第五章 氨基酸、肽和蛋白质 5．1 概 述 蛋白质是生物体的重要组成部分，在生物体系中起着核心作用，占活细胞干重 的 50％ 左右。虽然有关细胞的进化和生物组织信息存在于 DNA 中，但是维持细胞和生物体生命的化 学和生物化学过程全部是由酶来完成。众所周知，每一种酶在细胞中是高度专一的催化一种 生物化学反应，酶是具有催化功能的蛋白质。此外，有的蛋白质，如胶原蛋白、角蛋白和弹 性蛋白等，在细胞和复杂的生物体中作为结构单元，对于细胞的结构和功能起着重要作用。 蛋白质之所以具有多种功能，这是与蛋白质的化学组成和结构有关。许多种蛋白质已经从生 物材料中分离提纯，其相对分子质量大约在 5000 到几百万之间。蛋白质由 50％-55％C、6％ -7％H。20％-23％O、12％-19％N 和 0．2％-3％S 等元素构成，有些蛋白质分子还含有 铁、碘、磷或锌。蛋白质完全水解的产物是 o—氨基酸，它们的侧链结构和性质各不相同， 大多数蛋白质是由 20 种不同氨基酸组成的生物大分子。蛋白质分于中的氨基酸残基靠酰胺 键连接，形成含多达几百个氨基酸残基的多肽链。酰胺键的 C-N 键具有部分双键性质，不 同于多糖和核酸中的醚键与磷酸二酯键，因此蛋白质的结构非常复杂，这些特定的空间构象 赋予蛋白质特殊的生物功能和特性。 根据蛋白质的分子组成，蛋白质可以分为两类：一类是分子中仅含有氨基酸(即细胞中 未被酶修饰的蛋白质)的简单蛋白(homoprotein)；另一类是由氨基酸和其他非蛋白质化合物 组成(即经酶修饰的蛋白质)的结合蛋白(conjugated protein)，又称杂蛋白 (heteroprotein)。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为辅基(prostheticgroup)。根据辅基的 化学性质不同，可以分为核蛋白(核糖体和病毒)、脂蛋白(蛋黄蛋白、一些血浆蛋白)、糖蛋 白(卵清蛋白、x—酪蛋白)、磷蛋白(e—和 9—酪蛋白、激酶、磷酸化酶)和金属蛋白(血红 蛋白、肌红蛋白和几种酶)。其中糖蛋白和磷蛋白是蛋白质以共价键分别与糖类和磷酸基团 连接，而其他的蛋白质则是蛋白质通过非共价键与核酸、脂类和金属离子形成复合物。 每一种蛋白质都有其特定的三维结构。因此，也可按照蛋白质的结构分为纤维蛋白和球 蛋白。纤维蛋白是由线形多肽链组成，构成生物组织的纤维部分，如胶原蛋白、角蛋白、弹 性蛋白和原肌球蛋白都属于这类蛋白质。球蛋白是一条或几条多肽链靠自身折叠而形成球形 或椭圆结构。此外，肌动蛋白和血纤维蛋白等纤维蛋白分子是小球状蛋白的线性聚集结构。 大多数酶都属于球蛋白，纤维蛋白总是起着结构蛋白的作用。 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，而二级结构和三级结构则与多 肽链的三维结构有关，四级结构表示多肽链的几何排列，这些肽链间大多是通过非共价键连
第五章 氨基酸、肽和蛋白质 5．1 概 述 蛋白质是生物体的重要组成部分，在生物体系中起着核心作用，占活细胞干重 的 50％ 左右。虽然有关细胞的进化和生物组织信息存在于 DNA 中，但是维持细胞和生物体生命的化 学和生物化学过程全部是由酶来完成。众所周知，每一种酶在细胞中是高度专一的催化一种 生物化学反应，酶是具有催化功能的蛋白质。此外，有的蛋白质，如胶原蛋白、角蛋白和弹 性蛋白等，在细胞和复杂的生物体中作为结构单元，对于细胞的结构和功能起着重要作用。 蛋白质之所以具有多种功能，这是与蛋白质的化学组成和结构有关。许多种蛋白质已经从生 物材料中分离提纯，其相对分子质量大约在 5000 到几百万之间。蛋白质由 50％-55％C、6％ -7％H。20％-23％O、12％-19％N 和 0．2％-3％S 等元素构成，有些蛋白质分子还含有 铁、碘、磷或锌。蛋白质完全水解的产物是 o—氨基酸，它们的侧链结构和性质各不相同， 大多数蛋白质是由 20 种不同氨基酸组成的生物大分子。蛋白质分于中的氨基酸残基靠酰胺 键连接，形成含多达几百个氨基酸残基的多肽链。酰胺键的 C-N 键具有部分双键性质，不 同于多糖和核酸中的醚键与磷酸二酯键，因此蛋白质的结构非常复杂，这些特定的空间构象 赋予蛋白质特殊的生物功能和特性。 根据蛋白质的分子组成，蛋白质可以分为两类：一类是分子中仅含有氨基酸(即细胞中 未被酶修饰的蛋白质)的简单蛋白(homoprotein)；另一类是由氨基酸和其他非蛋白质化合物 组成(即经酶修饰的蛋白质)的结合蛋白(conjugated protein)，又称杂蛋白 (heteroprotein)。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为辅基(prostheticgroup)。根据辅基的 化学性质不同，可以分为核蛋白(核糖体和病毒)、脂蛋白(蛋黄蛋白、一些血浆蛋白)、糖蛋 白(卵清蛋白、x—酪蛋白)、磷蛋白(e—和 9—酪蛋白、激酶、磷酸化酶)和金属蛋白(血红 蛋白、肌红蛋白和几种酶)。其中糖蛋白和磷蛋白是蛋白质以共价键分别与糖类和磷酸基团 连接，而其他的蛋白质则是蛋白质通过非共价键与核酸、脂类和金属离子形成复合物。 每一种蛋白质都有其特定的三维结构。因此，也可按照蛋白质的结构分为纤维蛋白和球 蛋白。纤维蛋白是由线形多肽链组成，构成生物组织的纤维部分，如胶原蛋白、角蛋白、弹 性蛋白和原肌球蛋白都属于这类蛋白质。球蛋白是一条或几条多肽链靠自身折叠而形成球形 或椭圆结构。此外，肌动蛋白和血纤维蛋白等纤维蛋白分子是小球状蛋白的线性聚集结构。 大多数酶都属于球蛋白，纤维蛋白总是起着结构蛋白的作用。 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，而二级结构和三级结构则与多 肽链的三维结构有关，四级结构表示多肽链的几何排列，这些肽链间大多是通过非共价键连
