【正文】 第三章 蛋白質(zhì)第一節(jié) 蛋白質(zhì)概論蛋白質(zhì)是所有生物中非常重要的結(jié)構(gòu)分子和功能分子，幾乎所有的生命現(xiàn)象和生物功能都是蛋白質(zhì)作用的結(jié)果，因此，蛋白質(zhì)是現(xiàn)代生物技術(shù)，尤其是基因工程，蛋白質(zhì)工程、酶工程等研究的重點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。一、 蛋白質(zhì)的化學(xué)組成與分類 元素組成碳 50% 氫7% 氧23% 氮16% 硫 03% 微量的磷、鐵、銅、碘、鋅、鉬凱氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白質(zhì)含量=蛋白氮 氨基酸組成從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，蛋白質(zhì)是由20種L型α氨基酸組成的長(zhǎng)鏈分子。 分類（1）、 按組成：簡(jiǎn)單蛋白：完全由氨基酸組成結(jié)合蛋白：除蛋白外還有非蛋白成分（輔基）詳細(xì)分類，P 75 表 31，表 32。（注意輔基的組成）。（2）、 按分子外形的對(duì)稱程度：球狀蛋白質(zhì)：分子對(duì)稱，外形接近球狀，溶解度好，能結(jié)晶，大多數(shù)蛋白質(zhì)屬此類。纖維狀蛋白質(zhì)：對(duì)稱性差，分子類似細(xì)棒或纖維狀。（3）、 功能分：酶、運(yùn)輸?shù)鞍?、營(yíng)養(yǎng)和貯存蛋白、激素、受體蛋白、運(yùn)動(dòng)蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白、防御蛋白。 蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)的分布 含量(干重) 微生物 5080% 人 體 45% 一般細(xì)胞 50% 種類 大腸桿菌 3000種 人體 10萬種 生物界 10101012二、 蛋白質(zhì)分子大小與分子量蛋白質(zhì)是由20種基本aa組成的多聚物，aa數(shù)目由幾個(gè)到成百上千個(gè)，分子量從幾千到幾千萬。一般情況下，少于50個(gè)aa的低分子量aa多聚物稱為肽，寡肽或生物活性肽，有時(shí)也罕稱多肽。多于50個(gè)aa的稱為蛋白質(zhì)。但有時(shí)也把含有一條肽鏈的蛋白質(zhì)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤Q為多肽。此時(shí)，多肽一詞著重于結(jié)構(gòu)意義，而蛋白質(zhì)原則強(qiáng)調(diào)了其功能意義。P 76 表33 （注意：?jiǎn)误w蛋白、寡聚蛋白；殘基數(shù)、肽鏈數(shù)。）蛋白質(zhì)分子量= aa數(shù)目*110對(duì)于任一給定的蛋白質(zhì)，它的所有分子在氨基酸組成、順序、肽鏈長(zhǎng)度、分子量等方面都是相同的，均一性。三、 蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象與結(jié)構(gòu)層次蛋白質(zhì)分子是由氨基酸首尾連接而成的共價(jià)多肽鏈，每一種天然蛋白質(zhì)都有自己特有的空間結(jié)構(gòu)，這種空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的（天然）構(gòu)象。P77 圖31，蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象示意圖。一級(jí)結(jié)構(gòu) 氨基酸順序二級(jí)結(jié)構(gòu) α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角，無規(guī)卷曲三級(jí)結(jié)構(gòu) α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角、松散肽段四級(jí)結(jié)構(gòu) 多亞基聚集四、 蛋白質(zhì)功能的多樣性細(xì)胞中含量最豐實(shí)、功能最多的生物大分子。1． 酶 2． 結(jié)構(gòu)成分（結(jié)締組織的膠原蛋白、血管和皮膚的彈性蛋白、膜蛋白）3． 貯藏（卵清蛋白、種子蛋白）4． 物質(zhì)運(yùn)輸（血紅蛋白、Na+K+ATPase、葡萄糖運(yùn)輸載體、脂蛋白、電子傳遞體）5． 