第十六章 氨基酸、多肽和蛋白质

第十六章氨基酸、多肽和蛋白质第一节氨基酸第二节肽第三节蛋白质蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物，与大多糖、核酸等生物大分子都是生命的基础物质。一切生命过程都与蛋白质密切相关，例如，机体内起催化作用的酶，调节代谢的激素等均为蛋白质。第十六章氨基酸、多肽和蛋白质蛋白质由氨基酸通过肽键组成的多肽链在空间盘绕折叠而成。由于氨基酸的种类、数目以及排列顺序的差异，形成种类繁多的蛋白质。多肽也是由氨基酸组成，除了作为蛋白质的中间产物，生物体内还存在重要的活性肽，通过神经-内分泌等途径，行使其传讯功能，是沟通细胞与器官间信息的重要化学信使。第一节氨基酸蛋白质是重要的生物大分子，氨基酸是组成蛋白质的基本单元。氨基酸(Aminoacid)是分子中含有氨基和羧基复合官能团的化合物。蛋白质水解所产生的各种氨基酸为α-氨基酸。除甘氨酸外，其余氨基酸的α-碳原子都是手性碳原子，都有旋光性。RCHCOOHNH2一、氨基酸的结构、分类与命名1.按-氨基酸的结构不同来分分类脂肪族氨基酸芳香氨基酸杂环氨基酸常见的-氨基酸2.按分子所含的羧基和氨基数目的不同来分中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸常见的-氨基酸分子中含有一个羧基和一个氨基的氨基酸。分子中含有两个羧基和一个氨基的氨基酸。分子中含有一个羧基和两个氨基的氨基酸。氨基酸的命名氨基酸的命名，一般根据它们的来源或性质用俗名。例如，天门冬氨酸最初从天门冬的幼苗中发现的。氨基酸的系统命名法是把羧酸作为母体，氨基作为取代基，称为氨基某酸，也常用希腊字母（α、β、γ……）来标明氨基的位置。2-氨基丙酸3-氨基丁酸（α-氨基丙酸）（β-氨基丁酸）CHCOOHNH2CH3CHCOOHNH2CH3CH2二、营养必需氨基酸大部分氨基酸在人体内都能合成，但亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸和缬氨酸必须由食物供给，称为必需氨基酸。三、修饰氨基酸和非蛋白质氨基酸蛋白质分子还含有一些经修饰的氨基酸往往在蛋白质生物合成前后，由其中相应氨基酸经加工修饰而成，称修饰氨基酸（modifiedaminoacid）。如L-光氨酸四、氨基酸的性质α-氨基酸都是熔点较高的无色晶体，一般在200～300℃之间。熔化时大多数易分解放出CO2,在水中的溶解度，因不同的氨基酸也不一样，但都能溶于强酸或强碱溶液，不溶于乙醚、乙醇、苯和石油醚等有机溶剂。（一）氨基酸的酸碱两性和等电点1.氨基酸的酸碱性氨基酸既能与较强的酸起反应，也能与较强的碱起反应而生成稳定的盐，具有两性化合物的特征。负离子pH＞pI酸式电离正离子pH＜pI两性离子pH=pI碱性电离RCHNH2COOHRCHNH2COORCHCOO-NH3+COOHNH3+CHR2.氨基酸的等电点氨基酸的等电点pIpI:氨基酸酸式电离与碱式电离程度相等时，成电中性时溶液的pH值，此时氨基酸的溶解度最小，在电场中不发生移动。pH＞pI：氨基酸在溶液中主要以负离子形式存在，在电场中向阳极移动。pH＜pI：氨基酸在溶液中主要以正离子形式存在，在电场中向阴极移动。氨基酸在等电点时溶解度最小，最容易从溶液中析出，因此，利用这种性质分离和提纯氨基酸。（二）氨基酸的脱水成肽反应α-氨基酸在受热或酶的催化下，两分子的α-氨基酸脱水生成二肽。（三）与印三酮反应α-氨基酸与印三酮水溶液一起加热，生成蓝紫色的化合物RRRRHOHOCCHNOCCHH2N-H2OHHOHOCCHNOHOCCHH2N+OOOOHOH+RCHCOOHH2NOONO-+RCHO+CO2+H+（四）脱羧反应α-氨基酸与Ba(OH)2共热，能脱去羧基生成伯胺。（五）氧化脱氨反应氨基酸中的氨基能被H2O2或KMnO4等强氧化剂所氧化，脱氨而生成α―酮酸。COOHNH2RCHBa(OH)2RCH2NH2+CO2+NH3CR+H2O[O]CHRNHCOOHOCOOHCHRNH2COOH（六）氨基酸与亚硝酸的反应氨基酸与亚硝酸作用，可定量释放氮气若定量测定反应中所释放的N2的体积，即可计算出氨基酸的含量，此方法称为vanSlyke氨基氮测定法，常用于氨基酸和多肽的定量分析。