寡肽类、多肽类药物的基本组成单元为氨基酸。人们熟知的组成蛋白质基本结构的天然氨基酸有20种，可以分为非极性氨基酸（疏水氨基酸）、极性不带电荷氨基酸（亲水氨基酸）、碱性氨基酸（极性带正电氨基酸）、酸性氨基酸（极性带负电氨基酸）。
01
氨基酸的分类
汇总一下组成天然蛋白质的常见天然氨基酸的结构、分类、在机体内主要参与的生理作用等。这里的极性、或者疏水性/亲水性，并非指整个氨基酸分子的物化性质，而是指侧链R基，即，R基若只是H或者C、H两元素组成，则都是非极性的、疏水的；如果含有极性侧链，如-OH、-SH、-COOH、-NH2等，则氨基酸就是极性的、亲水的。
非极性氨基酸（9）：甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、缬氨酸、色氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）
极性不带电荷氨基酸（6）：丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、天门冬酰胺；
碱性氨基酸（3）：组氨酸、赖氨酸、精氨酸；
酸性氨基酸（2）：天门冬氨酸、谷氨酸；
近年来，在一些蛋白质中又发现了第21种、第22种基本氨基酸：硒半胱氨酸、和吡咯赖氨酸，在少数蛋白质中出现。其中第22种仅存在古生菌、细菌中。即，组成人体蛋白质的基本天然氨基酸有21种。这些基本氨基酸除了甘氨酸外，都是L-构型α-氨基酸，在维持生命活动、调节生物机能中发挥重要，如参与蛋白质构成、细胞信号转导、膜转运、酶催化、DNA合成或修复、体内毒素清除等多种途径。
有8种氨基酸，人体自身不能制造，称之为人体必需氨基酸，需要从食物中摄取：缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸。（口诀：携一两本单色书来；or 笨蛋来宿舍晾一晾鞋）
有2种氨基酸，人体合成不足以满足需要，称之为半必需氨基酸，需要从食物中摄取一部分，尤其对于婴幼儿：精氨酸、组氨酸。
接下来，我们来认识一下这22种天然氨基酸及其在生物体中的主要作用。
1、甘氨酸（Glycine，G or Gly），α-氨基乙酸
非极性α-氨基酸之一（也有认为是不带电荷的极性氨基酸，从定义上来讲，参考R基，生物中为非极性氨基酸），非必需氨基酸。亲水性强，易溶于水，几乎不溶于乙醇、乙醚，属于疏水氨基酸。甘氨酸是内源性抗氧化剂还原性谷胱甘肽的组成氨基酸，机体发生严重应激时常外源补充，有时也称为半必需氨基酸。除了参与蛋白质的构成外，甘氨酸在神经信号传递、清除体内毒素等方面也发挥着作用。
2、丙氨酸（Alanine, A or Ala），α-氨基丙酸
非极性α-氨基酸之一，非必需氨基酸。溶于水，不溶于乙醇、乙醚、丙酮，属于疏水性氨基酸，有旋光性。在有机体内，主要参与蛋白质构成、和细胞能量代谢（糖和酸的代谢）。
3、缬氨酸（Valine, V or Val），β-甲基-α-氨基丁酸
非极性α-氨基酸之一，8种必需氨基酸之一，三大支链氨基酸之一（缬、亮、异亮）。溶于水，不溶于乙醇，属于疏水性氨基酸。缬氨酸是一种生糖氨基酸，与亮氨酸（生酮氨基酸）和异亮氨基酸（生糖兼生酮氨基酸）共同作用，与三羧酸循环相互联系，实现体内三大营养物质（蛋白质、糖、脂肪）的转化，促进身体生长、修复组织、调节血糖、提供能量，还能够进行氮清除，清理体内毒素。
4、亮氨酸（Leucine, L or Leu）,γ-甲基-α-氨基戊酸
非极性α-氨基酸之一，8种必需氨基酸之一，三大支链氨基酸之一（缬、亮、异亮）。易溶于甲酸，略溶于水，不溶于乙醇，属于疏水性氨基酸。参与体内蛋白质合成、调节血糖、促进胰岛素分泌、维持血糖和氮平衡。
5、异亮氨酸（Isoleucine, I or Ile）, β-甲基-α-氨基戊酸
非极性α-氨基酸之一，8种必需氨基酸之一，三大支链氨基酸之一（缬、亮、异亮）。略溶于水，不溶于乙醇，属于疏水性氨基酸。参与蛋白质合成、调节血糖、提供能量、维持氮平衡、促进组织生长。
6、苯丙氨酸（Phenylalanine, F or Phe）,β-苯基-α-氨基丙酸
非极性α-氨基酸之一，8种必需氨基酸之一，芳香氨基酸。溶于水，不溶于乙醇、乙醚，疏水氨基酸。体内经苯丙氨酸羟化酶催化，转化为络氨酸，并与其一起参与神经递质和激素的合成，参与机体糖代谢和脂肪代谢。
7、脯氨酸（Proline，P or Pro）, α-羧基四氢吡咯
非极性α-环状亚氨基酸，非必需氨基酸。溶于热水、乙醇，属于疏水氨基酸。体内参与胶原蛋白合成、组织修复、酶催化等。
8、色氨酸（Tryptophan, W or Trp）, α-氨基-β-（3-吲哚基）丙酸
非极性α-氨基酸之一，8种必需氨基酸之一，芳香氨基酸。易溶于甲酸，微溶于水，不溶于乙醇，疏水氨基酸。体内参与血浆蛋白更新、神经递质的产生等。