細(xì)胞運(yùn)動(dòng)（肌肉收縮的肌球蛋白、肌動(dòng)蛋白）6． 激素功能（胰島素）7． 防御（抗體、皮膚的角蛋白、血凝蛋白）8． 接受、傳遞信息（受體蛋白，味覺蛋白）9． 調(diào)節(jié)、控制細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、和遺傳信息的表達(dá)（組蛋白、阻遏蛋白）第二節(jié) 氨基酸一、 蛋白質(zhì)的水解(見P79)氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。在酸、堿、蛋白酶的作用下，可以被水解成氨基酸單體。酸水解：色氨酸破壞，天冬酰胺、谷胺酰胺脫酰胺基堿水解：消旋，色氨酸穩(wěn)定酶水解：水解位點(diǎn)特異，用于一級(jí)結(jié)構(gòu)分析，肽譜二、 氨基酸的功能：（1）、 組成蛋白質(zhì)（2）、 一些aa及其衍生物充當(dāng)化學(xué)信號(hào)分子gamino butyric acid (g氨基丁酸)、Serotonic(5羥色胺，血清緊張素)、melatonin(褪黑激素，N乙酰甲氧基色胺)，都是神經(jīng)遞質(zhì)，后二者是色氨酸衍生物(神經(jīng)遞質(zhì)是一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的影響第二個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或肌肉細(xì)胞功能的物質(zhì))。Thyroxine(甲狀腺素，動(dòng)物甲狀腺thyroid gland產(chǎn)生的Tyr衍生物)和吲乙酸(植物中的Trp衍生物)都是激素(激素就是一個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生的調(diào)節(jié)其它細(xì)胞的功能的化學(xué)信號(hào)分子)。（3）、 氨基酸是許多含N分子的前體物核苷酸和核酸的含氮堿基、血紅素、葉綠素的合成都需要aa（4）、 一些基本氨基酸和非基本aa是代謝中間物精氨酸、Citrulline(瓜氨酸)、Ornithine(鳥氨酸)是尿素循不(Urea cycle)的中間物，含氮廢物在脊椎動(dòng)物肝臟中合成尿素是排除它們的一種重要機(jī)制。三、 氨基酸的結(jié)構(gòu)與分類1809年發(fā)現(xiàn)Asp，1938年發(fā)Thr，目前已發(fā)現(xiàn)180多種。但是組成蛋白質(zhì)的aa常見的有20種，稱為基本氨基酸（編碼的蛋白質(zhì)氨基酸），還有一些稱為稀有氨基酸，是多肽合成后由基本aa經(jīng)酶促修飾而來。此外還有存在于生物體內(nèi)但不組成蛋白質(zhì)的非蛋白質(zhì)氨基酸(約150種)。（一） 編碼的蛋白質(zhì)氨基酸（20種）也稱基本氨基酸或標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，有對(duì)應(yīng)的遺傳密碼。近年發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽過氧化物酶中存在硒代半胱氨酸，有證據(jù)表明此氨基酸由終止密碼UGA編碼，可能是第21種蛋白質(zhì)氨基酸。結(jié)構(gòu)通式：不變部分，可變部分。L型，羧酸的α碳上接NH2，所以都是Lα氨基酸。α氨基酸都是白色晶體，熔點(diǎn)一般在200℃以上。除胱氨酸和酪氨酸外都能溶于水，脯氨酸和羥脯氨酸還能溶于乙醇和乙醚。表 20種氨基酸結(jié)構(gòu) 按照R基的化學(xué)結(jié)構(gòu)分（蛋白質(zhì)工程的同源替代）：（1）、 R為脂肪烴基的氨基酸（5種）Gly、Ala、Val、Leu、Ile、圖32R基均為中性烷基（Gly為H），R基對(duì)分子酸堿性影響很小，它們幾乎有相同的等電點(diǎn)。（6 .0177。）P 92 表 37 （比較等電點(diǎn)。）Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。從Gly至Ile，R基團(tuán)疏水性增加，Ile 是這20 中脂溶性最強(qiáng)的之一（除Phe 、 、Tyr ）。（2）、 R中含有羥基和硫的氨基酸（共4種）含羥基的有兩種：Ser和Thr。圖33Ser的CH2 OH基（pKa=15），在生理?xiàng)l件下不解離，但它是一個(gè)極性基團(tuán)，能與其它基團(tuán)形成氫鍵，具有重要的生理意義。