接在一起。 蛋白质具有多种功能，根据功能不同可分为三大类：结构蛋白质；有生物活性的蛋白质 和食品蛋白质。 肌肉、骨骼、皮肽等动物组织中含有结构蛋白质(角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等)， 它们的功能大多与其纤维结构有关。 具有生物活性的蛋白质是生物体的重要组成部分，它与生命活动有着十分密切的关系， 生命现象和生理活动往往是通过蛋白质的功能来实现的。酶是活性蛋白中最重要的一类，已 鉴定出的醇有 2000 种以上，它们都是高度专一性的催化剂。其他生物活性蛋白质包括结构 蛋白、调节代谢反应的激素蛋白质(胰岛素、生长激素)、收缩蛋白质(肌球蛋白、肌动蛋白 和微管蛋白)、传递蛋白质(血红蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白)、抗体蛋白(免疫球蛋白)、 储存蛋白质(卵清蛋白、种子蛋白)和保护蛋白(毒素和过敏原)以及一些蛋白类的抗生素。有 些蛋白质还具有抗营养性质-(例如胰蛋白酶抑制剂)。食品中存在的蛋白质抗原，可导致抗 体的合成，使人体内防御机制改变并出现许多种变态反应。储存蛋白质主要存在于蛋类和植 物种子中，主要为种子和胚芽的萌发和生长提供氮源与氨基酸。保护蛋白则是某些微生物和 动物为了生存所建立的一部分防御机制。毒蛋白存在于一些毒素和微生物中，如肉毒素、金 黄色葡萄球菌毒囊、毒蛇毒液和蓖麻蛋白等。 从细菌到人类，所有物种其蛋白质本质上都由 20 种基本氨基酸构成，但有的蛋白质可 能不含有其中的一种或几种。这 20 种氨基酸其结构、大小、形状、电荷形成氢键的能力和 化学活性方面都存在差异。蛋白质实现的功能范围所以如此之广，就是由于 20 种氨基酸的 差异，以及它们的各种组合的变化的结果。通过改变氨基酸的顺序、种类和比例，以及多肽 链的链长，将可合成许多具有各种独特性质的蛋白质。 食品蛋白质包括可供人类食用、易消化、安全无毒、富有营养、具有功能特性的蛋白 质。乳、肉(包括鱼和家禽)、蛋、谷物、豆类和油料种子是食品蛋白质的主要来源。随着世 界人口的增长，为了满足人们对蛋白质逐渐增长的需求，不仅要寻求新的蛋白质资源和开发 蛋白质利用的新技术，而且还应更充分地利用现有的蛋白质资源和考虑成本。因此，必须了 解和掌握食品蛋白质的物理、化学和生物学性质，以及加工处理对这些蛋白质的影响，从而 进一步改进蛋白质的性质．特别是营养品质和功能特性。 5．2 氨基酸和蛋白质的物理化学性质 5．2．1 氨基酸的一般性质 5.2．1．1 结构和分类
接在一起。 蛋白质具有多种功能，根据功能不同可分为三大类：结构蛋白质；有生物活性的蛋白质 和食品蛋白质。 肌肉、骨骼、皮肽等动物组织中含有结构蛋白质(角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等)， 它们的功能大多与其纤维结构有关。 具有生物活性的蛋白质是生物体的重要组成部分，它与生命活动有着十分密切的关系， 生命现象和生理活动往往是通过蛋白质的功能来实现的。酶是活性蛋白中最重要的一类，已 鉴定出的醇有 2000 种以上，它们都是高度专一性的催化剂。其他生物活性蛋白质包括结构 蛋白、调节代谢反应的激素蛋白质(胰岛素、生长激素)、收缩蛋白质(肌球蛋白、肌动蛋白 和微管蛋白)、传递蛋白质(血红蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白)、抗体蛋白(免疫球蛋白)、 储存蛋白质(卵清蛋白、种子蛋白)和保护蛋白(毒素和过敏原)以及一些蛋白类的抗生素。有 些蛋白质还具有抗营养性质-(例如胰蛋白酶抑制剂)。食品中存在的蛋白质抗原，可导致抗 体的合成，使人体内防御机制改变并出现许多种变态反应。储存蛋白质主要存在于蛋类和植 物种子中，主要为种子和胚芽的萌发和生长提供氮源与氨基酸。保护蛋白则是某些微生物和 动物为了生存所建立的一部分防御机制。毒蛋白存在于一些毒素和微生物中，如肉毒素、金 黄色葡萄球菌毒囊、毒蛇毒液和蓖麻蛋白等。 从细菌到人类，所有物种其蛋白质本质上都由 20 种基本氨基酸构成，但有的蛋白质可 能不含有其中的一种或几种。这 20 种氨基酸其结构、大小、形状、电荷形成氢键的能力和 化学活性方面都存在差异。蛋白质实现的功能范围所以如此之广，就是由于 20 种氨基酸的 差异，以及它们的各种组合的变化的结果。通过改变氨基酸的顺序、种类和比例，以及多肽 链的链长，将可合成许多具有各种独特性质的蛋白质。 食品蛋白质包括可供人类食用、易消化、安全无毒、富有营养、具有功能特性的蛋白 质。乳、肉(包括鱼和家禽)、蛋、谷物、豆类和油料种子是食品蛋白质的主要来源。随着世 界人口的增长，为了满足人们对蛋白质逐渐增长的需求，不仅要寻求新的蛋白质资源和开发 蛋白质利用的新技术，而且还应更充分地利用现有的蛋白质资源和考虑成本。因此，必须了 解和掌握食品蛋白质的物理、化学和生物学性质，以及加工处理对这些蛋白质的影响，从而 进一步改进蛋白质的性质．特别是营养品质和功能特性。 5．2 氨基酸和蛋白质的物理化学性质 5．2．1 氨基酸的一般性质 5.2．1．1 结构和分类
氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位，有 20 种氨基酸通常存在于蛋白质水解物中， 其他种氨基酸也存在于自然界，并具有生物功能。为了了解蛋白质的性质，必须首先了解氨 基酸的结构性质。氨基酸是带有氨基的有机酸，分子结构中至少含有一个伯氨基和一个羧基， α—氨基酸含有一个。—碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链 R 基团。天然α—氨基 酸具有以下结构 R 是侧链基团，脯氨酸和羟基脯氨酸的 R 基团来自毗咯烷，它们并不符合一般结构， 蛋白质中常见的。α—氨基酸见表 5—1 每种氨基酸具有特定的 R 侧链，它决定着氨基酸的物理化学性质。根据侧链的极性不 同可将氨基酸分成四类： (1)具有非极性或疏水性侧链的氨基醒(丙氨酸、异亮氨酸、亮氨醒、甲硫氨酸、脯氨酸、 缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)，在水中的溶解度较极性氨基酸小(表 5—2)，其疏水 程度随着脂肪族侧链的长度增加而增大。 (2)带有极性、无电荷(亲水的)侧链的氨基酸含有中性、极性基团(极性基团处在疏水氨 基酸和带电荷的氨基酸之间)能够与适合的分子例如水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸 的极性与它们所含的羟基有关，天冬酰胺、谷氨酰胺的极性同其酰胺基有关。半胱氨酸则因 含有巯基，所以属于极性氨基酸，甘氨酸有时也属于此类氨基酸。其中半胱氨酸和酪氨酸是 这一类中具有最大极性基团的氨基酸，因为在 pH 接近中性时，巯基和酚基可以产生部分电 离。在蛋白质中，半胱氨酸通常以氧化态的形式存在，即胱氨酸。当两个半胱氨酸分子的巯 基氧化时便形成一个二硫交联键，生成胱氨酸。天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或碱存在下容易 水解并生天冬氨酸和谷氨酸。 (3)带正电荷侧链(在 pH 接近中性时)的氨基酸包括敕氨酸、精氨酸和组氨酸，它们分 别具有ε－NH2、胍基和咪唑基(碱性)。这些基团的存在是使它们带有电荷的原因，组氨酸 的咪唑基在 pH 为 7 时，有 10％被质子化，而 pH 为 6 时 50％质子化。 (4)带有负电荷侧链的氨基酸(pH 接近中性时)包括天冬氨酸和谷氨酸。由于侧链为羧基 (酸性)，在中性 pH 条件下带一个净负电荷。 除了 20 种常见的氨基酸外，从蛋白质水解物中还离析出另外的氨基酸，例如胶原蛋白 中含有羟基脯氨酸和 5-羟基赖氨酸，弹性蛋白中含锁链素(demnosine)和异锁链素 (isodesmcxsine)，肌肉蛋白中存在甲基组氨酸，ε-N—甲基氨酸和ε—N—三甲基赖氨酸。 氨基酸在水中的溶解度(25℃)见表 5—2。 除上述 20 种氨基酸外．在动物、植物或微生物的细胞中还存在 150 种以上游离或结合
氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位，有 20 种氨基酸通常存在于蛋白质水解物中， 其他种氨基酸也存在于自然界，并具有生物功能。为了了解蛋白质的性质，必须首先了解氨 基酸的结构性质。氨基酸是带有氨基的有机酸，分子结构中至少含有一个伯氨基和一个羧基， α—氨基酸含有一个。—碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链 R 基团。天然α—氨基 酸具有以下结构 R 是侧链基团，脯氨酸和羟基脯氨酸的 R 基团来自毗咯烷，它们并不符合一般结构， 蛋白质中常见的。α—氨基酸见表 5—1 每种氨基酸具有特定的 R 侧链，它决定着氨基酸的物理化学性质。根据侧链的极性不 同可将氨基酸分成四类： (1)具有非极性或疏水性侧链的氨基醒(丙氨酸、异亮氨酸、亮氨醒、甲硫氨酸、脯氨酸、 缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)，在水中的溶解度较极性氨基酸小(表 5—2)，其疏水 程度随着脂肪族侧链的长度增加而增大。 (2)带有极性、无电荷(亲水的)侧链的氨基酸含有中性、极性基团(极性基团处在疏水氨 基酸和带电荷的氨基酸之间)能够与适合的分子例如水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸 的极性与它们所含的羟基有关，天冬酰胺、谷氨酰胺的极性同其酰胺基有关。半胱氨酸则因 含有巯基，所以属于极性氨基酸，甘氨酸有时也属于此类氨基酸。其中半胱氨酸和酪氨酸是 这一类中具有最大极性基团的氨基酸，因为在 pH 接近中性时，巯基和酚基可以产生部分电 离。在蛋白质中，半胱氨酸通常以氧化态的形式存在，即胱氨酸。当两个半胱氨酸分子的巯 基氧化时便形成一个二硫交联键，生成胱氨酸。天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或碱存在下容易 水解并生天冬氨酸和谷氨酸。 (3)带正电荷侧链(在 pH 接近中性时)的氨基酸包括敕氨酸、精氨酸和组氨酸，它们分 别具有ε－NH2、胍基和咪唑基(碱性)。这些基团的存在是使它们带有电荷的原因，组氨酸 的咪唑基在 pH 为 7 时，有 10％被质子化，而 pH 为 6 时 50％质子化。 (4)带有负电荷侧链的氨基酸(pH 接近中性时)包括天冬氨酸和谷氨酸。由于侧链为羧基 (酸性)，在中性 pH 条件下带一个净负电荷。 除了 20 种常见的氨基酸外，从蛋白质水解物中还离析出另外的氨基酸，例如胶原蛋白 中含有羟基脯氨酸和 5-羟基赖氨酸，弹性蛋白中含锁链素(demnosine)和异锁链素 (isodesmcxsine)，肌肉蛋白中存在甲基组氨酸，ε-N—甲基氨酸和ε—N—三甲基赖氨酸。 氨基酸在水中的溶解度(25℃)见表 5—2。 除上述 20 种氨基酸外．在动物、植物或微生物的细胞中还存在 150 种以上游离或结合
的氨基酸，其中多数是重要的代谢中间产物(或前体)，或者是参与传递神经冲动的化学介质。 在某些抗生素中还存在 D 构型氨基酸。 5．2．1．1 氨基酸的峻碱性质 氨基酸的离子化能力在生物学上是非常重要的，这种性质可用来进行定量分 析。另 外，氨基酸的一些性质(熔点、溶解度、偶极矩和在水溶液中的介电常数)都是由于在水溶液 中的电荷分布不均匀而产生的。因而，所有氨基酸在接近中性 pH 的水溶液中主要以两性离 子(zwitterion)，也称偶极离子(dipolorton)的形式存在 由于氨基酸同时含有羧基(酸性)和氨基(碱性)，因此，当氨基酸溶解于水时，可表现 为酸的行为 又可表现出碱的性质 因此氨基酸是一类两性电解质。以最简单的甘氨酸(Glγ)为例，在溶液中由于受 pH 的影响可能有三种不同的离解状态，即 氨基酸的这种性质决定于介质的 pH，即氨基酸分子是两性的。当以完全质子化的形 式存在时，α—氨基酸(—氨基，—羧基)用鞋清定可以释放出两个质于。氨基酸的等电点 pI 是指在溶液中净电荷为零时的 pH。pKa 值是上述两个反应的离解常数的负对数，即 在式(5—1)和式(5—2)中，Ka1、和 Ka2、分别代表α碳原子上的-COOH 和一 NH3+； 的表观离解常数，R 如果侧链基上有离解基团，其表观电离常数用 K、表示。在中性 pH 范围， α—氨基和α—羧基都处在离子化状态，因而当用酸滴定时，一 COO—被质子化(一 COOH)； 碱滴定时，一 NH3+发生去质子化。图 5-1 是典型氨基酸两性离于电化学滴定曲线。仅含α —氨基和α—羧基的氨基酸(侧链是不可离解的)的 pKa1 的范围为 2.0—3.0，pKa2 为 9.0 一 10.0(表 5—3)。带有可离解 R 基侧链的氨基酸，如 Lγs、Asp、G1u、Cγs 和 Tγr，相 当于三元酸，有 3 个 pKa 值，因此滴定曲线比较复杂。绝大多数主要氨基酸的 pKa 和 pI 值 见表 5—3，氨基酸的羧基 pKa1 值比脂肪族羧酸低(乙酸的 pKa 为 4．74)，因为氨基酸的带 正电荷的氨基连接在邻近羧基的α碳原子上。 pI(等电点)根据下列等式，利用氨基酸的 pKa1、pKa2。和 pKa3 值可估算氨基酸的 等电点值： 不带电荷侧链的氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 在等电点以上的任何 pH，氨基酸带净负电荷，并因此在电场中将向正极移动。在低于
