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甘氨酸

甘氨酸

甘氨酸（Glycine，缩写Gly或G）又名氨基乙酸、氨基醋酸，是一种结构最简单的氨基酸，分子式C2H5NO2，相对分子质量75.07，是氨基酸中分子量最小的一个，属于非必需氨基酸。甘氨酸无毒、无臭、有甜味，外观呈白色结晶性粉末，熔点232～236℃（产生气体并分解），只有一种构型，无旋光性。甘氨酸在水中易溶，在乙醇或乙醚中几乎不溶，化学性质较为稳定。

甘氨酸最初由勃拉可诺（Braconnot）用稀硫酸水解明胶时发现，1855年卡奥尔（Cahours）采用氯乙酸、氨和乙醇反应，合成了甘氨酸并确定了其分子结构，随着科技的发展，甘氨酸的合成方法也在逐渐增加，主要有水解法、施特雷克法、改进的施特雷克法、氯乙酸法、直接乙内酰脲法和生物法等。

甘氨酸作为氨基酸可以参与人体蛋白质的合成，广泛存在于生物体各处，作为非必需氨基酸，人体可以自己合成甘氨酸，另外在食物中，部分食物富含甘氨酸，比如豆角、酿酒酵母、乳制品、蛋、鱼、豆科、肉类等。同时，在神经系统中，脑和脊髓对于甘氨酸具有特殊亲和性，这是因为氨基酸具有神经递质的作用，除此之外，甘氨酸还具有解毒功能，能将带苯环的有毒物质（如苯甲酸）在肝脏中通过结合解毒的方式生成马尿酸从尿中排出。

甘氨酸用途广泛，在日用化工中，常被用于生产高档洗洁精、表面活性剂、染发剂等；在食品和饲料中，甘氨酸也是常用作食品的调味剂和去苦味剂，饲料的营养补充成分；在医药领域，常被用作药物溶剂、金霉素中和剂、抗氧增效剂，同时也是常用的医药中间体；在农药领域，用于生产制备农药草甘膦和增甘磷。此外，甘氨酸也可用作分析化学的试验试剂和生化培养基的原料。

理化性质

甘氨酸只有一种构型，无旋光性，分子式C2H5NO2，相对分子质量75.07。为无毒、无臭、有甜味的白色结晶性粉末，味觉阈值0.13%，相对密度1.16g/cm3，熔点为232～236℃（产生气体并分解），可溶于水，微溶于乙醇、醚等，水溶液呈酸性。甘氨酸化学性质稳定，通常条件下能保存2～3年。因甘氨酸分子中有一分子氨基和一分子羧基，故具有羧基和氨基的性质，能与酸碱发生中和反应，也可以发生茚三酮反应和桑格反应，甘氨酸高温下可燃烧，是一种可燃性物质，且受热可发生脱水反应，生成环状交酰胺。

茚三酮反应

茚三酮反应是甘氨酸的α-NH2所引起的反应，α-氨基酸与水合茚三酮在弱酸条件下共热时，发生反应生成蓝紫色物质。首先是氨基酸被氧化分解生成醛，同时释放出氨和二氧化碳，而水合三则被还原，其还原物可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色物质。

桑格反应

桑格反应由桑格首先发现，是氨基酸与2，4二硝基氟苯的反应。在弱碱性（pH8～9）、暗处、室温或40℃条件下，甘氨酸的α-氨基很容易与2，4-二硝基苯反应，生成黄色的2，4-二硝基苯氨酸。

生物合成与降解

在机体中，甘氨酸主要用来合成蛋白质。在神经系统中，一些神经元将甘氨酸作为神经递质。

合成

甘氨酸的合成主要发生在线粒体中。合成途径有三种，一是由丝氨酸在丝氨酸甲基转移酶（serine hydroxymethyltransferase，SHMT）的催化下生成甘氨酸，其中SHMT以四氢叶酸作为辅酶。

二是由乙醛酸与谷氨酸（主要的）、谷氨酰胺、天门冬氨酸、天冬胺或鸟氨酸等发生转氨基作用合成甘氨酸。三是乙酸通过氨基化（即甘氨酸脱氨的逆反应）合成甘氨酸。

降解

在哺乳动物体内，甘氨酸的主要分解代谢途径是生成N5,N10-亚甲四氢叶酸，由甘氨酸裂解酶体系催化。此酶体系分布于肝细胞线粒体中。甘氨酸裂解酶体系包括NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、FH4（四氢叶酸）及磷酸吡哆醛等4种辅酶，它是一复合酶体系。其反应机理类似丙酮酸的氧化脱羧作用，甘氨酸经它催化，氧化脱羧基及脱氨基，与此同时生成N5,N10-亚甲四氢叶酸。