在大多數(shù)酶的活性中心都發(fā)現(xiàn)有Ser殘基存在。Thr 中的OH是仲醇，具有親水性，但此OH形成氫鍵的能力較弱，因此，在蛋白質(zhì)活性中心中很少出現(xiàn)。Ser和Thr的OH往往與糖鏈相連，形成糖蛋白。含硫的兩種：Cys、Met圖34Cys中R含巰基（SH），Cys 具有兩個(gè)重要性質(zhì)：（1）在較高pH值條件，巰基離解。（2）兩個(gè)Cys的巰基氧化生成二硫鍵，生成胱氨酸。Cys—s—s—Cys二硫鍵在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中具有重要意義。Cys還常常出現(xiàn)在酶的活性中心。Met的R中含有甲硫基（SCH3），硫原子有親核性，易發(fā)生極化，因此，Met是一種重要的甲基供體。u Cys與結(jié)石在細(xì)胞外液如血液中，Cys以胱氨酸(Cystine)氧化形式存在，胱氨酸的溶解性最差。胱氨酸尿(Cystinuria)是一種遺傳病，由于胱氨酸的跨膜運(yùn)輸缺陷導(dǎo)致大量的胱氨酸排泄到尿中。胱氨酸在腎(Kidney)、輸尿管(ureter)、膀胱(urinary bladder)中結(jié)晶形成結(jié)石(Calculus, calculi)，結(jié)石會(huì)導(dǎo)致疼疼、發(fā)炎甚至尿血。大量服用青霉胺(Penicillcemine)能降低腎中胱氨的含量，因?yàn)榍嗝拱放c半胱氨酸形成的化合物比胱氨酸易溶解。青霉胺的結(jié)構(gòu)（3）、 R中含有酰胺基團(tuán)（2種）Asn、Gln圖35酰胺基中氨基易發(fā)生氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)在生物合成和代謝中有重要意義（4）、 R中含有酸性基團(tuán)（2種）Asp、Glu，一般稱酸性氨基酸圖36Asp側(cè)鏈羧基pKa（βCOOH），Glu側(cè)鏈羧基pKa（γCOOH）它們是在生理?xiàng)l件下帶有負(fù)電荷的僅有的兩個(gè)氨基酸。（5）、 R中含堿性基團(tuán)（3種）Lys、Arg、His，一般稱堿性氨基酸圖37Lys的R側(cè)鏈上含有一個(gè)氨基。生理?xiàng)l件下，Lys側(cè)鏈帶有一個(gè)正電荷（—NH3+），同時(shí)它的側(cè)鏈有4個(gè)C的直鏈，柔性較大，使側(cè)鏈的氨基反應(yīng)活性增大。（如肽聚糖的短肽間的連接）Arg是堿性最強(qiáng)的氨基酸，側(cè)鏈上的胍基是已知堿性最強(qiáng)的有機(jī)堿，生理?xiàng)l件下完全質(zhì)子化。His含咪唑環(huán)，咪唑環(huán)的pKa在游離氨基酸中和在多肽鏈中不同，，它是20種氨基酸中側(cè)鏈pKa值最接近生理pH值的一種，在接近中性pH時(shí)，可離解平衡。它是在生理pH條件下唯一具有緩沖能力的氨基酸。His含咪唑環(huán)，一側(cè)去質(zhì)子化和另一側(cè)質(zhì)子化同步進(jìn)行，因而在酶的酸堿催化機(jī)制中起重要作用。（6）、 R中含有芳基的氨基酸（3種）Phe、Try、Trp圖38都具有共軛π電子體系,易與其它缺電子體系或π電子體系形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物( chargetransfer plex)或電子重疊復(fù)合物。在受體—底物、或分子相互識(shí)別過程中具有重要作用。這三種氨基酸在紫外區(qū)有特殊吸收峰，蛋白質(zhì)的紫外吸收主要來自這三種氨基酸，在280nm處，Trp＞Tyr＞Phe。Phe疏水性最強(qiáng).。酪氨酸的OH磷酸化是一個(gè)十分普遍的調(diào)控機(jī)制，Tyr在較高pH值時(shí)，酚羥基離解。Trp有復(fù)雜的π共軛休系，比Phe和Tyr更易形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物。（7）、 R為環(huán)狀的氨基酸（1種）Pro，有時(shí)也把His、Trp歸入此類。圖39Pro是唯一的一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)的氨基酸，它的α亞氨基是環(huán)的一部分，因此具有特殊的剛性結(jié)構(gòu)。