03 第3章 氨基酸和蛋白质

第3章 氨基酸和蛋白质

一、教学大纲基本要求

氨基酸的结构特点和构型、物理和化学性质以及氨基酸的分离和分析。肽和肽键的结构和性质以及生物学功能。蛋白质的结构层次，一级结构测定，一级结构与生物功能。蛋白质二级结构，肽链的构象，二级结构的基本类型，超二级结构与结构域和纤维状蛋白质。一级结构决定高级结构，维持三级结构的作用力，球状蛋白质的结构域和三级结构的功能，蛋白质四级结构与功能与功能，免疫球蛋白的结构与功能。蛋白质两性性质及应用，胶体性质与蛋白质沉淀，蛋白质的变性，分离纯化蛋白质的主要方法。

二、本章知识要点

（一）氨基酸

1．蛋白质的组成

蛋白质是由20种基本氨基酸组成的。用酸、碱或蛋白酶可以分别将蛋白质水解，生成游离的氨基酸。 2．氨基酸的结构与分类

常见的蛋白质氨基酸（基本氨基酸）有20种，是构成蛋白质的结构单元。20种基本氨基酸中，有19种氨基酸是?－氨基酸，即与羧基相邻的?－碳原子上都有一个氨基。脯氨酸是亚氨基酸。各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同，根据R基团结构的不同，可以将20种氨基酸分为脂肪族、芳香族和杂环族3类。按照R基团的极性性质，又可以将20种氨基酸分为4类：非极性R基氨基酸，不带电荷的极性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。氨基酸侧链R基的性质决定了蛋白质的结构特点、性质和功能。

不常见的蛋白质氨基酸有10多种，在蛋白质中由基本氨基酸经过修饰生成的。 3．氨基酸的两性性质

在结晶状态或在水溶液中，氨基酸主要以两性离子形式存在。?－羧基pK1在2.0左右，当pH>3.5，?－羧基主要以－COO-形式存在。?－氨基pK2在9.4左右，当pH<8.0时，?－氨基主要以?－NH3形式存在。氨基酸在pH3.5－8.0时，带有相反电荷，是两性离子。在溶液中，氨基酸带有的电荷性质和电荷量随溶液pH值变化而变化。

甘氨酸溶点232℃，比相应的乙酸（16.5℃）和乙胺（－80.5℃）都高，可推测氨基酸在晶体状态是以两性离子形式存在的。

溶液中的氨基酸所带的净电荷为零时，此时溶液的pH值称氨基酸的等电点，用pI表示。氨基酸等电点的计算：中性氨基酸pI＝（pKa－COOH + pKa－NH3）/2，酸性氨基酸pI＝（pKa－COOH + pKR）/2，碱性氨基酸pI＝（pKa－NH3 + pKR ）/2。 4．氨基酸侧链R基的特性

（1）侧链R为脂肪烃基的氨基酸（Gly、Ala、Val、Leu、Ile） R基是中性烷基（Gly是H），对整个氨基

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酸分子的酸碱性影响很小。这5种氨基酸几乎有相同的等电点（6.0±0.03）。从甘氨酸到异亮氨酸，侧链R基团的疏水性逐渐增加。

（2）侧链R中含有羟基的氨基酸（Ser、Thr） 丝氨酸中的－OH基（pKa=15），在生理条件下不解离，是一个极性基团，能与其它基团（羟基和氨基等）形成氢键，具有重要的生理意义。在许多酶的活性中心都有丝氨酸残基存在。苏氨酸中的基羟基是一个仲醇，具有亲水性，但此羟基形成氢键的能力较弱。苏氨酸在蛋白质活性中心中很少出现。

（3）侧链R中含硫的氨基酸（Cys、Met） 半胱氨酸的R侧链中含巯基，两个半胱氨酸的巯基氧化生成二硫键，利于稳定蛋白质的空间结构。甲硫氨酸中含有甲硫基（－SCH3），在生物体内是一种重要的甲基供体。 （4）侧链R中含有酸性基团的氨基酸（Asp、Glu） 半胱氨酸侧链羧基pKa（β－COOH）为3.86，谷氨酸侧链羧基pKa（γ－COOH）为4.25，它们在生理条件下带有负电荷。

（5）侧链R中含有酰胺基团的氨基酸（Asn、Gln） 天冬酰胺和谷氨酰胺易发生氨基转移反应，转氨基反应在生物合成和代谢过程中有重要意义。

（6）侧链R中含碱性基团的氨基酸（Lys、Arg） 赖氨酸的R侧链上含有一个氨基，侧链氨基的pKa为10.53。生理条件下，赖氨酸侧链带有一个正电荷（－NH3）。此外，赖氨酸的侧链有4个C的直链，柔性较大，使侧链氨基的反应活性增大。例如，肽聚糖短肽间的连接。精氨酸是碱性最强的氨基酸，侧链上的胍基是已知碱性最强的有机碱，pKa值为12.48，生理条件下完全质子化。

