【赖氨酸结构】是什么？
赖氨酸（Lysine, 缩写为 Lys 或 K）是蛋白质中常见的二十种标准氨基酸之一。从结构上看，赖氨酸最显著的特征在于其独特的侧链。它遵循所有氨基酸的通用骨架：一个中心碳原子（称为 α-碳原子），连接着一个氨基（-NH₂）、一个羧基（-COOH）、一个氢原子（-H）以及一个特定的侧链。对于赖氨酸而言，这个侧链是使其具有独特性质的关键所在。
赖氨酸的通用氨基酸骨架
如同其他氨基酸，赖氨酸的骨架由 α-碳原子、与 α-碳直接相连的 α-氨基和 α-羧基组成。这个骨架构成了肽链的基本单元，通过肽键连接形成蛋白质。
独特的侧链结构
赖氨酸的侧链是一个相对较长的脂肪族链，末端带有一个额外的氨基。具体而言，这个侧链由四个亚甲基（-CH₂-）连接一个末端氨基构成。从 α-碳原子开始数，这四个亚甲基依次被称为 β、γ、δ 和 ε 碳原子，末端的氨基连接在 ε 碳原子上，因此被称为 ε-氨基。
这个 ε-氨基的存在是赖氨酸结构区别于大多数其他氨基酸的地方，也是其特殊性质，尤其是碱性的来源。
化学式： C₆H₁₄N₂O₂
分子量： 146.19 g/mol
【赖氨酸结构】有哪些关键特征？
深入分析赖氨酸的结构，我们可以提炼出几个核心的特征：
- α-碳原子： 这是赖氨酸分子骨架的中心，连接了四个不同的基团（氢原子、α-氨基、α-羧基、侧链），因此它是一个手性中心（除了甘氨酸，所有标准氨基酸都有手性 α-碳）。
- α-氨基 (-NH₂)： 连接在 α-碳上的基本氨基，在生理 pH 条件下通常是质子化的 (-NH₃⁺)。
- α-羧基 (-COOH)： 连接在 α-碳上的酸性羧基，在生理 pH 条件下通常是去质子化的 (-COO⁻)。
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侧链：四亚甲基氨基侧链 (-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-NH₂)： 这是赖氨酸最独特的结构部分。
- 这是一个长的脂肪族链，包含四个碳原子（β, γ, δ, ε）。
- 末端（ε 碳原子上）带有一个伯氨基 (-NH₂)。
- 这个末端氨基在生理 pH 条件下是质子化的 (-NH₃⁺)，这赋予赖氨酸侧链一个正电荷。
- 手性中心： 赖氨酸的 α-碳是手性的，这意味着赖氨酸存在两种立体异构体：L-赖氨酸和 D-赖氨酸。在生物体蛋白质中发现的几乎都是 L-异构体。ε 碳上的氨基本身不是手性中心。
【赖氨酸结构】为何具有碱性？
赖氨酸之所以被归类为碱性氨基酸，其原因直接根植于其侧链的结构：
侧链氨基的作用
赖氨酸侧链末端的 ε-氨基 (-NH₂) 具有接受质子 (H⁺) 的能力。在水溶液中，特别是在接近中性或酸性的环境中，这个氨基会从水中夺取一个质子，形成质子化的铵基形式 (-NH₃⁺)。
反应示意：-CH₂-NH₂ + H₂O ⇌ -CH₂-NH₃⁺ + OH⁻ (倾向于接受质子)
这个质子化过程使得赖氨酸的侧链在生理 pH 值（约为 7.4）下带有一个稳定的正电荷。与此相对，普通氨基酸侧链（如丙氨酸、亮氨酸）是中性的，而酸性氨基酸（如谷氨酸、天冬氨酸）侧链带负电荷。赖氨酸侧链的这种带正电荷特性是其碱性的直接体现。
电荷状态与pH
赖氨酸分子总共包含三个可电离的基团：α-羧基、α-氨基和 ε-氨基。这三个基团的电离状态取决于溶液的 pH 值，它们分别具有不同的 pKa 值。
- α-羧基的 pKa 值约为 2.2
- α-氨基的 pKa 值约为 9.0
- ε-氨基的 pKa 值约为 10.5
在非常低的 pH（强酸性）下，所有三个基团都可能质子化，赖氨酸带净正电荷。随着 pH 升高：
- 首先，α-羧基去质子化 (-COO⁻)，分子可能变为两性离子（净电荷为 +1）。
- 接着，α-氨基去质子化 (-NH₂)，分子可能变为两性离子（净电荷为 0，等电点 pI 约为 9.74）。
- 最后，ε-氨基去质子化 (-NH₂)，分子变为带净负电荷。
由于 ε-氨基的 pKa 远高于生理 pH (7.4)，因此在生理条件下，ε-氨基大部分是以质子化的 -NH₃⁺ 形式存在，从而使赖氨酸侧链在生理 pH 下带正电荷，表现出碱性特征。
【赖氨酸结构】在何处体现其重要性？
赖氨酸的结构特性使其在生物体内多种“位置”发挥关键作用：
在蛋白质中的位置
由于赖氨酸侧链末端的 ε-氨基在生理 pH 下带正电荷，这个长而带电荷的侧链通常位于蛋白质分子的表面，以便与水分子或其他带电分子（如 DNA、RNA）发生相互作用。它也可以位于蛋白质内部，通过静电相互作用（盐桥）与带负电荷的侧链（如谷氨酸、天冬氨酸）形成稳定的结构。此外，它常出现在酶的活性位点附近，参与底物结合或催化反应。
作为功能基团存在
ε-氨基作为一个反应性很强的伯氨基，是多种翻译后修饰（Post-Translational Modifications, PTMs）的重要位点。这意味着赖氨酸的结构为酶提供了一个“停靠点”或“反应中心”，在其上可以连接其他化学基团，从而改变蛋白质的功能、稳定性或定位。
【赖氨酸结构】如何影响其功能？
