第二章蛋白质化学 第一节蛋白质概述 、蛋白质生物功能 蛋白质是生物体内最重要的物质之一,英文名称叫做 Protein,是“最原初的”、“第一重要的”意思,不论 是动物、植物,还是简单的细菌、病毒等都有蛋白质存在。它是细胞原生质的主要成分,与核酸一起共同构成 了生命的物质基础。蛋白质的重要性很早就被认识,1838年,当G.J. Mulder提出蛋白质这个名词时,他就明 确指出:在植物和动物中存在这样一种物质,毫不怀疑它是生物体中已知的最重要的物质,如果没有它,在我 们这个星球上生命则是不可能存在的。恩格斯指出:生命是蛋白质的存在方式。因此,蛋白质有着极其重要的 生物学意义 1.生物催化作用:蛋白质的一个最重要的生物学功能是作为有机体新陈代谢的催化剂——酶。几乎所 、作为结构成分:蛋白质另一个主要的生物学功能是作为有机体的结构成分,在高等动物里,胶原纤 要的细胞外结构蛋白,参与结缔组织和骨骼作为身体的支架。细胞里的片层结构,如细胞膜、线粒体 叶绿体和内质网等都是由不溶性蛋白质与脂质组成的 3.运输的功能:另一类蛋白质具有运输的功能。脊椎动物的血红蛋白和无脊椎动物中的血蓝蛋白,某 些色素蛋白如细胞色素c等起传递电子的作用 4.运动功能:某些蛋白质与生物的运动有关,如肌球蛋白( myosin)和肌动蛋白(acin)是肌肉收缩系统的 必要成分。细菌的鞭毛或纤毛蛋白也能产生类似的活动。近年来发现,在非肌肉的运动系统中普遍存在着运动 蛋白 5.储存功能:有些蛋白质具有贮藏氨基酸的功能,作为有机体及其胚胎或幼体生长发育的原料,如蛋 类中的卵清蛋白( ovalbumin)、乳类中的酪蛋白( casein)、小麦种子中的麦醇溶蛋白等 6.免疫防御:生物体防御体系中的抗体( antibody)也是蛋白质。它能识别病毒、细菌以及其他机体的 细胞,并与之相结合而排除外来物质对有机体的干扰,起到保护机体的作用。 7.代谢调控:还有一些蛋白质具有激素的功能,对生物体内的新陈代谢起调节作用。如胰岛素参与血 糖的调节,能降低血液中葡萄糖的含量 8.其它作用:近代分子生物学的研究还表明,蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性,以及高等 动物的记忆、识别机构等方面都起到重要作用 蛋白质的元素组成 蛋白质是含氮的有机化合物,其含氮量占生物组织中一切含氮物质的绝大部分。氮元素是蛋白质区别于糖 和脂肪的特征性元素,根据对大多数蛋白质的氮元素分析,其氮元素的含量都相当接近,一般在15%17% 平均为16%,即100g蛋白质中含有16g氮。这是凯氏( Kedah)定氮法测定蛋白质含量的计算基础。 蛋白质含量=蛋白氮×625 式中:625—16%的倒数,每测定1g氮相当于625g的蛋白质 蛋白质除含有氮元素外,含有下述几种主要元素:C:50~55%:H:6~8%;O:20~30%;S:04% 有些蛋白质含有少量的磷,还有些蛋白质含有微量的金属元素,例如铁、铜、锰、锌等。 蛋白质的分类 蛋白质可以按不同的方法分类。作为分类的依据主要有:分子的形状或空间构象:分子的溶解性:分子的 组成情况:功能 表3-1简单蛋白质的分类 蛋白质 1.清蛋白( albumin 溶于水及稀盐、稀酸或稀碱溶液,为饱和硫酸铵所沉淀。广泛存在于生物体内,如 血清清蛋白、乳清蛋白等 2.球蛋白( globulin) 为半饱和硫酸铵所沉淀,不溶于水而溶于稀盐溶液的称为优球蛋白( euglobulin)溶 于水的称为拟以球蛋白( pseudoglobulin)。普遍存在于生物体内,如血清球蛋白、肌球蛋白和 植物种子球蛋白等 3.谷蛋白 glutelin 不溶于水、醇及中性盐溶液,但易溶于稀酸或稀碱,如米谷蛋白( oryzenin)和麦谷蛋 4.醇溶蛋白(pol 不溶于水及无水乙醇,但溶于70%80%的乙醇中。组成上的特点是脯氨酸和酰胺较 多,非极性侧链远较极性側链多。这类蛋白质主要存在于植物种子中,如玉米醇溶蛋白 aein)、麦醇溶蛋白( gliadin等 5.组蛋白( histon) 溶于水及稀酸,但为稀氨水所沉淀。分子中组氨酸、赖氨酸较多,分子呈碱性,如 小牛胸腺组蛋白等 6.鱼精蛋白( protamine) 溶于水及稀酸,不溶于氨水。分子中呈碱性的氨基酸特别多,因此呈碱性,如鲑精 蛋自( salmin等 7.硬蛋白( scleroprotein) 不溶于水、盐、稀酸或稀碱。这类蛋白是动物体内作为结缔及保护功能的蛋白质, 如角蛋白( keratin)、胶原( collagen)、网硬蛋白 reticulin)和弹性蛋白( elastin)等 按照分子的形状或空间构象可将蛋白质分为纤维状蛋白和球状蛋白两大类。纤维状蛋白分子很不对称,形 状类似纤维。有的纤维状蛋白能溶于水,如肌肉的结构蛋白和血纤维蛋白原:有的纤维状蛋白不溶于水,如角 蛋白、丝心蛋白以及胶原蛋白等。球状蛋白质分子的形状接近球形,空间构象比纤维状蛋白复杂。球状蛋白
32 第二章 蛋白质化学 第一节 蛋白质概述 一、蛋白质生物功能 蛋白质是生物体内最重要的物质之一，英文名称叫做 Protein，是“最原初的”、“第一重要的”意思，不论 是动物、植物，还是简单的细菌、病毒等都有蛋白质存在。它是细胞原生质的主要成分，与核酸一起共同构成 了生命的物质基础。蛋白质的重要性很早就被认识，1838年，当 G. J. Mulder 提出蛋白质这个名词时，他就明 确指出：在植物和动物中存在这样一种物质，毫不怀疑它是生物体中已知的最重要的物质，如果没有它，在我 们这个星球上生命则是不可能存在的。恩格斯指出：生命是蛋白质的存在方式。因此，蛋白质有着极其重要的 生物学意义。 1．生物催化作用：蛋白质的一个最重要的生物学功能是作为有机体新陈代谢的催化剂——酶。几乎所 有的酶都是蛋白质。生物体内的各种化学反应几乎都是在相应的酶参与下进行的。 2．作为结构成分：蛋白质另一个主要的生物学功能是作为有机体的结构成分。在高等动物里，胶原纤 维是主要的细胞外结构蛋白，参与结缔组织和骨骼作为身体的支架。细胞里的片层结构，如细胞膜、线粒体、 叶绿体和内质网等都是由不溶性蛋白质与脂质组成的。 3．运输的功能：另一类蛋白质具有运输的功能。脊椎动物的血红蛋白和无脊椎动物中的血蓝蛋白，某 些色素蛋白如细胞色素 c 等起传递电子的作用。 4．运动功能：某些蛋白质与生物的运动有关，如肌球蛋白(myosin)和肌动蛋白(actin)是肌肉收缩系统的 必要成分。细菌的鞭毛或纤毛蛋白也能产生类似的活动。近年来发现，在非肌肉的运动系统中普遍存在着运动 蛋白。 5．储存功能：有些蛋白质具有贮藏氨基酸的功能，作为有机体及其胚胎或幼体生长发育的原料，如蛋 类中的卵清蛋白（ovalbumin）、乳类中的酪蛋白（casein)、小麦种子中的麦醇溶蛋白等。 6．免疫防御：生物体防御体系中的抗体（antibody）也是蛋白质。它能识别病毒、细菌以及其他机体的 细胞，并与之相结合而排除外来物质对有机体的干扰，起到保护机体的作用。 7．代谢调控：还有一些蛋白质具有激素的功能，对生物体内的新陈代谢起调节作用。如胰岛素参与血 糖的调节，能降低血液中葡萄糖的含量。 8．其它作用：近代分子生物学的研究还表明，蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性，以及高等 动物的记忆、识别机构等方面都起到重要作用。 二、蛋白质的元素组成 蛋白质是含氮的有机化合物，其含氮量占生物组织中一切含氮物质的绝大部分。氮元素是蛋白质区别于糖 和脂肪的特征性元素，根据对大多数蛋白质的氮元素分析，其氮元素的含量都相当接近，一般在 15%~17％， 平均为 16％，即 100g 蛋白质中含有 16g 氮。这是凯氏(Kjedahl）定氮法测定蛋白质含量的计算基础。 蛋白质含量＝蛋白氮×6 .25 式中：6 .25—16％的倒数，每测定１g 氮相当于 6 .25g 的蛋白质。 蛋白质除含有氮元素外，含有下述几种主要元素：C：50～55%； Ｈ：6～8％；Ｏ：20～30% ；Ｓ：0~4％。 有些蛋白质含有少量的磷，还有些蛋白质含有微量的金属元素，例如铁、铜、锰、锌等。 三、蛋白质的分类 蛋白质可以按不同的方法分类。作为分类的依据主要有：分子的形状或空间构象；分子的溶解性；分子的 组成情况；功能。 表 3-1 简单蛋白质的分类 蛋白质 性 质 1． 清蛋白(albumin) 2.．球蛋白(globulin) 3．谷蛋白(glutelin) 4．