2 蛋白质化学

2 蛋白质化学

第二章蛋白质化学

2.1氨基酸

2.1.1蛋白质氨基酸的结构及分类

2.1.2氨基酸的理化性质

2.2肽

2.2.1肽和肽链的结构及命名

2.2.2重要的天然寡肽

2.3蛋白质的分子结构

2.3.1蛋白质的一级结构

2.3.2蛋白质的构象和维持构象的作用力

2.3.3蛋白质的二级结构

2.3.4蛋白质的三级结构

2.3.5蛋白质的超二级结构和结构域

2.3.6蛋白质的四级结构

2.4蛋白质结构与功能的关系

2.4.1一级结构与功能的关系

2.4.2空间结构与功能的关系

2.5蛋白质的重要性质

2.5.1蛋白质的相对分子质量

2.5.2蛋白质的两性解离及等电点

2.5.3蛋白质的胶体性质

2.5.4蛋白质的沉淀反应

2.5.5蛋白质的变性与复性

2.5.6蛋白质的紫外吸收与呈色反应

2.6蛋白质的分类

2.6.1简单蛋白质

2.6.2结合蛋白质

2.7蛋白质的分离提纯及应用

2.7.1蛋白质分离纯化的一般原则

2.7.2蛋白质的应用

第二章蛋白质化学

本章提要蛋白质是由20种L-α-氨基酸以肽键相连构成的生物大分子。各氨基酸的特征基团R侧基决定了该氨基酸的类别和性质，如酸碱性、紫外吸收、pI、亲水性等。蛋白质由于含有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸而在280 nm有吸收峰。蛋白质一级结构指肽链中氨基酸排列顺序。二级结构是肽链上不同肽段的空间结构，叫作构象单元，包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲，维持其结构稳定的是主链形成的氢键。三级结构是多肽在二级结构基础上通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠、借助次级键维系使各构象单元相互配置而形成的特定构象。超二级结构和结构域是介于二、三级结构之间的一个结构层次。四级结构由多个蛋白亚基组成，其中每一条多肽或蛋白单体称为亚基。蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物功能的基础，蛋白质一级结构决定高级结构，后者又决定功能。蛋白质的两性解离、胶体性、沉淀反应、变性与复性等性质与其一级结构有关，是制定蛋白质研究技术的重要依据。

蛋白质(protein)是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。

生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者：

①酶是以蛋白质为主要成分的生物催化剂，代谢反应几乎都是在酶的催化下进行

的。

②结构蛋白参与细胞和组织的建成，如微管蛋白、伸展蛋白、胶原蛋白、膜蛋白、

角蛋白等。

③某些动物激素是蛋白质，如胰岛素、生长素、促卵泡激素、促甲状腺激素等，在

代谢调节中具有十分重要的作用。

④运动蛋白如肌肉中的肌动蛋白、肌球蛋白(收缩蛋白)以及鞭毛和纤毛蛋白与肌肉

收缩和细胞运动有关。

⑤高等动物的抗体、补体、干扰素等蛋白质具有防御功能。

⑥某些蛋白质具有运输功能，如血红蛋白和肌红蛋白运输氧；脂蛋白运输脂类；细

胞色素和铁氧还蛋白传递电子；细胞膜上的离子通道、离子泵、载体等运输离子和代谢物。

⑦激素和神经递质的受体蛋白有接受和传递信息的功能。细胞表面抗原参与免疫反

应和细胞识别。

⑧染色质蛋白、阻遏蛋白、转录因子等参与基因表达的调控；细胞周期蛋白等具有

调控细胞分裂、增殖、生长、分化的功能。

⑨种子贮藏蛋白、卵白蛋白、酪蛋白、血浆白蛋白等具有贮存氨基酸和蛋白质的功

能。

此外，如视网膜上感觉光信号的视色素，味蕾上的味觉蛋白，某些植物、昆虫、微生物产生的毒素蛋白，各有其独特的功能。

据估计，大肠杆菌细胞中约有3 000种不同的蛋白质，真核细胞中则有大约100 000种蛋白质。根据蛋白质的元素分析，发现它们除含C、H、O外，还含有N和少量S，部分蛋白质还含有P和某些微量元素，如Fe、Cu、Mo、Zn、I和Se等。蛋白质中N的平均含量为16％，即1 mg蛋白氮相当于625 mg蛋白质，这就是凯氏定氮法测定蛋白质含量的根据。

2．1 氨基酸

尽管在各种生物体内已发现了180多种氨基酸(amino acid，AA)，但参与组成蛋白质的氨基酸只有20种，称为蛋白质氨基酸，某些蛋白质中的稀有氨基酸组分都是基本氨基酸参入多肽链后经酶促修饰形成的，不参与蛋白质组成的氨基酸，称为非蛋白质氨基酸。

2．1．1 蛋白质氨基酸的结构及分类

蛋白质氨基酸是蛋白质的基本结构单位或构件分子，生物体内构成蛋白质的氨基酸，除脯氨酸是一种α-亚氨基酸外，其余的都是α-氨基酸，除没有手性碳原子的甘氨酸外，其它蛋白质氨基酸均为L-型氨基酸。

图2-1 a氨基酸的基本结构：四个不同基团连接在α-碳原子周围；

b氨基酸的两种立体异构体

可见20种蛋白质氨基酸在结构上的差别仅在于侧链基团R的不同。通常根据R基团的性质把这20种氨基酸分为非极性氨基酸(疏水氨基酸)和极性氨基酸(亲水氨基酸)两大类，后者又可分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和非解离的极性氨基酸，它们的名称、符号和结构式见表2-1。

此外也可按R基团的结构特点把氨基酸划分成脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。还可从营养学的角度将其分为非必需氨基酸和必需氨基酸，前者可由机体自行合成，后者在某些生物体内(如人类和大白鼠)不能合成或合成量不足以维持正常的生长发育，因此必须依赖食物供给。10种必需氨基酸中L-精氨酸和L-组氨酸尚可少量合成，因此也称为半必需氨基酸。

2.1.2 氨基酸的理化性质

2.1.2.1 氨基酸的两性解离与等电点

氨基酸同时含有氨基和羧基，是两性电解质，在水溶液或结晶内基本上均以兼性离子或偶极离子的形式存在。氨基酸的兼性离子在酸性溶液中可接受质子形成阳离子，在碱性溶液中则释放质子形成阴离子。以甘氨酸为例:

K2’ K1’

上式中K1′和K2′分别代表α-碳原子上—COOH和—NH+3的表观解离常数，

K1′=［H+］［R±］/［R+］，K2′=［H+］［R-］/［R±］

若以pH表示［H+］，上式可写成：pH＝pK1′lg(［R±］/［R+］)和pH＝pK2′+lg(［R-］/［R±］)