第一节 氨基酸的结构、分类及作用
蛋白质可以在酸、碱或蛋白酶等的作用下发生水解，简单蛋白质在水解过程中，会逐渐降解成为越来越小的肽段（peptide fragment），最终水解成为氨基酸的混合物。根据蛋白质的水解程度不同，可分为部分水解和完全水解两种情况，部分水解得到的产物为各种大小不等的肽段和氨基酸，而完全水解得到的产物为各种氨基酸的混合物。例如，一种简单蛋白质用6mol/L的盐酸，在真空下110℃水解约16h，可达到完全水解（酸性水解的条件下，色氨酸、酪氨酸易被破坏）。利用层析等手段分析可证明蛋白质完全水解液的组成是氨基酸的混合物。因此，虽然蛋白质结构复杂，但简单蛋白质经适当条件水解后，最终产物证明为氨基酸的混合物（而结合蛋白质在一定条件下水解后的最终产物除了氨基酸外，还有非氨基酸类物质）。
因此，氨基酸是蛋白质水解的最终产物，它是组成蛋白质的基本单位。特定的蛋白质具有特定的氨基酸排列序列，并通过氨基酸结构上各种基团之间特定的相互作用，使得特定蛋白质具有特定的空间结构，进而产生特定的生物活性功能，本章主要介绍组成蛋白质的氨基酸的结构和性质。
一、氨基酸的结构
氨基酸是含有氨基和羧基的有机化合物，存在于自然界中的氨基酸有300余种，但构成天然蛋白质的基本氨基酸只有20种（表1-1），称之为标准氨基酸（或基本氨基酸），从蛋白质水解产物中分离出来的20种基本氨基酸除脯氨酸为α-亚氨基酸外，其余19种基本氨基酸都是α-氨基酸。α-氨基酸在结构上共同的特点总结如下：
α-氨基酸可用如下结构通式表示：
α-氨基酸结构特点为：至少有一个氨基（—NH2）和一个羧基（—COOH），并且一个氨基和一个羧基连在同一个碳原子上。R基称为氨基酸的侧链，不同氨基酸的区别就在于侧链R的化学结构不同。
不同的氨基酸，R基不同，除了R基为氢原子的甘氨酸外，其他氨基酸的α碳原子都是不对称碳原子（asymmetric carbon）或称手性碳原子（chiral carbon）。
二、氨基酸的分类
从α-氨基酸（amino acid ，简写为AA或aa）的化学结构通式可以知道，各种α-氨基酸的区别在于侧链R基团不同，即不同的氨基酸，侧基R基团不同。不同侧链结构的氨基酸具有不同的性能。组成蛋白质的20种基本氨基酸有多种分类方法，通常可以按照侧链R的化学结构、极性大小、氨基、羧基的多寡以及侧基特征基团（含硫、羟基）等进行分类。
1.按侧链R基团酸碱性分类
（1）中性氨基酸。侧链R中不含—NH2和—COOH，即氨基酸中—NH2与—COOH数目相等，甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸等均为中性氨基酸。
（2）酸性氨基酸。侧链R中含有—COOH，即氨基酸中—NH2比—COOH数目少，如谷氨酸、天门冬氨酸均为酸性氨基酸。
（3）碱性氨基酸。侧链R中含有—NH2、—NH—等碱性基团，即氨基酸中—NH2比—COOH数目多，如精氨酸、赖氨酸、组氨酸等均为碱性氨基酸。
2.按侧链R基团的极性不同或带电性质不同分类
（1）疏水性或非极性氨基酸。氨基酸的侧基R不带电荷，或极性很弱的属于非极性中性氨基酸，例如，甘氨酸、丙氨酸 、缬氨酸 、亮氨酸、异亮氨酸 、脯氨酸 、苯丙氨酸，它们的R基团具有疏水性，该类氨基酸在水中溶解度比极性氨基酸小。用纸上层析法可以将此类氨基酸分离。
（2）极性氨基酸。依据氨基酸侧基R基团极性不同，极性氨基酸又可以分为能解离的带电荷极性氨基酸及不解离的中性极性氨基酸两种，所以极性氨基酸又分为：
①极性中性氨基酸。R基团有极性，但不解离或仅有极弱的解离，它们的R基团有亲水性。例如，丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、酪氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、色氨酸。该类氨基酸在水中溶解度比非极性氨基酸大。