醇溶蛋白(prolamine) 5．组蛋白(histone) 6．鱼精蛋白(protamine) 7．硬蛋白（scleroprotein） 溶于水及稀盐、稀酸或稀碱溶液，为饱和硫酸铵所沉淀。广泛存在于生物体内，如 血清清蛋白、乳清蛋白等 为半饱和硫酸铵所沉淀，不溶于水而溶于稀盐溶液的称为优球蛋白( euglobulin)；溶 于水的称为拟球蛋白(pseudoglobulin)。普遍存在于生物体内，如血清球蛋白、肌球蛋白和 植物种子球蛋白等 不溶于水、醇及中性盐溶液，但易溶于稀酸或稀碱，如米谷蛋白(oryzenin)和麦谷蛋 白(glutenin)等 不溶于水及无水乙醇，但溶于 70%~80%的乙醇中。组成上的特点是脯氨酸和酰胺较 多，非极性侧链远较极性侧链多。这类蛋白质主要存在于植物种子中，如玉米醇溶蛋白 (zein)、麦醇溶蛋白(gliadin)等 溶于水及稀酸，但为稀氨水所沉淀。分子中组氨酸、赖氨酸较多，分子呈碱性，如 小牛胸腺组蛋白等 溶于水及稀酸，不溶于氨水。分子中呈碱性的氨基酸特别多，因此呈碱性，如鲑精 蛋白(salmin)等 不溶于水、盐、稀酸或稀碱 。这类蛋白是动物体内作为结缔及保护功能的蛋白质 ， 如角蛋白（keratin)、胶原(collagen)、网硬蛋白(reticulin)和弹性蛋白(elastin)等 按照分子的形状或空间构象可将蛋白质分为纤维状蛋白和球状蛋白两大类。纤维状蛋白分子很不对称，形 状类似纤维。有的纤维状蛋白能溶于水，如肌肉的结构蛋白和血纤维蛋白原；有的纤维状蛋白不溶于水，如角 蛋白、丝心蛋白以及胶原蛋白等。球状蛋白质分子的形状接近球形，空间构象比纤维状蛋白复杂。球状蛋白
质的溶解性较好,能结晶,生物体内的蛋白质大多数属于这一类 根据分子组成情况,可将蛋白质划分为单纯蛋白和结合蛋白两类。单纯蛋白不含有非蛋白质部分。这类蛋 白质水解后的最终产物只有氨基酸。单纯蛋白质按其溶解性质的不同可分为白蛋白(或清蛋白)、球蛋白、谷蛋 白、醇溶蛋白、精蛋白、组蛋白以及硬蛋白等(表3-1)。结合蛋白是指由单纯蛋白和非蛋白成分结合而成的蛋 白质,包括核蛋白、色蛋白、磷蛋白、糖蛋白等(表32)。按照蛋白质的功能,则可划分为酶蛋白、结合蛋白、 运输蛋白、受体蛋白、调节蛋白、防御蛋白、贮存蛋白、毒蛋白等(表3-3)。 表3-2结合蛋白质的分类 1.核蛋白( nucleoprotein 辅基是核酸,如脱氧核糖核蛋白、核糖体、烟草花叶病毒等 2.脂蛋白( lipoprotein) 与脂质结合的蛋白质。脂质成分有磷脂、固醇和中性脂等,如血中 的B-脂蛋白、卵黄球蛋白( lipovitellin)等 3.糖蛋白( glycoprotein)和粘蛋白 mucoprotein) 辅基成分为半乳糖、甘露糖、己糖胺、己糖醛酸、唾液酸、硫酸或 磷酸等,如卵清蛋白、γ球蛋白、血清类粘蛋白( seromucoid)等 4.磷蛋白( phosphoprotein 磷酸基通过酯键与蛋白质中的丝氨酸或苏氨酸残基侧链相连,如酪 5.血红素蛋白 hemoprotein) 蛋白、胃蛋白酶等 辅基为血红素,它是卟啉类化合物,卟啉环中心含有金属,如含铁 的血红蛋白、细胞色素c,含镁的叶绿素蛋白,含铜的血蓝蛋白 6.黄素蛋白( avon 7.金属蛋白( metallog 辅基为黄素腺噤呤二核苷酸,如琥珀酸脱氢酶、D氨基酸氰化酶等 与金属直接结合的蛋白,如铁蛋白( ferritin)含铁,乙醇脱氢酶含锌黄 表3-3蛋白质按生物功能的分类 类型及举例 功能或存在 1.酶( enzymes) 核糖核酸酶( Reese) 胞色素C( cytochrome C) 木瓜蛋白酶( papain 水解多肽 2.储藏蛋白( storage protein) 麦醇溶蛋白( gliadin) 小麦的种子蛋白 米醇溶蛋白(zein) 米的种子蛋白 酪蛋白( casein) 卵清蛋白( ovalbumin) 运输蛋白( transport protein) 血红蛋白( hemoglobin) 在血液中运输O2脊椎动物) 血蓝蛋白( hemocyanin) 在血液中运输O2(无脊椎动物 肌红蛋白( myoglobin 在肌肉中运输O2 血清清蛋白( serum albumin) 在血液中运输脂肪酸 B:-脂蛋白(B- lipopro 4.收缩蛋白( contractile protein) 肌眼纤 维的静止纤维 肌动蛋白( actin) 维的移动纤维 5.保护蛋白 protective protein) 抗体( antibodies) 与异蛋白形成复合体 6.补体( complement 与抗原抗体系统形成复合体 7.结构蛋白 糖蛋白( glycoprotein) 蛋白(a- keratin) 肤、羽毛、毛发、角 胶原蛋白( 上述蛋白质的分类并不是绝对的,彼此间是有联系的。例如,组蛋白属于单纯蛋白,若它和DNA结合在 一起时,则把它们合称为核蛋白,就属于结合蛋白类 第二节氨基酸 蛋白质是一类含氮的生物大分子,结构复杂,功能多样。经酸、碱或蛋白酶处理,使蛋白质彻底水解可以 得到各种氨基酸。现在已证明氨基酸是蛋白质的基本组成单位,组成蛋白质的氨基酸共有20种。目前从各种生 物体中发现的氨基酸已有180多种,除去组成蛋白质的20种氨基酸外,其余氨基酸被称为非蛋白质氨基酸。组 成蛋白质的氨基酸称为蛋白质氨基酸 、蛋白质氨基酸的一般结构特点及其分类 氨基酸是含有氨基及羧基的有机化合物。从蛋白质水解产物中分离出来的常见的20种氨基酸除脯氨酸外, 其佘19种氨基酸在结构上的共同特点是与羧基相邻的α碳原子上都有一个氨基,因而称为α氨基酸。结构通式 如下: H C--COOH C-COO 非解离形式 两性离子形式 从结构上看,除甘氨酸外,所有α-氨基酸的α-碳原子都是不对称碳原子( asymmetric carbon)或称手性中 心,因此都具有旋光性,都能使偏振光平面向左或向右旋转,左旋通常用(一)表示,右旋通常用(+)表示
33 质的溶解性较好，能结晶，生物体内的蛋白质大多数属于这一类。 根据分子组成情况，可将蛋白质划分为单纯蛋白和结合蛋白两类。单纯蛋白不含有非蛋白质部分。这类蛋 白质水解后的最终产物只有氨基酸。单纯蛋白质按其溶解性质的不同可分为白蛋白（或清蛋白）、球蛋白、谷蛋 白、醇溶蛋白、精蛋白、组蛋白以及硬蛋白等（表 3-1）。结合蛋白是指由单纯蛋白和非蛋白成分结合而成的蛋 白质，包括核蛋白、色蛋白、磷蛋白、糖蛋白等（表 3-2）。按照蛋白质的功能，则可划分为酶蛋白、结合蛋白、 运输蛋白、受体蛋白、调节蛋白、防御蛋白、贮存蛋白、毒蛋白等（表 3-3）。 表 3-2 结合蛋白质的分类 蛋白质 性 质 1．核蛋白(nucleoprotein) 2．脂蛋白(lipoprotein) 3．糖蛋白(glycoprotein)和粘蛋白(mucoprotein) 4．磷蛋白(phosphoprotein) 5．血红素蛋白(hemoprotein) 6．黄素蛋白(flavoprotein) 7．金属蛋白(metalloprotein) 辅基是核酸，如脱氧核糖核蛋白、核糖体、烟草花叶病毒等 与脂质结合的蛋白质。脂质成分有磷脂、固醇和中性脂等，如血中 的1-脂蛋白、卵黄球蛋白(lipovitellin)等 辅基成分为半乳糖、甘露糖、己糖胺、己糖醛酸、唾液酸、硫酸或 磷酸等，如卵清蛋白、-球蛋白、血清类粘蛋白(seromucoid)等 磷酸基通过酯键与蛋白质中的丝氨酸或苏氨酸残基侧链相连，如酪 蛋白、胃蛋白酶等 辅基为血红素，它是卟啉类化合物，卟啉环中心含有金属，如含铁 的血红蛋白、细胞色素 c，含镁的叶绿素蛋白，含铜的血蓝蛋白 (hemocyanin)等 辅基为黄素腺嘌呤二核苷酸，如琥珀酸脱氢酶、D-氨基酸氧化酶等 与金属直接结合的蛋白，如铁蛋白(ferritin)含铁,乙醇脱氢酶含锌,黄 嘌呤氧化酶含钼和铁等 表 3-3 蛋白质按生物功能的分类 类型及举例 功能或存在 1.酶(enzymes) 核糖核酸酶(Rnese) 细胞色素 C(cytochyome C) 木瓜蛋白酶(papain) 2.储藏蛋白(storage protein) 麦醇溶蛋白(gliadin) 玉米醇溶蛋白(zein) 酪蛋白(casein) 卵清蛋白(ovalbumin) 3.运输蛋白(transport protein) 血红蛋白(hemoglobin) 血蓝蛋白(hemocyanin) 肌红蛋白(myogloin) 血清清蛋白(serum albumin) β1 -脂蛋白(β1-lipoprotein) 4.