的氨基酸，其中多数是重要的代谢中间产物(或前体)，或者是参与传递神经冲动的化学介质。 在某些抗生素中还存在 D 构型氨基酸。 5．2．1．1 氨基酸的峻碱性质 氨基酸的离子化能力在生物学上是非常重要的，这种性质可用来进行定量分 析。另 外，氨基酸的一些性质(熔点、溶解度、偶极矩和在水溶液中的介电常数)都是由于在水溶液 中的电荷分布不均匀而产生的。因而，所有氨基酸在接近中性 pH 的水溶液中主要以两性离 子(zwitterion)，也称偶极离子(dipolorton)的形式存在 由于氨基酸同时含有羧基(酸性)和氨基(碱性)，因此，当氨基酸溶解于水时，可表现 为酸的行为 又可表现出碱的性质 因此氨基酸是一类两性电解质。以最简单的甘氨酸(Glγ)为例，在溶液中由于受 pH 的影响可能有三种不同的离解状态，即 氨基酸的这种性质决定于介质的 pH，即氨基酸分子是两性的。当以完全质子化的形 式存在时，α—氨基酸(—氨基，—羧基)用鞋清定可以释放出两个质于。氨基酸的等电点 pI 是指在溶液中净电荷为零时的 pH。pKa 值是上述两个反应的离解常数的负对数，即 在式(5—1)和式(5—2)中，Ka1、和 Ka2、分别代表α碳原子上的-COOH 和一 NH3+； 的表观离解常数，R 如果侧链基上有离解基团，其表观电离常数用 K、表示。在中性 pH 范围， α—氨基和α—羧基都处在离子化状态，因而当用酸滴定时，一 COO—被质子化(一 COOH)； 碱滴定时，一 NH3+发生去质子化。图 5-1 是典型氨基酸两性离于电化学滴定曲线。仅含α —氨基和α—羧基的氨基酸(侧链是不可离解的)的 pKa1 的范围为 2.0—3.0，pKa2 为 9.0 一 10.0(表 5—3)。带有可离解 R 基侧链的氨基酸，如 Lγs、Asp、G1u、Cγs 和 Tγr，相 当于三元酸，有 3 个 pKa 值，因此滴定曲线比较复杂。绝大多数主要氨基酸的 pKa 和 pI 值 见表 5—3，氨基酸的羧基 pKa1 值比脂肪族羧酸低(乙酸的 pKa 为 4．74)，因为氨基酸的带 正电荷的氨基连接在邻近羧基的α碳原子上。 pI(等电点)根据下列等式，利用氨基酸的 pKa1、pKa2。和 pKa3 值可估算氨基酸的 等电点值： 不带电荷侧链的氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 在等电点以上的任何 pH，氨基酸带净负电荷，并因此在电场中将向正极移动。在低于
等电点的任一 pH，氨基酸带有净正电荷，在电场中将向负极移动。在一定 pH 范围内，氨基 酸溶液的 pH 离等电点愈远，氨基酸携带的净电荷愈多。 在蛋白质分子中，氨基酸的。—COOH 是通过酰胺键与邻近氨基酸的。—NH2 相结合， 可以离解的基团只能是 N 端氨基酸残基的氨基，C 端氨基酸残基的羧基和侧链上的可离解基 团。因此，蛋白质中这些可离解基团的 pK。值不同于相应的游离氨基酸。蛋白质中的谷氨 酸和天冬氨酸的酸性侧链基团的 pKa3 值大于相应的游离氨基酸的 pKa3 值，而碱性侧链的 pKa3、值则小于相应游离氨基酸的 pKa3 值。 根据 Henderson—Hasselbach 公式可以计算出任一 pH 条件下一种氨基酸的各种高于 的离子化程度，并求出总的负电荷和正电荷之和，从而可计算出某一蛋白质在此 pH 时的净 电荷数。 5．2．1．3 氨基酸的疏水性 蛋白质在水中的溶解度同氨基酸侧链的极性基团(带电荷或不带电荷)和非极性(疏 水)基团的分布状态有关，而且蛋白质和肽的结构、溶解性和结合脂肪的能力等许多物理化 学性质，都受到组成氨基酸疏水性的影响。氨基酸以及肽和蛋白质的疏水程度可以根据氨基 酸在水和弱极性溶剂例如乙醇中的相对溶解度来确定，将 lmol 氨基酸从水溶液中转移到乙 醇溶液中，吉布斯自由能的变化(即转移自由能)可从式(5—4)计算（忽略活度系数） 式中：S 乙醇-——氨基酸在乙醇的溶解度，mol／L； S 水——氨基酸在水中的溶解度，mol／L。 假若氨基酸有多个基团，则△Gtθ是氨基酸中各个基团的加合函数 例如苯丙氨酸，从水向乙醇中转移的吉布斯自由能可以分为两个部分：一部分是苄基；另一 部分是甘氨酰基和羧基，即 第二部分与给定甘氨酸的吉布斯转移自由能相似，因而从该氨基酸和甘氨酸的转移 吉布斯自由能之差，可以表示出侧链的疏水性，即 △Gtθ(侧链)二△Gtθ(氨基酸)一△Gtθ(甘氨酸) 表 5—4 给出了某些氨基酸侧链的疏水性数值。用这些数据可以预测氨基酸在疏水性 载体上的吸附行为(它可作为疏水性的一个函数)，像聚苯乙烯或连接脂肪族 CD 或 cla 链的 二氧化硅，吸附系数与疏水程度成正比。具有较大的正△Gtθ的氨基酸侧链是疏水性的，因 此易溶于有机相而不是水相。蛋白质分子中的疏水氨基酸残基倾向于处在蛋白质分子内部， 氨基酸侧链的 AGl9 为负值时则是亲水的，这些氨基酸残基趋向于蛋白质分子表面。这里必 须提出，赖氨酸尽管被认为是一种亲水性氨基酸，但△Gtθ为正值(这是由于它有 4 个易溶
等电点的任一 pH，氨基酸带有净正电荷，在电场中将向负极移动。在一定 pH 范围内，氨基 酸溶液的 pH 离等电点愈远，氨基酸携带的净电荷愈多。 在蛋白质分子中，氨基酸的。—COOH 是通过酰胺键与邻近氨基酸的。—NH2 相结合， 可以离解的基团只能是 N 端氨基酸残基的氨基，C 端氨基酸残基的羧基和侧链上的可离解基 团。因此，蛋白质中这些可离解基团的 pK。值不同于相应的游离氨基酸。蛋白质中的谷氨 酸和天冬氨酸的酸性侧链基团的 pKa3 值大于相应的游离氨基酸的 pKa3 值，而碱性侧链的 pKa3、值则小于相应游离氨基酸的 pKa3 值。 根据 Henderson—Hasselbach 公式可以计算出任一 pH 条件下一种氨基酸的各种高于 的离子化程度，并求出总的负电荷和正电荷之和，从而可计算出某一蛋白质在此 pH 时的净 电荷数。 5．2．1．3 氨基酸的疏水性 蛋白质在水中的溶解度同氨基酸侧链的极性基团(带电荷或不带电荷)和非极性(疏 水)基团的分布状态有关，而且蛋白质和肽的结构、溶解性和结合脂肪的能力等许多物理化 学性质，都受到组成氨基酸疏水性的影响。氨基酸以及肽和蛋白质的疏水程度可以根据氨基 酸在水和弱极性溶剂例如乙醇中的相对溶解度来确定，将 lmol 氨基酸从水溶液中转移到乙 醇溶液中，吉布斯自由能的变化(即转移自由能)可从式(5—4)计算（忽略活度系数） 式中：S 乙醇-——氨基酸在乙醇的溶解度，mol／L； S 水——氨基酸在水中的溶解度，mol／L。 假若氨基酸有多个基团，则△Gtθ是氨基酸中各个基团的加合函数 例如苯丙氨酸，从水向乙醇中转移的吉布斯自由能可以分为两个部分：一部分是苄基；另一 部分是甘氨酰基和羧基，即 第二部分与给定甘氨酸的吉布斯转移自由能相似，因而从该氨基酸和甘氨酸的转移 吉布斯自由能之差，可以表示出侧链的疏水性，即 △Gtθ(侧链)二△Gtθ(氨基酸)一△Gtθ(甘氨酸) 表 5—4 给出了某些氨基酸侧链的疏水性数值。用这些数据可以预测氨基酸在疏水性 载体上的吸附行为(它可作为疏水性的一个函数)，像聚苯乙烯或连接脂肪族 CD 或 cla 链的 二氧化硅，吸附系数与疏水程度成正比。具有较大的正△Gtθ的氨基酸侧链是疏水性的，因 此易溶于有机相而不是水相。蛋白质分子中的疏水氨基酸残基倾向于处在蛋白质分子内部， 氨基酸侧链的 AGl9 为负值时则是亲水的，这些氨基酸残基趋向于蛋白质分子表面。这里必 须提出，赖氨酸尽管被认为是一种亲水性氨基酸，但△Gtθ为正值(这是由于它有 4 个易溶
