生物化学—蛋白质的结构与功能
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第一章
目的：1.掌握蛋白质的概念、重要性和分子组 成。
2.掌握α-氨基酸的结构通式和20种氨基酸的名 称、符号、结构、分类；掌握氨基酸的重 要性质；熟悉肽和活性肽的概念。
3.掌握蛋白质的一、二、三、四级结构的特点 及其重要化学键。
4.了解蛋白质结构与功能间的关系。 5.熟悉蛋白质的重要性质和分类
蛋白质是由L-α-氨基酸通过肽键缩合而成的，具有较稳定 的构象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。 蛋白质是生命活动所依赖的物质基础，是生物体中含量最丰 富碱或蛋白酶的作用下，最终 水解为游离氨基酸（amino acid），即蛋白 质组成单体或构件分子。存在于自然界中 的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基 酸仅20种（称编码氨基酸），最先发现的是 天门冬氨酸（1806年），最后鉴定的是苏氨 酸（1938年）。
（2）多肽类激素和神经肽
人体内有许多激素属寡肽或多肽，如下丘脑—垂体分泌的催产素（9 肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（ACTH，39肽）等。催产素 和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同，前者使平滑肌收缩， 有催产和使乳腺泌乳的作用；后者能使小动脉收缩，增高血压，也有减 少排尿的作用。
（一）氨基酸的结构通式
组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点： 1．氨基连接在α- C上，属于α-氨基酸（脯氨
酸为α-亚氨基酸）。 2．R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-
型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的 氨基酸都是L-型。
注意：构型是指分子中各原子的特定空间排布，其变化要 求共价键的断裂和重新形成。旋光性是异构体的光学活性， 是使偏振光平面向左或向右旋转的性质，（-）表示左旋， （+）表示右旋。构型与旋光性没有直接对应关系。
2．生物活性肽
（1）谷胱甘肽（glutathione，GSH）
是由Glu、Cys、Gly组成的一种三肽，又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含 γ-肽键）。Cys的-SH是主要功能基团，GSH是一种抗氧化剂，是某些酶 的辅酶，可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化，保护巯基蛋白和酶的活 性。在GSH过氧化物酶的作用下，GSH还原细胞内产生的H2O2，生成 H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH还原酶催化下，又生成 GSH。
神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。如脑啡肽（5肽）、 β-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。
第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质的一级结构测定或称序列分析常用的方法是Edman 降解和重组DNA法。Edman降解是经典的化学方法，比 较复杂。首先要纯化一定量的待测蛋白质，分别作分子量 测定、氨基酸组成分析、N-末端分析、C-末端分析；要 应用不同的化学试剂或特异的蛋白内切酶水解将蛋白质裂 解成大小不同的肽段，测出它们的序列，对照不同水解制 成的两套肽段，找出重叠片段，最后推断蛋白质的完整序 列。重组DNA法是基于分子克隆的分子生物学方法，比 较简单而高效，不必先纯化该种蛋白质，而是先要得到编 码该种蛋白质的基因（DNA片段），测定DNA中核苷酸 的序列，再按三个核苷酸编码一个氨基酸的原则推测蛋白 质的完整序列。这两种方法可以相互印证和补充。
（二）氨基酸的分类
1．按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。 2．按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸、极性不
带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。 带有非极性R（烃基、甲硫基、吲哚环等，共9种）：甘（Gly）、丙 （Ala）、缬（Val）、亮（Leu）、异亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫 （Met）、脯（Pro）、色（Trp） 带有不可解离的极性R（羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：丝（Ser）、 苏（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys） 带有可解离的极性R基（共5种）：天（Asp）、谷（Glu）、赖 （Lys）、精（Arg）、组（His），前两个为酸性氨基酸，后三个是碱 性氨基酸。 蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，胶 原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质 加工修饰而成。
（三）氨基酸的重要理化性质
1．一般物理性质
2．两性解离和等电点（isoelectric point, pI）
3．氨基酸的化学反应 1）茚三酮反应
基氟苯（DNFB）的反应。
2）与2，4-二硝
三、肽（peptide）
1．肽键与肽链 一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水
形成的酰胺键称为肽键。由氨基酸通过肽键相连而 成的化合物称为肽。肽键及其两端的α-碳原子相连 所形成的长链骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N— Cα—C—N—Cα…称为多肽主链，—CαCN—是重复 单位。肽键是蛋白质分子中的主要共价键。多肽链 的方向性是从N末端指向C末端。 肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基。肽按其 序列从N端到C端命名。一般10肽以下属寡肽，10 肽以上为多肽。
第一节 蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成
经元素分析，主要有 C（50%～55%）、H（6%～ 7%）、O（19%～24%）、N（13%～19%）、S （0%～4%）。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、 Zn、Mn、Co、Mo、I等。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此， 可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。 每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质 含量（g%）
单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质，而人体有10万 种以上结构和功能各异的蛋白质，人体干重的45%是蛋白质。 生命是物质运动的高级形式，是通过蛋白质的多种功能来实 现的。新陈代谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进 行的，已发现的酶绝大多数是蛋白质。生命活动所需要的许 多小分子物质和离子，它们的运输由蛋白质来完成。生物的 运动、生物体的防御体系离不开蛋白质。蛋白质在遗传信息 的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构 等方面都起着重要的作用。随着蛋白质工程和蛋白质组学的 兴起和发展，人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越深刻。
