第十九章 含氮天然化合物

第十九章含氮天然化合物
在自然界中，存在许多含氮的有机物，例如氨基酸、多肽、蛋白质、核酸、生物碱等。

这些化合物与生命现象有着非常密切的关系。

了解这些物质的结构和基本性质，对人们理解生命现象将十分有益。

19.1 氨基酸、多肽与蛋白质
蛋白质（protein）是一类结构复杂的生物大分子，是生物体内一切细胞的重要组成成分，与多糖、核酸等生物大分子一样，蛋白质是生命的重要物质基础。

从化学结构来看，蛋白质和多肽（polypeptide）都是氨基酸（amino acid）通过肽键（peptide linkage）连接而成的聚合物。

将蛋白质和多肽水解可依次得到相对分子质量较小的低聚肽，最终得到α－氨基酸。

由于蛋白质分子中氨基酸的种类、数量、排列顺序和理化性质的不同，蛋白质种类繁多、结构复杂、生物功能各异。

为了解多肽和蛋白质的结构特点和性质，本节对氨基酸的化学及多肽和蛋白质的结构特点作简单必要的介绍。

19.1.1氨基酸
一、氨基酸的结构、分类和命名
自然界中存在的氨基酸有几百种，由生物体内蛋白质水解得到的氨基酸却只有20种，这20种氨基酸受DNA遗传密码控制合成蛋白质，故又称编码氨基酸，它们都是α－氨基羧酸（脯氨酸为α－亚氨基酸）。

H2N COOH
H
R COOH
2
L－氨基酸
氨基酸的结构式
式中R代表侧链基团，不同的氨基酸只是R结构不同。

R可以是H和烃基，也可以是含有其他功能基的基团。

这20种氨基酸中除甘氨酸（R为H）外，其他各氨基酸分子中的α—碳原子均为手性碳原子，都有旋光性。

这些天然氨基酸按Fischer投影式表示时，α—氨基都在左边，因此都确定为L构型。

氨基酸分子中既含有酸性的羧基，又含有碱性的氨基，因此存在质子在分子内转移的动态平衡。

在生理pH情况下，羧基几乎完全以－COO－形式存在，大多数氨基则主要以－NH3+形式存在。

也就是说，氨基酸通常是偶极离子，以内盐形式存在：
R CH COO-
3+
R CH COOH
2
若用R/S构型表示法标记这些氨基酸中的α—手性碳原子，除半胱氨酸为R构型外，
其余均为S 构型。

按分子中R 基团的不同，氨基酸可以分为：1）脂肪族氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸等；2）芳香族氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸等；3）杂环氨基酸，如组氨酸、色氨酸等。

按分子中羧基和氨基的数目不同，可以分为：1）酸性氨基酸。

分子中有两个羧基一个氨基的氨基酸，通常在生理pH 情况下带有负电荷，它们是天冬氨酸和谷氨酸；2）碱性氨基酸。

分子中有两个或两个以上的氨基或亚氨基、次氨基，只有一个羧基的氨基酸，通常在生理pH 情况下带有正电荷，它们是赖氨酸、精氨酸和组氨酸；3）中性氨基酸。

这些氨基酸因其分子中只含一个—NH 3+ 和一个—COO -，如甘氨酸、丙氨酸等。

根据R 基团的结构和特性，中性氨基酸又可细分为两类：一类是R 基团为非极性的疏水基团，如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等；另一类是R 基团为极性的亲水基团，如丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸和半胱氨酸等。