于有机相的—CH2 一基)。事实上，蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时，它的ε—氨 基则突出在蛋白质分子的表面。 5．2．1．4 氨基酸的立体化学 蛋白质温和水解(酸或酶法)产生的所有氨基酸除甘氨酸外，都具有旋光性，这种性质(手 性)是因为有不对称。—碳原于存在，不对称碳原子轨道为 sp3 杂化。根据碳原于上四种不 同取代基的正四面体位置，可以得到两种立体异构体(或对映体)。因此，用费歇尔法表示， 按 D—和 L-甘油醛类推，而不是按对线性偏振光的旋转方向确定。L—和 D—氨基酸的两种 立体异构体可用下式表示： 天然存在的蛋白质中，只存在 L 型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定蛋白质结 构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等 4 种氨基酸各有第二个 不对称中心(即β—碳原子)，所以它们各有 4 种立体异构体，即 L—苏氨酸 D—苏氨酸 L—别苏氨酸 D—别苏氨酸 某些氨基酸的 D 型异构体存在于一些微生物的细胞壁和具有抗菌作用的多肽内，如放线 菌素 D、短杆菌肽和短杆菌酪肽。 5．2．1．5 氨基酸的光谱 蛋白质分子中只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香族氨基酸是能够吸收紫外光的氨基 酸，分别在波长 278nm、275mn 和 260nm 处出现最大吸收(表 5－5)。胱氨酸在 230nm 处有微 弱吸收。所有参与蛋白质组成的氨基酸在接近 210nm 波长处都产生吸收，但是它们在可见光 区域均没有吸收。氨基酸仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸能产生荧光(表 5—5)，甚至蛋白质 分子中的色氨酸也仍然会产生荧光(激发波长 280nm，在 348 nm 波长处荧光最强)。些氨基 酸所处的环境极性对它们的紫外吸收和荧光性质有影响，因此常通过这些氨基酸的环境变 化，对生色基团产生的微扰作用所引起的光谱变化来考查蛋白质构象的变化。 5.2.2 氨基酸的化学反应 氨基酸和蛋白质分子中的反应基团主要是指它们的氨基、羧基和侧链的反应基团即巯 基、酚羟基、羟基、硫醚基(Met)、咪唑基和胍基，主要反应见表 5—6。其中有的反应可用 来对蛋白质和肽进行化学修饰，改善它们的亲水性和疏水性或功能特性。还有一些反应被用 作蛋白质和氨基酸的定量分析，例如氨基酸与茚三酮、邻苯二甲醛或荧光胺反应是氨基酸定
于有机相的—CH2 一基)。事实上，蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时，它的ε—氨 基则突出在蛋白质分子的表面。 5．2．1．4 氨基酸的立体化学 蛋白质温和水解(酸或酶法)产生的所有氨基酸除甘氨酸外，都具有旋光性，这种性质(手 性)是因为有不对称。—碳原于存在，不对称碳原子轨道为 sp3 杂化。根据碳原于上四种不 同取代基的正四面体位置，可以得到两种立体异构体(或对映体)。因此，用费歇尔法表示， 按 D—和 L-甘油醛类推，而不是按对线性偏振光的旋转方向确定。L—和 D—氨基酸的两种 立体异构体可用下式表示： 天然存在的蛋白质中，只存在 L 型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定蛋白质结 构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等 4 种氨基酸各有第二个 不对称中心(即β—碳原子)，所以它们各有 4 种立体异构体，即 L—苏氨酸 D—苏氨酸 L—别苏氨酸 D—别苏氨酸 某些氨基酸的 D 型异构体存在于一些微生物的细胞壁和具有抗菌作用的多肽内，如放线 菌素 D、短杆菌肽和短杆菌酪肽。 5．2．1．5 氨基酸的光谱 蛋白质分子中只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香族氨基酸是能够吸收紫外光的氨基 酸，分别在波长 278nm、275mn 和 260nm 处出现最大吸收(表 5－5)。胱氨酸在 230nm 处有微 弱吸收。所有参与蛋白质组成的氨基酸在接近 210nm 波长处都产生吸收，但是它们在可见光 区域均没有吸收。氨基酸仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸能产生荧光(表 5—5)，甚至蛋白质 分子中的色氨酸也仍然会产生荧光(激发波长 280nm，在 348 nm 波长处荧光最强)。些氨基 酸所处的环境极性对它们的紫外吸收和荧光性质有影响，因此常通过这些氨基酸的环境变 化，对生色基团产生的微扰作用所引起的光谱变化来考查蛋白质构象的变化。 5.2.2 氨基酸的化学反应 氨基酸和蛋白质分子中的反应基团主要是指它们的氨基、羧基和侧链的反应基团即巯 基、酚羟基、羟基、硫醚基(Met)、咪唑基和胍基，主要反应见表 5—6。其中有的反应可用 来对蛋白质和肽进行化学修饰，改善它们的亲水性和疏水性或功能特性。还有一些反应被用 作蛋白质和氨基酸的定量分析，例如氨基酸与茚三酮、邻苯二甲醛或荧光胺反应是氨基酸定
量分析中常用的反应。 (1)与茚三酮反应 在氨基酸的分析化学中，具有特殊意义的是氨基酸与茚三酮(ninhγdrin)的反应。茚三 酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，生成复合物，大多数是蓝色或紫色，在 570nm 波长处有最 大吸收值。仅脯氨酸和羟基脯氨酸生成黄色产物，最大吸收波长为λmax440nm，上述反应常 用于氨基酸的比色(包括荧光法)测定。其反应原理如下 <2)与荧光胺(Fluorescamine)反应 氨基酸和一级胺反应生成强荧光衍生物，因而，可用来快速定量测定氨基酸、肽和蛋 白质。此法灵敏度高，激发波长 390nm，发射波长 475nm。反应如下 (3)与 1，2—苯二甲醛反应 当有巯基乙醇存在时，1，2—苯二甲醛与氨基酸反应能生成强荧光异吲哚衍生物(激发 波长 380nm，发射波长 450nm)。反应如下 (4)与异硫氰酸苯酯反应 (5)与丹磺酰氯(1—二甲氨基茶—5—磺酰氯)反应 除上述的氨基反应可用来确定肽或蛋白质的 N 末端氨基酸，氨基酸丹磺酰衍生物可用非 极性液相色谱柱进行分离。 5．3 蛋白质的结构 5，3．1 蛋白质的结构层次 蛋白质与核酸、糖类一样，都属于生物大分子，它们和一般的合成大分子的最大差别可 以归结为两点：特定结构和时空特性。本章只介绍蛋白质的结构层次。蛋白质的时空特性超 出了本书的范围，这里不予阐述。与另外三类生物分子核酸、糖类和脂类相比，对蛋白质的 层次结构，了解得最为清楚。前面已经提到蛋白质的肢链是由 20 种氨基酸单体随机组成的， 因此蛋白质肽链结构的复杂程度就可想而知。另外，蛋白质的肚链如同其他合成高分子一样， 分子链都很长。任何一种长链分子在伸展状态时，基本上都是处于较高的能态，只有使分子 的内能降低，分子才能成为更稳定的状态。因而，蛋白质的肽链就会自发地通过许多和α— 碳原子或肽平面键间的单键旋转，同时伴随着分子内大量的原子和基团间的相互作用，降低 内能，折叠成为一些空间内较为稳定的立体结构。所以，蛋白质的结构并不只是描述蛋白质 肽链中氨基酸的线性排列顺序。 蛋白质的立体结构是分阶段形成的，在现已查明的蛋白质立体结构中存在不同类型规则 的有序结构。在此基础上，提出了蛋白质的多层次立体结构学说。蛋白质的结构层次可分为