赖氨酸的结构是其功能多样性的基础：
- 提供正电荷： ε-氨基在生理 pH 下的正电荷使其能够与带负电荷的分子（如 DNA、RNA、磷酸基团、带负电荷的氨基酸侧链）发生强大的静电相互作用。这种相互作用在蛋白质-核酸结合、蛋白质复合物形成以及维持蛋白质三维结构（通过盐桥）中至关重要。
- 参与蛋白质折叠与稳定性： 侧链的长脂肪族部分具有一定的柔韧性，而末端的正电荷可以与蛋白质内部或表面的负电荷形成盐桥或离子对，稳定蛋白质的特定折叠构象。
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作为共价修饰的位点： ε-氨基上的氮原子具有孤对电子，非常容易发生亲核反应。这使得赖氨酸成为多种翻译后修饰的关键靶点，例如：
- 乙酰化 (Acetylation)： ε-氨基被乙酰基修饰，去除正电荷，常发生在组蛋白上，调节基因表达。
- 甲基化 (Methylation)： ε-氨基被甲基化，保留或改变正电荷，影响蛋白质相互作用。
- 泛素化 (Ubiquitination)： 将一个较大的泛素分子连接到 ε-氨基上，通常标记蛋白质进行降解，也参与信号传导。
- 生物素化 (Biotinylation)： 连接生物素，用于标记和检测蛋白质。
- 糖基化 (Glycosylation)： 在某些情况下，赖氨酸可以被糖基化。
- 氧化： 赖氨酸侧链可以被氧化。
这些修饰直接改变了赖氨酸侧链的化学性质和电荷状态，进而深刻影响其所在蛋白质的功能。
- 参与酶催化： 在一些酶的活性中心，赖氨酸的 ε-氨基可能直接参与催化反应，例如作为质子供体或受体，或稳定反应过渡态。
- 形成交联： 在胶原蛋白和弹性蛋白等结缔组织蛋白中，赖氨酸侧链可以发生氧化并与其他赖氨酸或脯氨酸侧链形成共价交联（如赖氨酰醛缩合），从而赋予这些蛋白质强大的机械强度和弹性。这是赖氨酸结构在蛋白质层面形成更复杂结构的体现。
【赖氨酸结构】有多少可变性？
尽管赖氨酸的基本结构是固定的，但在立体化学和电离状态上存在可变性：
立体异构体：L-赖氨酸与D-赖氨酸
由于 α-碳是手性的，赖氨酸存在两种互为镜像的对映异构体：L-赖氨酸和 D-赖氨酸。它们的结构除了在α-碳的四个取代基的空间排列上是不可重叠的镜像外，其他方面完全相同。在生物体合成蛋白质时，主要使用 L-赖氨酸。D-赖氨酸相对少见，可能存在于某些细菌细胞壁肽聚糖中或作为某些小分子肽的一部分。
电离状态
如前所述，赖氨酸分子上的三个可电离基团（α-COOH, α-NH₂, ε-NH₂）会根据溶液的 pH 值发生质子化或去质子化，导致分子整体携带不同的净电荷。从 pH 0 到 pH 14，赖氨酸可以经历从 +2 价到 -1 价的多种电荷状态。这种电离状态的可变性是其在不同环境中表现不同性质的基础。
【赖氨酸结构】如何表示？
赖氨酸的结构可以用多种方式表示，以突出不同的信息：
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二维结构式： 最常见的表示方法，通常使用线条和字母来显示原子连接和官能团。可以表示 Fischer 投影式来展示手性构型（L 或 D）。
例如，L-赖氨酸的结构式可以描绘为一个中心碳原子，向上连接 α-羧基，向下连接侧链，向左连接 α-氨基，向右连接氢原子（在 Fischer 投影中）。侧链则继续向下延伸，依次连接四个 CH₂ 基团，最后连接 ε-NH₂。
- 三维结构模型： 球棍模型或空间填充模型可以更直观地展示赖氨酸分子在三维空间中的形状、原子的大小和相互距离。这对于理解其构象、与其他分子的相互作用以及在蛋白质内部的堆积方式非常有用。特别能体现侧链的柔韧性和 ε-氨基的位置。
【赖氨酸结构】与其他氨基酸结构有何不同？
赖氨酸的结构独特性主要体现在其侧链：
- 侧链长度与氨基位置： 赖氨酸的侧链比大多数其他带电荷的氨基酸（如天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、组氨酸）都要长。精氨酸和组氨酸也是碱性氨基酸，但它们的碱性来自于侧链上的胍基或咪唑基，而不是伯氨基。赖氨酸是将一个伯氨基放在一个较长的脂肪族间隔臂的末端，这赋予了 ε-氨基较大的自由度和反应性，并使其能够参与多种共价修饰。
- 带电荷性质： 与中性氨基酸侧链（如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺）不同，赖氨酸侧链在生理 pH 下带正电荷。这使其能够参与离子相互作用，这是中性侧链不具备的特性。
- 作为特定修饰位点： ε-氨基的结构赋予赖氨酸独特的化学反应性，使其成为蛋白质乙酰化、泛素化等重要翻译后修饰的主要靶点，而其他氨基酸侧链通常参与不同类型的修饰（例如，丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸的羟基常被磷酸化或糖基化，半胱氨酸的硫醇基形成二硫键）。
总之，赖氨酸的结构——特别是其长而末端带伯氨基的侧链——是其所有生物学功能和化学性质的基础，使其在蛋白质的结构、功能和调控中扮演着不可或缺的角色。