收缩蛋白(contractile protein) 肌球蛋白(myosin) 肌动蛋白(actin) 5.保护蛋白(protective protein) 抗体(antibodies) 6.补体(complement) 7.结构蛋白 糖蛋白( glycoprotein ) α-角蛋白(α- keratin ) 胶原蛋白( collagen ) 水解 RNA 转移电子 水解多肽 小麦的种子蛋白 玉米的种子蛋白 牛乳蛋白 鸡蛋清蛋白 在血液中运输 O2(脊椎动物) 在血液中运输 O2(无脊椎动物) 在肌肉中运输 O2 在血液中运输脂肪酸 在血液中运输脂类 肌原纤维的静止纤维 肌原纤维的移动纤维 与异蛋白形成复合体 与抗原抗体系统形成复合体 细胞外壳及壁 皮肤、羽毛、毛发、角 结缔组织 上述蛋白质的分类并不是绝对的，彼此间是有联系的。例如，组蛋白属于单纯蛋白，若它和 DNA 结合在 一起时，则把它们合称为核蛋白，就属于结合蛋白类。 第二节 氨基酸 蛋白质是一类含氮的生物大分子，结构复杂，功能多样。经酸、碱或蛋白酶处理，使蛋白质彻底水解可以 得到各种氨基酸。现在已证明氨基酸是蛋白质的基本组成单位，组成蛋白质的氨基酸共有 20种。目前从各种生 物体中发现的氨基酸已有 180 多种，除去组成蛋白质的 20 种氨基酸外，其余氨基酸被称为非蛋白质氨基酸。组 成蛋白质的氨基酸称为蛋白质氨基酸。 一、蛋白质氨基酸的一般结构特点及其分类 氨基酸是含有氨基及羧基的有机化合物。从蛋白质水解产物中分离出来的常见的 20种氨基酸除脯氨酸外， 其余 19种氨基酸在结构上的共同特点是与羧基相邻的-碳原子上都有一个氨基，因而称为-氨基酸。结构通式 如下： 从结构上看，除甘氨酸外，所有-氨基酸的-碳原子都是不对称碳原子（asymmetric carbon）或称手性中 心，因此都具有旋光性，都能使偏振光平面向左或向右旋转，左旋通常用（－）表示，右旋通常用（＋）表示。 C COOH H NH2 R COO NH3 C H R + 非解离形式 两性离子形式
其次每种氨基酸都有D-和L型两种立体异构体,这是与甘油醛相比较确定的。书写时将羧基写在α碳原子的上 端,则氨基在左边的为L型,氨基在右边的为D型(如图3-1) 必须指出,构型与旋光方向二者之间没有直接对应关系。各种L-型氨基酸中有的为左旋有的为右旋,即便 同一种L型氨基酸,在不同溶剂中测定时,其比旋光值和旋光方向也会不同。从蛋白质水解得到的a-氨基酸 都属于L型的,所以习惯上书写氨基酸都不标明构型和旋光方向 从a氨基酸的结构通式可以知道,各种氨基酸的区别就在于侧链R基团的不同,即是说,不同的氨基酸 有不同的R基团。这样,组成蛋白质的20种常见氨基酸可以按照R基的化学结构或极性大小进行分类。在这 里,我们将按照各种氨基酸侧链R基团的极性差 别进行分类。这对于认识蛋白质的性质、结构与功能更为有利。按照这种分类方法可将氨 基酸分为四大类:即非极性或疏水性的侧链R基氨基酸;极性但不带电荷的R基氨基酸:带正电荷的R基氨 基酸:带负电荷的R基氨基酸表(表34表3-7)。注意,这些氨基酸的解高条件是指在细胞生理pH值范围内。 L甘油醛 D-甘油醛 COOH COOH 嚼NH CH3 L丙氨酸 D-丙氨酸 图3-1丙氨酸的一对对映体与L-和D-甘油醛的绝对构型的立体关系 表3-4具有非极性或疏水的R基团的氨基酸 丙氨酸 -COo 缬氨 CH3CH-c—coo 亮氨酸 CH-cH2-c—CoG 异亮氨酸 氨基酸名称 R集团
34 其次每种氨基酸都有D-和 L-型两种立体异构体，这是与甘油醛相比较确定的。书写时将羧基写在-碳原子的上 端，则氨基在左边的为 L-型，氨基在右边的为 D-型（如图 3-1）。 必须指出，构型与旋光方向二者之间没有直接对应关系。各种 L-型氨基酸中有的为左旋有的为右旋，即便 同一种 L-型氨基酸，在不同溶剂中测定时，其比旋光值和旋光方向也会不同。从蛋白质水解得到的 - 氨基酸 都属于 L-型的，所以习惯上书写氨基酸都不标明构型和旋光方向。 从-氨基酸的结构通式可以知道，各种-氨基酸的区别就在于侧链 R基团的不同，即是说，不同的氨基酸 有不同的 R基团。这样，组成蛋白质的 20种常见氨基酸可以按照 R基的化学结构或极性大小进行分类。在这 里，我们将按照各种氨基酸侧链R 基团的极性差 别进行分类。这对于认识蛋白质的性质、结构与功能更为有利。按照这种分类方法可将氨 基酸分为四大类：即非极性或疏水性的侧链 R 基氨基酸；极性但不带电荷的 R 基氨基酸；带正电荷的 R 基氨 基酸；带负电荷的 R 基氨基酸表（表 3-4~表 3-7）。注意，这些氨基酸的解离条件是指在细胞生理 pH值范围内。 C CHO CH2OH HO H OH COOH H2N NH2 L-甘油醛 C CHO CH2OH H D-甘油醛 C CH3 H L-丙氨酸 COOH C CH3 H D-丙氨酸 图 3- 1 丙氨酸的一对对映体与 L-和 D -甘油醛的绝对构型的立体关系 表 3-4 具有非极性或疏水的 R 基团的氨基酸 氨基酸名称 R 集团 三字母符号 单字母符号 丙 氨 酸 （alanune） 缬 氨 酸 （valine） 亮 氨 酸 （leucine） 异 亮 氨 酸 （isoleucine） COO NH3 CH3 C H + Ala Val Leu Ile A V L I 氨基酸名称 R 集团 三字母符号 单字母符号 C H COO NH3 CH CH3 CH3 CH CH3 CH3 CH2 C H COO NH3 C H COO NH3 CH CH3 CH3 CH2
∠CH H2c 苯丙氨酸 CH,-C-COO NH3 甲的酸 CH3S-CHCH2-C-COO 表3-4这一组中共有8种氨基酸(丙、缬、亮、异、脯、笨、色、硫)。4种带有脂肪烃侧链的氨基酸,即 丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸;2种含芳香环氨基酸:苯丙氨酸和色氨酸;1种含硫氨基酸即甲硫氨酸; 1种亚氨基酸:脯氨酸。这组氨基酸在水中的溶解度比极性R基氨基酸小。其中以丙氨酸的R基疏水性最小。 表3-5这一组中有7种氨基酸。这组氨基酸比非极性R基氨基酸易溶于水。它们的侧链中含有不解高的极 性基,能与水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸中侧链的极性是由于它们的羟基造成的:天冬酰胺和谷氨酰 胺R基极性是它们的酰胺基引起的:半胱氨酸则是由于含有巯基的缘故。甘氨酸的侧链介于极性与非极性之间, 有时也把它归入非极性类,但是它的R基只不过是一个氢原子,对极性强的x氨基和a羧基影响极小。这一组 氨基酸中半胱氨酸和酪氨酸的R基极性最强。半胱氨酸中的巯基和酪氨酸中的酚羟基,虽然在pH7时电离很 弱,但与这组氨基酸中的其他氨基酸侧链相比失去质子的倾向大得多。 表3-6属于这一类的是两种酸性氨基酸,它们都含有两个羧基,并且第二个羧基在pH值6-7范围内也完 全解离,因此分子带负电荷。 表3-7这一类氨基酸在p=7时携带净正电荷,又叫碱性氨基酸。赖氨酸除a-氨基外,在脂肪链的c位置 上还有一个氨基;精氨酸含有一个带正电荷的胍基;组氨酸有一个咪唑基。在plH=60时,组氨酸分子50%以 上质子化,但在pH=70时,质子化的分子不到10%。组氨酸是R基的pK值在7附近的唯一种氨基酸 表3-5具有极性不带电荷的R基团的氨基酸 氨基酸名称 R基团 三字母符号 单字母符 甘氨酸 H 丝氨酸 HO-CH2C—coO CH3-CH-c—coo OH NH3 半胱氨酸 CH 2-C--Co0