目的：1.掌握蛋白质的概念、重要性和分子组 成。
2.掌握α-氨基酸的结构通式和20种氨基酸的名 称、符号、结构、分类；掌握氨基酸的重 要性质；熟悉肽和活性肽的概念。
3.掌握蛋白质的一、二、三、四级结构的特点 及其重要化学键。
4.了解蛋白质结构与功能间的关系。 5.熟悉蛋白质的重要性质和分类
蛋白质是由L-α-氨基酸通过肽键缩合而成的，具有较稳定 的构象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。 蛋白质是生命活动所依赖的物质基础，是生物体中含量最丰 富碱或蛋白酶的作用下，最终 水解为游离氨基酸（amino acid），即蛋白 质组成单体或构件分子。存在于自然界中 的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基 酸仅20种（称编码氨基酸），最先发现的是 天门冬氨酸（1806年），最后鉴定的是苏氨 酸（1938年）。
（2）多肽类激素和神经肽
人体内有许多激素属寡肽或多肽，如下丘脑—垂体分泌的催产素（9 肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（ACTH，39肽）等。催产素 和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同，前者使平滑肌收缩， 有催产和使乳腺泌乳的作用；后者能使小动脉收缩，增高血压，也有减 少排尿的作用。
（一）氨基酸的结构通式
组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点： 1．氨基连接在α- C上，属于α-氨基酸（脯氨
酸为α-亚氨基酸）。 2．R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-
型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的 氨基酸都是L-型。
注意：构型是指分子中各原子的特定空间排布，其变化要 求共价键的断裂和重新形成。旋光性是异构体的光学活性， 是使偏振光平面向左或向右旋转的性质，（-）表示左旋， （+）表示右旋。构型与旋光性没有直接对应关系。
2．生物活性肽
（1）谷胱甘肽（glutathione，GSH）
是由Glu、Cys、Gly组成的一种三肽，又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含 γ-肽键）。Cys的-SH是主要功能基团，GSH是一种抗氧化剂，是某些酶 的辅酶，可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化，保护巯基蛋白和酶的活 性。在GSH过氧化物酶的作用下，GSH还原细胞内产生的H2O2，生成 H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH还原酶催化下，又生成 GSH。
神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。如脑啡肽（5肽）、 β-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。
第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质的一级结构测定或称序列分析常用的方法是Edman 降解和重组DNA法。Edman降解是经典的化学方法，比 较复杂。首先要纯化一定量的待测蛋白质，分别作分子量 测定、氨基酸组成分析、N-末端分析、C-末端分析；要 应用不同的化学试剂或特异的蛋白内切酶水解将蛋白质裂 解成大小不同的肽段，测出它们的序列，对照不同水解制 成的两套肽段，找出重叠片段，最后推断蛋白质的完整序 列。重组DNA法是基于分子克隆的分子生物学方法，比 较简单而高效，不必先纯化该种蛋白质，而是先要得到编 码该种蛋白质的基因（DNA片段），测定DNA中核苷酸 的序列，再按三个核苷酸编码一个氨基酸的原则推测蛋白 质的完整序列。这两种方法可以相互印证和补充。
（二）氨基酸的分类
1．按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。 2．按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸、极性不
带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。 带有非极性R（烃基、甲硫基、吲哚环等，共9种）：甘（Gly）、丙 （Ala）、缬（Val）、亮（Leu）、异亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫 （Met）、脯（Pro）、色（Trp） 带有不可解离的极性R（羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：丝（Ser）、 苏（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys） 带有可解离的极性R基（共5种）：天（Asp）、谷（Glu）、赖 （Lys）、精（Arg）、组（His），前两个为酸性氨基酸，后三个是碱 性氨基酸。 蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，胶 原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质 加工修饰而成。
（三）氨基酸的重要理化性质
1．一般物理性质
2．两性解离和等电点（isoelectric point, pI）
3．氨基酸的化学反应 1）茚三酮反应
基氟苯（DNFB）的反应。
2）与2，4-二硝
三、肽（peptide）
1．肽键与肽链 一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水
形成的酰胺键称为肽键。由氨基酸通过肽键相连而 成的化合物称为肽。肽键及其两端的α-碳原子相连 所形成的长链骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N— Cα—C—N—Cα…称为多肽主链，—CαCN—是重复 单位。肽键是蛋白质分子中的主要共价键。多肽链 的方向性是从N末端指向C末端。 肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基。肽按其 序列从N端到C端命名。一般10肽以下属寡肽，10 肽以上为多肽。
第一节 蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成
经元素分析，主要有 C（50%～55%）、H（6%～ 7%）、O（19%～24%）、N（13%～19%）、S （0%～4%）。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、 Zn、Mn、Co、Mo、I等。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此， 可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。 每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质 含量（g%）
单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质，而人体有10万 种以上结构和功能各异的蛋白质，人体干重的45%是蛋白质。 生命是物质运动的高级形式，是通过蛋白质的多种功能来实 现的。新陈代谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进 行的，已发现的酶绝大多数是蛋白质。生命活动所需要的许 多小分子物质和离子，它们的运输由蛋白质来完成。生物的 运动、生物体的防御体系离不开蛋白质。蛋白质在遗传信息 的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构 等方面都起着重要的作用。随着蛋白质工程和蛋白质组学的 兴起和发展，人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越深刻。