甘氨酸的另一条次要代谢途径是以氧化脱氨基的方式生成乙醛酸及草酸。催化甘氨酸氧化脱氨基的酶是甘氨酸氧化酶和D氨基酸氧化酶。乙醛酸更进一步氧化则生成草酸或甲酸，甲酸可进入一碳单位代谢途径，草酸自尿排出，乙醛酸还可经转氨作用再生成甘氨酸，人类缺乏维生素B或先天缺乏催化此反应的甘氨酸氨基转移酶，都可增加尿中草酸的排泄量。

生理作用

作为生物合成中间体

甘氨酸在体内能转变成多种重要生理活性物质，也可以作为非必需氨基酸参与蛋白质合成。其中甘氨酸能转变的生理活性物质包括嘌呤碱（核酸及核苷酸成分）、肌酸（组织中储能物质）、卟啉（血色素、细胞色素等的辅基）、结合胆汁酸（促进脂类消化吸收）等，另外，甘氨酸在体内通过氨基化或转氨基变为其他非必需氨基酸，多个氨基酸连接在一起形成肽段，肽段继续连接氨基酸，最终形成蛋白质。

作为神经递质

在神经系统中，一些神经元将甘氨酸作为突触传递的神经递质，主要作用部位在脑和脊髓，它可以作用于甘氨酸受体起兴奋或者抑制性作用；比如甘氨酸可以与GABA（γ-氨基丁酸）受体之间形成交互抑制；也可以作为NMDA（N-甲基-D-天门冬氨酸）受体的共同配体，增强NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）受体的功能或者引起受体内吞；甘氨酸甚至还可以直接激活一类特殊的NMDA受体（NR3-NMDA）。

作为解毒剂

无论是外来的或体内产生的毒物，身体必须及时处理，并排出体外，以维持健康，肝脏是最重要的能够参与解毒作用的器官。它主要的解毒方式是结合解毒。有毒物质在肝脏中与某些物质结合，生成无毒、毒性较小或易于溶解的化合物，然后随尿排出体外。肝细胞中参与结合解毒的物质种类很多，而甘氨酸是肝脏结合解毒的重要物质之一，有些带有苯环的酸不能在体内完全氧化，可在肝内与甘氨酸结合。如苯甲酸在肝脏内与甘氨酸结合生成马尿酸从尿中排出。

应用领域

日用化工

在日用化工领域，甘氨酸可以用来生产洗洁精、表面活性剂、染发剂和化妆品等，如甘氨酸与高级脂肪酸盐的复配产物为生产高档洗涤剂的有效成分；还可用于制备含氟氨基酸类新型表面活性剂；同时，甘氨酸还能用于生产具有良好的头发调湿性和染色性的氨基酸的染发剂、护肤和清洁用化妆品的复配剂；此外，还可用于配制发泡性强、药物化妆品的乳液，具有增湿剂和增稠剂的作用。

食品和饲料添加剂

甘氨酸在食品行业主要以增味剂、香料功能以及营养增补、防腐、稳定剂作用加入到食品中，比如在动植物食品和含醇饮料的加工中使用可改善食品风味、增加甜味，而添加量也根据食物种类的不同而不同，在葡萄酒中添加量约0.4%、香槟酒中添加量约1.0%、粉末物料中添加量约2.0%；同时，由于甘氨酸能抑制枯草芽孢杆菌及大肠杆菌的繁殖，在食品加工可作为防腐剂和稳定剂；另外，甘氨酸还可用作配制调节胃液酸度、提高肌肉活力的运动员营养饮料及其他氨基酸食品的原料。

甘氨酸是一种重要的动物饲料添加剂。在饲料中添加甘氨酸可以为畜禽的成长提供营养补充成分，还能防止饲料氧化变质，延长饲料保鲜期。

医药

在医药方面，甘氨酸可作为医学微生物和生物化学氨基酸代谢研究用药，用做药物的溶剂，金霉素的中和剂；也可以有效治疗胃酸过多（许多抗酸药中都含有甘氨酸）对抑制胃溃疡亦有效；此外，甘氨酸也可作为多种药物中间体，例如治疗高血压药物盐酸地拉普利，抑制胃溃疡用碳酸钙制剂、扑热息通甘氨酸盐、单甘氨酸乙酰水杨酸钙、利血胺注射液等。

农药

甘氨酸是生产高效广谱除草剂草甘膦的重要中间体。草甘膦杀草力强，能根除其他杀草剂难以杀灭的多年深根恶性禾本科杂草，具有低毒、易分解、无残留等优点。用甘氨酸还可以合成农药增甘磷，这是一种高效叶面施用的植物生长调节剂，广泛用于各种农作物，还可用于收获前的脱叶剂，主要用作甘蔗和甜菜催熟并增加糖分。