35 脯 氨 酸 （proline） 苯 丙 氨 酸 （phenylalanine） 色 氨 酸 （tryptophan） 甲 硫 氨 酸 （methionine） C H COO NH2 CH2 CH2 H2C + CH2 C H COO NH3 + _ N + H CH2 C H NH3 COO + CH2 C H NH3 CH3 S CH2 COO Pro Phe Trp Met P F W M 表 3-4 这一组中共有 8 种氨基酸（丙、缬、亮、异、脯、笨、色、硫）。4种带有脂肪烃侧链的氨基酸，即 丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸；2种含芳香环氨基酸：苯丙氨酸和色氨酸；1种含硫氨基酸即甲硫氨酸； 1 种亚氨基酸：脯氨酸。这组氨基酸在水中的溶解度比极性 R基氨基酸小。其中以丙氨酸的 R基疏水性最小。 表 3-5 这一组中有 7种氨基酸。这组氨基酸比非极性 R基氨基酸易溶于水。它们的侧链中含有不解离的极 性基，能与水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸中侧链的极性是由于它们的羟基造成的；天冬酰胺和谷氨酰 胺 R 基极性是它们的酰胺基引起的；半胱氨酸则是由于含有巯基的缘故。甘氨酸的侧链介于极性与非极性之间， 有时也把它归入非极性类，但是它的 R基只不过是一个氢原子，对极性强的-氨基和-羧基影响极小。这一组 氨基酸中半胱氨酸和酪氨酸的 R基极性最强。半胱氨酸中的巯基和酪氨酸中的酚羟基，虽然在 pH=7 时电离很 弱，但与这组氨基酸中的其他氨基酸侧链相比失去质子的倾向大得多。 表 3-6 属于这一类的是两种酸性氨基酸，它们都含有两个羧基，并且第二个羧基在 pH 值 6~7 范围内也完 全解离，因此分子带负电荷。 表 3-7 这一类氨基酸在 pH=7 时携带净正电荷，又叫碱性氨基酸。赖氨酸除-氨基外，在脂肪链的 位置 上还有一个氨基；精氨酸含有一个带正电荷的胍基；组氨酸有一个咪唑基。在 pH=6.0 时，组氨酸分子 50％以 上质子化，但在 pH=7.0 时，质子化的分子不到 10％。组氨酸是 R 基的 pK 值在 7 附近的唯一种氨基酸。 表 3-5 具有极性不带电荷的 R 基团的氨基酸 氨基酸名称 R 基 团 三字母符号 单字母符 甘 氨 酸 （glycine） + C H NH3 H COO Gly G 丝 氨 酸 （serine) Ser S 苏 氨 酸 （threonine) Thr T 半 胱 氨 酸 (cysteine) Cys C C H COO NH3 HO CH2 C H COO NH3 CH OH CH3 C H COO NH3 HS CH2
酪氨 天冬酰胺 0=C-CH2-C-CO0 谷氨酰胺 C—CH2CH2 表3-6R基团带负电荷的氨基酸 氨基酸名称 字母符号 单字母符号 天冬氨酸 0=C-CH2 谷氨酸 glutamic acid) O=C-cH2CH2-C—000 表3-7R基团带正电荷的氨基酸 氨基酸名称 三字母符号 单字母符号 赖氨酸 H3N-CH2-CH-CH2-CH,-C-CO0 精氨酸 HN-C—N-CH(H2cH2-g-0 NH NH3 HCEC-CH 组氨酸 HN NH N 总之,氨基酸的结构特点是: 1、α一氨基酸:参与组成蛋白质的20种氨基酸,除脯氨酸是一种α-亚氨基酸外,其余的都是α一氨基酸 2、式中R表示侧链,20种蛋白质氨基酸在结构上的差别仅在于侧链基团R的不同 、除没有手性碳原子的甘氨酸外,其它蛋白质氨基酸均为L-型氨基酸。 二、稀有的蛋白质氨基酸 蛋白质组成中,除了20种常见氨基酸(基本氨基酸)外,从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸,它们 都是相应常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨酸(4- hydroxyproline),存在于动物的纤维蛋白、胶原蛋白及某 些植物蛋白(如烟草细胞壁的糖蛋白);又如胶原蛋白中的5-羟赖氨酸(5 hydroxy lysine)和肌球蛋白中的6-N 甲基赖氨酸(6-N- me thy llysine)都是赖氨酸的衍生物 三、非蛋白质氨基酸 有些氨基酸以游离或结合态存在于各种细胞或组织中,但不存在于蛋白质中。生物体内已发现数百种非蛋 白质氨基酸。大部分是常见氨基酸的衍生物,但也有D型和一些β、γ或δ-氨基酸。如参与细菌细胞壁组成 的肽聚糖中存在有D谷氨酸和D-丙氨酸,短菌杆肽S( gramicidin)中的D苯丙氨酸等
36 酪 氨 酸 （tyrosine） Tyr Y 天 冬 酰 胺 (asparagine) + CH2 C H NH3 C COO H2N O Asn N 谷 氨 酰 胺 （glutamine） + CH2 C H NH3 C COO H2N O CH2 Gln Q 表 3-6 R 基团带负电荷的氨基酸 氨基酸名称 R 基 团 三字母符号 单字母符号 天 冬 氨 酸 （aspartic acid） + CH2 C H NH3 C COO O O _ _ Asp D 谷 氨 酸 （glutamic acid） + CH2 C H NH3 C COO O CH2 O _ _ Glu E 表 3-7 R 基团带正电荷的氨基酸 氨基酸名称 R 基 团 三字母符号 单字母符号 赖 氨 酸 （lysine） H3N CH2 CH2 CH2 CH2 C COO NH3 H + + _ Lys K 精 氨 酸 (argnine) + CH2 C H NH3 CH CH2 COO C NH 2 NH2 H2N + Arg R 组 氨 酸 （histidine） + CH2 C H NH3 HC C COO HN NH + C H His H 总之，氨基酸的结构特点是： １、α-氨基酸：参与组成蛋白质的 20 种氨基酸,除脯氨酸是一种 α-亚氨基酸外,其余的都是 α-氨基酸 ２、式中Ｒ表示侧链，２0 种蛋白质氨基酸在结构上的差别仅在于侧链基团 R 的不同。 ３、除没有手性碳原子的甘氨酸外,其它蛋白质氨基酸均为 L-型氨基酸。 二、稀有的蛋白质氨基酸 蛋白质组成中，除了 20 种常见氨基酸（基本氨基酸）外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸，它们 都是相应常见氨基酸的衍生物。如 4-羟脯氨酸（4-hydroxyproline），存在于动物的纤维蛋白、胶原蛋白及某 些植物蛋白（如烟草细胞壁的糖蛋白）；又如胶原蛋白中的 5-羟赖氨酸（5-hydroxylysine）和肌球蛋白中的6-N- 甲基赖氨酸（6-N-methyllysine）都是赖氨酸的衍生物。 三、非蛋白质氨基酸 有些氨基酸以游离或结合态存在于各种细胞或组织中，但不存在于蛋白质中。生物体内已发现数百种非蛋 白质氨基酸。大部分是常见氨基酸的衍生物，但也有 D-型和一些β、γ 或 δ-氨基酸。如参与细菌细胞壁组成 的肽聚糖中存在有 D-谷氨酸和 D-丙氨酸，短菌杆肽 S（gramicidin）中的 D-苯丙氨酸等。 HOH C COO NH3 CH2 H
四、氨基酸的理化性质 1.两性解离与等电点 依照 Bronsted- Lowry的酸碱质子理论,酸是质子(r')供体( donor),碱是质子的受体( acceptor)。酸碱 的相互关系如下: HA=A +H 酸碱质子 这里原始的酸(HA)和生成的碱(A)被称为共轭酸碱对。 根据这一理论,氨基酸在水中的偶极离子既起酸(质子供体)的作用 也起碱(质子受体)的作用 COo + H NH3 NH 同一个氨基酸分子上带有能释放出质子的NH正离子和能接受质子的COO负离子,是两性离子。氨基 酸具有两性解离的特点,因此是两性电解质。 完全质子化的氨基酸可以看成是多元酸,侧链不能解离的中性氨基酸可看作是二元酸,酸性氨基酸和碱性 氨基酸可视为三元酸。现以甘氨酸为例说明氨基酸的解高情况。它分步解高如下: COOH COO 阳离子 兼性离子 K=⊥R"IH IR+ COO H+h 兼性离子 阴离子 (R) I RIIH'I 在上列公式中,K1和K2分别代表α-碳原子上的COO和NH的表观解离常数。如果侧链R基上有可解 离的基团,其表观解离常数用K"表示。 氨基酸的带电状况与溶液的pH值有关,改变pH值可以使氨基酸带上正电荷或负电荷,也可以使它处于正 负电荷数相等即净电荷为零的兼性离子状态。氨基酸处于净电荷为零时溶液的pH值,称为该氨基酸的等电点 isoelectric point,缩写为p。在等电pH值时,氨基酸在电场中既不向正极也不向负极移动,即处于兼性离子 极少数为中性分子状态,少数离子成阳离子和阴离子,但解离成阳离子和阴离子的数目相等 对侧链R基不解高的中性氨基酸来说,其等电点是它的pk1和p的算术平均值 p=÷(pK1+pk2) 在等电点以上的任何p值,氨基酸带净负电荷,并因此在电场中向正极移动。在低于等电点的任 值,氨基酸带有净正电荷,在电场中向负极移动。在一定pH值范围内,氨基酸溶液的pH值离等电点越远, 氨基酸所携带的净电荷越大 20种基本氨基酸,除组氨酸外,在生理pH值(pH值为7左右)下都没有明显的缓冲容量。因为这些氨基酸 的pK值都不在pH值7附近(表38),而缓冲容量只在接近pk值时才显现出来。从表38和图3-2可见,组氨 酸咪唑基的pKn值为60,在pH值为7附近有明显的缓冲作用