需注意的是，上述分类中的“酸性”、“碱性”和“中性”并非指这些氨基酸水溶液的pH 值。

在中性氨基酸中，酸性基团释放出质子的能力比碱性基团接受质子的能力要强，所以中性氨基酸水溶液的pH 值并不是7，而是略小于7。

存在于生物体内蛋白质中的二十种常见氨基酸的名称、结构和英文缩写列于表19.1中。

表19.1 存在于蛋白质中的20种氨基酸
中文名称 英文名称
英文
三字母 缩
写 中文
缩写
结构式（偶极离子）
等电
点(pI)
非极性氨基酸
甘氨酸
glycine
Gly
G
甘
H CH CO
2
-
NH
3+
5.97
丙氨酸 alanine Ala A 丙
CH 3
CH CO
2
-
NH
3+
6.00
亮氨酸* leucine Leu L 亮
CH
CH 2CH
H 3C
H 3C
CO
2
-
NH 3
+
5.98 异亮氨酸* isoleucine Ile I 异亮
CH CO
2
-
NH 3
+
H 3C
H 3CH 2C
6.02
缬氨酸* valine Val V 缬
H 3C
H 3C
CH CO
2
-
NH 3
+
5.96
脯氨酸 proline Pro P 脯
N
+
H
H
CO 2
-
6.30
苯丙氨酸* phenylalanine Phe F 苯 CH 2
CH
CO
2
-
NH 3
+
5.48 甲硫(蛋)氨酸*
methionine Met M 甲硫(蛋) CH 3SCH 2CH 2CH CO
2
-NH
3
+
5.74 R 基团为极性且不带电荷氨基酸
丝氨酸
serine
Ser
S
丝
HO
CH 2
CH CO
2
-
NH 3
+
5.68
谷氨酰胺 glutamine Gln Q 谷酰
H 2N
C CH 2CH 2O
CH
NH
3
+CO
2
- 5.65 苏氨酸* threonine Thr T 苏
CH 3CH CH
OH
CO 2
-
NH 3+
5.60
半胱氨酸 cysteine Cys C 半胱
HS
CH 2
CH
NH 3+
CO
2
-
5.07 天冬酰胺 asparagine Asn N
天酰 H 2N
C O
CH 2
CH
NH 3
+
CO
2
-
5.41
酪氨酸 tyrosine Tyr Y 酪
H O
CH 2
CH NH 3
+
CO 2
-
5.66 色氨酸* tryptophan Trp W 色
N
CH
2
CH CO
2
-
NH
3+
H
5.89 酸性氨基酸
天冬氨酸
aspartic acid
Asp
D
天
HO
C
O CH 2
CH
NH
3
+
CO
2
-
2.77 谷氨酸 glutamic acid Glu E 谷 CH NH
3
+
CO
2
-
CCH 2CH
2
O HO
3.22 碱性氨基酸
赖氨酸*
lysine
Lys
K
赖
H 3N
+
(CH 2)4
CH NH
2
CO
2
-
9.74
精氨酸 arginine Arg R 精
H 2N
C NH
2
+NH(CH 2)3
CH NH
2
CO 2
-
10.76
组氨酸 histidine His H 组
N
N CH 2
CH CO
2
-
NH 3
+
H
7.59 表中带*为必需氨基酸
氨基酸的命名可采用系统命名法，即以羧酸为母体，氨基作为取代基进行命名。

但习惯上往往根据其来源和某些特性而使用俗名，例如氨基乙酸因其具有甜味而称为甘氨酸，天冬氨酸最初来源于天门冬植物而得其名。

还常用其英文名称的缩写符号表示，这在表示长链大分子时尤为适用。

不同蛋白质中所含氨基酸的种类和数目各异，有些氨基酸在人体内不能合成或合成数量不足，必需从食物蛋白中摄取，这些氨基酸称为必需氨基酸，表19.1中用“*”标记的八种氨基酸，就是常见的必需氨基酸。

二、氨基酸的物理与化学性质
氨基酸一般为无色晶体，熔点一般在 200～300 C 之间，比相应的羧酸和胺都高。

多数氨基酸在较高温度时分解放出CO 2，因而没有确定的熔点。

氨基酸易溶于强酸、强碱等极性溶剂中，大多难溶于乙醚、苯和石油醚等有机溶剂。

不同的氨基酸在水和乙醇中的溶解度差异较大。

除甘氨酸外，其他的氨基酸都有旋光性。

氨基酸具有氨基和羧基的典型反应。

例如，氨基可以发生酰化反应，可与亚硝酸作用；羧基可以形成羧酸衍生物等。

不同的侧链基团也表现出不同的特性。

此外，由于分子中同时具有氨基与羧基，它们的相互影响使氨基酸还表现出一些特殊的性质。

1）酸碱两性和等电点
氨基酸在固态或水溶液中是偶极离子，既能与较强的酸成盐，也能与较强的碱成盐，具有两性化合物特征。

在酸性较强的水溶液中，偶极离子中的－COO -作为碱，从H 3O +中夺取H + 后，氨基酸以阳离子形式存在；在碱性较强的水溶液中，偶极离子中－NH 3+作为酸给出H +
后，氨基酸以阴离子形式存在。