它在蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中具有極重要的作用，一般出現(xiàn)在兩段α螺旋之間的轉(zhuǎn)角處，Pro殘基所在的位置必然發(fā)生骨架方向的變化，u 必需氨基酸：成年人：Leu、Ile、Val、Thr、Met、Trp、Lys、Phe嬰兒期：Arg和His供給不足，屬半必須氨基酸。必須氨基酸在人體內(nèi)不能合成，是由于人體內(nèi)不能合成這些氨基酸的碳架（α酮酸） 按照R基的極性性質(zhì)(能否與水形成氫鍵)20種基本aa，可以分為4類：側(cè)鏈極性(疏水性程度)Gly0SerGluLysAlaAsnAspArgMetGlnHisProThrValCysLeuTyrIlePheTrp（1）、 非極性氨基酸9種，包括：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸氨酸、脯氨酸，這類氨基酸的R基都是疏水性的，在維持蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)中起著重要作用。（2）、 不帶電何的極性氨基酸6種，絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺。這類氨基酸的側(cè)鏈都能與水形成氫鍵，因此很容易溶于水。酪氨酸的OH磷酸化是一個(gè)十分普遍的調(diào)控機(jī)制，Ser和Thr的OH往往與糖鏈相連，Asn和Gln的NH2很容易形成氫鍵，因此能增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。（3）、 帶負(fù)電荷的aa(酸性aa)2種，在pH6~7時(shí)，谷氨酸和天冬氨酸的第二個(gè)羧基解離，因此，帶負(fù)電何。（4）、 帶正電何的aa(堿性aa)3種，Arg、Lys、His。在pH7時(shí)帶凈正電荷。當(dāng)膠原蛋白中的Lys側(cè)鏈氧化時(shí)能形成很強(qiáng)的分子間(內(nèi))交聯(lián)。Arg的胚基堿性很強(qiáng)，與NaOH相當(dāng)。His是一個(gè)弱堿，在pH7時(shí)約10%質(zhì)子化，是天然的緩沖劑，它往往存在于許多酶的活性中心。酶的活性中心：His、Ser、Cys非極性aa一般位于蛋白質(zhì)的疏水核心，帶電荷的aa和極性aa位于表面。（二） 非編碼的蛋白質(zhì)氨基酸也稱修飾氨基酸，是在蛋白質(zhì)合成后，由基本氨基酸修飾而來。Prothrombin(凝血酶原)中含有g(shù)羧基谷氨酸，能結(jié)合Ca2+。結(jié)締組織中最豐富的蛋白質(zhì)膠原蛋白含有大量4羥脯氨酸和5羥賴氨酸。圖310 修飾aa的結(jié)構(gòu)（1）4羥脯氨酸 （2）5羥賴氨酸 這兩種氨基酸主要存在于結(jié)締組織的纖維狀蛋白（如膠原蛋白）中。（3）6N甲基賴氨酸（存在于肌球蛋白中） (4)г羧基谷氨酸 存在于凝血酶原及某些具有結(jié)合Ca2+離子功能的蛋白質(zhì)中。（5）Tyr的衍生物： 二碘酪氨酸、甲狀腺素 （甲狀腺蛋白中）（6）鎖鏈素由4個(gè)Lys組成（彈性蛋白中）。（三） 非蛋白質(zhì)氨基酸除參與蛋白質(zhì)組成的20多種氨基酸外，生物體內(nèi)存在大量的氨基酸中間代謝產(chǎn)物，它們不是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元，但在生物體內(nèi)具有很多生物學(xué)功能，如尿素循環(huán)中的L瓜氨酸和L鳥氨酸。（1）L型α –氨基酸的衍生物L(fēng)瓜氨酸圖L鳥氨酸圖（2）D型氨基酸DGlu、DAla（肽聚糖中）、DPhe（短桿菌肽S）（3）β、γ、δ氨基酸βAla（泛素的前體）、γ氨基丁酸（神經(jīng)遞質(zhì)）。四、 氨基酸的構(gòu)型、旋光性和光吸收 氨基酸的構(gòu)型除Gly外，19種氨基酸的α碳原子都是不對(duì)稱碳原子，因此有兩種光學(xué)異構(gòu)體，而Thr和Ile的β碳原子也是不對(duì)稱的，因此Thr、Ile各有兩個(gè)不對(duì)稱碳原子，有四種光學(xué)異構(gòu)體。圖 P86 L蘇氨酸 D蘇氨酸 L別一蘇 D別蘇構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸均屬L型（L蘇氨酸），大部分游離氨基酸也是L型。 旋光性20種氨基酸中，只有Gly無手性碳。Thr、Ile各有兩個(gè)手性碳。其余17種氨基酸的L型與D型互為鏡象關(guān)系，互稱光學(xué)異