第一章蛋白质化学
I 主要内容
一、蛋白质的生物学意义
蛋白质是生物体内最为重要的有机化学物质之一，它几乎参与了生物体所有的生命活动，如生物体的构成、机体的运动、化学催化、机体的免疫保护、生物遗传信息的传递与表达等等，可以说蛋白质是一切生命活动的重要支柱，没有蛋白质就没有生命现象的存在，因此，蛋白质化学是生物化学中一个重要的研究方面。
二、蛋白质的元素组成
蛋白质是由C、H、O、N、S等几种元素构成，其中C 50-55%、H 6-8%、O 20-30%、 N 15-17%、S 0-4%，且含量基本相同，因此通过测定蛋白质样品中元素含量就可以推测出样品中蛋白质的含量。
三、蛋白质的氨基酸组成
（一）氨基酸的结构及特点
一般的蛋白质都是由20种氨基酸构成，这些氨基酸都是在蛋白质的合成过程中直接加进去的，并有专门的遗传密码与其对应，这些构成蛋白质的基本氨基酸称为天然氨基酸(通用氨基酸)。天然氨基酸具有如下特点：
1. 20种天然氨基酸均有专门的遗传密码与其对应，它们在蛋白质的合成中是直接加上去的。
2. 除甘氨酸外，其它氨基酸至少含有一个手性碳原子。
3. 除脯氨酸外，其它氨基酸均为 -氨基酸。
4. 氨基酸虽有D、L–型之分，但存在于天然蛋白质中的氨基酸均为L-型氨基酸。
（二）天然氨基酸的分类
1.根据氨基酸分子中氨基和羧基的相对数量进行分类
2.根据氨基酸分子结构分类
3.根据氨基酸侧链基团极性分类
氨基酸根据其侧链基团在近中性的pH条件下是否带电荷以及带电荷的种类分成四类：非极性氨基酸、
极性不带电荷氨基酸、极性带正电荷氨基酸、极性带负电荷氨基酸。
（三）稀有蛋白质氨基酸
这部分主要是指虽然在蛋白质中有所存在，含量却较少的一类氨基酸。蛋白质中的稀有氨基酸是在蛋白质合成后的加工过程中通过化学的方法在天然氨基酸的基础上增加某些基团而形成的。
（四）非蛋白质氨基酸
非蛋白质氨基酸是细胞中不参与天然蛋白质合成的一类氨基酸。
（五）氨基酸的重要理化性质
1. 一般理化性质
2. 氨基酸的酸碱性质与等电点
3. 氨基酸的主要化学性质
（1）茚三酮反应
（2）桑格反应（Sanger reaction）
（3）埃德曼反应（Edman reaction ）
4. 氨基酸的光学性质
由于氨基酸分子中除甘氨酸外都有不对称碳原子的存在，因此，天然氨基酸中除甘氨酸外均有旋光现象的存在。20种天然氨基酸在可见光范围内都没有明显的光吸收现象，但在紫外区有三种氨基酸确有明显的光吸收作用。
五、蛋白质的分子结构
为研究方便，人们将蛋白质结构分成不同的层次，1952年Linderstron-Lang 将蛋白质分成三个结构层次，1953年Bernal又提出四级结构，此后人们又在结构与功能的研究中提出了超二级结构及结构域概念，因此，目前，目前人们认为蛋白质可以分成六个结构层次进行研究。
（一）蛋白质的一级结构
根据1969年国际理论化学和应用化学协会（IUPAC）的规定蛋白质的一级结构（Primary structure）是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。
氨基酸与氨基酸之间通过酰胺键相连构成的化合物称为肽或蛋白质，通常构成肽链的氨基酸数目在10个以下的称为寡肽，10以上者称为多肽或蛋白质。
蛋白质与多肽链的区别：
（1）氨基酸组成数量。一般都在100个以上，分子量在10，000以上。