氨基酸在水溶液中形成如下的平衡体系：
CH 3+R COOH
CH
3+
R COO -CH 2
R COO
-
-OH -CH
2
R
COOH
pH ＜pI
pH ＝pI pH ＞pI
由于－COOH 给出质子的能力大于－NH 3+，其共轭碱－COO - 接受质子的能力小于－NH 2，所以中性氨基酸的水溶液显弱酸性，带有负电荷。

适当调节溶液的pH 值使氨基酸主要以偶极离子形式存在，所带正、负电荷数相等，净电荷为零，在电场中也不泳动。

这种使
氨基酸处于等电状态时溶液的pH值，称为氨基酸的等电点（isoelectric point），以pI表示。

当氨基酸处于等电点时，再加入一定量的酸，则pH＜pI，偶极离子中的－COO- 接受质子，平衡左移，此时氨基酸主要以阳离子形式存在，在电场中向负极移动；相反，若加入适量碱后，则pH＞pI，偶极离子中的－NH3+ 给出质子，平衡向右移动，氨基酸主要以阴离子形式存在，在电场中向正极移动。

氨基酸的等电点是一个特定参数，每种氨基酸都有各自特定的pI值（表19.1）。

酸性氨基酸的等电点较小，在2.5～3.5之间，碱性氨基酸的等电点较大，在9～11之间，中性氨基酸的等电点略小于7，一般在5～6.5之间。

在不同的pH溶液中，同一氨基酸可呈现不同的离子形式，在同一pH溶液中，不同氨基酸也可有不同的离子形式。

氨基酸在等电点时，由于静电荷为零，此时氨基酸的溶解度最小，容易沉淀析出。

故在高浓度的混合氨基酸溶液中通过调节溶液的pH值，可使不同的氨基酸分步沉淀而分离，以得到较纯的各种氨基酸。

在同一pH的缓冲溶液中，不同的氨基酸带电状态不同，它们在直流电场中移动的方向和速率也不相同，可利用电泳的方法来分离或鉴定不同的氨基酸。

2）羧基的反应
氨基酸的羧基能转化成酯、酐和酰胺等，这里重点介绍氨基酸的脱羧反应。

—氨基酸与氢氧化钡一起加热或在高沸点溶剂中回流，可发生脱羧反应，失去二氧化碳后，得到少一个碳原子的胺：
R CH COO-
NH3+
R CH2NH2CO2
-
+
氨基酸的脱羧也可在脱羧酶的作用下进行。

动物死后其尸体失去抗菌能力，蛋白质中的精氨酸、赖氨酸等在细菌作用下脱羧可得腐胺（NH2—(CH2)4—NH2）和尸胺（NH2—(CH2)5—NH2）等，散发出难闻的气味。

很多肉食品中的肌球蛋白含有的组氨酸在脱羧酶的作用下可脱羧转变成组胺，过量组胺会导致人体产生过敏反应，甚至严重的疾病。

脱羧酶
CO
2
+
N
N
H
NH3+
COO-
N
N
H
NH2
组氨酸组胺
3）氨基的反应
氨基酸分子中的氨基能发生酰基化、烷基化等反应。

氨基酸中的氨基—NH2与亚硝酸作用，生成相应的α
－羟基酸，同时定量地释放出氮气：
R CH COO-
NH3+
H NO2R CH COO H
OH
N2H2O 测定反应中所释放出N2的量，即可计算出样品物质中氨基酸的含量，这种方法称为范
斯莱克（V an Slyke）氨基氮测定法，常用于氨基酸的定量分析。

脯氨酸分子中含有的亚氨基属于仲胺，与亚硝酸作用不能释放出氮气。

氨基酸与5-二甲氨基萘-1-磺酰氯（丹酰氯，dansyl chloride，DNS-Cl）进行磺酰化反应，分子中的氨基被磺酰化，生成丹酰基氨基酸，在紫外光下呈强烈的黄色荧光。

N(CH3)2
SO2Cl
H3N+C HCOO-
R
N(CH3)2
SO2NHCHC O OH
R
HCl +
该反应很灵敏，常用于微量氨基酸的定量测定及多肽的N-末端氨基酸分析。