++COOCHR++RCHNH3COOH2NO2OHH2ON2H第二节肽一、肽的结构和命名肽是氨基酸残基之间彼此通过酰胺键相连而成的一类化合物。肽分子中的酰胺键又称为肽键（peptidebond）。二肽可视为一分子氨基酸中的-COO―与另一分子氨基酸中的NH3+脱水二成的。肽也是以两性离子的形式存在。二肽CHCOONHR2COR1CHH3N+二肽分子中仍存在游离的-COO―和NH3+，因此可以再与另一分子氨基酸脱水缩合形成三肽等，十肽以下的称为寡肽（oligopeptide）；大于十肽的称为多肽（polypeptide）。肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基（aminoacidresidue）。CHCOONHR2COR1CHH3N+CONHCOCHCONHCHNHCHR3R4R5在肽链的一端仍保留着游离的NH3+，称为氨基末端或N-端；另一端则保留着游离的-COO―，称为羧基末端或C-端。肽的结构不仅取决于组成肽链的氨基种类合数目，而且也与肽链中各氨基酸残基的排列顺序有关。如：甘氨酰丙氨酸丙氨酰甘氨酸CH3COONHCOCH2H3N+CHCHH3N+CH2CONHCOOCH3二、肽键平面（1）肽单元是平面结构（2）肽键具有部分双键性质（3）肽键一般呈反式结构CONNOC+三、生物活性肽生物体内存在着一类具有活性的肽类，称为活性肽（activepeptide），结构多样，起着重要的生理作用。如脑内的神经递质（neurotransmittre）；激素（hormone）；微生物中的一些抗生素（antibiotic）（一）神经肽（二）多肽神经生长因子（三）非蛋白质来源多肽第三节蛋白质蛋白质与多肽均是氨基酸多聚物，由各种L-α-氨基酸残基通过肽键相连。相对分子质量在10000以上的称为蛋白质。一、元素组成和分类碳50%～55%氢6.0%～7.0%氧19%～24%氮15%～17%大多数蛋白质含有硫（0～4%）有些蛋白质还含有磷；少量蛋白质还含有微量元素如铁、铜、锌、锰等由于生物组织中绝大多数氮元素都来自蛋白质，其他含氮的非蛋白质物质的量极少，约占蛋白质含氮量的1%，且各种来源不同的蛋白质的含氮量都相当接近，平均16%。在任何生物样品中，1g氮元素相当于6.25g蛋白质，故只需测定蛋白质样品中的氮的质量分数ω（N），即可计算出蛋白质的质量分数。ω（蛋白质）=ω（N）×6.25蛋白质的分类按化学组成不同分单纯蛋白质结合蛋白质仅由α-氨基酸组成单纯蛋白质和非蛋白质结合而成如组蛋白、角蛋白辅基（prostheticqroup）按形状不同分纤维状蛋白质球状蛋白质机体组织的主要结构成分维护和调节生命过程中的功能二、蛋白质的分子结构（一）一级结构蛋白质的分子一级结构（primarystructure）是指多肽链中氨基酸残基的排列顺序，肽键是一级结构中连接氨基酸残基的主要化学键。（二）二级结构蛋白质的分子二级结构（secondarystructure）是指多肽链的主链骨架在空间盘曲折叠形成的方式，并不涉及侧链R基团的构象。（三）三级结构蛋白质的分子三级结构（teriarystructure）是蛋白质分子在二级结构基础上进一步盘曲折叠形成的三维结构，是多肽链在空间的整体排布。1.氢键2.盐键3.疏水作用力（hydrophobicforce）4.VanderWaals力5.二硫键（disulfidebond）一种在主链之间，一种在侧链形成。（saltbond）又称离子键。HOCHOOOOOCH2CHCH2+NH3SSCHCH3CH3CH2abcdCOCH2CH3CH3CH2CH3CH3HOCH2CH2OHdCH2NH3+CObeca.氢键b.盐键c．疏水作用力d．vanderWaals力e．二硫键（四）四级结构三、蛋白质的性质（一）两性解离和等电点蛋白质分子末端仍具有游离的α-NH3+和α-COO―，同时组成肽链的α-氨基酸残基侧链上还含有不同数量的可解离基团。