量分析中常用的反应。 (1)与茚三酮反应 在氨基酸的分析化学中，具有特殊意义的是氨基酸与茚三酮(ninhγdrin)的反应。茚三 酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，生成复合物，大多数是蓝色或紫色，在 570nm 波长处有最 大吸收值。仅脯氨酸和羟基脯氨酸生成黄色产物，最大吸收波长为λmax440nm，上述反应常 用于氨基酸的比色(包括荧光法)测定。其反应原理如下 <2)与荧光胺(Fluorescamine)反应 氨基酸和一级胺反应生成强荧光衍生物，因而，可用来快速定量测定氨基酸、肽和蛋 白质。此法灵敏度高，激发波长 390nm，发射波长 475nm。反应如下 (3)与 1，2—苯二甲醛反应 当有巯基乙醇存在时，1，2—苯二甲醛与氨基酸反应能生成强荧光异吲哚衍生物(激发 波长 380nm，发射波长 450nm)。反应如下 (4)与异硫氰酸苯酯反应 (5)与丹磺酰氯(1—二甲氨基茶—5—磺酰氯)反应 除上述的氨基反应可用来确定肽或蛋白质的 N 末端氨基酸，氨基酸丹磺酰衍生物可用非 极性液相色谱柱进行分离。 5．3 蛋白质的结构 5，3．1 蛋白质的结构层次 蛋白质与核酸、糖类一样，都属于生物大分子，它们和一般的合成大分子的最大差别可 以归结为两点：特定结构和时空特性。本章只介绍蛋白质的结构层次。蛋白质的时空特性超 出了本书的范围，这里不予阐述。与另外三类生物分子核酸、糖类和脂类相比，对蛋白质的 层次结构，了解得最为清楚。前面已经提到蛋白质的肢链是由 20 种氨基酸单体随机组成的， 因此蛋白质肽链结构的复杂程度就可想而知。另外，蛋白质的肚链如同其他合成高分子一样， 分子链都很长。任何一种长链分子在伸展状态时，基本上都是处于较高的能态，只有使分子 的内能降低，分子才能成为更稳定的状态。因而，蛋白质的肽链就会自发地通过许多和α— 碳原子或肽平面键间的单键旋转，同时伴随着分子内大量的原子和基团间的相互作用，降低 内能，折叠成为一些空间内较为稳定的立体结构。所以，蛋白质的结构并不只是描述蛋白质 肽链中氨基酸的线性排列顺序。 蛋白质的立体结构是分阶段形成的，在现已查明的蛋白质立体结构中存在不同类型规则 的有序结构。在此基础上，提出了蛋白质的多层次立体结构学说。蛋白质的结构层次可分为
一、二、三和四级结构。蛋白质的二、三、四级结构一般又统称为蛋白质的高级结构。关于 蛋白质三维结构的研究，目前已经有 9000 多种蛋白质的资料，蛋白质四级结构水平的概念 已经不能满足科学发展的需要。因此，蛋白质化学家又在四级结构水平的基础上增加了两种 新的结 构层 次， 即超 二级 结构(supersecondarγ structure)和 结构 城(structure domain)。超二级结构是指几种二级结构的组合物存在于各种结构中。结构域的概念是指蛋 白质分子中那些明显分开的球状部分。对于这两种新结构层次在本书中不作阐述。 5．3．1．1 一级结构 蛋白质的一级结构有时也称蛋白质的共价结构，一般而言，蛋白质的一级结构是指构成 蛋白质肽链的氨基酸残基的线性排列顺序，有时也称为残基的序列。这一定义对只含氨基酸 的简单蛋白质适用。但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除包含氨基酸外，还有其他的 组成。对复合蛋白，完整的一级结构概念应该包括支链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖 链、脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽链部分的连接方式和位点。蛋白质的一级结构是 一个无空间概念的一维结构。 目前，生物世界的蛋白质只有 L 型α—氨基酸才能构成，氨基酸残基之间通过肽键连 接(即一个氨基酸的α—氨基与另一个羧基的。—羧基结合失去一分子水，形成肽键)，由 n 个氨基酸构成的蛋白质含有(n—1)个肽键。蛋白质的末端氨基酸与在肽链中的氨基酸不同， 以游离的α—氨基存在的一端，称之为蛋白质的 N 端，习惯上列在左侧；另一端是以游离的 α—羧基存在，则称为 c 端，习惯上在右侧，即蛋白质的链长 n(这里 n 是指蛋白质序列中 的残基数)和序列，以及肽键的顺反异构，它们决定蛋白质的物理化学性质、结构、生物活 性与功能。氨基酸的序列的作用如同形成二级和三级结构的密码(code)，最终决定蛋白质的 生物功能。许多蛋白质的一级结构现已确定，已知的最短蛋白质链肠促胰链肽(secretin) 和胰高血糖素(glacagon)含 20～100 个氨基酸残基，大多数蛋白质都含有 100—500 个氨基 酸残基，某些不常见的蛋白质链多达几千个氨基酸残基。蛋白质的相对分子质量范围从几千 到 1 000 000 以上，如存在肌肉中的肌联蛋白(titin)的相对分子质量超过 100 万，而肠促 胰链肽的相对分子质量仅约为 2300。大多数蛋白质的相对分子质量在 20 000 一 100 000 之 间。其结构如下 在讨论蛋白质的一级结构时，多肚链的主链可用一 N-C-C—或-C-CN—重复单元 描 述 ， 这 里 一 NH － CHR—CO － ( 一 N-C-C-) 相 对 于 一 个 氨 基 酸 残 基 ， 而 一 CHR-CO-NH-(—C—C—N 一)是表示一个肽单位。反应如下 两个氨基酸连接在一起的肽键是酰胺键(图 5—2)，虽然是将它作为一个共价键来描述