37 四、氨基酸的理化性质 1．两性解离与等电点 依照 Bronsted - Lowry 的酸碱质子理论，酸是质子(H＋ )供体（donor），碱是质子的受体（acceptor）。酸碱 的相互关系如下： HA＝A －＋H ＋ 酸 碱 质子 这里原始的酸（HA）和生成的碱（A -）被称为共轭酸-碱对。 根据这一理论，氨基酸在水中的偶极离子既起酸（质子供体）的作用： R C H N +H3 COO _ NH2 + H + R C H COO _ 也起碱（质子受体）的作用。 R C H N +H3 COO _ N +H3 + H + R C H COOH 同一个氨基酸分子上带有能释放出质子的-NH3 ＋正离子和能接受质子的-COO－负离子，是两性离子。氨基 酸具有两性解离的特点，因此是两性电解质。 完全质子化的氨基酸可以看成是多元酸，侧链不能解离的中性氨基酸可看作是二元酸，酸性氨基酸和碱性 氨基酸可视为三元酸。现以甘氨酸为例说明氨基酸的解离情况。 它分步解离如下： (R + ) N +H C H 3 COOH _ + H + H 阳离子 N +H C H 3 COO H 兼性离子 R 0 K1 ' K1 ' = R 0 H + R + (3.1) (R - ) NH C H 2 COO _ + H + H 阴离子 N +H C H 3 COO H 兼性离子 R 0 K2 ' _ K2 ' = H + R 0 R - (3.2) 在上列公式中，K′1 和 K′2 分别代表α-碳原子上的-COO－和-N ＋H3 的表观解离常数。如果侧链 R基上有可解 离的基团，其表观解离常数用 K′R表示。 氨基酸的带电状况与溶液的 pH 值有关，改变 pH 值可以使氨基酸带上正电荷或负电荷，也可以使它处于正 负电荷数相等即净电荷为零的兼性离子状态。氨基酸处于净电荷为零时溶液的 pH 值，称为该氨基酸的等电点 (isoelectric point，缩写为 pI)。在等电 pH 值时，氨基酸在电场中既不向正极也不向负极移动，即处于兼性离子 (极少数为中性分子)状态，少数离子成阳离子和阴离子，但解离成阳离子和阴离子的数目相等。 对侧链 R 基不解离的中性氨基酸来说，其等电点是它的 pKl′和 pK2′的算术平均值。 pI = 1 2 (pK1 ' + pK2 ') 在等电点以上的任何 pH 值，氨基酸带净负电荷，并因此在电场中向正极移动。在低于等电点的任一 pH 值，氨基酸带有净正电荷，在电场中向负极移动。在一定 pH 值范围内，氨基酸溶液的 pH 值离等电点越远， 氨基酸所携带的净电荷越大。 20 种基本氨基酸，除组氨酸外，在生理 pH 值(pH 值为 7 左右)下都没有明显的缓冲容量。因为这些氨基酸 的 pK′值都不在 pH 值 7 附近(表 3-8)，而缓冲容量只在接近 pK′值时才显现出来。从表 3-8 和图 3-2 可见，组氨 酸咪唑基的 pK′R 值为 6.0，在 pH 值为 7 附近有明显的缓冲作用
表3-8氨基酸的表观解离常数和等电点 氨基 pk’(-0OH) pKz'(-NHs) pKR(R一基团) 甘氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苏氨酸 2. 43 6.53 天冬氨酸 3.86(B-0OH) 天冬酰胺 2.02 5.41 谷氨配 2.19 9.67 4.25(y-0O0H) 3.22 谷氨酰胺 精氨酸 12.48(胍基 10.76 赖氨酸 10.53(c-NH) 1.82 9.17 6.00(咪唑基 7.69 半胱氨酸 10.78(—SH 甲硫氨酸 苯丙氨酸 13 5.48 酪氨酸 10.07(—OH) 色氨酸 甫氨酸 0.60 6.30 注:除半胱氨酸是30℃时的测定值外,其他氨基酸都是25℃时的测定值 2.吸收光谱 参与蛋白质组成的20种氨基酸,在可见光区域都没有光吸收,但在远紫外区域(<20nm均有光吸收。在 近紫外区域(20~300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。因为它们的R基含有苯环共轭双 键系统。酪氨酸的最大光吸收波长在275mm,苯丙氨酸的在257mm,色氨酸的在280m。 蛋白质由于含有这些氨基酸,因此也有紫外吸收能力。一般最大光吸收在波长280m处,因此利用分光光度 法能很方便地测定蛋白质的含量。但是在不同的蛋白质中这些氨基酸的含量不同,所以它们的消光系数(或称 吸收系数)是不完全一样的 3.除甘氨酸外都具有旋光性 4.重要化学反应 氨基酸的化学反应主要是指它的氨基和a羧基以及侧链上的功能团所参与的那些反应。 (1)与亚硝酸反应在室温下亚硝酸能与含游离a-氨基的氨基酸起反应,定量地放出氮气,氨基酸被 R—CH-COoH+HNO2 R—CH- COOH+N2↑+H2O 氧化成羟酸(含亚氨基的脯氨酸则不能与亚硝酸反应)。其反应式如下: 在标准条件下测定生成的氮气体积,即可计算出氨基酸的量,用此方法反应很快,也较为准确,是定量测 定氨基酸的方法之一(此反应是 Vanslyke氨基氮测定法的基础)。此法还可用于蛋白质水解程度的测定 这里值得注意的是生成的氮气cN)只有一半来自氨基酸。此外应该指出,除aNH外,赖氨酸的ε-NH也 能与亚硝酸反应,但速度较慢。而α-N作用3~4min即完成反应。 (2)与2,4二硝基氟苯的反应在弱碱性溶液中,氨基酸的α-氨基很容易与2,4-二硝基氟苯 (DNFB)作用,生成稳定的黄色2,4二硝基苯基氨基酸(简写为DNP氨基酸)。 O,N' +H2NCH一COOH CH--COOH He (NFB DNP氨基酸(黄色) 这个反应首先被 英国的 Sanger用来鉴定多肽或蛋白质的N末端氨基酸。 (3)与异硫氰酸苯酯反应在弱碱性条件下,氨基酸中的α-氨基还可以与异硫氰酸苯酯(PIC)反 应,产生相应的苯氨基硫甲酰氨基酸(PIC氨基酸)。在无水酸中,PI℃-氨基酸即环化为苯硫乙内酰脲(PIH)
38 表 3-8 氨基酸的表观解离常数和等电点 注：除半胱氨酸是 30℃时的测定值外，其他氨基酸都是 25℃时的测定值。 2．吸收光谱 参与蛋白质组成的 20种氨基酸，在可见光区域都没有光吸收，但在远紫外区域(＜220 nm 均有光吸收。在 近紫外区域(220～300 nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。因为它们的 R 基含有苯环共轭双 键系统。酪氨酸的最大光吸收波长在 275 nm，苯丙氨酸的在 257 nm，色氨酸的在 280 nm。 蛋白质由于含有这些氨基酸，因此也有紫外吸收能力。一般最大光吸收在波长 280 nm 处，因此利用分光光度 法能很方便地测定蛋白质的含量。但是在不同的蛋白质中这些氨基酸的含量不同，所以它们的消光系数（或称 吸收系数）是不完全一样的。 3．除甘氨酸外都具有旋光性 4．重要化学反应 氨基酸的化学反应主要是指它的-氨基和α-羧基以及侧链上的功能团所参与的那些反应。 （1）与亚硝酸反应 在室温下亚硝酸能与含游离α-氨基的氨基酸起反应，定量地放出氮气，氨基酸被 氧化成羟酸(含亚氨基的脯氨酸则不能与亚硝酸反应)。其反应式如下： 在标准条件下测定生成的氮气体积，即可计算出氨基酸的量，用此方法反应很快，也较为准确，是定量测 定氨基酸的方法之一（此反应是Vanslyke 氨基氮测定法的基础）。此法还可用于蛋白质水解程度的测定。 这里值得注意的是生成的氮气(N2)只有一半来自氨基酸。此外应该指出，除α-NH2 外，赖氨酸的ε-NH2 也 能与亚硝酸反应，但速度较慢。而α-NH2 作用 3～4min 即完成反应。 （2）与 2，4-二硝基氟苯的反应 在弱碱性溶液中，氨基酸的α- 氨基很容易与 2，4-二硝基氟苯 （DNFB）作用，生成稳定的黄色 2，4-二硝基苯基氨基酸（简写为 DNP-氨基酸）。 F NO2 O2N CH COOH R N NO2 O2N H CH COOH R + H2N 弱碱中 + HF (DNFB) DNP-氨基酸（黄色） 这个反应首先被 英国的 Sanger 用来鉴定多肽或蛋白质的 N 末端氨基酸。 （3）与异硫氰酸苯酯反应 在弱碱性条件下，氨基酸中的α-氨基还可以与异硫氰酸苯酯（PITC）反 应，产生相应的苯氨基硫甲酰氨基酸（PTC-氨基酸）。在无水酸中，PTC-氨基酸即环化为苯硫乙内酰脲（PTH）， 氨基酸 pK1′（-COOH） pK2′（-NH3） pKR′(R—基团) pI 甘氨酸 2.34 9.60 5.97 丙氨酸 2.34 9.69 6.02 缬氨酸 2.32 9.62 5.97 亮氨酸 2.36 9.60 5.98 异亮氨酸 2.36 9.68 6.02 丝氨酸 2.21 9.15 5.68 苏氨酸 2.63 10.43 6.53 天冬氨酸 2.09 9.82 3.86(β-COOH) 2.97 天冬酰胺 2.02 8.8 5.41 谷氨酸 2.19 9.67 4.25(γ-COOH) 3.22 谷氨酰胺 2.17 9.13 5.65 精氨酸 2.17 9.04 12 .48（胍基） 10.76 赖氨酸 2.18 8.95 10 .53（ε-NH2） 9.74 组氨酸 1.82 9.17 6 .00( 咪唑基) 7.59 半胱氨酸 1.71 8.33 10 .78( —SH) 5.02 甲硫氨酸 2.28 9.21 5.75 苯丙氨酸 1.83 9.13 5.48 酪氨酸 2.20 9.11 10 .07(—OH) 5.66 色氨酸 2.38 9.39 5.89 脯氨酸 1.99 10.60 6.30 R CH NH2 COOH R CH OH + HNO2 COOH+ N2 + H2O
后者在酸中极稳定 N=c=s+N-CH-oH1蜀碱中 苯异硫氰酸酯 H C H (CH,NO, 苯氨基硫甲酰衍生物 苯硫乙内酰脲衍生物 PTC氨基酸) (PTH氨基酸) 这些衍生物是无色的,可用层析法加以分离鉴定。这个反应首先被 Edman用于鉴定多肽或蛋白质的N末 端氨基酸。它在多肽和蛋白质的氨基酸顺序分析方面占有重要地位 (4)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的反应。茚三酮在弱 酸性溶液中与a氨基酸共热,引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应,最后茚三酮与反应物—氨和还原茚三酮发生 作用,生成蓝紫色物质。其反应如下: COOH NH3 +CO2+RCHO+H 水合茚三酮 还原茚三酮 ONH +2NH+ → 还原茚三酮 水合茚三酮 蓝紫色物质 用纸层析或柱层析把各种氨基酸分开后,利用茚三酮显色可以定性或定量测定各种氨基酸。定量释放的CO用 测压法测量,从而计算出参加反应的氨基酸量。 两个亚氨基酸——一脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应形成黄色化合物。 第三节肽 、肽键、肽链、肽单位、氨基酸残基和肽的命名 个氨基酸的a-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物叫肽。氨基酸之间脱水后形成的键 叫肽键( peptide bond),又称为酰胺键,写作CONH(反式立体结构)。最简单的肽由两个氨基酸组成, 称为二肽( dipeptide,其中包含一个肽键。含有三个、四个氨基酸的肽分别称为三肽、四肽。10个以上氨基酸 所生成的肽称为多肽,多肽为链状结构,所以多肽也叫多肽链。肽链中氨基酸由于参加肽键的形成已经不是原 来完整的分子,因此称为氨基酸残基( amino acid residue)。多肽链中每一氨基酸单位在形成肽键时都丢失 分子水。严格地说每形成一个肽键丢失1分子水,因此丢失的水分子数比氨基酸残基数少1个。一条多肽链通 常在一端含有一个游离的末端氨基,在另一端含有一个游离的末端羧基。这两个游离的末端基团有时连接而成 环状肽( cyclic peptide。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定 肽平面 的。规定从肽链的NH末端氨基酸残基开始,称为某氨基酰某氨基酰… 某氨基酸。例如,具有下列化学结构的五肽命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙 氨酰亮氨酸,简写为ser-Gly-Tr-A-Leu Ala H O 氨基末端 基 (N末端) CH2H H H3 H CH 肽键 CH3 CH 肽链也像氨基酸一样具有极性,通常总是把NH2末端氨基酸残基放在 肽平面
39 后者在酸中极稳定。 Ｎ CH COOH R + H2N 弱碱中 Ｃ Ｓ 苯异硫氰酸酯 Ｎ Ｃ H Ｓ Ｎ Ｃ Ｃ HO H R H O H + (CH3NO2 ) Ｎ Ｓ Ｃ Ｎ Ｃ Ｃ H R H O 苯氨基硫甲酰衍生物 (PTC-氨基酸) 苯硫乙内酰脲衍生物 (PTH-氨基酸) + H2O 这些衍生物是无色的，可用层析法加以分离鉴定。这个反应首先被 Edman 用于鉴定多肽或蛋白质的 N-末 端氨基酸。它在多肽和蛋白质的氨基酸顺序分析方面占有重要地位。 （4）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的反应。茚三酮在弱 酸性溶液中与α-氨基酸共热，引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应，最后茚三酮与反应物──氨和还原茚三酮发生 作用，生成蓝紫色物质。其反应如下： C C C O O OH OH C COOH H R H3N + + C C C O O OH H + NH3 + CO2 + RCHO + H + 水合茚三酮 还原茚三酮 C C C O O OH H + 2NH3 + 还原茚三酮 C C C O O HO HO 水合茚三酮 C C C ONH4 O C C C O O N +3H2O 蓝紫色物质 + 用纸层析或柱层析把各种氨基酸分开后，利用茚三酮显色可以定性或定量测定各种氨基酸。定量释放的 CO2 用 测压法测量，从而计算出参加反应的氨基酸量。 两个亚氨基酸──脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应形成黄色化合物。 第三节 肽 一、肽键、肽链、肽单位、氨基酸残基和肽的命名 一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物叫肽。氨基酸之间脱水后形成的键 叫肽键(peptide bond)，又称为酰胺键，写作—CO—NH—（反式立体结构）。最简单的肽由两个氨基酸组成， 称为二肽(dipeptide)，其中包含一个肽键。含有三个、四个氨基酸的肽分别称为三肽、四肽。10 个以上氨基酸 所生成的肽称为多肽，多肽为链状结构，所以多肽也叫多肽链。肽链中氨基酸由于参加肽键的形成已经不是原 来完整的分子，因此称为氨基酸残基（amino acid residue）。多肽链中每一氨基酸单位在形成肽键时都丢失 1 分子水。严格地说每形成一个肽键丢失 1 分子水，因此丢失的水分子数比氨基酸残基数少 1 个。一条多肽链通 常在一端含有一个游离的末端氨基，在另一端含有一个游离的末端羧基。这两个游离的末端基团有时连接而成 环状肽(cyclic peptide)。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定 的。规定从肽链的 NH2末端氨基酸残基开始，称为某氨基酰某氨基酰…… 某氨基酸。例如，具有下列化学结构的五肽命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙 氨酰亮氨酸，简写为 Ser—Gly－Tyr—Ala—Leu。 H3N + H C CH2 OH O C N H H C H C N C C N C N C COO CH CH2 CH3 CH2 CH3 CH3 O O H H OH H H H H C O 肽键 Gly Tyr Ala Leu 羧基末端 (C末端) 氨基末端 (N末端) Ser 肽链也像氨基酸一样具有极性，通常总是把 NH2 末端氨基酸残基放在 R C H H N C O 图 3-3 完全伸展的肽链构象 (并示出肽平面)
