药物中的氨基酸结构与性质详解

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氨基酸结构和性质

氨基酸的结构由连接有氢的中心碳原子、酸性羧基 (-COOH)、氨基 (-NH2) 有机侧链(也称为 R 基团)组成。构成蛋白质的氨基酸有 20 种,它们都具有相同的基本结构,仅在 R 基团或侧链上有所不同。氨基酸的基本结构如下所示:

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氨基酸的一般结构

不同的R基团根据功能团中所含原子的性质具有不同的特性。有些R基团主要含有碳和氢,非极性或疏水性很强。另一些含有极性的非带电功能团,如醇、酰胺和巯基。少数氨基酸是碱性的(含有胺基功能团)或酸性的(含有羧基功能团)。这些氨基酸能够形成完整的电荷,并且可以产生离子相互作用。这些性质影响它们在多肽和蛋白质中与周围氨基酸的相互作用方式,从而影响蛋白质的三维结构和性质。

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构成蛋白质的20种氨基酸的化学结构

非极性(疏水性)氨基酸 
非极性氨基酸大致可以分为两个更具体的类别:脂肪族氨基酸芳香族氨基酸。脂肪族氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸)通常含有分支的烃链,最简单的是甘氨酸,到更复杂的亮氨酸和缬氨酸结构。脯氨酸也被归类为脂肪族氨基酸,但由于碳氢链与末端胺发生环化,形成了独特的5元环结构,具有特殊性质。由于脯氨酸环结构的结构刚性,它可以显著改变蛋白质的三维结构,并且通常出现在蛋白质中的折叠或转折区域。
芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸)含有芳香性功能团,根据其名称,使它们在结构中大部分为非极性疏水性,因为含有高碳/氢含量。然而,值得注意的是,疏水性和亲水性代表着一个滑动的尺度,不同的氨基酸根据其结构可以具有不同的物理和化学性质。例如,与苯丙氨酸相比,酪氨酸中存在的羟基增加了其反应性和溶解度。
蛋氨酸,一种含硫氨基酸,通常归类为非极性的疏水氨基酸,因为末端甲基团形成了硫醚官能团,这通常不能在分子内形成永久偶极子,保持低溶解度。
极性(亲水性)氨基酸 
极性的亲水性氨基酸可以分为三个主要类别:极性不带电、酸性和碱性官能团。在极性不带电类中,侧链含有能够在R基团内形成永久偶极子的杂原子(氧、硫或氮)。这些包括含有羟基和磺酸氧基的氨基酸、丝氨酸、苏氨酸和半胱氨酸、以及含有酰胺的氨基酸、谷氨酰胺和天冬氨酰胺。谷氨酸(谷氨酸)和天冬氨酸(天冬酸)是两种酸性氨基酸,它们含有带有能够在溶液中完全电离的羧酸官能团的侧链。碱性氨基酸,赖氨酸、精氨酸和组氨酸含有含有可质子化以携带完整电荷的胺官能团。
许多具有亲水性R基团的氨基酸可以参与酶的活性位点。活性位点是酶中直接与底物结合并进行反应的部分。蛋白质衍生酶含有由氨基酸 R 基团组成的催化基团,可促进键的形成和降解。在活性位点的结合特异性中起重要作用的氨基酸通常在一级结构中彼此不相邻,而是在创建三级结构时折叠形成活性位点。
氨基酸缩写 
每种氨基酸都可以用三个字母和一个字母的代码进行缩写。下面的表格展示了蛋白质中的20种氨基酸使用的缩写和单字母代码。

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蛋白质中的20种氨基酸使用的缩写和单字母代码


氨基酸是两性离子

在化学中,两性离子是具有两个或多个官能团的分子,其中至少一个具有正电荷,一个具有负电荷,并且在特定pH下整个分子的净电荷为零。由于两性离子至少含有一个正电荷和一个负电荷,因此有时也称为内盐。不同官能团上的电荷相互平衡,整个分子在特定的pH值下可以呈电中性。发生这种情况的 pH 值称为等电点
与只能形成阳离子或阴离子物质的简单两性化合物不同,两性离子同时具有两种离子态。氨基酸是两性离子的例子氨基酸处于以下两种酸之间的平衡状态,其中质子(H+)在氨基团和羧基团之间移动,如下所示:

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在这种平衡状态下,较弱的酸始终占主导地位。由于氨比羧酸更弱,平衡会倾向于向左移动(处于“两性离子”一侧)。尽管教科书上通常将氨基酸显示为右侧的结构,但实际上它们主要以左侧的结构存在。
因为氨基酸是两性离子,并且有几种氨基酸的R 基团内还具有电离的潜力,因此它们在体内的电荷状态可能会根据它们所处的局部微环境的 pH、温度和溶剂化状态而变化。氨基酸的标准pKa值图表如下所示,可用于预测氨基酸及其生成的肽/蛋白质的电离/电荷状态。然而,应该指出的是,氨基酸微环境中的溶剂化状态可以改变这些官能团的相对pKa值,并在酶的活性位点内提供独特的反应特性。

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蛋白质中的20种氨基酸的pKa值


如上表所示,七种氨基酸含有带有可电离侧链的 R 基团,并且常见于酶的活性位点。回想一下,pKa被定义为分子内可电离官能团的电离形式和非电离形式以相等浓度存在时的 pH 值。因此,随着官能团的pKa值上升或下降,离子化和非离子化形式的浓度将发生变化,倾向于一个状态而不是另一个状态。下图显示了处于未电离和电离状态的各种 R 基团以及高于或低于 pKa值的倾向状态。

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常见氨基酸中的可电离官能团

通常,可电离基团在其pKa值下方的pH条件下倾向于质子化状态,在其pKa值上方的pH条件下倾向于去质子化状态。因此,pKa值可以用来帮助预测氨基酸及其在特定环境中生成的肽/蛋白质的总电荷状态。例如,如果我们观察碱性氨基酸组氨酸的滴定曲线。组氨酸将在非常低的pH下(完全质子化)从总体上具有+2的电荷逐渐过渡到非常高的pH下(完全去质子化)具有-1的电荷。

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不同 pH 环境下组氨酸的电离状态

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