一、二、三和四级结构。蛋白质的二、三、四级结构一般又统称为蛋白质的高级结构。关于 蛋白质三维结构的研究，目前已经有 9000 多种蛋白质的资料，蛋白质四级结构水平的概念 已经不能满足科学发展的需要。因此，蛋白质化学家又在四级结构水平的基础上增加了两种 新的结 构层 次， 即超 二级 结构(supersecondarγ structure)和 结构 城(structure domain)。超二级结构是指几种二级结构的组合物存在于各种结构中。结构域的概念是指蛋 白质分子中那些明显分开的球状部分。对于这两种新结构层次在本书中不作阐述。 5．3．1．1 一级结构 蛋白质的一级结构有时也称蛋白质的共价结构，一般而言，蛋白质的一级结构是指构成 蛋白质肽链的氨基酸残基的线性排列顺序，有时也称为残基的序列。这一定义对只含氨基酸 的简单蛋白质适用。但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除包含氨基酸外，还有其他的 组成。对复合蛋白，完整的一级结构概念应该包括支链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖 链、脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽链部分的连接方式和位点。蛋白质的一级结构是 一个无空间概念的一维结构。 目前，生物世界的蛋白质只有 L 型α—氨基酸才能构成，氨基酸残基之间通过肽键连 接(即一个氨基酸的α—氨基与另一个羧基的。—羧基结合失去一分子水，形成肽键)，由 n 个氨基酸构成的蛋白质含有(n—1)个肽键。蛋白质的末端氨基酸与在肽链中的氨基酸不同， 以游离的α—氨基存在的一端，称之为蛋白质的 N 端，习惯上列在左侧；另一端是以游离的 α—羧基存在，则称为 c 端，习惯上在右侧，即蛋白质的链长 n(这里 n 是指蛋白质序列中 的残基数)和序列，以及肽键的顺反异构，它们决定蛋白质的物理化学性质、结构、生物活 性与功能。氨基酸的序列的作用如同形成二级和三级结构的密码(code)，最终决定蛋白质的 生物功能。许多蛋白质的一级结构现已确定，已知的最短蛋白质链肠促胰链肽(secretin) 和胰高血糖素(glacagon)含 20～100 个氨基酸残基，大多数蛋白质都含有 100—500 个氨基 酸残基，某些不常见的蛋白质链多达几千个氨基酸残基。蛋白质的相对分子质量范围从几千 到 1 000 000 以上，如存在肌肉中的肌联蛋白(titin)的相对分子质量超过 100 万，而肠促 胰链肽的相对分子质量仅约为 2300。大多数蛋白质的相对分子质量在 20 000 一 100 000 之 间。其结构如下 在讨论蛋白质的一级结构时，多肚链的主链可用一 N-C-C—或-C-CN—重复单元 描 述 ， 这 里 一 NH － CHR—CO － ( 一 N-C-C-) 相 对 于 一 个 氨 基 酸 残 基 ， 而 一 CHR-CO-NH-(—C—C—N 一)是表示一个肽单位。反应如下 两个氨基酸连接在一起的肽键是酰胺键(图 5—2)，虽然是将它作为一个共价键来描述
但实际上肽键的 C-N 键具有 40％的双键特性，而 C＝O 键有 40％左右的单键性质，这是由 于电子的非定域作用结果导致产生的共振稳定结构，使之肽健的 C-N 键具有部分双键性质。 肽键的这个特性对蛋白质的结构具有重要的影响：其一，共振结构使—NH 在 pH 为 0-14 之间不能被质子化；其二，肽键由于部分双键性质，一 C-N 键不能像普通的 C-N 单键那样 可以自由旋转，CO-NH 键的旋转角(即ω角)最大为 6°。 由于这种限制的结果，肽键的每一个一 C。-NH-Ca 一片段(包含 6 个原子)处在同一个 平面上，称之为肽平面，于是，多肽主链可描述为通过 Ca 原子连接的一系列—Ca 一 CO-NH-Ca 一平面(图 5—2)。多肽主链的 C＝O 和 N-H 基之间在适宜的条件下是町以形成 氢键的。因为肚键在多肽主链中约占共价键总数的 1／3，它们限制了多肽主链的转动自由 度，从而显著减少了主链的柔顺性。从已知结构的蛋白质分析表明，尽管多数肽平面是不可 扭曲的平面，但也有一些肽平面是可扭曲的。也就是说，肽链的 C-N 链虽然带有双键的性质， 不易旋转，但也不是绝对刚性的，可在—定范围内旋转，N Ca。和 Ca-C 键具有旋转自由度， 它们的两面角分别为Φ和Ψ (图 5—3)；其三，电子的非定域作用使羰基的氧原于带有部分 负电荷，N-H 基的氢原子带有部分的正电荷。由于上述原因，所以多肽主链上的 C 二 O 和 N-H 基之间可以在主链内或主链与主链之间形成氢键。既然肽键具有部分双键特征，因此肽 键上的取代基也就可能出现类似于烯烃那样的顺反异构体。 然而，蛋白质中的肽键和多数顺反异构体一样，顺式因大基团间的相互作用，面处于 高能态，是不稳定的；反式则因处于较低能态，在热力学上是较稳定的。因此，蛋白质中几 乎所有的肽键都是以反式构型存在，顺式和反式的比例为 1：1000，反式向顺式转变时肽键 的吉布斯自由能增加 34．8kJ／mol，实际上在蛋白质中肽键的异构化作用是不存在的。但 是在含有脯氨酸残基的肽键是例外，存在顺式构型。因为脯氨酸残基参与的肽键，反式向顺 式转变的吉布斯自由能仅约为 7．8kJ／mol，在高温下这些健有时能发生反式向顾式转变的 异构化作用，顺式和反式出理的概率之比为 2：8。虽然 N—Ca 和 Ca 一 C 键确实是单键，理 论上Φ和Ψ应具有 360°转动自由度，实际上它们的转动自由度由于 Ca 上侧链原子的空间 位阻效应而受到限制，这些限制使多肽链的柔顺性进一步降低。 5.3.1.2 二级结构 蛋白质的二级结构是指多肚链骨架部分氨基酸残基有规则的周期性空间排列，即肽链 中局部肽段骨架形成的构象。它们是完整肽链构象(三级结构)的结构单元，是蛋白质复杂的 空间构象的基础，故它们也可称为构象单元。它不包括侧链的构象和整个肽链的空间排列。 在多肽链某一片段中，当依次相继的氨基酸残基具有相同的Φ和Ψ转扭角时，就会出现周期
但实际上肽键的 C-N 键具有 40％的双键特性，而 C＝O 键有 40％左右的单键性质，这是由 于电子的非定域作用结果导致产生的共振稳定结构，使之肽健的 C-N 键具有部分双键性质。 肽键的这个特性对蛋白质的结构具有重要的影响：其一，共振结构使—NH 在 pH 为 0-14 之间不能被质子化；其二，肽键由于部分双键性质，一 C-N 键不能像普通的 C-N 单键那样 可以自由旋转，CO-NH 键的旋转角(即ω角)最大为 6°。 由于这种限制的结果，肽键的每一个一 C。-NH-Ca 一片段(包含 6 个原子)处在同一个 平面上，称之为肽平面，于是，多肽主链可描述为通过 Ca 原子连接的一系列—Ca 一 CO-NH-Ca 一平面(图 5—2)。多肽主链的 C＝O 和 N-H 基之间在适宜的条件下是町以形成 氢键的。因为肚键在多肽主链中约占共价键总数的 1／3，它们限制了多肽主链的转动自由 度，从而显著减少了主链的柔顺性。从已知结构的蛋白质分析表明，尽管多数肽平面是不可 扭曲的平面，但也有一些肽平面是可扭曲的。也就是说，肽链的 C-N 链虽然带有双键的性质， 不易旋转，但也不是绝对刚性的，可在—定范围内旋转，N Ca。和 Ca-C 键具有旋转自由度， 它们的两面角分别为Φ和Ψ (图 5—3)；其三，电子的非定域作用使羰基的氧原于带有部分 负电荷，N-H 基的氢原子带有部分的正电荷。由于上述原因，所以多肽主链上的 C 二 O 和 N-H 基之间可以在主链内或主链与主链之间形成氢键。既然肽键具有部分双键特征，因此肽 键上的取代基也就可能出现类似于烯烃那样的顺反异构体。 