左边,COOH末端氨基酸残基放在右边。除特别指明者外,上面举例的五肽丝氨酸残基一侧为NH2末端,亮 氨酸残基一侧为COOH末端。注意,反过来书写的Leu-Ala-Iyr-Gil-Ser是与前者不同的另一种五肽。 从上面五肽的化学结构可以看出,肽链中的骨干是由右示单位规则地重复排列而成的,称之为共价主链(man backbond。各种肽链的主链结构都是一样的,但侧链R基的顺序即氨基酸残基顺序不同。肽链主链上的重复结 构称为肽单位 peptideunit)或肽基( peptide group)。肽键的实际结构是一个共振杂化体( resonance hybrid。由 于氮电子离域形成了包括肽键的羰基氧、羰基碳和酰胺氮在内的OC一Nπ系统,因此主链肽键C-N具有双 键性质而不能自由旋转,据测定C一N单键的键长是0148nm:;C=N双键的键长是0.127nn;据预测肽键(共 振杂化体)中的C…N的键长应介于两者之间。X-射线衍射分析证实,肽键中C…N的键长为0.132mm,结果 肽键的所有4个原子和与之相连的两个a碳原子(习惯上称为C.)都处于一个平面内,此刚性结构的平面称 为肽平面( peptide plane)或酰胺平面(图33),每一个肽单位实际上就是一个肽平面。肽平面内的C=O与 N-H呈反式排列,各原子间的键长和键角都是固定的 二、重要的寡肽及其应用 在生物体内,氨基酸通过肽键连接,除了合成蛋白质多肽链外,还能合成一些具有调节功能的小分子肽,称为 生物活性肽。肽广泛存在于动植物组织中,有一些在生物体内具有特殊功能。据近年来对活性肽的研究,生物 的生长发育、细胞分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗衰老、生物钟规律及分子进化等均涉 及到活性肽 (1)谷胱甘肽动植物细胞中都含有一种三肽,称为还原型谷胱甘肽( reduced glutathion)即谷氨酰半胱 氨酰甘氨酸,因为它含有游离的一SH,所以常用GsH来表示。它的分子中有一特殊的γ肽键,是谷氨酸的y 羧基与半胱氨酸的α-氨基缩合而成,显然这与蛋白质分子中的肽键不同。结构式如下: CO一NH-CH—CONH—CH,-COOH n CHNH COOH 还原型谷肽甘肽(GSH 氧化型谷胱甘肽(GSSG) 由于(SH中含有一个活泼的巯基,很容易氧化,两分子GSH脱氢以二硫键相连就成为氧化型谷胱甘肽 (GSSG。谷胱甘肽作为清除剂与有害的氧化剂作用可以保护含巯基的蛋白质,还是某些酶的辅酶,在体内氧化 还原过程中起重要作用 (2)脑啡肽在小的活性肽中一类称为脑啡肽( enkephalins的物质近年来很引人注意。它是一类比吗啡更 有镇痛作用的五肽物质。1975年底将其结构搞清,并从猪脑中分离出两种类型的脑啡肽。其结构如下 甲硫氨酸型脑啡肽(Met-脑啡肽) H·Tyr·ly·Gly·Phe·Met·OH 亮氨酸型脑啡肽(Leu-脑啡肽) H·Tyr·Gly·Gily·phe·Leu·OH 由于脑啡肽类物质是高等动物脑组织中原来就有的,因此对它们进行深入研究不仅有可能人工合成出一类 既有镇痛作用而又不会像吗啡那佯使病人上瘾的药物来,更重要的是为分子神经生物学的硏究开阔了思路,从 而可以在分子基础上阐明大脑的活动 (3)加压素加压素是脑下垂体后叶所分泌的多肽激素,由九个肽组成,呈环状结构,其简式如下: Cys-Tyr:Phe.Gln·Asn:Cys:Pro·Lys: GlyNE2 加压素的功能是促进血管平滑肌收缩和抗利尿作用,因此临床上用于治疗尿崩症和肺咯血 第四节蛋白质的分子结构 蛋白质是生物体中功能最多样化的生物大分子。它们在功能上的多样化决定于构象上的多样化。蛋白质的 基本结构是由氨基酸残基构成的多肽链,再由一条或一条以上的多肽链按一定的方式组合成具有特定结构的生 物活性分子。随着肽链数目、氨基酸的组成及其排列顺序不同就形成了不同的蛋白质 根据对不同种类、不同形状、不同功能的蛋白质三维结构的研究,已确认蛋白质的结构有不同的层次,人 们为了认识的方便通常将其分为一级结构、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构及四级结构。 、蛋白质的一级结构 一级结构的含义及重要性
40 左边， COOH 末端氨基酸残基放在右边。除特别指明者外，上面举例的五肽丝氨酸残基一侧为 NH2末端，亮 氨酸残基一侧为 COOH 末端。注意，反过来书写的 Leu—Ala—Tyr—Gly—Ser 是与前者不同的另一种五肽。 从上面五肽的化学结构可以看出，肽链中的骨干是由右示单位规则地重复排列而成的，称之为共价主链(main backbond)。各种肽链的主链结构都是一样的，但侧链 R 基的顺序即氨基酸残基顺序不同。肽链主链上的重复结 构称为肽单位( peptideunit )或肽基(peptide group)。肽键的实际结构是一个共振杂化体（resonance hybrid）。由 于氮电子离域形成了包括肽键的羰基氧、羰基碳和酰胺氮在内的 O—C—N系统，因此主链肽键 C—N具有双 键性质而不能自由旋转，据测定 C—N 单键的键长是 0.148nm；C＝N 双键的键长是 0.127nm；据预测肽键（共 振杂化体）中的 C…N 的键长应介于两者之间。X-射线衍射分析证实，肽键中 C…N 的键长为 0.132nm，结果 肽键的所有 4 个原子和与之相连的两个α-碳原子（习惯上称为 Cα）都处于一个平面内，此刚性结构的平面称 为肽平面（peptide plane）或酰胺平面（图 3-3），每一个肽单位实际上就是一个肽平面。肽平面内的 C＝O与 N—H 呈反式排列，各原子间的键长和键角都是固定的。 二、重要的寡肽及其应用 在生物体内,氨基酸通过肽键连接,除了合成蛋白质多肽链外,还能合成一些具有调节功能的小分子肽,称为 生物活性肽。肽广泛存在于动植物组织中，有一些在生物体内具有特殊功能。据近年来对活性肽的研究，生物 的生长发育、细胞分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗衰老、生物钟规律及分子进化等均涉 及到活性肽。 （1）谷胱甘肽 动植物细胞中都含有一种三肽，称为还原型谷胱甘肽(reduced glutathion) 即-谷氨酰半胱 氨酰甘氨酸，因为它含有游离的－SH，所以常用 GSH 来表示。它的分子中有一特殊的-肽键，是谷氨酸的- 羧基与半胱氨酸的α-氨基缩合而成，显然这与蛋白质分子中的肽键不同。结构式如下： COOH CHNH2 CH2 CH2 CO NH CH CH2 SH CO NH CH2 COOH Glu Cys Gly S S Glu Cys Gly γ α β γ γ 还原型谷肽甘肽(GSH) 氧化型谷胱甘肽(GSSG) 由于 GSH 中含有一个活泼的巯基，很容易氧化，两分子 GSH 脱氢以二硫键相连就成为氧化型谷胱甘肽 (GSSG)。谷胱甘肽作为清除剂与有害的氧化剂作用可以保护含巯基的蛋白质，还是某些酶的辅酶，在体内氧化 还原过程中起重要作用。 （2）脑啡肽 在小的活性肽中一类称为脑啡肽(enkephalins)的物质近年来很引人注意。它是一类比吗啡更 有镇痛作用的五肽物质。1975 年底将其结构搞清，并从猪脑中分离出两种类型的脑啡肽。其结构如下： 甲硫氨酸型脑啡肽(Met-脑啡肽) H· Tyr· Gly· Gly· Phe·Met·OH 亮氨酸型脑啡肽(Leu-脑啡肽) H· Tyr· Gly· Gly· phe· Leu·OH 由于脑啡肽类物质是高等动物脑组织中原来就有的，因此对它们进行深入研究不仅有可能人工合成出一类 既有镇痛作用而又不会像吗啡那佯使病人上瘾的药物来，更重要的是为分子神经生物学的研究开阔了思路，从 而可以在分子基础上阐明大脑的活动。 （3）加压素 加压素是脑下垂体后叶所分泌的多肽激素，由九个肽组成，呈环状结构，其简式如下： Cys Tyr · Phe · Gln · Asn · Cys · Pro · Lys · Gly NH2 S S 加压素的功能是促进血管平滑肌收缩和抗利尿作用，因此临床上用于治疗尿崩症和肺咯血。 第四节 蛋白质的分子结构 蛋白质是生物体中功能最多样化的生物大分子。它们在功能上的多样化决定于构象上的多样化。蛋白质的 基本结构是由氨基酸残基构成的多肽链，再由一条或一条以上的多肽链按一定的方式组合成具有特定结构的生 物活性分子。随着肽链数目、氨基酸的组成及其排列顺序不同就形成了不同的蛋白质。 根据对不同种类、不同形状、不同功能的蛋白质三维结构的研究，已确认蛋白质的结构有不同的层次，人 们为了认识的方便通常将其分为一级结构、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构及四级结构。 一、蛋白质的一级结构 1．一级结构的含义及重要性