4）与水合茚三酮的反应
氨基酸与茚三酮的水溶液共热时，能生成蓝紫色的化合物，称为罗曼紫（Ruhemann's purple）。

2
O
O OH
OH
H3N+CHCOO-
OH
O
N
O
O
RCHO CO
2
水合茚三酮+
+++3H2O
罗曼紫的颜色深浅以及CO2的产生量，可作为氨基酸定量分析的依据。

亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）呈黄色。

在层析和电泳等实验中，也常利用该显色反应对氨基酸和蛋白质进行定性鉴定和标记。

需注意的是其他含有伯氨基（－NH2）的物质也有此反应，医学实验中检验氨基酸、多肽和蛋白质的存在常常使用茚三酮。

5）脱水反应
α—氨基酸受热后可脱水形成六元环状的二酰胺：
R CH
2
R
CH
HOOC
H2N
++
Δ
2 H2O
HN
NH
O
R R
此反应类似于α—羟基酸脱水形成交酯的反应，其产物也可看作是二酮吡嗪的衍生物。

在适当条件下，氨基酸分子间还可脱水形成链状的缩合物：
H3N+CH CO
1NH CH CO
2
NH CH COO-
R n
19.1.2 多肽
一、多肽的结构、分类和命名
由多个氨基酸相互之间脱水以酰胺键连接形成的链状缩合物称作肽（peptide ）。

肽分子中的酰胺键又称为肽键，肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基。

根据组成肽的氨基酸残基数目不同，可分别称为二肽、三肽……等，依此类推。

—般由十个氨基酸以下组成的叫寡肽或低聚肽（oligopeptide ），而由更多氨基酸组成的称为多肽（polypeptide ）。

在肽链里的有游离α氨基的一端称为N —端，有游离α羧基的另一端称为C —端。

书写时通常以N —端在左，C —端在右。

命名时以C —端的氨基酸残基为母体称为“某氨酸”，从N —端开始依次将其他氨基酸残基称为“某氨酰”置于母体名称之前。

简写时通常以氨基酸的中文或英文的缩写符号来表示。

例如由丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸形成的一个三肽结构式为：
H 3+N CH CH 3N CH 2O
H
N
O CH H
2OH
COO -命名：丙氨酰甘氨酰丝氨酸
缩写：丙－甘－丝 或 Ala －Gly －Ser
二、 肽键的平面结构
肽键与两个α碳原子组成的结构部分称为肽单元。

经过对寡肽晶体结构的键长、键角以及构象的研究。

发现肽键中C-N 键的键长为0.132nm ，介于正常的C-N 单键（0.149nm ）和C-N 双键（0.127nm ）之间，
可以推测这是由于肽键中氮原子与羰基的p —π共轭造成的。

这使得C-N 键具有一定的双键特征，因而肽单元是有一定刚性的平面结构。

这种p-π共轭的存在，使C-N 键的旋转受到阻碍。

由于肽键不能自由旋转，肽键平面上各原子可出现顺反异构现象，一般呈较稳定的反式构型。

肽键平面中除C-N 键不能自由旋转外，与α-碳原子连接的价键均为σ键，因而相邻的肽键平面可围绕α-碳旋转，肽链的主链骨架也可视为由一系列通过α-碳原子衔接的肽键平面所组成。