（7）侧链R中含有芳香基团的氨基酸（Phe、Try） 苯丙氨酸和酪氨酸都具有共轭π电子体系，容易与其它缺电子体系或π电子体系形成电荷转移复合物(charge－transfer complex)或电子重叠复合物。在生物大分子的相互识别过程中具有重要作用。这2种氨基酸在紫外区有特征吸收峰，蛋白质的紫外吸收部分来自这2种氨基酸。

（8）侧链R为杂环的氨基酸（Trp、His、Pro） 色氨酸有复杂的π电子共轭休系，它比苯丙氨酸和酪氨酸更易形成电荷转移络合物。色氨酸的π共轭休系最大，在280nm处，色氨酸吸收最强，酪氨酸次之，苯丙氨酸最弱。组氨酸含咪唑环，咪唑环的pKa在游离氨基酸中和在多肽链中不同，前者pKa为6.00，后者为7.35，它是20种氨基酸中侧链pKa值最接近生理pH值的一种。在接近中性pH时，可离解平衡，具有缓冲能力。

脯氨酸是环状结构的氨基酸，它的?－亚氨基是环的一部分，因此具有特殊的刚性结构。在多肽链中，脯氨酸残基所在的位置往往发生骨架方向的变化，它在形成球状蛋白质空间的结构中具有重要作用。

5．氨基酸的两性性质

在结晶状态或在水溶液中，氨基酸主要以两性离子形式存在。?－羧基pK1在2.0左右，当pH>3.5，?－羧基主要以－COO-形式存在。?－氨基pK2在9.4左右，当pH<8.0时，?－氨基主要以?－NH+3形式存在。氨基酸在pH3.5－8.0时，带有相反电荷，是两性离子。在溶液中，氨基酸带有的电荷性质和电荷量随溶液pH值变化而变化。

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甘氨酸溶点232℃，比相应的乙酸（16.5℃）和乙胺（－80.5℃）都高，可推测氨基酸在晶体状态是以两性离子形式存在的。

6．氨基酸的化学反应

DNS－CL（丹磺酰氯）反应：在弱碱性溶液中，氨基酸的氨基可以与丹磺酰氯（5－二甲基氨基萘－1－磺酰氯）发生酰基化反应，生成DNS－氨基酸。此反应可以标记多肽链N末端氨基酸，用于测定多肽和蛋白质的N末端氨基酸。

Sanger反应：在弱碱性溶液中，氨基酸的氨基与2，4－二硝基氟苯(DNFB或FDNB)发生亲核芳香取代反应，生成二硝基苯基氨基酸。此反应可以用来分析多肽的N末端氨基酸。

Edman反应：在弱碱性条件下，?－氨基酸与苯异硫氰酸酯（PITC）反应，生成苯氨基硫甲酰衍生物（PTC－氨基酸）。PTC－氨基酸可以环化，生成苯乙内酰硫脲衍生物（PTH－氨基酸），用层析法可以分离鉴定PTH－氨基酸。用此方法可以分析多肽链N末端的氨基酸序列。

茚三酮反应：在弱酸性条件下，?－氨基酸与茚三酮共热，发生氨基氧化脱氨和脱羧反应，生成紫色化合物，最大吸收波长λmax是570nm。脯氨酸与茚三酮反应，生成亮黄色化合物，最大吸收波长λmax是440nm。 此反应可以用于氨基酸含量的分析。

氨基与酰化试剂反应 酰化试剂有苄氧酰氯、叔丁氧甲酰氯、苯二甲酸酐、对－甲苯磺酰氯，以及5－二甲基氨基萘－1－磺酰氯（丹磺酰氯DNS-Cl）。

氨基与烷基化试剂反应 α－羧基中的氮是一个亲核中心，能发生亲核取代反应。

生成西佛碱的反应（Schiff） 氨基酸的α－氨基与醛类反应，生成西佛碱，西佛碱是很多酶促反应中的中间产物，例如转氨基反应的中间产物。

含硫氨基酸的烷基化反应 硫原子也是亲核中心，可发生亲核取代反应。生物体内，重要的甲基化剂是S－腺苷甲硫氨酸（SAM），是由Met与ATP作用得到的S－烷基化产物。在酶催化下，SAM可以使多种生物分子的氨基甲基化，如磷脂酰胆碱的生物合成。

α－羧基参加的反应 羧基与碱反应生成盐，与醇反应生成酯。羧基与二氯亚砜或五氯化磷反应生成酰氯，使羧基活化，可以用于多肽的人工合成。

7．氨基酸的光学性质

氨基酸的?碳是一个不对称碳（甘氨除外）原子，氨基酸有D型和L型两种构型。蛋白质中的氨基酸都是L型，有些抗生素或微生物的细胞壁中有D型氨基酸。

外消旋作用：混合等摩尔的D型和L型氨基酸，可以得到无旋光性的DL－消旋物。内消旋作用：一个D型半胱氨酸和一个L型半胱氨酸，氧化生成内消旋胱氨酸。

色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸可以吸收紫外光。蛋白质分子在280nm有最大紫外光吸收，是因为蛋白质分子中含有这3种氨基酸残基。