pH＜pIpH＞pIpH＝pIOHH+COOPCOOHNH3+PNH2H+OHNH3+COOP（二）蛋白质的胶体性质蛋白质是高分子化合物，其分子颗粒直径一般在1～100nm，属于胶体分散系，因此具有胶体的特性。蛋白质溶液是比较稳定的亲水胶体溶液。这是因为蛋白质分子表面带有极性基团（如-NH3+、-COO―、-OH―、-SH―等）。利用蛋白质分子胶体颗粒不同透过半透膜的性质可将蛋白质分离提纯，这种方法称为透析法（dialysis）。人体的细胞膜、线粒体膜和血管壁等都是具有半透膜性质的生物膜，对维持细胞被外的水和电解质平衡均有重要生理意义。（三）蛋白质的沉淀维持蛋白质溶液稳定的主要原因是蛋白质分子表面的水化膜和所带的电荷。1.盐析向蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐，而使蛋白质发生沉淀的现象称为盐析（saltingout）。常用的盐析剂有(NH4)2SO4、Na2SO4、NaCl和MgSO4等。2.有机溶剂沉淀蛋白质在蛋白质溶液中加入乙醇、丙酮和甲醇等一些级性较大的有机溶剂时，由于这些有机溶剂与水的亲和力大，能破坏蛋白质颗粒的水化膜。但用有机溶剂沉淀蛋白质时，如不注意用量，往往使蛋白质的生物活性丧失。3.重金属盐沉淀蛋白质当蛋白质溶液的pH＞pI时，重金属离子如Ag+、Hg2+、Cu2+、Pb2+（用M+代表）可与带负电荷的蛋白质颗粒结合，形成不溶性盐。4.生物碱试剂或某些酸沉淀蛋白质当蛋白质溶液的pH＜pI，某些生物碱试剂如苦味酸、鞣酸等或某些酸与带正电荷的蛋白质结合。MCOOPrM+rPCOONH3+NH2COOHXNH3+XNH3+PrrPCOOH（四）蛋白质的变性天然蛋白质因受物理因素（加热、高压、紫外线）或化学因素（如强酸、强碱、尿素、重金属盐等）的影响，可改变或破坏蛋白质分子空间结构，导致蛋白质生物活性丧失以及理化性质改变，称蛋白质变性（denaturation）蛋白质变性在实际应用中具有重要意义。临床上常用高温、紫外线和酒精等物理活化学方法进行消毒，促使细菌或病毒的蛋白质变性而失去致病及繁殖能力。临床上急救重金属盐中毒病人，常先服用大量牛奶和蛋清，使蛋白质在消化道中与重金属盐结合成变性蛋白，从而阻止有毒重金属离子被人体吸收。HOH+-+++-+-+++++--------++++++++-------HOHHOH-+带正电荷等电点带负电荷脱水脱水脱水（五）蛋白质的颜色反应蛋白质分子内含有许多肽键和某些带有特殊基团的氨基酸残基，可以与不同试剂产生特有的颜色反应，利用此性质可鉴别蛋白质。反应名称试剂颜色作用基团缩二脲反应强碱、稀硫酸铜溶液紫色或紫红色肽键茚三酮反应稀茚三酮溶液蓝紫色氨基蛋白黄反应浓硝酸、再加碱深黄色或橙红色苯环亚硝酰铁氢化钠亚硝酰铁氢化钠溶液红色巯基核酸是一类十分重要的生物质，核酸生化研究的进展，使生物学跨入分子生物学的新时代。核酸是由瑞士外科医生米歇尔于1868年从绷带的浓细胞核中分离出来得到，最初叫“核素”，但实际是核蛋白，1889年奥特曼得到了第一个不含蛋白质的核素，并命名为“核酸”。蛋白质的生物合成受合核酸控制，遗传学中长期使用的“基因”一词，就是指DNA分子中某一区段，可以经过复制遗传给子代，也可以转录和翻译，保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内的有序合成，因此，“基因表达调控”、“基因重组与基因工程”、“基因诊断与基因治疗”以及“人类基因组计划”都成为近代分子生物学的研究关注热点。核酸(nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，起携带和传递遗传信息的作用。一、分类脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA):90%以上分布于细胞核，其余分布于线粒体内。储存和携带遗传信息。核糖核酸(ribonucleicacid,RNA):分布于胞核、胞浆中。参与遗传信息的表达。核酸的分布在真核细胞中DNA主要存在于细胞核内，而细胞核内的DNA又几乎只分布于染色体中，并与组蛋