在化學中，氨基酸是同時含有胺和羧基官能團的分子。在生物化學中，該術語指通式為 NH2CHRCOOH 的 α-氨基酸。 [1]這些分子的氨基和羧酸根連接在同一個碳上，稱為 α-碳。各種α氨基酸的不同之處在于其α碳上連接的側鏈（R基團）。它的大小可以變化，從甘氨酸中的氫原子到丙氨酸中的甲基，再到色氨酸中的大雜環(huán)基團。

α-氨基酸是蛋白質的組成部分。蛋白質通過氨基酸縮合形成通過肽鍵連接的氨基酸“殘基"鏈。每種不同的蛋白質都有氨基酸殘基序列；該序列是蛋白質的一級結構。氨基酸也可以以不同的序列連接起來形成各種各樣的蛋白質。

苯丙氨酸是標準氨基酸之一。

細胞在蛋白質生物合成中使用二十種標準氨基酸，這些氨基酸由通用遺傳密碼決定。這二十種氨基酸是由其他分子生物合成的，但生物體的不同之處在于它們可以合成哪些氨基酸以及必須在飲食中提供哪些氨基酸。生物體不能合成的氨基酸稱為必需氨基酸。

氨基酸是蛋白質的基本結構單元。它們形成稱為肽的短聚合物鏈或稱為多肽或蛋白質的較長鏈。這種從 mRNA 模板形成的過程稱為翻譯，是蛋白質生物合成的一部分。二十種氨基酸由標準遺傳密碼編碼，稱為蛋白氨基酸或標準氨基酸。蛋白質中含有的其他氨基酸通常是通過翻譯后修飾形成的，即蛋白質合成中翻譯后的修飾。這些修飾對于蛋白質的功能或調節(jié)通常是必需的；例如，谷氨酸的羧化可以更好地結合鈣陽離子，脯氨酸的羥基化對于維持結締組織和應對缺氧至關重要。此類修飾還可以確定蛋白質的定位，例如，添加長疏水基團可以導致蛋白質與磷脂膜結合。

二十種標準氨基酸要么用于合成蛋白質和其他生物分子，要么氧化成尿素和二氧化碳作為能量來源。 [2]氧化途徑從轉氨酶去除氨基開始，然后氨基進入尿素循環(huán)。轉酰胺基化的另一種產物是進入檸檬酸循環(huán)的酮酸。 [3]生糖氨基酸也可以通過糖異生轉化為葡萄糖。[4]

自然界中已發(fā)現數百種非蛋白質氨基酸，它們在生物體中具有多種功能。微生物和植物可以產生不常見的氨基酸。在微生物中，例子包括 2-氨基異丁酸和羊毛硫氨酸，羊毛硫氨酸是一種硫橋丙氨酸二聚體。這兩種氨基酸都存在于肽類羊毛硫抗生素中，例如阿拉甲星。 [5]而在植物中，1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸是一種小的雙取代環(huán)狀氨基酸，是生產植物激素乙烯的關鍵中間體。 [6]

在人類中，非蛋白質氨基酸也具有重要的生物學作用。甘氨酸、γ-氨基丁酸和谷氨酸是神經遞質，許多氨基酸用于合成其他分子，例如：

• 色氨酸是神經遞質血清素的前體
• 甘氨酸是血紅素等卟啉的前體
• 精氨酸是一氧化氮激素的前體
• 肉堿用于細胞內的脂質運輸，
• 鳥氨酸和 S-腺苷甲硫氨酸是多胺的前體,
• 同型半胱氨酸是 S-腺苷甲硫氨酸回收的中間體

還存在羥脯氨酸、羥賴氨酸和肌氨酸。甲狀腺激素也是α-氨基酸。

甚至在隕石中也檢測到了一些氨基酸，特別是在一種稱為碳質球粒隕石的隕石中。 [7]這一觀察結果促使人們提出生命可能是從外星來源到達地球的。

在下面所示的結構中，R表示各氨基酸側鏈。稱為 Cα 的中心碳原子是手性中心碳原子（甘氨酸除外），兩個末端和 R 基團連接在其上。氨基酸通常根據側鏈的性質分為四組。側鏈可以使它們表現得像弱酸、弱堿、親水性（如果它們是極性的）和疏水性（如果它們是非極性的）。標準氨基酸列表中列出了 20 種標準氨基酸的化學結構及其化學性質。