肽键平面的旋转所产生的立体结构可呈现多种不同的构象，如果已知这些肽单元平面的夹角，多肽链的构象就能够确定。

三、 多肽一级结构的测定
各种氨基酸在多肽链中的排列顺序称为多肽的一级结构。

测定多肽的结构不但要确定组
成多肽的氨基酸种类和数目，还需测出这些氨基酸残基在肽链中的排列顺序。

可见这是一项复杂的工作。

1）多肽中氨基酸组成的测定
测定多肽中氨基酸的组成时，需先将多肽充分水解成游离的氨基酸。

因碱性溶液易引起分子的外消旋化，常使用酸性水溶液水解。

通过色谱法或氨基酸分析仪确定其组成成分，再测定肽的分子质量，计算出各种氨基酸分子数目。

2）多肽链中末端氨基酸分析
多肽分子中氨基酸残基的排列顺序，可用末端残基分析法和部分水解法等方法进行测定。

末端残基分析法即定性确定肽链中N—端和C—端的氨基酸。

N—端氨基酸残基的常用分析方法除前叙丹酰氯法以外，还有2,4—二硝基氟苯（DNFB）法和异硫氰酸苯酯法。

C—端氨基酸的分析常用羧肽酶法。

DNFB法：利用DNFB与肽链N—端的氨基发生反应生成2,4—二硝基苯基（DNP）—肽结合物。

由于DNP基团与N—端氨基的结合较牢固，不易被酸水解，故当用酸将DNP—肽彻底水解成游离氨基酸时，可得DNP-氨基酸。

通过分离鉴定，即可得知N—端为何种氨基酸。

此法的缺点是消耗一条肽链只能得到N—端一个氨基酸的信息，样品消耗量大。

异硫氰酸苯酯法：异硫氰酸苯酯和N—端的氨基反应，生成苯胺基硫代甲酸衍生物。

该化合物在无水氯化氢作用下，发生一个成环反应，形成一个苯基乙内酰硫脲的衍生物从肽链上断裂下来，而肽链中其它的肽键不受影响。

苯基乙内酰硫脲可用层析或质谱法鉴定。

少一个氨基酸的肽链还可以继续循环测定，据此设计的与计算机连用的氨基酸分析仪可连续测定几十个N—端氨基酸。

H2NCHCONH
R 肽链+C6H5N=C=S
C=S
NH
CH
R
CO
肽链
C6H5
无水溶剂
HN
N C=S
NH
CH
R
C
肽链
C6H5
NH2+
O
苯基乙内酰硫脲
羧肽酶法：羧肽酶是一种特殊的生物试剂，它能选择性地水解肽链中C—端氨基酸的肽键，这样可以反复用于缩短的肽，逐个测定新的C-端氨基酸。

在反应过程中间隔一定时间测定水解液中的各氨基酸的浓度，即可推知简单肽链中氨基酸从C-端开始的排列次序。

3）部分水解法测定肽链中氨基酸次序
对于大分子的多肽，常将肽链用酸或酶不完全的水解成多个小片段，这些片断经分离纯化后测定。

根据这些小片断组合、排列对比，找出关键的重叠、连接顺序即可获得多肽中的一些连接信息，最终获得完整肽链中氨基酸残基排列顺序。

例如：谷—半胱—甘三肽中三种氨基酸可以有六种排列方式，用不同的酶将谷—半胱—甘三肽中的两个肽键选择性的水解，可得到两种二肽和一个氨基酸，若得到以下的二肽和氨
基酸：
谷—半胱+ 甘
谷+ 半胱—甘
则可知此三肽是：谷—半胱—甘。

多肽除了作为蛋白质代谢的中间产物外，某些重要的生物活性肽，如脑啡肽、谷胱甘肽、肌肽等，在生物生长、发育、繁衍及代谢等生命过程中起着各自的重要作用。

19.1.3蛋白质
蛋白质是生命的物质基础，它是生物体内极为重要的功能大分子化合物，是所有细胞的重要组成部分。

生物体内起催化作用的酶，调节代谢的某些激素，保护动物机体的毛、发、指、趾等均含有蛋白质成分，它还在血液中完成氧气和其它物质的运输功能。

各种蛋白质的性质和功能存在着差异，有些甚至截然不同。

如病毒引发疾病，而抗体能防止疾病；卵清蛋白易溶于水，受热易变性，易发生化学反应，而角蛋白却难溶于水，化学性质很稳定。

本节主要介绍蛋白质的组成、结构以及蛋白质的化学通性。

一、蛋白质的元素组成
蛋白质是含氮生物大分子，在人体内的蛋白质有十万种以上。

其质量约占人体干重的45％。

对各种天然蛋白质经过元素分析，得出其百分组成为：
C：50～55％ H：6.0～7.0％ N：15～17％ O：19～24％ S：0～4％
有些蛋白质还含有P、Fe、Cu、Zn、Mn、I等金属元素。

在这些元素组成中，含氮量是经常用到的数据，由于生物体内绝大部分氮元素都来自蛋白质，且各种来源不同的蛋白质的含氮量都相当接近，其平均值约为16％，即每克氮相当于6.25g的蛋白质。

因此，可通过氮的定量分析，测量生物样品中蛋白质的含量。

W(蛋白质)％=W(N)％×6.25
二、蛋白质的分子结构
蛋白质是氨基酸的多聚物，小分子的蛋白质和多肽之间没有绝对的分界线，通常将相对分子质量在一万以上的称为蛋白质，一万以下称为多肽。

