫血和生殖障碍。对于素食者来说，豆类（如豆类、豌豆和扁豆）是赖氨酸的最佳来源。

食物来源富含赖氨酸的食物包括肉类、奶酪、鱼类、坚果、鸡蛋、大豆、螺旋藻和胡芦巴种子。啤酒酵母、豆类和其他豆类以及乳制品也含有赖氨酸，许多坚果都含有赖氨酸。

甲硫氨酸 - Met/ M

结构甲硫氨酸是两种侧链中含有硫的氨基酸之一。它含有大量脂肪族侧链，其中包括一个硫醚 (-S-) 基团。与半胱氨酸不同，甲硫氨酸中硫的化学键是硫醚。这种硫不像半胱氨酸那样参与共价键。甲硫氨酸中硫氧化的很高倾向是人类肺组织中吸烟诱发的肺气肿的原因之一。

特征甲硫氨酸是一种天然存在的必需氨基酸，在提供代谢中游离甲基和硫方面起着至关重要的作用。它也是唯一两种由单个密码子编码的氨基酸之一。

功能甲硫氨酸有助于脂肪的分解并降低血液胆固醇水平。它是一种抗氧化剂，可以中和自由基并清除肝脏中的废物。DNA 和 RNA 的合成需要甲硫氨酸的存在。它也是人体中几种关键氨基酸、激素和神经递质的前体。它的 AUG 密码子也充当信使 RNA 或 mRNA 核糖体翻译的“起始”信号；这意味着每条肽链在其 N 端都以甲硫氨酸残基开始。然而，它可能在随后通过裂解被移除。

缺乏和过量甲硫氨酸缺乏可见于化学暴露和素食者。过量摄入甲硫氨酸会导致严重的肝病。

苯丙氨酸 - Phe/ F

结构苯丙氨酸是一种丙氨酸的衍生物，其中苯基取代了 CH3 基团上氢原子之一。与其他芳香族氨基酸（即酪氨酸和色氨酸）相比，苯丙氨酸具有更强的疏水性。酪氨酸和色氨酸由于其羟基和吲哚取代基而比苯丙氨酸疏水性更弱。苯丙氨酸由于其疏水性而经常埋藏在蛋白质中。相邻的苯环（在相邻的氨基酸上）可以通过π堆积相互稳定。

特征单个氨基酸以及肽有时通过紫外光进行分析。苯丙氨酸以及其他一些芳香族氨基酸在照射紫外光时会发出荧光。紫外光可以作为一种有用的技术来验证 Tyr、Phe 和 Trp 的存在。如果开发出足够灵敏的测定方法，它还可以量化这些氨基酸。

功能苯丙氨酸是酪氨酸氨基酸的前体，酪氨酸会产生神经递质，如多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素。它可以作为一种强效的抗抑郁药来治疗某些类型的抑郁症，还可以增强记忆、思维和情绪。这种氨基酸还在降低高血压患者的血压中发挥作用。苯丙氨酸的 D 型可以用来减轻关节炎的疼痛，这在氨基酸中很少见。苯丙氨酸是一种天然存在的氨基酸，可以促进婴儿生长并调节成人体内的氮浓度。

缺乏和过量苯丙氨酸缺乏可见于抑郁症、艾滋病、肥胖症、帕金森病等。有些人患有一种称为苯丙酮尿症或 PKU 的常染色体隐性遗传病。这种疾病是由于缺乏分解苯丙氨酸氨基酸的酶导致的，这会导致这种氨基酸大量积累，而大量的苯丙氨酸是有毒的，尤其是对大脑。这会导致这种疾病导致智力迟钝的可能性。因此，对婴儿进行早期血液检测以了解 PKU 的迹象，如果他们患有这种疾病，则必须遵循严格的饮食以减少食物中天然苯丙氨酸的含量。

脯氨酸 - Pro/ P

结构脯氨酸是二十种 DNA 编码氨基酸之一。它在 20 种蛋白质形成氨基酸中是独一无二的，因为它的 α-胺基是二级而不是一级，就像其他氨基酸一样。脯氨酸侧链的独特环状结构将它的 φ 主链二面角锁定在大约 -75°，与其他氨基酸相比，脯氨酸具有非凡的构象刚性。因此，脯氨酸在折叠时失去的构象熵更少，这可能是其在蛋白质中更普遍的原因。严格来说，脯氨酸也可以称为亚氨基酸。由于它的环状结构使其在构象上比其他氨基酸更受限制，因此它极大地影响了蛋白质的结构。