短語“支鏈氨基酸"或BCAA有時用于指具有非線性脂肪族側鏈的氨基酸；它們是亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。脯氨酸是側基與α-氨基連接的蛋白質氨基酸，因此也是在該位置含有仲胺的蛋白質氨基酸。脯氨酸有時被稱為亞氨基酸，但這在當前的命名法中是不正確的

異構

大多數氨基酸可以存在兩種旋光異構體，即 D 型和 L 型。L-氨基酸代表了蛋白質中發(fā)現的絕大多數氨基酸。 D-氨基酸存在于外來海洋生物（如錐蝸牛）產生的一些蛋白質中。[9]它們也是細菌肽聚糖細胞壁的豐富成分。 [10]

氨基酸構型的L和D約定不是指旋光活性，而是指與氨基酸具有相同立體化學的甘油醛異構體的旋光活性。 S-甘油醛是左旋的，R-甘油醛是右旋的，因此S-氨基酸即使不是左旋的也被稱為L-，而R-氨基酸即使不是右旋的也同樣被稱為D-。

這些氨基酸異構現象的一般規(guī)則有兩個例外。首先，甘氨酸，其中 R = H，不可能存在異構現象，因為 α-碳帶有兩個相同的基團（氫）。其次，在半胱氨酸中，L = S 和 D = R 的分配顛倒為 L = R 和 D = S。半胱氨酸的結構與其他氨基酸類似（相對于甘油醛），但硫原子改變了 Cahn 的解釋-Ingold-Prelog優(yōu)先規(guī)則。

反應

由于氨基酸同時具有伯胺基和伯羧基，因此這些化學物質可以經歷與這些官能團相關的大部分反應。這些包括胺基團的親核加成、酰胺鍵形成和亞胺形成以及羧酸基團的酯化、酰胺鍵形成和脫羧。氨基酸的多個側鏈也可以發(fā)生化學反應。這些反應的類型由這些側鏈上的基團決定，并在涉及每種特定類型氨基酸的文章中進行了討論。
肽鍵形成

由于氨基酸的胺基和羧酸基團都可以反應形成酰胺鍵，因此一個氨基酸分子可以與另一個氨基酸分子反應并通過酰胺鍵連接。氨基酸的聚合作用產生了蛋白質。該縮合反應產生新形成的肽鍵和水分子。在細胞中，該反應不會直接發(fā)生，而是通過酯鍵連接至轉移 RNA 分子來激活氨基酸。這種氨酰 tRNA 是在氨酰 tRNA 合成酶進行的 ATP 依賴性反應中產生的。然后，該氨?；?tRNA 成為核糖體的底物，核糖體催化延長蛋白鏈的氨基對酯鍵的攻擊。 由于這種機制，所有蛋白質都是從 N 端開始合成，并向 C 端移動。

然而，并非所有肽鍵都是以這種方式形成的。在少數情況下，肽是由特定的酶合成的。例如，三肽谷胱甘肽是細胞防御氧化應激的重要組成部分。該肽是由游離氨基酸分兩步合成的。[13]在第一步中，γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶通過谷氨酸的側鏈羧基（該側鏈的γ碳）和半胱氨酸的氨基之間形成的肽鍵縮合半胱氨酸和谷氨酸。然后，這種二肽通過谷胱甘肽合成酶與甘氨酸縮合，形成谷胱甘肽。

在化學中，肽是通過多種反應合成的。固相肽合成中常用的一種，它使用氨基酸的芳香族肟衍生物作為活化單元。這些按順序添加到不斷增長的肽鏈上，肽鏈附著在固體樹脂支持物上。