蛋白质的结构复杂，各种不同的蛋白质除了不同的氨基酸在分子链中的连接顺序不同外，还有其特定的立体结构。

以不同的“视野”观察蛋白质分子的结构，可将其分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

蛋白质的一级结构称为初级结构或基本结构，二级以上的结构属于构象范畴，称为高级结构。

蛋白质的各级结构由各种不同的作用力来维持其稳定性。

一级结构主要由肽键将各氨基酸牢固地连接，肽键称为蛋白质分子中的主键。

除肽键外，还有各种弱作用力维持着蛋白质分子的整体结构和构象。

这些弱作用力有氢键、离子键、疏水键、二硫键和酯键等。

图19.1表示出它们的结合状况。

1.二硫键
2.氢键
3.离子键
4.酯键
5.疏水键
氢键：氢键是由分子中的羟基、羰基、羧基、氨基等基团之间形成的。

氢键不仅能在主链之间形成，还可在侧链之间或主链与侧链之间形成。

单个氢键地结合力较弱，但大量地氢键是维持蛋白质高级结构的重要结合力。

二硫键：二硫键是由两个巯基（－SH）之间脱氢而形成的。

它可将不同的肽链或同一条肽链的不同部位连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有重要作用。

二硫键是共价键，键能较高，比较牢固。

蛋白质中二硫键越多，蛋白质分子结构的稳定性也越高。

生物体内起保护作用的毛发、鳞甲、角、爪中的主要蛋白质是角蛋白，它含二硫键数量最多，其支撑能力足以作为毛发、鳞爪的骨架，以抵抗外界对生物体的影响。

同时，二硫键也是一种保持蛋白质生物活性的重要价键，如胰岛素分子链间二硫键断裂，其生物活性也就丧失。

疏水键：疏水键主要是由碳氢型非极性基团结合而成，疏水键不是化学键，它只是基团之间的一种作用力。

由于这些基团相互之间的结合力大于它们与水分子之间的结合力，这种结合力使这些基团互相聚集在蛋白质分子内部，而将水分子从分子内排挤出去。

大多数的蛋白质含有30～50％的非极性基团，这些非极性或极性较弱的基团都具有疏水性，这是维持蛋白质空间结构的主要力量。

离子键：离子键又称盐键（salt bond）。

分子结构中的带正电基团（如－NH3+）和带负电基团（如－COO-）在适当的距离时，就会因静电引力结合形成离子键。

离子所带有的电荷，主要分布在蛋白质分子的表面，其亲水特性可增加蛋白质分子的水溶性。

离子键在维持蛋白质的高级结构上作用有限。

此外，还有酯键、配位键、V an der Waals力等在蛋白质的空间结构中起稳定作用。

1) 蛋白质分子的一级结构（primary structure）
蛋白质分子的一级结构是指多肽链中α—氨基酸残基的排列顺序，特定的蛋白质都有其特定的氨基酸排列顺序。

有些蛋白质分子中只有—条多肽链，例如核糖核酸酶。

有些蛋白质分子中则含有两条或多条肽链，例如胰岛素分子就是由两条肽链构成的。

图19.2表示了人胰岛素分子中各氨基
酸排列的一级结构：
图19.2 人胰岛素的一级结构
胰岛素是由51个氨基酸形成的两条肽链，一条是由21个氨基酸结合而成的A链，另一条是由30个氨基酸结合而成的B链，A链和B链是通过两个二硫键连接形成的。

在A链上还有一个链内二硫键。

氨基酸在蛋白质中的排列顺序由遗传决定，不少蛋白质中氨基酸的排列顺序有很高的相似之处，例如不同种属的胰岛素在氨基酸的组成及排列顺序中稍有差异。

由此可知，为数众多的蛋白质可能起源于相对较少的基本类型。

2）蛋白质分子的二级结构（secondary structure）
蛋白质分子中的肽链段并非直线型，而是盘绕折叠成不同的形状，即不同的空间构象，这就是蛋白质的二级结构。