（2）具有特定的空间结构。
（3）结构与功能之间的对应关系。
（二）蛋白质的二级结构
蛋白质多肽链主链本身、局部的、有规则的空间排布方式——蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋结构、β-折叠、β-转角、无规则卷曲（自由回转）
1、蛋白质二级结构的主要类型
α-螺旋结构是美国麻省理工学院的Pauling、 Corey 在 1953 年对动物毛发结构的X- 光衍射分析中发现的一种蛋白结构，α- 螺旋结构有左旋和右旋两种。①多肽链主链围绕其中心轴盘绕而成的一种螺旋管状结构，螺旋结构每螺旋上升一圈需要3.6个氨基酸残基，垂直上升0.54nm；②螺旋结构中每个氨基酸残基上的氨基氢与其后第四个氨基酸残基的羰基氧形成氢键，其氢键的走向与螺旋轴平行。
β-折叠结构也是Pauling和Corey在蚕丝丝心蛋白中发现的一种蛋白结构。①β-折叠结构是由几条多肽链或一条多肽链的几个片段平行折叠形成的一种片层结构；②相邻的主链之间借助于链内或链间氢链相连形成片层，主链中相邻氨基酸残基的侧链基团上下交替排列在片层的上方或下方；③β-折叠结构分平行或反平行两种结构。
β- 转角是指多肽链走向发生180°回折，其转角处的结构。
无规则卷曲（自由回转）
2、超二级结构与结构域
（1）超二级结构（Supersecodary structure）是指由两个或多个二级结构单元被长度不等，走向不规则的连接肽彼此相连，形成的有规律的、在空间上可以辨认的二级结构组合体称为超二级结构。超二级结构根据其复杂程度分为简单超二级结构和复杂超二级结构两种类型。
由两个或少数构象单元经连接肽相连形成的超二级结构称简单超二级结构，一般包括α-α corner）、α-发夹（α-hairpin）、β-发夹（β-hairpin）、拱形结构（arch）。
由多个构象单元或由简单的超二级结构进一步组合形成的有规律的在空间上可辩识的结构，具体可分为α-螺旋超螺旋、βXβ结构、β-迂回、β-折叠桶四种形式。
（2）结构域（Structural domain）
也叫辖区，是指存在于球状蛋白质分子内部由相邻的多个二级结构单元彼此相连形成的球状亚单位。结构域是独立的结构单位、功能单位和独立的结构形成单位。结构域主要包括α-结构域、β-折叠域、α+β结构域和α/β结构域。
结构域作为独立的结构单位，具有内在的稳定性，结构域之间通过柔性肽段相连。多数蛋白质具有多个结构域，其结构域可能相同，如磷酸丙糖异构酶具有两个相似的结构域，也可能不同，如丙酮酸激酶。
（三）蛋白质的三级结构
在二级结构的基础上，多肽链进一步盘绕折叠形成的球状蛋白质结构称为蛋白质的三级结构。换言之是指构成球状蛋白质的多肽链中所有原子和基团的空间排布。它是由不同的二级结构单元按照一定的方式彼此组合而成的一种蛋白质结构。
（四）蛋白质的四级结构
由两个及其以上具有三级结构的多肽链链相互聚集形成的蛋白质空间结构称为蛋白质四级结构。四级结构形成的意义：①四级结构赋予蛋白质更加复杂的结构，以便执行更复杂的功能如在酶类中，除功
能简单的水解酶，其它酶大多数是寡聚蛋白。②通过亚基间的相互作用，可以对酶或其它功能蛋白的活性进行调节。③催化相关代谢的酶形成多酶复合物，可以提高酶促反应的速度。④可以得用大小、种类有限的亚基组合成结构复杂的大分子蛋白质。⑤可以降低细胞内的渗透压。⑥节约编码的信息量。