由于氨基酸同時具有胺和羧酸的活性基團，因此它們可以被視為酸和堿（盡管它們的天然 pH 值通常受 R 基團的影響）。在稱為等電點的特定 pH 值下，胺基團獲得正電荷（質子化），酸基團獲得負電荷（去質子化）。確切的值因每種不同的氨基酸而異。這種離子被稱為兩性離子。由于其偶極性質，兩性離子可以作為具有非常高熔點的白色晶體結構從溶液中提取。接近中性的生理 pH 值允許大多數游離氨基酸以兩性離子形式存在。

親水性和疏水性氨基酸

根據側鏈的極性，氨基酸的親水性或疏水性特征有所不同。這些特性對于蛋白質結構和蛋白質-蛋白質相互作用很重要。側鏈物理特性的重要性來自于它對氨基酸殘基與其他結構相互作用的影響，無論是在單個蛋白質內還是在蛋白質之間。親水性和疏水性氨基酸的分布決定了蛋白質的三級結構，它們在蛋白質外部結構上的物理位置影響其四級結構。例如，可溶性蛋白質的表面富含絲氨酸和蘇氨酸等極性氨基酸，而整合膜蛋白往往具有疏水性氨基酸的外環(huán)，將其錨定到脂質雙層中，并且錨定到膜上的蛋白質具有鎖定到膜中的疏水端。同樣，必須與帶正電的分子結合的蛋白質的表面富含帶負電的氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸，而與帶負電的分子結合的蛋白質的表面富含賴氨酸和精氨酸等帶正電的鏈。最近提出了一種基于疏水締合自由能的新疏水性尺度[16]。必須與帶正電的分子結合的蛋白質的表面富含帶負電的氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸，而與帶負電的分子結合的蛋白質的表面富含賴氨酸和精氨酸等帶正電的鏈。最近提出了一種基于疏水締合自由能的新疏水性尺度[16]。必須與帶正電的分子結合的蛋白質的表面富含帶負電的氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸，而與帶負電的分子結合的蛋白質的表面富含賴氨酸和精氨酸等帶正電的鏈。最近提出了一種基于疏水締合自由能的新疏水性尺度[16]。

蛋白質的親水和疏水相互作用不必僅依賴于氨基酸本身的側鏈。通過各種翻譯后修飾，其他鏈可以附著到蛋白質上，形成疏水性脂蛋白或親水性糖蛋白。

標準氨基酸縮寫及側鏈性質表

除了正常的氨基酸代碼之外，使用占位符來應對肽或蛋白質的化學或晶體學分析無法確定結構中某個殘基的身份。他們無法解析的是這些氨基酸對：

Unk 有時用來代替 Xaa，但不太標準。

非標準氨基酸

除了二十種標準氨基酸和兩種特殊氨基酸外，還有大量的“非標準氨基酸"。其中兩種可以在遺傳密碼中編碼，但在蛋白質中相當罕見。硒代半胱氨酸在 UGA 密碼子處摻入某些蛋白質中，該密碼子通常是終止密碼子。 [18]一些產甲烷細菌將吡咯賴氨酸用于產生甲烷的酶中。它是用密碼子 UAG 編碼的。

蛋白質中未發(fā)現的非標準氨基酸的例子包括羊毛硫氨酸、2-氨基異丁酸、脫氫丙氨酸和神經遞質γ-氨基丁酸。非標準氨基酸通常作為標準氨基酸代謝途徑的中間體出現 - 例如鳥氨酸和瓜氨酸出現在尿素循環(huán)中，是氨基酸分解代謝的一部分。 [20]

非標準氨基酸通常是通過對標準氨基酸進行修飾而形成的。例如，同型半胱氨酸是通過半胱氨酸的轉硫途徑形成的，或作為S-腺苷甲硫氨酸代謝的中間體，[21]，而多巴胺是由酪氨酸合成的，羥脯氨酸是通過脯氨酸的翻譯后修飾產生的。

技術用途

在20種標準蛋白氨基酸中，有10種被稱為必需氨基酸，因為人體無法通過化學反應從其他化合物合成它們，因此必須從食物中獲取。半胱氨酸、酪氨酸、組氨酸和精氨酸被認為是兒童的半必需氨基酸，因為合成這些氨基酸的代謝途徑尚未發(fā)育。