功能脯氨酸在常规二级结构元素中间充当结构破坏者。然而，脯氨酸通常作为 α 螺旋的第一个残基和 β 折叠片的边缘链存在。脯氨酸最常出现在转角中，这可能解释了为什么脯氨酸通常暴露在溶剂中，尽管它有一个完全的脂肪族侧链。由于脯氨酸的酰胺基团上没有氢，因此它不能充当氢键供体，只能充当氢键受体。脯氨酸在愈合、软骨构建以及柔韧的关节和肌肉支撑中很重要。它还有助于减少因阳光照射导致的皮肤松弛、皱纹和衰老。脯氨酸通过分解蛋白质并帮助生成健康细胞。它对皮肤健康和生成健康的结缔组织以及肌肉组织的维持至关重要。

缺乏和过量脯氨酸缺乏通常是由于长时间运动的人导致的。维生素 C 缺乏也会导致脯氨酸因胶原蛋白分解而流失到尿液中。一般来说，脯氨酸缺乏的人在血糖水平低时倾向于首先代谢肌肉细胞而不是碳水化合物。脯氨酸是维持适当的胶原蛋白生成和稳定肌肉组织所必需的。缺乏脯氨酸会导致疲劳、体重减轻、脱水、头晕和恶心等症状。

丝氨酸 - Ser/ S

结构该氨基酸的R基团是连接到CH₂基团的羟基。羟基是极性的，使丝氨酸具有极性/亲水性。它的pH值为5.68。pK_a = 2.21, 9.15。

特点丝氨酸是一种非必需氨基酸，这意味着它可以由人体合成。例如，丝氨酸可以由甘氨酸合成。丝氨酸是甘氨酸和半胱氨酸的前体。

生物合成 丝氨酸的生物合成始于3-磷酸甘油酸（糖酵解中的中间体）氧化为3-磷酸羟基丙酮酸，然后经转氨基作用生成30磷酸丝氨酸。最后，该中间体被水解为丝氨酸。

功能丝氨酸是一种非必需氨基酸，这意味着它可以由人体合成。例如，丝氨酸可以由甘氨酸合成。丝氨酸也是甘氨酸和半胱氨酸的前体。丝氨酸存在于磷脂、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的活性位点中。它可以合成嘧啶和蛋白质、半胱氨酸和色氨酸。它也参与脂肪和脂肪酸的形成、肌肉合成。丝氨酸可以被催化剂丝氨酸脱水酶脱氨基，生成丙酮酸和铵离子。苏氨酸的脱氨基作用遵循类似的过程。

苏氨酸 - Thr/ T

结构苏氨酸是一种极性、不带电的氨基酸。它的侧链包含一个仲醇和一个甲基；因此，它可以被归类为亲水性氨基酸。苏氨酸包含两个手性中心，就像异亮氨酸一样。如果不是由于生物体对特定立体异构体的选择性，由于有两个手性中心，将会有4种可能的立体异构体。然而，只有一种版本存在于生物体中：2S, 3R版本。

特点苏氨酸是一种必需氨基酸，这意味着它不能由人体合成。人类必须以含有苏氨酸的食物的形式摄入它。

功能苏氨酸有助于弹性蛋白和胶原蛋白的形成。在免疫系统中，苏氨酸有助于抗体的形成。它还有助于胸腺的生长和功能以及营养物质的吸收。此外，苏氨酸是异亮氨酸的前体。苏氨酸可以被催化剂苏氨酸脱水酶脱氨基，生成α-酮丁酸和铵离子。丝氨酸的脱氨基作用遵循类似的过程。

色氨酸 - Trp/ W

结构色氨酸是一种芳香族氨基酸，其吲哚基团连接到亚甲基基团作为侧链，该侧链包含两个芳香环的氮和氢基团，并且是亲水的。侧链之一是5元的，而另一个是6元的，两个碳原子由这两个芳香环共享。