(五)维持蛋白质空间构象的作用力
在不同蛋白质结构中起主要作用的稳定因素不同，在蛋白质一级结构中起主要稳定作用的因素是共价键；
在蛋白质二级结构中起主要作用的稳定因素是氢键；在蛋白质三、四级结构中起最主要作用的因素是疏水力。
五、蛋白质分子结构与功能的关系
（一）蛋白质一级结构与功能的关系
蛋白质一级结构是决定蛋白质空间结构及其生物学功能的重要基础，在细胞内特定的环境条件下，蛋白质一级结构决定蛋白质的空间结构，蛋白质一级结构通过决定蛋白质空间结构的方式间接地决定和影响蛋白质的生物学功能。蛋白质一级结构与生物进化的关系、蛋白质一级结构与分子病的关系是生
物化学中研究较为清楚的两个例子。
(二)蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质空间结构直接决定和影响蛋白质的功能，蛋白质空间结构的变化必然导致蛋白质生物功能的改变，如核糖核酸酶空间结构变化与功能关系、血红蛋白空间结构变化与功能关系以及调节酶结构变化与酶活性变化等。
II 习题
一、名词解释
１．Ｎ端与Ｃ端: ２．蛋白质一级结构: ３．氨基酸残基: ４．Ｓn=3.613: ５．肽单位、肽平面: ６．寡聚蛋白:
７．蛋白质变性:
8．超二级结构与结构域:
二、是非题判断下列各句话意思的正确与否，正确的在题后括号内画“√”，错误的画“×”，如果是错误的，请说明其理由
1.组成蛋白质的20种氨基酸，它们至少含有一个不对称碳原子。
2.氨基酸立体异构体虽有Ｄ-型和Ｌ-型之分，但在蛋白质中所发现的氨基酸均为Ｌ－型。
3.等摩尔的Ｄ-Ａla和Ｌ-Ａla混合液，不能引起偏振光平面的偏转。
4.从蛋白质酸水解液中可以得到所有20种天然氨基酸。
5.氨基酸在水溶液或固体状态是以两性离子形式存在的。
6.内部氢键的形成的是驱使蛋白质折叠的主要力量。
7.在外界环境一定的条件下，蛋白质的空间结构主要是由它的一级结构所决定的。
8.原来溶于水的蛋白质，经加热后从水中析出主要是因为蛋白质的空间结构破坏，原来位于分子内部的疏水氨基酸外露的结果。
9.天然蛋白质中多肽链的螺旋构象都是右旋的。
10.SDS－聚丙烯酰胺电泳测定白质分子量的方法是根椐蛋白质所带电荷的不同。
11.某一蛋白质样品，当其酸性氨基酸数目等于碱性氨基酸数目时，此蛋白质样品的等电点pH是７。
12.在胶原蛋白质中，由于组分中主要是甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，它们在参于肽键形成后，不再含有可供形成氢键的氢原子，故不能形成α－螺旋，胶原蛋白中多肽链构象主要是β－折叠结构。
13.血红蛋白和细胞素Ｃ都是含铁卟啉的蛋白，两者的功能虽然不同，但它们的作用机制相同，都是通过铁离子化合价的变化来实现的。
14．用层析技术分离氨基酸是根据各种氨基酸的极性不同。
15．用凝胶电泳技术分离蛋白质是根据各种蛋白质的分子大小和电荷不同。
16．从细胞内提取出某种物质，用羧肽酶A不能使其水解，与茚三酮反应呈阴性，因此可以肯定地判断它是非肽物质。
17．蛋白质构象的变化伴随自由能的变化，最稳定的构象自由能最低。
18．刚性平面结构的肽单位是蛋白质主链骨架的重复单位。
19．蛋白质分子的亚基就是蛋白质的结构域。