然而，蛋白质中的肽键和多数顺反异构体一样，顺式因大基团间的相互作用，面处于 高能态，是不稳定的；反式则因处于较低能态，在热力学上是较稳定的。因此，蛋白质中几 乎所有的肽键都是以反式构型存在，顺式和反式的比例为 1：1000，反式向顺式转变时肽键 的吉布斯自由能增加 34．8kJ／mol，实际上在蛋白质中肽键的异构化作用是不存在的。但 是在含有脯氨酸残基的肽键是例外，存在顺式构型。因为脯氨酸残基参与的肽键，反式向顺 式转变的吉布斯自由能仅约为 7．8kJ／mol，在高温下这些健有时能发生反式向顾式转变的 异构化作用，顺式和反式出理的概率之比为 2：8。虽然 N—Ca 和 Ca 一 C 键确实是单键，理 论上Φ和Ψ应具有 360°转动自由度，实际上它们的转动自由度由于 Ca 上侧链原子的空间 位阻效应而受到限制，这些限制使多肽链的柔顺性进一步降低。 5.3.1.2 二级结构 蛋白质的二级结构是指多肚链骨架部分氨基酸残基有规则的周期性空间排列，即肽链 中局部肽段骨架形成的构象。它们是完整肽链构象(三级结构)的结构单元，是蛋白质复杂的 空间构象的基础，故它们也可称为构象单元。它不包括侧链的构象和整个肽链的空间排列。 在多肽链某一片段中，当依次相继的氨基酸残基具有相同的Φ和Ψ转扭角时，就会出现周期
性结构。氨基酸残基之间近邻或短程的非共价相互作用，将决定两面角Φ和Ψ的扭转，同时 导致局部吉布斯自由能的降低。在多肽链的某些片段区域，当依次连接的氨基酸残基的成对 Φ和Ψ双面角取不同值时，这些区域则为非周期或无规结构。 一般说来，在蛋白质分子中主要存在两种周期性(有规则)的二级结构，它们是螺旋 结构和伸展的折叠结构。 各类二级结构的形成几乎全是由于肽链骨架中的羰基上的氧原子和亚胺基上的氢原 子之间的氢键所维系。其他的作用力，如范德华力等，也有一定的贡献。某一肽段，或某些 肽段间的氢键越多，它(们)形成的二级结构就越稳定，即二级结构的形成是一种协同的趋势。 (1)螺旋结构 在蛋白质二级结构中通常将螺旋看成是蛋白质复杂构象的基础，蛋白质的螺旋结构是 由于依次相继的氨基酸残基的成对双面角Φ和Ψ角，分别按同一组值扭转而形成的周期性规 则构象。理论上Φ和Ψ角可以选择不同的组合值，那么，蛋白质就可能产生几种不同几何形 状的螺旋结构。然而，蛋白质实际上仅有 o—螺旋，310—螺旋和π—螺旋 3 种形式的螺旋 结构(图 5—4)，其中 o—螺旋(o-helix)是蛋白质中最常见的规则二级结构，也是最稳定的 构象。 a—螺旋每圈螺旋包含 3.6 个氨基酸残基，螺距(每圈所占的轴长)为 0.54nm，每一个 氨基酸残基的垂直距离，即每圈螺旋沿螺旋轴上升 0.15 nm。每个残基绕轴旋转 100°(即 360°／3.6)，螺旋中氨基酸侧链在垂直于螺旋轴的方向取向(图 5—4)。在 a—螺旋中，所 有的肽单位都是刚性平面结构，其构象符合立体化学的稳定原则，氢键使 a—螺旋稳定，N －H 基的氢和位于螺旋下一圈的肽键的氧(即前面第 4 个残基的 C-O)之间形成许多氢键。由 于氢键的形成和所形成的电偶极指向相同的方向，所以螺旋结构有很高的稳定性。在 o—螺 旋的氢键封闭环内即每对氢键包含 13 个主链原子，因此 a—螺旋有时又称 3.613 螺旋。氢 键的方向与轴平行，从而 N、H 和 O 几乎都在一条直线上，氢键的长度，即 N-H.O 的距 离约为 0．29nm，键的强度约为 18．8kJ／mol。o—螺旋能以右手和左手螺旋两种形式存在， 然而右手螺旋更稳定，对于 L—氨基酸构成的左手螺旋，由于侧链和肽链骨架过于靠近，其 能量较高，构象不稳定，故而很罕见。天然蛋白质中的 a—螺旋几乎都是右手 a—螺旋。 310 螺旋是一种二级结构，为非典型的 a—螺旋构象，形成氢键的 N、H、O 的 3 个原 子不在一直线上，有时存在于球蛋白的某些部位，它是每圈包含 3 个氨基酸残基的 a—螺旋， 每对氢键包含 10 个原子。最近的研究结果认为，310 螺旋可能是一种热力学的中间产物， 比典型的 a—螺旋更紧密。此外，还有某些不常见的螺旋，像π－和γ—螺旋每圈分别有 4．4
性结构。氨基酸残基之间近邻或短程的非共价相互作用，将决定两面角Φ和Ψ的扭转，同时 导致局部吉布斯自由能的降低。在多肽链的某些片段区域，当依次连接的氨基酸残基的成对 Φ和Ψ双面角取不同值时，这些区域则为非周期或无规结构。 一般说来，在蛋白质分子中主要存在两种周期性(有规则)的二级结构，它们是螺旋 结构和伸展的折叠结构。 各类二级结构的形成几乎全是由于肽链骨架中的羰基上的氧原子和亚胺基上的氢原 子之间的氢键所维系。其他的作用力，如范德华力等，也有一定的贡献。某一肽段，或某些 肽段间的氢键越多，它(们)形成的二级结构就越稳定，即二级结构的形成是一种协同的趋势。 (1)螺旋结构 在蛋白质二级结构中通常将螺旋看成是蛋白质复杂构象的基础，蛋白质的螺旋结构是 由于依次相继的氨基酸残基的成对双面角Φ和Ψ角，分别按同一组值扭转而形成的周期性规 则构象。理论上Φ和Ψ角可以选择不同的组合值，那么，蛋白质就可能产生几种不同几何形 状的螺旋结构。然而，蛋白质实际上仅有 o—螺旋，310—螺旋和π—螺旋 3 种形式的螺旋 结构(图 5—4)，其中 o—螺旋(o-helix)是蛋白质中最常见的规则二级结构，也是最稳定的 构象。 a—螺旋每圈螺旋包含 3.6 个氨基酸残基，螺距(每圈所占的轴长)为 0.54nm，每一个 氨基酸残基的垂直距离，即每圈螺旋沿螺旋轴上升 0.15 nm。每个残基绕轴旋转 100°(即 360°／3.6)，螺旋中氨基酸侧链在垂直于螺旋轴的方向取向(图 5—4)。在 a—螺旋中，所 有的肽单位都是刚性平面结构，其构象符合立体化学的稳定原则，氢键使 a—螺旋稳定，N －H 基的氢和位于螺旋下一圈的肽键的氧(即前面第 4 个残基的 C-O)之间形成许多氢键。由 于氢键的形成和所形成的电偶极指向相同的方向，所以螺旋结构有很高的稳定性。在 o—螺 旋的氢键封闭环内即每对氢键包含 13 个主链原子，因此 a—螺旋有时又称 3.613 螺旋。氢 键的方向与轴平行，从而 N、H 和 O 几乎都在一条直线上，氢键的长度，即 N-H.O 的距 离约为 0．29nm，键的强度约为 18．8kJ／mol。o—螺旋能以右手和左手螺旋两种形式存在， 然而右手螺旋更稳定，对于 L—氨基酸构成的左手螺旋，由于侧链和肽链骨架过于靠近，其 能量较高，构象不稳定，故而很罕见。天然蛋白质中的 a—螺旋几乎都是右手 a—螺旋。 310 螺旋是一种二级结构，为非典型的 a—螺旋构象，形成氢键的 N、H、O 的 3 个原 子不在一直线上，有时存在于球蛋白的某些部位，它是每圈包含 3 个氨基酸残基的 a—螺旋， 每对氢键包含 10 个原子。最近的研究结果认为，310 螺旋可能是一种热力学的中间产物， 比典型的 a—螺旋更紧密。此外，还有某些不常见的螺旋，像π－和γ—螺旋每圈分别有 4．4