特点单个氨基酸以及肽偶尔会通过紫外线进行分析。色氨酸以及其他一些芳香族氨基酸在应用紫外线照射时会产生荧光。紫外线分析可以作为一种有用的技术来验证Tyr、Phe和Trp的存在。如果开发出足够灵敏的测定方法，它还可以对这些氨基酸进行定量分析。

功能色氨酸是各种蛋白质、血清素和烟酸的前体。它还有助于肽和蛋白质的形成。它是一种必需氨基酸，这意味着它不能由人体产生。它通常存在于肽、酶和结构蛋白中。

缺乏和过量 色氨酸过量与嗜酸性粒细胞增多-肌痛综合征（EMS）有关。色氨酸缺乏症被称为糙皮病，会导致烟酸缺乏症。然而，通过维生素补充剂，这种疾病不再那么突出。该疾病的症状包括痴呆和精神分裂症。哈特纳病是一种遗传性常染色体隐性遗传病，患者无法有效地消化其消化道中的这种氨基酸。虽然该疾病的症状与糙皮病类似，但轻微一些。患有该疾病的患者通常会出现红色皮疹，并且在阳光中会进一步加重。如果未通过维生素补充剂进行正确治疗，可能会导致进一步的智力迟钝。

酪氨酸 - Tyr/ Y

酪氨酸 酪氨酸是一种非极性芳香族氨基酸，它包含一个连接到芳香环的羟基。羟基尤为重要，因为这些残基被用于其他蛋白质的磷酸化。酪氨酸是一种非必需氨基酸，这意味着它可以在体内合成。它在体内使用苯丙氨酸合成。

特点单个氨基酸以及肽偶尔会通过紫外线进行分析。酪氨酸以及其他一些芳香族氨基酸在应用紫外线照射时会产生荧光。紫外线可以作为一种有用的技术来验证Tyr、Phe和Trp的存在。如果开发出足够灵敏的测定方法，它还可以对这些氨基酸进行定量分析。

功能酪氨酸在人体中发挥着至关重要的作用：它有助于通过成为适应原来应对压力，有助于最大限度地减少压力综合征的影响，在药物解毒中（例如可卡因、咖啡因和尼古丁成瘾）中。它减少戒断症状和滥用。它有助于治疗白癜风、皮肤色素沉着、苯丙酮尿症，即苯丙氨酸无法代谢的疾病。此外，它对治疗抑郁症有效。

酪氨酸对于肾上腺素、去甲肾上腺素、血清素、多巴胺、黑色素和脑啡肽的产生也很重要，脑啡肽在体内具有镇痛作用。它还通过调节甲状腺、垂体和肾上腺的功能来影响激素的功能。例如，只需看看甲状腺激素甲状腺素，就会发现它是从酪氨酸合成的。酪氨酸可以清除可能对细胞有害的分子，因此它具有保护作用。

缺乏和过量 酪氨酸缺乏会导致低血压、抑郁和体温过低。酪氨酸是皮肤、头发和眼睛色素的主要氨基酸。体内酪氨酸氨基酸的损失会导致无法形成黑色素色素，从而导致部分或完全白化病。有趣的是，酪氨酸主要由苯丙氨酸产生，其中一个的损失会导致生物体中存在的另一种氨基酸的增加。

缬氨酸 - Val/ V

结构缬氨酸是一种具有脂肪族异丙基侧链的氨基酸，因此它是一种疏水性氨基酸。缬氨酸与苏氨酸的不同之处在于苏氨酸的OH基团被CH₃基团取代。这是一种非极性氨基酸。它是一种必需氨基酸；因此它不能由人体产生。由于是疏水性的，这种氨基酸通常存在于蛋白质的内部。

特点在动物中，缬氨酸必须通过摄入获得。在植物中，它是通过使用丙酮酸，将其转化为亮氨酸，然后通过与谷氨酸的还原氨化作用而产生的。缬氨酸存在于以下食物中：大豆粉、鱼、奶酪、肉类和蔬菜。

功能缬氨酸在肌肉的生长和发育、肌肉代谢以及维持人体氮平衡中必不可少。它可以作为能量来源代替葡萄糖使用。它还可以用作治疗酒精引起的脑损伤的药物。

缺乏和过量 缬氨酸缺乏会影响神经的髓鞘。枫糖尿症是由亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸无法代谢引起的。