20．脯氨酸不能维持α—螺旋，凡有脯氨酸的部位肽链都发生弯转。
21．有机溶剂引起蛋白质变性的主要原因之一是降低介质的介电常数。
22．血红蛋白比肌红蛋白携氧能力高，这是因为它有多个亚基。
23．蛋白质和酶原的激活过程说明蛋白质的一级结构变化与蛋白质的功能密切相关。
24．肌红蛋白和血红蛋白的α和β链有共同的三级结构。
25．利用盐浓度的不同可以提高或降低蛋白质的溶解度。
三、填空题
１．组成蛋白质的氨基酸有20种，其中，必须氨基酸有种，麻省理工申请条件
即。
２．通用氨基酸除外都有旋光性；和分子量比较小而且不合硫，在折叠的多肽链中能形成氢键；在稳定许多蛋白质结构中起重要作用，因为它可参与形成链内和链间的共价键。具有非极性侧链且是生成酪氨酸的前体。
３．氨基酸结构上的共同点是：(1) ,(2)
(3) 。
三种。
另一种蛋白质分子用羟基乙醇处理，在
是。
６．蛋白质的主链构象单元有，
１．在生理ＰH条件下，带正电荷的氨基酸是：
Ａ Ala Ｂ Try
Ｃ Trp Ｄ Lys
２．下列哪些氨基酸只含非必须氨基酸：
Ａ芳香族氨基酸Ｂ碱性氨基酸
Ｃ酸性氨基酸Ｄ支链氨基酸
３．下列哪些蛋白质是不溶于水的？
Ａ血红蛋白Ｂ酶
Ｃ抗体Ｄ胶原蛋白
４．细胞素氧化酶除含有血素辅基外，还含有：
Ａ铜Ｂ铁
Ｃ镁Ｄ锌
５．蛋白质在280nm有最大光吸收，主要是因为其中含有：
Ａ Phe Ｂ Tyr
Ｃ His Ｄ Trp
６．pＩ在pH７附近的ＡＡ是：
Ａ Ser Ｂ Glu
Ｃ Asn Ｄ His
７．下列哪种蛋白质含有三股螺旋：
Ａα－角蛋白Ｂ血红蛋白
Ｃ原胶原蛋白Ｄ丝心蛋白
８．维持蛋白质空间结构稳定的主要因素是：
Ａ疏水作用Ｂ氢键
Ｃ范德华作用力Ｄ盐键
９．茚三酮与脯氨酸反应时，在滤纸层析谱上呈现：
Ａ蓝紫Ｂ红
Ｃ黄Ｄ绿
10．在效应物作用下，蛋白质产生的变构(或别构)效应是由于蛋白质的
A 一级结构发生变化
B 构型发生变化
C 构象发生变化
D 氨基酸序列发生变化
11．下列具有协同效应的蛋白质是：
A 肌红蛋白
B 血红蛋白
C 丝心蛋白
D 弹性蛋白
12．同源蛋白是指：
A 来源相同的各种蛋白质
B 来源不同的同一种蛋白质
C 来源相同的同一种蛋白质
D 来源不同的各种蛋白质
13．如下哪些叙述是正确的：
Ａ肽键中的Ｃ－Ｎ具有部分双键性质；
Ｂ肽单位中的六个原子处在一个平面上；
Ｃ两个相邻近的α－碳呈反式分布；
Ｄα－Ｃ的二面角在0～180°内可以自由旋转。
14．胶原蛋白中含量最多的氨基酸是：
A 甘氨酸和丙氨酸
B 脯氨酸和羟脯氨酸
C 谷氨酸和天冬氨酸
D 精氨酸和赖氨酸
15．蛋白质空间结构稳定机制中，包括下列哪种氨基酸与赖氨酸残基的相互作用。
A G1u
B Arg
C His
D Asp
五、问答与计算
1．什么是蛋白质的一、二、三、四级结构？主要的稳定因素各是什么？
2．什么是蛋白质的等电点(pI)?为什么说在等电点时蛋白质的溶解度最低?
3．将固体氨基酸溶于pH7的水中所得的氨基酸溶液，有的pH大于7，有的小于7，这种现象说明什么? 4．根据下列信息推断含等量Met，Phe，Asp，Ser，Thr的五肽序列：
(1)用BrCN处理五肽，释放出肽段和一个游离的高丝氨酸；
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