第17章氨基酸和蛋白质-新(4)

氨基酸分子中既有羧基又有氨基，是一类多 官能团化合物。它既表现出各官能团的典型 化学性质，同时，由于羧基和氨基的相互影 响，又显示出一些特殊的化学性质。
（一）两性电离和等电点
分子内部酸性基团和碱性基团所形成的盐称 为内盐。内盐分子中包含正、负离子两部分， 所以又称为两性离子（zwitter-ion）或偶极 离子。偶极离子即可与较强的酸反应，又可 与较强的碱反应，表现出两性化合物的特性。
（二）蛋白质的高级结构
蛋白质分子的多肽链并不是以完全伸展的线 状形式存在，而是通过分子中Cα —H、Cα — N单键的旋转而盘曲、折叠形成特定的三维 空间结构，这种空间结构称为蛋白质的高级 结构。
1．蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构主要指的是多肽链中 原子的空间排布。
N原子上的孤电子对与羰基之间形成共 轭体系，使得C—N单键具有部分双键性质， 限制了肽键的自由旋转。实际上，肽键具有 平面结构，称为肽键平面。其中Cα 1、羰基 碳和氧、氮和氢以及Cα 2共六个原子在同一 平面上，氧原子和氢原子呈反式。
中性氨基酸的pI在5.1～6.5之间
（二）显色反应
α -氨基酸与水合茚三酮在水溶液中加热时， 能放出二氧化碳，并生成紫色的化合物，称 为罗曼氏紫。
O OH
-
R-CH-COO
2
+ OH
N+ H3
O
ONH4 O
N=
O
O
+ RCHO + CO2
水合茚三酮
罗曼氏紫
此反应灵敏度高，是鉴定α -氨基酸简 便而迅速的方法，常用于层析时显色。还可 根据颜色的深浅程度及放出的二氧化碳的量 测定α -氨基酸的含量。
a- 螺旋(b)
（2）β—折叠 又称为β—片层结构。β—折 叠指多肽链呈一种铺开的折扇形状，相邻两 个氨基酸残基的距离约700pm。若干条多肽 链或一条多肽链的若干片段平行排列，维系 和固定β—折叠的作用力仍然是氢键。 β-折叠有两种类型，一种是多肽链从N-末端 到C-末端的排列是同方向的，称为平行β-折 叠，另一种是从N-末端到C-末端的排列是反 方向的叫反平行β-折叠。
肽键平面
（3）β-转角和无规卷曲
β-转角（β-turn）是指在蛋白质多肽链中 出现的180°的回折。β-转角结构上的特点是 一个氨基酸残基中的羰基上的氧与第四个氨 基酸残基肽键氮上的氢之间形成氢键。
无规卷曲（random coil）指的是多肽链 除了上述几种有规律的构象以外，还会存在 没有确定规律的构象。
肽一般是链状化合物。在链状多肽中有两个 末端，保留游离氨基的一端称为氨基末端， 又叫N-末端，一般写在肽链的左侧；保留游 离羧基的一端称为羧基末端，又叫C-末端， 一般写在肽链的右侧。
肽的命名方法是从N-末端开始，依次把每一 个氨基酸残基名称写出，并用酰字代替某氨 酸的酸字，处于C-末端的最后一个氨基酸保 留原名。
由于NH3+给出质子的能力大于COO-接受质子 的能力，即中性氨基酸在纯水中以负离子形 式存在。因此，氨基酸在水中的荷电状态取 决于氨基酸的结构。除结构因素外，还与溶 液的pH值有关。
R CH COONH2
H+ OH-
R CH COONH3+
H+ OH-
R CH COOH NH3+
负离子 （N） pH＞pI
②β- 折 叠
肽链中各肽键 平面通过αC
折成110o
氢键维系 相邻肽链
b. 逆向平行
两条肽链从N端到C端走向相反
a. 顺平行:两条肽链从N端到C端走向相同
③β-转角(β-bend)
多肽链的主链骨架呈 180o回折而呈发夹状，称 为β-转角.