1969年,国际纯化学和应用化学协会经过讨论,规定一级结构只指肽链中的氨基酸的排列顺序,其他内容 属于一般的化学结构。这种规定对于讨论“一级结构决定高级结构”这一命题是有意义的 1953年, Sanger等人经过将近10年的努力,首次完成了牛胰岛素的氨基酸顺序的测定,目前一级结构已 经测定的蛋白质教量日益增多,主要的有胰岛素、细胞色素c、血红蛋白、肌红蛋白、烟草花叶病毒蛋白、牛 胰核糖核酸酶及溶菌酶等。 胰岛素是一级结构首先被揭示的蛋白质,是动物胰岛细胞分泌的一种激素蛋白。胰岛素分子由51个氨基酸 残基组成,相对分子质量为5734,它由两条肽链组成,一条称为A链,是21肽;另一条称为B链,是30肽 A链和B链由两对二硫键连接起来。在A链内还有一个由二硫键形成的链内小环图3-4) Ile. Val- Glu·Gln·Cys: Cvs. Ala Ser. Val-cys· Ser- Leu· Tvr. GInr Leu- Glu·Asn· Tvr. Cvs. AsnOH Phe- Val- Asn:Glh-His:Leu·cys. Gly- Ser. His- Leu·wal-lu· Ala- Leu·Ty al-- Gly-Glu Arg. Gly-Phe- Phe. Tyr. Thr Pro- Lys AlaOH 图3-4牛胰岛素的化学结构 Pr一级结构研究的内容:多肽链的数目、排列顺序、链内或链间二硫键的形成。 测定一级结构的意义在于:(1)不仅使人工合成有生物活性的蛋白质和多肽成为可能,而且对于揭示一 级结构与生物功能间的关系也有着特别重要的意义。我国生化工作者根据胰岛素的氨基酸顺序于1965年用人工 方法合成了具有生物活性的牛胰岛素,第一次成功地完成了蛋白质的全合成,为生物化学的发展作出了重大贡 献。此外,(2)人们可以从比较生物化学( Comparative biochemistry)的角度分析比较功能相同、而种属来 源不同的蛋白质的一级结构差异,为生物进化提供生物化学依据:(3)也可以分析比较同种蛋白质的个体差异, 为遗传疾病的诊治提供可靠依据。镰刀形红细胞分贫血病在非洲人中比较常见患者的红细胞合成了一种不正常 的血红蛋白(HbS),正常人的血红蛋白(HbA),研究发现差别在于AA顺序上 即HbA:β链N端第6位A为G1u; HbS:β-链N端第6位AA为Val; 因为Glu在生理P下为带负电荷的极性R基团A,Val在生理PH下为非极性R基团AA,就使得分子表面 的负电荷减少,影响分子的正常聚集,致使体积下降,溶解度降低,血球随之收缩为镰刀形,以致输氧能力下 降,细胞变得脆弱发生溶血 2.测定一级结构的基本原理和方法 人们已知的数百种多肽和蛋白质顺序的测定,大都是采用 F. Sanger实验室所确立的方法。基本上包括从多 肽链的某一自由末端起依次将氨基酸残基切下并逐个进行鉴定。但是,在特定的分解反应中,要使所需产物的 产率达到100%实际上是很困难的。这样就会给长肽链顺序的测定带来一些问题。因为当末端残基逐步分解时, 每切下一个残基都会产生相应短的肽链产物,而每一步产物的量在反应体系内所占的比例将依次减小:相反, 从最短肽链上切下的氨基酸与前几步尚未反应的较长肽链上所切下的氨基酸相混的机会不断增多。这是一个根 本性的化学限制因素。正是这个因素决定了氨基酸顺序测定的战略,也就是说,应该先把多肽链降解成足够短 的顺序以便使化学反应能够产生可靠的结果,然后再把这些结果组合成整条多肽链的顺序。在蛋白质顺序测定 中实际所采用的步骤是 (1)将待测蛋白质进行纯化 (2)拆开所有二硫键若多肽链之间或多肽链内部存在二硫键,在测定肽链的氨基酸顺序之前必须把二 硫键拆开,以获得伸展的肽链,这样才能进行氨基酸顺序的测定 链 B链 β-巯基乙醇 链 SI B链 碘乙酸
41 1969年，国际纯化学和应用化学协会经过讨论，规定一级结构只指肽链中的氨基酸的排列顺序，其他内容 属于一般的化学结构。这种规定对于讨论“一级结构决定高级结构”这一命题是有意义的。 1953年，Sanger等人经过将近 10年的努力，首次完成了牛胰岛素的氨基酸顺序的测定，目前一级结构已 经测定的蛋白质数量日益增多，主要的有胰岛素、细胞色素 c、血红蛋白、肌红蛋白、烟草花叶病毒蛋白、牛 胰核糖核酸酶及溶菌酶等。 胰岛素是一级结构首先被揭示的蛋白质，是动物胰岛细胞分泌的一种激素蛋白。胰岛素分子由 51个氨基酸 残基组成，相对分子质量为 5734，它由两条肽链组成，一条称为 A链，是 21肽；另一条称为 B链，是 30肽。 A 链和 B 链由两对二硫键连接起来。在 A 链内还有一个由二硫键形成的链内小环(图 3-4)。 S S S S S S HGly · Ile · Val · Glu · Gln · Cys · Cys · Ala Ser · Val · Cys · Ser · Leu · Tyr · Gln· Leu· Glu · Asn · Tyr· Cys· AsnOH 1 5 6 7 10 11 15 20 21 HPhe · Val · Asn · Gln · His· Leu · Cys · Gly· Ser· His · Leu · Val · Glu · Ala· Leu · Tyr · Leu · Val · Cys · Gly · Glu 1 5 7 10 15 19 20 Arg · Gly · Phe · Phe · Tyr · Thr· Pro · Lys · AlaOH 25 30 A链 B链 · 图 3-4 牛胰岛素的化学结构 Pr 一级结构研究的内容：多肽链的数目、排列顺序、链内或链间二硫键的形成。 测定一级结构的意 义在于：（1） 不仅使人工合成有生物活性的蛋白质和多肽成为可能，而且对于揭示一 级结构与生物功能间的关系也有着特别重要的意义。我国生化工作者根据胰岛素的氨基酸顺序于 1965 年用人工 方法合成了具有生物活性的牛胰岛素，第一次成功地完成了蛋白质的全合成，为生物化学的发展作出了重大贡 献。此外，（2） 人们可以从比较生物化学（Comparative biochemistry）的角度分析比较功能相同、而种属来 源不同的蛋白质的一级结构差异，为生物进化提供生物化学依据；（3）也可以分析比较同种蛋白质的个体差异， 为遗传疾病的诊治提供可靠依据。镰刀形红细胞分贫血病在非洲人中比较常见患者的红细胞合成了一种不正常 的血红蛋白（HbS），正常人的血红蛋白（HbA），研究发现差别在于 AA 顺序上， 即 HbA：β-链 N-端第 6 位 AA 为 Glu； HbS： β-链 N-端第 6 位 AA 为 Val； 因为Glu 在生理PH 下为带负电荷的极性 R 基团 AA，Val 在生理 PH 下为非极性 R 基团 AA，就使得分子表面 的负电荷减少，影响分子的正常聚集，致使体积下降，溶解度降低，血球随之收缩为镰刀形，以致输氧能力下 降，细胞变得脆弱发生溶血。 2. 测定一级结构的基本原理和方法 人们已知的数百种多肽和蛋白质顺序的测定，大都是采用 F. Sanger 实验室所确立的方法。基本上包括从多 肽链的某一自由末端起依次将氨基酸残基切下并逐个进行鉴定。但是，在特定的分解反应中，要使所需产物的 产率达到100％实际上是很困难的。这样就会给长肽链顺序的测定带来一些问题。因为当末端残基逐步分解时， 每切下一个残基都会产生相应短的肽链产物，而每一步产物的量在反应体系内所占的比例将依次减小；相反， 从最短肽链上切下的氨基酸与前几步尚未反应的较长肽链上所切下的氨基酸相混的机会不断增多。这是一个根 本性的化学限制因素。正是这个因素决定了氨基酸顺序测定的战略，也就是说，应该先把多肽链降解成足够短 的顺序以便使化学反应能够产生可靠的结果，然后再把这些结果组合成整条多肽链的顺序。在蛋白质顺序测定 中实际所采用的步骤是： （1）将待测蛋白质进行纯化 （2）拆开所有二硫键 若多肽链之间或多肽链内部存在二硫键，在测定肽链的氨基酸顺序之前必须把二 硫键拆开，以获得伸展的肽链，这样才能进行氨基酸顺序的测定。 S S A 链 S S 胰岛素 S S B 链 β-巯基乙醇 SH SH A 链 SH SH SH SH B 链 碘乙酸
