通过结构式学习氨基酸时，往往会画成 H2N-CH(R)-COOH 这样的中性形式。但是，在水中或生理pH下，许多氨基酸并不仅仅以这种形式存在。相反，氨基接受质子变为 -NH3+、羧基失去质子变为 -COO- 的两性离子形式才更为重要。
什么是两性离子
两性离子是指在同一分子内同时带有正电荷和负电荷的化学物种。对于氨基酸而言，典型情形是氨基带正电荷、羧基带负电荷。用结构式可以表示为：
+H3N-CH(R)-COO-
| 表示 | 形式 | 特征 |
|---|---|---|
| 中性形式（结构式上的表示） | H2N-CH(R)-COOH |
常用于图示 |
| 两性离子形式（水溶液中） | +H3N-CH(R)-COO- |
生理pH下的主要形式 |
在这种结构中，由于整个分子内的正电荷与负电荷相互平衡，净电荷可能为0。但是重要的是，这并不意味着不存在电荷，而是分子内同时带有两种电荷。
为什么会形成两性离子
为什么氨基酸容易成为两性离子呢？原因在于氨基和羧基的酸碱性。
- 羧基是作为酸容易释放质子的官能团
- 氨基是作为碱容易接受质子的官能团
因此，同一分子内发生质子转移，羧基变为 -COO-、氨基变为 -NH3+ 的形式更稳定。
PubChem对L-半胱氨酰甘氨酸两性离子说明，它由羟基向氨基的质子转移产生，并指出在pH 7.3时是主要的微观化学物种。这有助于理解氨基酸和肽在水中并非以简单的中性结构存在，而是更倾向于以带电荷的结构存在。
两性离子对物性的影响
两性离子的存在也影响氨基酸的物性。氨基酸虽然是较小的有机分子，但有时却具有相对较高的熔点。这是因为分子之间存在离子相互作用。此外，它们容易与水发生相互作用，水溶液中的电荷状态会随pH变化。
与等电点的关系
理解两性离子后，等电点也变得容易理解。在等电点处，分子整体的净电荷为0，但这并不意味着没有电荷。在大多数情况下，分子同时带有正电荷和负电荷，并保持平衡状态。PMC刊载的论文将蛋白质的pI定义为净电荷变为0的pH，并说明pH低于pI时带正电、pH高于pI时带负电。
pH与电荷状态的变化
通过结构式考虑氨基酸的两性离子时，也需要意识到pH的影响。
| pH条件 | 羧基 | 氨基 | 整体电荷 |
|---|---|---|---|
| 强酸性 | -COOH |
-NH3+ |
正 |
| 中间（等电点附近） | -COO- |
-NH3+ |
0（两性离子） |
| 强碱性 | -COO- |
-NH2 |
负 |
两性离子也是不能将氨基酸简单当作"中性分子"处理的原因。即便结构式画作 H2N-CH(R)-COOH，实际水溶液中也需要考虑 +H3N-CH(R)-COO- 这样的形式。理解这一差异，对于学习溶解度、等电点、电泳、蛋白质表面电荷等有所帮助。
总结
氨基酸的两性离子是指同一分子内同时带有正电荷和负电荷的形式。氨基变为 -NH3+、羧基变为 -COO-，因此即使净电荷为0，分子内仍存在电荷。两性离子的概念对于理解氨基酸的物性、等电点以及蛋白质的电荷都非常重要。