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8．氨基酸的分离和分析

用纸层析、薄层层析、电泳、阳离子交换层析等方法可以分离氨基酸混合物。阳离子交换层析法：用含Na的缓冲液将阳离子交换树脂处理成钠盐，且pH值在2左右。将游离氨基酸的混合溶液（pH2－3）加入柱中，此时氨基酸都以阳离子形式存在，与树脂上的钠离子交换，被固定在树脂上。逐步提高洗脱液的pH值，减小氨基酸带有的正电荷量；同时逐步提高洗脱液的盐浓度，减小氨基酸与树脂的作用力，可以将固定在树脂上的氨基酸以不同的速度洗脱下来。被分离的氨基酸与茚三酮发生显色反应，根据衍生物对光吸收的强弱，可以定量分析各种氨基酸。

氨基酸与离子交换树脂的作用力主要有：静电吸引力和氨基酸侧链与树脂基质(聚苯乙烯)的疏水作用力。静电吸引力的大小直接与氨基酸的等电点有关，静电吸引力的大小顺序是：碱性氨基酸﹥中性氨基酸﹥酸性氨基酸。在等电点比较接近的氨基酸中，R侧链残基的疏水性越高，与树脂基质作用力越大，在层析柱中的停留时间（保留时间）越长。 （二）肽

1．肽和肽键的结构

肽是由一个氨基酸的?－羧基与另一个氨基酸的?－氨基脱水缩合而成的化合物，氨基酸间脱水后生成的共价键称肽键（酰氨键），其中的氨基酸单位称氨基酸残基。由两个氨基酸缩合而成的肽称为2肽，少于10个氨基酸残基的肽称为寡肽，多于10个氨基酸残基的肽称为多肽。肽链上的各个侧链由不同的氨基酸Ｒ侧链构成。

肽键的结构特点：酰胺氮上的孤对电子与相邻羰基之间的共振作用，稳定性高。肽键亚氨基在pH0－14内不解离，６个原子几乎处在同一平面内。

2．肽的化学性质

肽的α－羧基、α－氨基和侧链R基上的活性基团都能发生与游离氨基酸相似的反应。 含有肽键结构的化合物都会发生双缩脲反应，可用于定量分析。肽与双缩脲反应生成紫色或蓝紫色化合物，这是肽和蛋白质特有的反应，游离氨基酸无此反应。 3.生物活性肽

生物体内有很多具有生物活性的多肽和寡肽，称活性肽。活性肽在生物的生长、发育、细胞分化、大脑功能、免疫、生殖、衰老、病变等过程中起重要作用。活性肽是细胞内部、细胞间、器官间信息传递的主要化学信使，很多激素、抗生素都属于肽类或肽衍生物。 （三）蛋白质一级结构

1．蛋白质的结构层次

一级结构：蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序（含二硫键）。二级结构：多肽链中各个肽段借助氢键形成有规则的构象。主要有α－螺旋、β－折叠和β－转角。超二级结构：由两个或两个以上二级结构单

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元相互聚集，形成的有规则的二级结构的组合体。例如αα、βαβ、βββ等结构。结构域：多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成三级结构的局部折叠区。结构域是蛋白质的独立折叠单位，一般由100－200个氨基酸残基构成。三级结构：多肽链借助各种非共价键的作用力，通过弯曲、折叠，形成具有一定走向的紧密球状构象。球状构象的比表面积最低，使蛋白质与周围环境的相互作用力最小。四级结构：寡聚蛋白中各亚基之间在空间上的相互关系和结合方式。

2．蛋白质一级结构测定

蛋白质测序的基本策略：用两种以上不同的裂解方法裂解蛋白质，产生两套切点不同的肽段。分离、纯化每一个肽段，分别测定每一个肽段的氨基酸序列，用重叠法拼接出一条完整的肽链。

主要步骤：

A.根据蛋白质末端分析结果和相对分子质量，确定蛋白质分子中多肽链的数目。 B.如果蛋白质是寡聚蛋白，用变性剂（如8.0mol/L尿素）拆分蛋白质亚基。 C.断开多肽链内的二硫键。

D.分析每一条多肽链的氨基酸组成，计算多肽链中氨基酸残基的数目。 E.分析N－末端和C－末端氨基酸，确定氨基酸测序的两个端点。

F.选用两种不同的裂解方法将一条多肽链裂解成两套重叠的肽段，分离纯化每一个肽段，分别用Edman降解法测定每一个肽段的氨基酸序列。

G.用片断重叠法拼接出一条完整的肽链。 H.确定二硫键的位置。

I.确定肽链中的天冬酰胺和谷氨酰胺 3．同源蛋白质

在不同生物体内具有相同或相似功能的蛋白质。例如，血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能。

同源蛋白质的特点：

（1）多肽链长度相近，氨基酸序列相似。

（2）同源蛋白质的氨基酸序列中，有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称不变残基。不变残基高度保守，是必需的。如果不变残基发生变化，会影响蛋白质的功能。

（3）除不变残基以外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化，称可变残基。可变残基中，个别氨基酸的变化不一定影响蛋白质的功能。 （四）蛋白质的二级机构和纤维状蛋白质

1．多肽主链的折叠

⑴多肽链的共价主链上所有的α－碳原子都参与形成单键，因此一个多肽主链可能有无限多种构象。

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