9、蛋氨酸（甲硫氨酸，Methionine, M or Met）α-氨基-γ-甲硫基丁酸
非极性α-氨基酸之一，8种必需氨基酸之一。溶于水，难溶于乙醇、乙醚，疏水氨基酸。体内参与蛋白质合成、转化胱氨酸、提供硫元素、提供甲基，维持机体生长发育和氮平衡。
10、丝氨酸（Serine, S or Ser）α-氨基-β-羟基丙酸
极性α-氨基酸（不带电荷），非必需氨基酸。易溶于水，不溶于乙醇、乙醚、丙酮，亲水氨基酸。体内参与蛋白质合成、神经系统信号传递等。
11、苏氨酸（Threonine, T or Thr）α-氨基-β-羟基丁酸
极性α-氨基酸（不带电荷），8种必需氨基酸之一。溶于水，不溶于乙醇，亲水氨基酸，生糖兼生酮氨基酸。体内参与蛋白质的磷酸化、促进生长发育、持水保湿等。
12、酪氨酸（Tyrosine, Y or Tyr）α-氨基-β-（对羟基苯基）丙酸
极性α-氨基酸（不带电荷），非必需氨基酸（条件性必需氨基酸，当苯丙氨酸充足时为非必需氨基酸）。溶于稀盐酸，极微溶于水，不溶于乙醇，生糖兼生酮氨基酸。机体内参与蛋白质构成、神经元传递等。
13、半胱氨酸（Cysteine, C or Cys）α-氨基-β-巯基丙酸
极性α-氨基酸（不带电荷），非必需氨基酸（条件必需氨基酸，可由体内必需氨基酸蛋氨酸转化而来）。溶于水，不溶于乙醚、丙酮，亲水氨基酸，生糖氨基酸。机体内参与蛋白质构成、广泛毒物（如甲醛、乙醛、酒精等）解毒作用、抗氧剂清理自由基等。
14、天门冬酰胺（Asparagine, N or Asn）α-氨基丁酰胺酸
极性α-氨基酸（不带电荷），非必需氨基酸。溶于水，不溶于乙醇、乙醚。参与糖蛋白的合成等。
15、谷氨酰胺（Glutamine, Q or Gln）α-氨基戊酰胺酸
极性α-氨基酸（不带电荷），非必需氨基酸。溶于水，不溶于乙醇、乙醚。参与蛋白质的合成、DNA/RNA的合成。
16、天门冬氨酸（Asparic Acid, D or Asp）α-氨基丁二酸
2种酸性氨基酸之一，非必需氨基酸。微溶于水（溶于沸水），难溶于乙醇、乙醚。机体内参与蛋白质构成、鸟氨酸循环、激素调节等。
17、谷氨酸（Glutamic Acid, E or Glu）α-氨基戊二酸
2种酸性α-氨基酸之一，非必需氨基酸。易溶于稀盐酸或1 mol/L的氢氧化钠溶液，热水中溶解，水中微溶，不溶于乙醇、乙醚。机体内参与蛋白质代谢，大脑中的兴奋性神经递质。
18、组氨酸（Histidine, H or His）α-氨基-β-（4-咪唑基）丙酸
碱性α-氨基酸，2种半必需氨基酸之一（尤其对婴幼儿）。溶解于水 ，微溶于乙醇，不溶于乙醚。集体内参与金属蛋白的构成、酶催化等。
19、赖氨酸（Lysine, L or Lys）α，ε-二氨基己酸
碱性α-氨基酸，8种必需氨基酸之一。易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。机体内参与蛋白质构成、调节代谢平衡、增强免疫功能等。
20、精氨酸（Arginine, R or Arg）α-氨基-δ-胍基戊酸
碱性α-氨基酸，2种半必需氨基酸之一。易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。参与机体内蛋白质构成、鸟氨酸循环等。
21、硒代半胱氨酸（Selenocysteine, U or Sec）α-氨基-β-硒代羟基丙酸
硒代半胱氨酸是最后发现的一种人体基本天然氨基酸，是蛋白质中硒的主要存在形式，也是唯一的一种含有准金属元素的氨基酸。参与机体内硒蛋白的构成、是已发现25种含硒酶的活性中心（如谷胱甘肽过氧化酶），具有抗氧化活性。
22、吡咯赖氨酸（Pyrrolysine, ）
一种碱性α-氨基酸，是最后发现的一种基本天然氨基酸，存在于一些产甲烷的古生菌和细菌中。参与甲基转移酶催化。
02
氨基酸的解离
氨基酸是兼性离子，具有两性解离特性，解离方式取决于溶液pH值。
α-COOH的pKa值约为2.0，当pH>3.5，α-COOH以α-COO-形式存在；
α-ΝΗ2的pKa值约为9.4，当pH<8.0时，α-ΝΗ2以α-ΝΗ3+ 形式存在。
当溶液的pH值在3.5-8.0范围时，氨基酸以两性离子存在。
溶液的pH在pKa值时，氨基酸的缓冲能力最强。
Table 1: 20种常见天然氨基酸pKa表
来自于文献报道实验测试（1350氨基酸残基，157野生蛋白）侧链平均pKa与固有pKa对比
03
氨基酸的等电点（Isoelectric Point, PI）
氨基酸的pI指氨基酸的正离子浓度与负离子浓度相等时的溶液的pH值。pI相当于该氨基酸兼性离子状态两侧基团pK值之和的一半。溶液的pH在PI值时缓冲能力最小，溶解度最小，通过调节pH可以分离不同等电点的氨基酸混合物。
氨基酸等电点分布
04
氨基酸的羧基、氨基、侧链pKa分布及与PI对比