氢键是维持二级结构的主要副键，当肽链中的羰基和亚氨基靠拢到一定距离（0.28nm）时，氧原子和氢原子就会相互作用形成氢键。

氢键的结合能较肽键小得多，但蛋白质分子中大量的氢键可以维持其二级结构的稳定。

蛋白质的二级结构有α－螺旋、β－折叠层、β－转角以及无规卷曲等。

这里主要介绍α－螺旋和β－折叠两种二级结构。

α－螺旋（α－helix）：多肽链中各氨基酸残基通过α—碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种螺旋盘曲的构象。

绝大多数蛋白质分子是右手螺旋结构（图19.3），这是由于天然氨基酸的L－构型所引起的。

在α－螺旋结构中，每个螺旋圈含有3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基沿螺旋圈的中心轴伸展150pm，故每一螺旋圈的伸展距离为540pm。

螺旋圈之间以氢键维持，侧链R基团都指向螺旋圈的外侧。

氨基酸残基中亚氨基上的氢原子与第四个氨基酸残基中的羰基形成氢键。

由于众多的亚氨基和羰基都参与形成氢键，保持了α－螺旋构象的稳定性。

R基团的形状、大小以及电荷状态对α－螺旋的形成及稳定性均有影响。

肽链中脯氨酸的存在终止了α－螺旋的延续，使肽链发生转折。

这是由于肽链中的脯氨酸没有氢原子来形成氢键的缘故。

图19.3 蛋白质中的α－螺旋结构
β－折叠层（β－pleated sheet）：β－折叠结构中的肽链伸展成波浪锯齿形，多条肽链或一条肽链的间隔片断并排成为一个平面片层，平面片层的紧密排列使之成为未完全打开的“折叠”形状（图19.4）。

在β－折叠结构中，相邻肽段间靠肽链中的羰基和亚氨基形成氢键，各条主链骨架同时作一定程度的折叠，留出空间以容纳邻近的R侧链基团，避免了形成氢键的空间障碍，几乎所有肽键均参与形成链间氢键，以维持构象的稳定。

在蛋白质的多肽链中的某一段常出现180°角的回折，这种回折的结构称为β-转角。

由
于氨基酸残基的相互影响，而使肽键呈不规则的排列以致形成无一定规律的形象，称为无规
卷曲。

由于不同蛋白质中各种二级结构的比例不同，使不同的蛋白质分子呈现出不同的球状或丝状等。

3）蛋白质分子的三级结构（tertiary structure）
蛋白质的三级结构是指蛋白质分子在二级结构基础上，整条肽链进一步盘曲回绕形成较复杂的空间构象。

蛋白质的三级结构使蛋白质分子能够较为紧凑地束缚在一起，肌红蛋白形成一个不规则的近似球形的结构（图19.5）。

不同的蛋白质有不同的三级结构。

它们由侧链R基团的各种副键来维持其稳定性。

哺乳类动物中的肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的多肽链，与辅基血红素共同组成一个整体。

相对分子质量约为17000，其大小为4.3nm × 3.5nm × 2.3nm。

其分子表面多为亲水基团，因此肌红蛋白有较好的水溶性。

图19.5 肌红蛋白的三级结构图19.6 血红蛋白四级结构
4) 蛋白质分子的四级结构（quaternary structure）
具有三级结构的两条或两条以上的多肽链，可由疏水键、盐键等副键相互缔合在一起，形成一定的空间形状。

每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（subunit）。

在蛋白质分子中，亚基的立体排布、亚基间相互接触部位的布局称为蛋白质的四级结构。

四级结构不包括亚基内部的空间结构，一般亚基多为偶数，较小的蛋白质有2～10个亚基，大的蛋白质分子可含上千个亚基。

如β－乳球蛋白有2个亚基，血红蛋白有4个亚基，脱铁铁蛋白的亚基数为20，烟草花叶病毒的外壳蛋白是由2130个相同的亚基形成的多聚缔合体。

含奇数个亚基的蛋白质很少见。

蛋白质中的亚基可以是相同的，也可以不同。

血红蛋白（hemoglobin）由4个亚基组成，其中两条α－链、两条β－链，α－链含141个氨基酸残基，β－链含146个氨基酸残基。

每条肽链都卷曲成一个近于四面体的球状，其中心空穴可容纳一个血红素辅基，4个亚基通过侧链间副键两两交叉紧密相嵌形成一个具有四级结构的球状血红蛋白分子。

图19.6表示四个亚基组成血红蛋白四级结构的情况。

三、蛋白质的性质
1）酸碱两性和等电点。