氨基酸、多肽、蛋白质微粒在溶液中存在形式探讨

【关键词】  氨基酸

　　摘要：在溶液中，氨基酸、多肽、蛋白质微粒存在形式有Yn+、Y(n-1)+……Y±、Y-……Ym-等各种形式。当pH>pI时，主要存在形式可能为Y±、Y-、Y2-……Ym-；pH

　　关键词：氨基酸；多肽；蛋白质；微粒存在形式                           

　　氨基酸、多肽、蛋白质在溶液中各微粒存在形式，有两种叙述：①pH>pI时以Y-形式为主；pH

　　以上两种叙述均欠妥当，例如有一习题［7］，pH为2.7，写出异亮氨酸（异亮氨酸pKa1=2.36、pKa2=9.68，pI=6.020）主要存在的离子形式。

　　当pH为2.7时，按第一种叙述应以Y+为主；按第二种叙述，因pH为2.7，不算强酸，不好回答。实际上pH为2.36~9.68范围内均以Y±为主。根据多元酸分步电离原理，分别不同pH时，氨基酸、多肽、蛋白质各种微粒存在形式占全部微粒总量的分数ni/n总，并作pH ni/n总图，讨论如下。

　　1 中性氨基酸

　　解上列方程组,求pH=0、1、2……时, Y＋、Y±、Y-各微粒物质的量ni占微粒总物质的量n总的分数ni/n总，并作pH~ ni/n总图，见图1。

　　从图1可以看出：

　　① 不管pH如何变化，Y＋、Y±、Y-均存在。

　　② pH在pKa1~ pka2范围内，以Y±为主，Y＋、Y-各占少数；当pH=1/2（pKa1+pka2）即等电点pI时，Y±占绝大多数，Y＋与Y-一样多（经计算ni/n总，各占0.0001）。

　　③ 并不是pH>pI，也不是达到强碱条件才以Y-形式为主，而是pH>10（pKa2）以Y-为主；并不是pH

　　④ pHpI时，可能以Y±为主（pI~pKa2），也可能以Y-为主（pH >pKa2）。

　　2 酸性氨基酸

　　以谷氨酸为例：谷氨酸pKa1、pka2、pka3分别为2.19、4.25、9.67。在溶液中微粒有以下存在形式：
           
　　从图2可以看出：

　　① 不管pH如何变化，Y＋、Y±、Y-、Y2-均存在。

　　②pH在pKa1~ pka2范围内，以Y±为主，Y＋、Y-各占少数，Y2-占极少数。等电点pH=1/2（pKa1+pka2）时，Y±占多数（约0.84）；Y＋、Y-一样多，各占0.08；Y2-极少（10-8）；

　　③ 当pHpI时，可能以Y±为主（pI-pka2范围），也可能以Y-为主（pka2~ pka3范围），也可能以Y2-为主（pH> pka3）。

　　3 碱性氨基酸

　　以赖氨酸为例，pKa1、pka2 、pka3分别为2.18、8.95、10.53。溶液中赖氨酸微粒有以下存在形式：
            
　　从图3可以看出：

　　① 不管pH如何变化，Y2＋、Y＋、Y±、Y-均存在。

　　② pH在pka2 ~pka3（8.95-10.53）范围内, 以Y±为主，Y＋、Y-占少数，Y2＋极少；pH=pI（9.74）时，Y＋与Y-一样多，各占0.12,而Y±占0.76。

　　③ pHpI时，可能以Y±为主（pI ~ pka3），也可能以Y-为主（pH>pka3）。

　　4  多肽各微粒存在形式

　　多肽中可能自由羧基、自由氨基一样多，也可能自由羧基多于自由氨基，也可能自由氨基多于自由羧基。

　　把多肽简化看为多氨基、多羧基的氨基酸，进行探讨：

　　① 一自由羧基、一自由氨基多肽：全是中性氨基酸残基。pH~ ni/n总图大致同中性氨基酸。

　　② 二自由羧基、一自由氨基多肽：有1个酸性氨基酸残基。pH~ ni/n总图大致同谷氨酸。

　　③ 二自由氨基、一自由羧基多肽：有1个碱性氨基酸残基。pH~ ni/n总图大致同赖氨酸。

　　④ 二自由氨基、二自由羧基多肽：有1个酸性氨基酸残基和1个碱性氨基酸残基。可看为四元羧，有pka1、pka2、pka3、pka4，依前面讨论方法，并作pH~ ni/n总图如下：

　　溶液中有Y2＋、Y＋、Y±、Y-、Y2-等5种微粒存在形式, 与中性氨基酸相比, pH~ ni/n总图形靠酸性一端及靠碱性一端各多一个峰，pH在pka2~ pka3范围，以Y±为主。pH>PI时，可能以Y±（pI~ pka3）、Y-（pka3~ pka4）、Y2-（pH> pka4）为主；而pH

　　⑤ 三羧基一氨基多肽

　　溶液中有Y＋、Y±、Y-、Y2-、Y3-等5种微粒存在形式，与中性氨基酸相比，pH~ ni/n总图形靠酸性端多二个峰，如图5。pH< pI时，可能以Y＋（pHpI时，可能以Y±（pI ~pka2）、Y-（pka2~pka3）、Y2-（pka3~pka4）、Y3-（pH>pka4）。

　　⑥ 三氨基一羧基多肽

　　溶液中有Y3＋、Y2＋、Y＋、Y±、Y-等5种微粒存在形式，与中性氨基酸相比, pH~ ni/n总图形靠碱性端多出二个峰，如图6。pH< pI时，可能以Y3＋为（pHpI时，可能以Y±（pI ~pka4）、Y-（pH>pka4）。
　
　　5 蛋白质各微粒存在形式

　　设蛋白质有m个自由COOH，n个自由氨基，pH~ ni/n总图更复杂，与中性氨基酸的ni/n总图相比，靠酸性一端多出m-1个峰，靠碱性一端多出n-1个峰。溶液中微粒形式有Yn+、Y(n-1)+……Y±、Y-……Ym-等微粒存在。pH>pI时，可能以Y±或Y-……或Ym-为主；pH pI时以Y-为主；pHpI时微粒带正电；pH

　　1 吕以仙． 有机化学． 第5版.北京：人民卫生出版社，2001，312

　　2 周爱儒，黄如彬. 医学生物化学. 北京: 北京医科大学、协和医科大学联合出版社，1997，14

　　3 赵伟康，齐治家．生物化学．中国中医药出版社， 1994，9

　　4 廖清江． 有机化学． 第3版北京：人民卫生出版社，1994，364

　　5 吉林师范大学，等合编． 有机化学 下册．北京：人民出版社，1980，214~229

　　6 天津大学有机化学教研室编． 有机化学．北京：人民教育出版社，1978，413

　　7 徐景达有机化学第4版 北京：人民教育出版社， 1994，302