科研

甘氨酸在分析化学中用来配制试剂，如甘氨酸是开展SDS-PAGE（k12 聚丙烯酰胺凝胶电泳）实验缓冲体系的试剂之一，也是科研上生化培养基的原料之一。

分布情况

部分食物富含甘氨酸，比如豆角、酿酒酵母、乳制品、蛋、鱼、豆科、肉类等。各食物中甘氨酸的含量如下表所示。

甘氨酸作为氨基酸可以参与人体蛋白质的合成，广泛存在于生物体各处，同时，在神经系统中，脑和脊髓对于甘氨酸具有特殊亲和性，脊髓中甘氨酸的含量灰质高于白质，灰质中前角高于后角，背根和腹根中含量甚低。脑桥和延脑中的甘氨酸含量也很高。

2009年，美国航空航天局的一支科学家团队宣布，“星尘号”太空探测器带回了维尔特2号慧星上的甘氨酸。这是人们第一次太空中发现氨基酸。2016年，通过罗塞塔号彗星探测器航天器，在丘留莫夫－格拉西缅科彗星 / Churyumov-Gerasimenko中检测到甘氨酸。

制备方法

水解法

由蚕丝及动物胶等蛋白质经酸水解、精制、过滤和干燥而得。此法因原料消耗量大，精制复杂，甘氨酸含量低而受到限制。

施特雷克法

将甲醛水溶液、氰化钾（或氰化钠）和氯化铵混合，同时加入乙酸，使之析出CH2 氨基乙腈的无色结晶，将产物过滤，在硫酸存在下加乙醇分解，得到氨基乙腈硫酸盐；将上述产物用氢氧化钡分解，得到氨基乙酸钡；然后再加入硫酸，使定量沉淀、过滤，将滤液浓缩，放置冷却，析出甘氨酸。

改进的施特雷克法

改进的施特雷克法是以氢氰酸替代化钠或氰化钾的工艺，反应以氢氰酸、甲醛、氨和二氧化碳为原料，在低温下析出甘氨酸，母液循环使用，通过改变反应体系中副产物的浓度，使平衡向目标产物方向移动，从而达到提高反应收率的目的。虽然该工艺具有流程短、收率高和不产生污染等诸多优势，但由于氢氰酸的剧毒性和易挥发性，无法长距离运输，装置只能放在其原料装置附近，制约了甘氨酸生产的发展。

氯乙酸法

该工艺以氯乙酸与液氨为原料，在催化剂作用下制得。在通有冷却水的反应釜里加入催化剂的水溶液，滴加氯乙酸水溶液，同时通入液氨（或者是氨气），在pH 值6.5～7.0、反应温度80 ℃左右的条件下进行氨化反应。反应结束后，得到含有甘氨酸和氯化铵的水溶液，降温并滴加甲醇醇析。醇析结束后，离心干燥制得甘氨酸。生产工艺流程如下图所示。

直接海因法

采用天然气副产物羟基乙腈为原料来生产甘氨酸，既解决了氢氰酸不易处理的缺陷，又保持了改进Strecker 工艺的优点。

生物法

生物法制备甘氨酸工艺是以甘氨腈为原料，在微生物酶的作用下，使甘氨水溶液进行水解反应，从而转化为甘氨酸，同时伴随产生氨。

物质结构

甘氨酸的结构是氨基酸中最简单的，因为它的侧链R是个氢原子，所以甘氨酸的Cα，不是手性碳，它是α-氨基酸中唯一无手性的α-氨基酸。

甘氨酸是氨基酸系列中结构最为简单，人体非必需的1种氨基酸。在分子中同时具有酸性和碱性官能团，在水溶液中为强电解质，在强极性溶剂中溶解度较大，基本不溶于非极性溶剂，而且具有较高的沸点和熔点，通过水溶液酸碱性的调节可以使甘氨酸呈现不同的分子形态。

甘氨酸的结晶有单斜晶系晶系、六方晶系，但若溶于水重结晶，则得到单斜晶的棱柱状结晶。

毒性

小鼠经口LD50大于6.8~8.0g/kg，大鼠经口LD507.93g/kg。美国FDA将甘氨酸列为GRAS（Generally Recognized As Safe）物质。甘氨酸为正常蛋白质的组分，无害。在工业应用中不需要特别的预防措施。

法规限制

甘氨酸有一定的甜味，能缓和酸、碱味，掩盖食品中添加糖精的苦味并增强甜味。但是作为调味品在国标中的限量为不超过0.1%。人体若摄入甘氨酸的量过多，不仅不能被人体吸收利用，而且会打破人体对氨基酸的吸收平衡而影响其他氨基酸的吸收，导致营养失衡而影响健康。美国FDA规定：作为氨基酸源时，限量为食品中总蛋白质含量的3.5%；用作食用油脂中单、双丙三醇的稳定剂，限量为0.02%（以单、双甘油脂的量计）。

参考资料

Glycine.pubchem.2024-01-22

"Rosetta's comet contains ingredients for life. European Space Agency.2024-02-05

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