生化蛋白质复习笔记

第四章 蛋白质化学

蛋白质是生命的物质基础,存在于所有的细胞及细胞的所有部位。所有的生命活动都离不开蛋白质。

第一节 蛋白质的分子组成

蛋白质结构复杂，它的结构单位——氨基酸很简单。所有的蛋白质都是由20种氨基酸合成的，区别只是蛋白质分子中每一种氨基酸的含量及其连接关系各不相同。

一、 一、 氨基酸的结构

氨基酸是由C、H、O、N等主要元素组成的含氨基的有机酸。用于合成蛋白质的20种氨基酸称为标准氨基酸。标准氨基酸都是α-氨基酸，它们有一个氨基和一个羧基结合在α-碳原子上，区别在于其R基团的结构、大小、电荷以及对氨基酸水溶性的影响。

在标准氨基酸中，除了甘氨酸之外，其他氨基酸的α-碳原子都结合了4个不同的原子或基团：羧基、氨基、R基团和一个氢原子(甘氨酸的R基团是一个氢原子)。所以α-碳原子是手性碳原子，氨基酸是手性分子。天然蛋白质中的氨基酸为L-构型, 甘氨酸不含手性碳原子，但我们习惯上还是称它L-氨基酸。苏氨酸、异亮氨酸各含两个手性碳原子。其余标准氨基酸只含一个手性碳原子。

二、氨基酸的分类

根据R基团的结构可以分为脂肪族、芳香族、杂环氨基酸；根据R基团的酸碱性可以分为酸性、碱性、中性氨基酸；根据人体内能否自己合成可以分为必需、非必需氨基酸；根据分解产物的进一步转化可以分为生糖、生酮、生糖兼生酮氨基酸；根据是否用于合成蛋白质(或有无遗传密码)可以分为标准(或编码)、非标准(或非编码)氨基酸。

(一)含非极性疏水R基团的氨基酸

这类氨基酸的侧链是非极性疏水的。其中包括丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、脯氨酸。

(二)含极性不带电荷R基团的氨基酸

这类氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸，其侧链具亲水性，可与水形成氢键(半胱氨酸除外)，所以与非极性氨基酸相比，较易溶于水。

(三)碱性氨基酸

pH7.0时侧链带正电荷的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸、组氨酸——含咪唑基。

(四)酸性氨基酸 包括天冬氨酸、谷氨酸 四、氨基酸的理化性质 (一)两性电离与等电点

所有的氨基酸都含有氨基，可以结合质子而带正电荷；又含有羧基，可以给出质子而带负电荷，氨基酸的这种电离特性称为两性电离。氨基酸在水溶液中是兼性离子。在某一pH溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。如果溶液pH高于氨基酸等电点，则氨基酸净带负电荷，在电场中将向正极(阳极)移动；反之，如果溶液pH低于其等电点，则氨基酸净带正电荷，在电场中将向负极(阴极)移动。pH越偏离等电点，氨基酸带净电荷越多。

(二)茚三酮反应

氨基酸与茚三酮发生氧化反应，先产生氨。氨继续反应，最终生成蓝紫色化合物。该化合物最大吸收波长为570nm，在一定范围内其吸光度与氨基酸浓度呈线性关系，可用于氨基酸定量分析。

第二节 蛋白质的分子结构

蛋白质是具有结构复杂性与功能多样性的生物大分子。蛋白质的结构通常根据复杂程度在四个层次上认识：一级结构、二级结构、三级结构、四级结构

一、肽

OHH2NCCOHR1+OHHNCCOHHR2OOHHH2NCCNCCOHR1HR2肽键+H2O(一)肽是氨基酸的链状聚合物

一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基通过间接脱水生成的分子称为肽。

主链有两个末端，一端含游离的α-氨基，称为氨基末端或N-末端；另一端含游离的α-羧基，称为羧基末端或C-末端。肽链的两个末端不同，因此有方向性，通常把氨基端看成是肽链的头，这与多肽链的合成方向一致，多肽链的合成开始于氨基端，结束于羧基端。

SHCH3HO氨基端HHHOHCH2HOHCH3HOHCH2OHH羧基端H2NCCNCCNCCNCCNCCOOH书写肽链时，习惯上把氨基末端写在左侧，用H2N-或H-表示，羧基末端写在右侧，用-COOH或-OH表示。也可用中文或英文代号表示。如下列表示式

H-丙-甘-半-丙-丝-OH 或 H-Ala-Gly-Cys-Ala-Ser-OH

(二)蛋白质是大分子肽

如上所述，氨基酸是蛋白质的水解产物，氨基酸缩合成肽，含氨基酸残基较多的肽为多肽。实际上蛋白质就是多肽。

(三)体内一些重要的肽

生物体内重要的肽包括抗氧化剂，激素，细胞因子等。

SHNH2OCH2OHOOC-CH-CH2-CH2-C-NH-CH-C-NH-CH2-COOHγ-Glu Cys Gly图4-9 还原型谷胱甘肽还原型谷胱甘肽(GSH)是一个特殊的三肽，是一个非常重要的抗氧化剂，其N-端的谷氨酸以γ-羧基与半胱氨酸氨基结合。