氨基酸的电离

20 种标准氨基酸具有两个酸碱基团：连接到 C_α 原子上的α-氨基和α-羧基。那些具有可电离侧链的氨基酸 (Asp、Glu、Arg、Lys、His、Cys、Tyr) 具有一个额外的酸碱基团。在低 pH 值（即高氢离子浓度）下，氨基和羧基都被完全质子化，因此氨基酸处于阳离子形式 H_3^N+CH₂COOH。当溶液中的氨基酸用越来越多的强碱（例如 NaOH）滴定，它会失去两个质子，首先从 pK 值较低的羧基（pK=2.3）失去。Gly 无净电荷时的 pH 值称为其等电点，pI。所有 20 种标准氨基酸的α-羧基的 pK 值范围为 1.8-2.9，而它们的α-氨基的 pK 值范围为 8.8-10.8。酸性氨基酸 Asp 和 Glu 的侧链的 pK 值分别为 3.9 和 4.1，而碱性氨基酸 Arg 和 Lys 的侧链的 pK 值分别为 12.5 和 10.8。只有 His 的侧链，其 pK 值为 6.0，在生理 pH 范围内 (6-8) 电离。需要注意的是，当氨基酸在蛋白质中连接在一起时，只有侧链基团和末端的α-氨基和α-羧基可以自由电离。

磷酸吡哆醛 5'-磷酸酯介导的α-氨基酸脱羧反应

步骤 1：氨基酸与酶结合的磷酸吡哆醛 5'-磷酸酯 (PLP) 反应。氨基酸与 PLP 之间形成亚胺键 (CoeN)，并置换酶。

步骤 2：当吡啶环在氮上被质子化时，它会成为更强的吸电子基团，脱羧反应通过电荷中和来促进。

步骤 3：质子转移到α碳和从吡啶氮上夺取一个质子，导致吡啶环的重芳构化。

步骤 4：PLP 结合的亚胺与酶反应释放胺，并恢复酶结合的辅酶。

参考文献

Berg, Jeremy, Tymoczko J., Stryer, L.(2012). 蛋白质组成和结构。生物化学（第 7 版）。W.H. Freeman and Company。ISBN1-4292-2936-5

Berg, Jeremy M., 编著。（2002），生物化学（第 6 版）。纽约市，纽约州：W.H. Freeman and Company

Hames, Daivd，Hooper，Nigel。生物化学，第 3 版。泰勒和弗朗西斯集团。纽约。2005 年。

Wise R, David; Thompson B, Craig “谷氨酰胺依赖症：癌症治疗的新靶点” 生化科学趋势 35 (2010) 427—433。检索日期：2010 年 10 月 16 日。

“健康化学”，美国卫生与公众服务部，国立卫生研究院出版物，2006 年重印

http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=5950 http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/aa/alanine.html http://www.mayoclinic.com/health/l-arginine/NS_patient-arginine http://www.webmd.com/heart/arginine-heart-benefits-and-side-effects http://www.anyvitamins.com/asparagine-info.htm#Asparagine 是 http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/aa/asparagine.html http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/aa/aspartate.html http://www.umm.edu/altmed/articles/cysteine-000298.htm http://www.umm.edu/altmed/articles/glutamine-000307.htm http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/aa/glutamate.html http://www.webmd.com/vitamins-supplements/ingredientmono-1072-GLYCINE.aspx?activeIngredientId=1072&activeIngredientName=GLYCINE http://www.anyvitamins.com/histidine-info.htm http://www.anyvitamins.com/isoleucine-info.htm http://www.umm.edu/altmed/articles/lysine-000312.htm 所必需的。

↑ Berg, Jeremy, Tymoczko J., Stryer, L.(2012). 蛋白质组成和结构。生物化学（第 7 版）。W.H. Freeman and Company。ISBN1-4292-2936-5

[1] Berg, Jeremy, Tymoczko J., Stryer, L.(2012). 蛋白质组成和结构。生物化学（第 7 版）。W.H. Freeman and Company。ISBN1-4292-2936-5

[1]