由 4 个 连 续 AA. 残 基 构 成 ， 第 1 个 AA. 的 C=O 与 第 4 个 AA. 的 N －H之间形成氢键以维 系构象。
脯氨酸等亚氨基酸与水合茚三酮反应生 成黄色化合物。
（三）脱羧反应
氨基酸在脱羧酶或小心加热时可发生脱羧反应， 失去二氧化碳生成少一个碳原子的伯胺。
+
-
H3N(CH2)4CHCOO
N+ H 3
脱羧酶
H2N(CH2)4CH2NH2 + CO2
赖氨酸
1,5-戊二胺（尸胺）
由于氨基酸脱羧生成的产物大多呈碱性， 若这些化合物不能正常代谢，堆积在体内， 会引起碱中毒。
R
R'
R''
脱羧酶/H2O
O
O
HNCH C NHCH C OH + H2NCHCOO
R
R'
R''
（二）部分水解
将多肽用酸或内切酶催化进行部分水解，生 成的各种碎片（二肽、三肽等）再用端基分 析法鉴定。弄清各个碎片中氨基酸的结合顺 序，再逐步推断它们在整个多肽链中的排列 顺序。
三、活性肽
谷胱甘肽：谷胱甘肽（glutathione）是一种 三肽，广泛存在于动、植物体内。它的化学 名称为γ -谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。
H2N CH2 CONH CH COOH CH3
甘氨酰丙氨酸（Gly-Ala，俗称：甘丙肽）
H2N CH CONH CH2 COOH CH3
丙氨酰甘氨酸（Ala-Gly，俗称：丙甘肽）
H2NCHCONH CHCONH CH2CONH CHCOOH
CH3
CH2OH
CH2
丙氨酰丝氨酰甘氨酰苯丙氨酸 Ala—Ser—Gly—Phe 或A—S—G—F 中文名为：丙—丝—甘—苯丙
O
H
O
H2N CH C OH + HN CH C OH
R1
R2
OH
O
H2N CH C N CH C OH
ห้องสมุดไป่ตู้R1
R2
(二肽)
H
O
HN CH C OH
R3
OH
OH
O
H2N CH C N CH C N CH C OH
R1
R2
R3
(三肽)
第二节 肽
一、肽的结构和命名
氨基酸残基之间以肽键相互连接而形成的化合 物称为肽（peptide），它也是蛋白质水解的中间产 物。
O H3N+CHCNHCHCOOH
R
R
OH
二肽分子中的酰胺键“ C N ”称为 肽键（peptide bond）。肽键是多肽及蛋白 质分子中的主要化学键。组成肽分子的氨基 酸称氨基酸残基。
两种不同的氨基酸可以生成两种二肽。二肽 分子中尚有游离的羧基和氨基，还可以与另 外的氨基酸脱水，生成三肽、四肽乃至多肽。
由两个氨基酸之间脱水缩合而成的化合物称为 二肽，由三个氨基酸之间脱水缩合而成的化合物称 为三肽，同理还有四肽、五肽等等。一般将十肽以 下的叫做寡肽或低聚肽，十一肽以上的叫做多肽。
多肽分子中的酰胺键称为肽键(peptide bond)， 一般为a-COOH与a-NH2脱水缩合而成。
习惯上把相对分子质量超过10 000的多肽称为蛋白
第十七章 氨基酸,多肽和蛋白质
氨基酸是组成蛋白质的基本单位。 第一节 氨基酸
分子中同时具有氨基和羧基的化合物称为氨 基酸（amino acid）。存在于体内合成蛋白 质的氨基酸主要有20种。
一、氨基酸的结构
组成蛋白质的氨基酸都是α -氨基酸。天然的 氨基酸都是L-构型。
-
R-CH-COO
NH
+
3
-
NO2
O
O
O2N
F + H2NCHC NHCHC
O2N
R
R
H2O H+
O2N
NO2 O
NHCHCOOH + H2NCHC
R
R
NO2
O
O
NHCHC NHCHC
R
R
2．C-端分析
C-端分析时常用的试剂是羧肽酶。羧肽酶能 选择性的从游离羧基的一端水解多肽，其余肽 键不受影响。
O
O
HNCH C NHCH C NHCHCOOH
2．蛋白质的三级结构
在蛋白质二级结构的多肽链中，由于链上相 隔一定距离的氨基酸残基侧链的相互作用， 而进行范围更广泛的盘曲、折叠形成包括主、 侧链在内的空间排列，这种在一条多肽链中 所有原子在空间的整体排布称为蛋白质的三 级结构。 维系和稳定蛋白质三级结构的作 用力除氢键外，还包括盐键、二硫键、配位 键和Van der Waals力等。
当两分子的氨基酸受热时，氨基和羧基之间 交互作用，脱去两分子水，生成环状二酰胺。 此环状二酰胺在浓盐酸作用下，断开一个酰 胺键并生成二肽：
COOH H2N
R CH
+
HC R
NH2 HOOC
O
C
R CH NH
+
HN CH R C
O
2H2O
O C R CH NH
HN CH R C O
浓HCl/100℃
①a-螺旋构象(a-helix)：多肽链中各肽键平面通过a-C的旋转 围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲现象。盘曲可形成左手螺旋和 右手螺旋。绝大多数蛋白质分子是右手螺旋。