二、蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构是蛋白质的基本结构，一级结构指的是蛋白质多肽链的氨基酸组成及其排列顺序。每一种蛋白质都有特定的氨基酸组成，几乎不存在等比例的情况。在一个蛋白质分子中某种氨基酸可能只出现一次，甚至一次都不出现，另一种氨基酸则可能占很大比例。 牛胰岛素的一级结构，它含A、B两条肽链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基，此外含6个半胱氨酸，构成3个二硫键，其中两个在A、B链之间，A链内还有一个二硫键。牛胰岛素是第一个阐明一级结构的蛋白质，也是第一个人工合成的蛋白质。

S S A链 I I Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn 5 I 10 15 I 21 S S I S S B链 I I Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala 5 10 15 20 25 30_________图4-10 牛胰岛素的一级结构研究蛋白质的一级结构具有四个方面的重要意义：①氨基酸序列是蛋白质生物学活性的分子基础；②一级结构是空间结构的基础，包含了形成特定空间结构所需的全部信息；③众多遗传疾病的物质基础是相关蛋白质的氨基酸序列产生变异；④研究氨基酸序列可以阐明生物进化史，氨基酸序列的相似性越大，物种之间的进化关系越近。

三、蛋白质的二级结构

二级结构研究在一级结构中互相接近的氨基酸残基的空间关系，即肽链主链的局部构象，。α-螺旋与β-折叠是目前研究最详细的两种二级结构。

(一)肽键是刚性平面

肽链主链实际上是由一个个刚性肽单元平面通过α-碳原子串接形成的，主链构象的形成与改变是通过刚性平面围绕α-碳原子的旋转实现的。

(二)α-螺旋

α-螺旋是右手螺旋，螺旋直径0.5nm，R侧链向外伸出，以每一螺旋为重复结构单位，含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm。氢键与螺旋轴基本平行。氢键是维持螺旋的稳定因素。

(三)β-折叠

多肽链中的局部肽段，主链呈锯齿形伸展状态，数股平行排列可形成裙褶样结构，称为β-折叠。β-折叠中的肽段可以同向平行或反向平行。肽键之间形成氢键，与肽链走向垂直或接近垂直，是维持β-折叠的主要作用力。

(四)β-转折

球蛋白是多肽链紧密折叠形成的，所以肽链经常要通过转折180°改变走向，我们把转折点的结构称为β-转折脯氨酸则因为其亚氨基构成的肽键为顺式结构，特别有利于转折的形成，常出现在β-转折第二氨基酸位。

(五)无规则卷曲

除了上述二级结构之外，蛋白质多肽链的空间结构中还存在一些没有规律性构象的肽

段，这类构象称为无规则卷曲。

四、蛋白质的三级结构

一条完整的蛋白质多肽链中彼此远离的一些氨基酸残基通过非共价键及少量共价键如二硫键结合，使多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成特定的空间结构，这就是它的三级结构。三级结构由众多氢键、疏水键、部分离子键及少量共价键维持稳定。

五、蛋白质的四级结构

两条或两条以上的三级结构提供非共价键构成蛋白质的四级结构，其中每一条三级结构称为亚基。

六、维持蛋白质构象的主要作用力

蛋白质天然构象是几种稳定因素共同作用的结果，这些因素包括二硫键和氢键、疏水键、离子键、范德华力，后4种作用力统称非共价键。依靠这些作用力，蛋白质的疏水氨基酸残基主要聚集于分子结构内部，远离水，绝大多数极性氨基酸残基位于表面；少量存在于内部的极性或带电荷残基，也都形成氢键或离子键；蛋白质分子内尽可能多地形成氢键。不溶性蛋白有所不同，但非共价键仍起重要作用。

第三节 蛋白质的生理功能

⒈酶的催化作用：目前所研究的几乎所有酶的化学本质都是蛋白质。

⒉运载和储存：血浆白蛋白是胆红素的运输载体。即使一些溶于水的分子甚至离子也需要蛋白质载体来运输，如氧气在血液中由血红蛋白运输，在肌肉组织中由肌红蛋白运输，铁在血浆中由转铁蛋白运输，在肝细胞内由铁蛋白储存。

⒊协调动作 ⒋机械支持

⒌免疫保护：蛋白质及多肽是机体免疫系统的绝对主力。 ⒍激素-受体系统 ⒎产生和传递神经冲动 ⒏控制生长和分化

第四节 蛋白质结构与功能的关系

蛋白质的一级结构决定其空间结构，并进一步决定其功能，所以，要弄清蛋白质的功能，

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