②带负电荷的极性酸性氨基酸。R基团有极性，且解离，在中性溶液中呈酸性，带负电，亲水性强。如天门冬氨酸、谷氨酸。
③带正电荷极性碱性氨基酸。R基团有极性，且解离，在中性水溶液中呈碱性，带正电，亲水性强。如组氨酸、赖氨酸、精氨酸。
不同种类氨基酸极性大小不同、分子结构不同，因此，在电场中迁移方向和迁移速度不同，可采用电泳方法分离氨基酸的混合物。
3.按侧链R基团结构不同分类
（1）脂肪族氨基酸：有四种带有脂肪烃侧链的基本氨基酸：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸。
（2）芳香族氨基酸：色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸。
（3）杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸。
（4）含羟基极性基团的氨基酸：苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸。
（5）含亚氨基的氨基酸：脯氨酸。
（6）含酰胺基的氨基酸：天门冬酰胺、谷氨酰胺。
（7）含巯基的氨基酸：半胱氨酸。
（8）含硫氨基酸：半胱氨酸、甲硫氨酸。
表2-1是按氨基酸侧链R结构性能不同进行的分类总结。
表2-1 按氨基酸侧链R结构不同进行的分类总结表
续表
续表
4.从营养学角度分类 构成蛋白质的20种基本氨基酸都有营养价值，但根据动物体内是否能自身制造这些氨基酸，即依据人们（或其他动物体）对氨基酸的营养需要，通常可将氨基酸分为必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸三大类。蛋白质食品的营养价值可由其中所含的必需氨基酸种类、数量和有效性来评价。在20种基本氨基酸中，依据其营养角度分类总结如下：
（1）八种人体的氨基酸。凡人体自身不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸，称为必需氨基酸（essential amino acid），必需氨基酸有八种：赖氨酸（Lys）、缬氨酸（Val）、蛋氨酸（Met）、色氨酸（Trp）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、苏氨酸（Thr）、苯丙氨酸（Phe）。
（2）半必需氨基酸。半必需氨基酸是指在人体内合成速度很低，特别是新生儿或患病期，还需要给予食物补充的氨基酸。例如，婴儿时期所需的精氨酸（Arg）、组氨酸（His）。
（3）非必需氨基酸。非必需氨基酸是指人体自身能够合成或能由其他氨基酸转化而来的氨基酸。例如，甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、丝氨酸（Ser）、酪氨酸（Tyr）、半胱氨酸（Cys）、脯氨酸（Pro）、天冬酰胺（Asn）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）。
三、氨基酸的作用
氨基酸是构建生物机体的众多生物活性大分子的基本单元之一，是构建细胞和修复组织的基础材料。氨基酸有众多的作用，例如，氨基酸被人体用于制造抗体蛋白，以对抗细菌和病毒的侵蚀；制造血红蛋白以传送氧气；制造酶和激素以维持正常的化学反应和调节新陈代谢；氨基酸是制造精卵细胞的主体物质，是合成神经介质的不可缺少的前提物质；氨基酸能够为机体和大脑活动提供能源，因此氨基酸是一切生命之源。人们所需要的不同种类的氨基酸可以从不同种类的食物中获取，人们摄取的蛋白质可以在消化道内全部水解为氨基酸，然后再吸收到组织内，不同组织利用不同的氨基酸来合成其自身需要的蛋白质，以满足人们营养的需要和生长发育的需要。