侧链R伸向 螺旋外侧
a- 螺旋(a)
螺旋之间靠 氢键维系
每个AA.残基 沿轴向升高 150pm,每隔 3.6个AA.残基 螺旋上升1圈
两性离子 （D） pH＝pI
正离子（P） pH＜pI
使氨基酸处于电中性状态时溶液的pH值，称 为该氨基酸的等电点，以pI表示。
氨基酸的等电点虽然用pH值来表示，但它 指的是氨基酸所带的正、负电荷相等，即氨基 酸呈电中性（净电荷为零）时溶液的pH值。
酸性氨基酸的等电点pI＜4.0(2.7～3.2) 碱性氨基酸的pI＞7.6(7.6～10.7)
一、蛋白质的元素组成
大多数蛋白质中氮的含量为16%左右，所 以在分析一个样品中蛋白质的含量时，只 要测定样品中的含氮量，就可推算出其中 蛋白质的大致含量（每克氮相当于6.25克 蛋白质）。
二、蛋白质的分类
三、蛋白质的结构
（一）蛋白质的一级结构
多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白 质的一级结构。蛋白质的功能与一级结构 有密切关系。在一级结构中，主要的化学 键是肽键，称为主键。
二. 肽键平面
肽单元：
Cα CO NH Cα
肽单元的空间结构特征: 1. 肽单元是平面结构。 2. 肽键具有局部双键性质。 3. 肽键呈反式构型。
二、肽链结构测定
如果组成肽的氨基酸残基有n个，就会有n的 阶乘（n！）个异构体。 多肽的结构不仅与组成的氨基酸的种类和数 目有关，还与氨基酸残基在肽链中的排列次 序有关。测定多肽的组成，一般是先彻底水 解成氨基酸，然后分离并测定各种氨基酸的 含量。再测定多肽的分子量，最后计算出不 同氨基酸的数目。
蛋白质的二级结构主要有：α -螺旋、β -折 叠、β -转角和无规卷曲等。
（1）α -螺旋：α -螺旋（α -helix）指的 是以α -碳原子为转折点，以螺旋方式按顺 时针方向盘旋延伸。螺旋每圈含3.6个氨基 酸残基，相邻两螺圈间的距离约为540pm。 每隔18个氨基酸残基（5圈）出现一个大重 复。这种α -螺旋称为右手α -螺旋，是常 见的、典型的α -螺旋结构。维系和固定 α -螺旋的作用力主要是氢键。
多肽分子中各种氨基酸的结合顺序，需要 用端基分析和部分水解等方法来测定。
（一）端基分析
分别测定肽链两端的氨基酸称为端基分析。 测定时选用一种合适的试剂，使其与N-末端 或C-末端的氨基酸作用，然后再水解。与该 试剂结合的氨基酸则必然是链端氨基酸。
1．N-端分析
N-端分析时常用的试剂是2,4 -二硝基氟苯 （DNFB）。它与N-末端的游离—NH2以共价键 结合，多肽水解后此共价键不断裂，因而含该 试剂的必然是N-端氨基酸。
H2NCHCH2CH2CONHCHCONHCH2COOH
COOH
CH2SH
还原型谷胱甘肽
H2NCHCH2CH2CONHCHCONHCH2COOH
COOH
CH2
S
S
CH2 H2NCHCH2CH2CONHCHCONHCH2COOH
COOH
氧化型谷胱甘肽
第三节 蛋白质
从结构上讲，蛋白质分子的结构更复杂，除 了有一定的氨基酸组成和排列顺序（一级结 构）以外，还有特殊的高级结构（空间结 构）。蛋白质的空间结构对它们的生物活性 起到同样重要的作用。
3.含一个氨基和一个羧基的氨基酸称为中性 氨基酸。
氨基酸的命名可采用系统命名法。命名时以 羧酸为母体，将氨基作为取代基，氨基的位 置常用希腊字母α 、β 、γ 等表示，称为氨 基某酸。但氨基酸常用俗名，此外，组成蛋 白质的20种氨基酸还常用中文简称、英文缩 写和单字符号来表示。
三、氨基酸的化学性质
(四)氨基酸与亚硝酸反应
伯胺结构的氨基酸与亚硝酸作用,可定量 放出氮气,生成α-羟基酸。可用于测定氨基 酸的含量（van Slyke氨基氮测定法）。
仲胺结构的氨基酸（如脯氨酸）与亚 硝酸作用,不会放出氮气。
NH3 R CH COO
+ HNO2
OH R CH COOH + N2 + H2O
（五）生成肽的反应
COO
+
H3N
H
R
-
COO
+
H3N C H R
L-氨基酸（通式）
-
COO
+
H3N
C
H
R
如用R、S法标记构型，组成蛋白质的氨基 酸，除半胱氨酸为R-构型外，其余的均为 S-构型。
二、氨基酸的分类和命名
根据分子中所含氨基和羧基的数目分为酸性 氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类。 1.分子中含一个氨基和两个羧基的氨基酸称为 酸性氨基酸，例如天门冬氨酸和谷氨酸。 2．分子中含两个氨基和一个羧基的氨基酸称 为碱性氨基酸，如赖氨酸、精氨酸和组氨酸 （含一个氨基和一个显碱性的咪唑环）。