生化小课 | 氨基酸可以作为酸和碱

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氨基酸可以作为酸和碱

氨基酸的氨基和羧基，以及某些氨基酸的可电离R基团，起到弱酸和弱碱的作用。当缺乏可电离 R 基团的氨基酸在中性 pH 值下溶解在水中时，α-氨基和羧基形成偶极离子或两性离子(德语为“杂化离子”)，它既可以作为酸也可以作为碱(图3-9)。具有这种双重(酸碱)性质的物质是两性的，通常称为两性电解质(来源于“两性电解质”)。一种简单的单氨基单羧酸α-氨基酸，如丙氨酸，在完全质子化时为二元酸;它有两个基团，-COOH基团和-NH+3基团，可以产生质子:

酸碱滴定包括逐步添加或去除质子（第2章）。图3-10显示了甘氨酸二质子形式的滴定曲线。甘氨酸的两个可电离基团，羧基和氨基，用强碱如NaOH滴定。该图有两个不同的阶段，对应于甘氨酸上两个不同基团的去质子化。这两个阶段中的每一个在形状上都类似于单质子酸（如乙酸）的滴定曲线（见图2-16），并且可以以相同的方式进行分析。在非常低的pH值下，甘氨酸的主要离子种类是完全质子化的形式，+H3N−CH2-COOH。

在滴定的第一阶段，甘氨酸的-COOH基团（pKa较低）失去质子。在这一阶段的中点，存在等摩尔浓度的质子供体（+H3N-CH2-COOH）和质子受体（+H3N-CH2-COOO−）物种。与任何弱酸的滴定一样，在pH值等于被滴定质子化基团pKa的中点处达到拐点（见图2-17）。对于甘氨酸，中点的pH值为2.34；因此其-COOH基团的pKa（图3-10中标记为pK1）为2.34。（从第2章中回忆，pH和pKa分别是质子浓度和电离平衡常数的简便符号。pKa是一个基团放弃质子趋势的量度，随着pKa增加一个单位，该趋势降低10倍。）随着甘氨酸的滴定进行，pH 5.97达到另一个拐点；此时，第一个质子的移除基本上已经完成，第二个质子的去除才刚刚开始。在此pH值下，甘氨酸主要以偶极离子（两性离子）+H3N-CH2-COO-的形式存在。我们将很快回到滴定曲线中该拐点的意义（图3-10中标记为pI）。

滴定的第二阶段对应于从甘氨酸的-NH+3基团中除去一个质子。该阶段中点的pH值为9.60，等于-NH+3基团的pKa（图3-10中标记为pK2）。滴定基本上在约12的pH下完成，此时甘氨酸的主要形式为H2N-CH2-COO-。

从甘氨酸的滴定曲线，我们可以得到几个重要的信息。首先，它给出了两个电离基团中每一个的pKa的定量测量：-COOH基团为2.34，-NH+3基团为9.60。注意，甘氨酸的羧基比乙酸的羧基酸性（更容易电离）高100倍以上，正如我们在第2章中所看到的，乙酸的羧基的pKa为4.76，约为与未取代的脂族烃相连的羧基的平均值。甘氨酸的扰动pKa主要是由α-碳原子上的附近带正电的氨基引起的，这是一个电负性基团，倾向于将电子拉向它（一个称为电子撤回的过程），如图3-11所示。所得两性离子上的相反电荷也在一定程度上稳定。类似地，甘氨酸中氨基的pKa相对于氨基的平均pKa被向下扰动。这种效应主要是由于羧基中的电负性氧原子的电子吸收，增加了氨基放弃质子的倾向。因此，α-氨基的pKa低于脂族胺，如甲胺（图3-11）。简而言之，任何官能团的pKa都受到其化学环境的极大影响，这一现象有时在酶的活性位点中被利用，以促进精细适应的反应机制，这取决于特定残基的质子供体/受体基团的扰动pKa值。

甘氨酸滴定曲线提供的第二条信息是，这种氨基酸具有两个缓冲能力区域。其中之一是曲线的相对平坦部分，在2.34的第一个pKa的任一侧延伸约1个pH单位，表明甘氨酸在该pH附近是良好的缓冲液。另一个缓冲区位于pH 9.60附近。（注意，甘氨酸在细胞内液体或血液的pH值约为7.4时不是很好的缓冲液。）在甘氨酸的缓冲范围内，Henderson-Hasselbalch方程可用于计算在给定pH下制作缓冲液所需的甘氨酸的质子供体和质子受体物种的比例。

从氨基酸的滴定曲线得出的最后一条重要信息是其净电荷与溶液pH值之间的关系。在pH 5.97（滴定曲线中两个阶段之间的拐点）时，甘氨酸主要以偶极形式存在，完全电离但没有净电荷（图3-10）。净电荷为零时的特征pH值称为等电点或等电pH，称为pI。对于侧链中没有可电离基团的甘氨酸，等电点只是两个pKa值的算术平均值：

如图3-10所示，甘氨酸在高于其pI的任何pH值下都具有净负电荷，因此当置于电场中时会向正极（阳极）移动。在低于其pI的任何pH值下，甘氨酸具有净正电荷，并将向负电极（阴极）移动。甘氨酸溶液的pH值离其等电点越远，甘氨酸分子群的净电荷就越大。例如，在pH 1.0时，甘氨酸几乎完全以+H3N-CH2-COOH的形式存在，净正电荷为1.0。在pH 2.34时，当+H3N-CH2-COOH和+H3N-CH2-COO−等量混合，平均或净正电荷为0.5。在任何pH值下，任何氨基酸的净电荷的符号和大小都可以用同样的方法来预测。

Principles of Biochemistry

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