氨基酸多肽和蛋白質(zhì)

氨基酸多肽和蛋白質(zhì)第1頁(yè)/共52頁(yè)第十七章 氨基酸和蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是具有極其重要作用的生物大分子，它們與生命密切相關(guān),是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。第2頁(yè)/共52頁(yè)1.是構(gòu)成人體的最主要物質(zhì)，肌肉、各種組織器官以及骨骼都含有大量的蛋白質(zhì)；2.對(duì)體內(nèi)各種生化反應(yīng)起催化作用的酶都是蛋白質(zhì);3.對(duì)人類生理活動(dòng)有重要調(diào)節(jié)作用的某些酶、在防御疾病過(guò)程中起免疫作用的抗體、具有輸送氧和二氧化碳作用的血紅蛋白等也都是蛋白質(zhì)；4.蛋白質(zhì)在遺傳信息的傳遞和控制、細(xì)胞膜的通透性、高等動(dòng)物的思維和記憶等方面也具有重要作用。第3頁(yè)/共52頁(yè)

氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元，如果把蛋白質(zhì)分子看成是一座大廈，氨基酸則是構(gòu)成這座大廈的磚、瓦。第4頁(yè)/共52頁(yè)第一節(jié)氨基酸

蛋白質(zhì)是復(fù)雜的高分子化合物。各種來(lái)源的蛋白質(zhì)在酸、堿或酶的催化下，都可發(fā)生水解，經(jīng)過(guò)胨、多肽、二肽等中間體，最后生成各種不同的

a-氨基酸的混合物。因此，a-氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。第5頁(yè)/共52頁(yè)一、氨基酸的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、分類及命名

氨基酸是一類取代酸，相當(dāng)于羧酸分子中烴基上的氫原子被氨基取代。目前在自然界發(fā)現(xiàn)的氨基酸有三百多種，但由天然蛋白質(zhì)水解所得的氨基酸僅二十種左右，見P282表17-1，它們都是

a-氨基酸。在結(jié)構(gòu)上的共同特點(diǎn)都是氨基連于羧基的a-碳原子上，可用通式

R-CHNH2COOH表示。第6頁(yè)/共52頁(yè)第7頁(yè)/共52頁(yè)

各種a-氨基酸都含有一個(gè)手性碳原子，故具有旋光性和旋光異構(gòu)體，有兩種構(gòu)型。但是，由蛋白質(zhì)水解得到的二十種

a-氨基酸用D/L構(gòu)型標(biāo)記法標(biāo)記時(shí)，都是L-型。第8頁(yè)/共52頁(yè)L-型氨基酸

第9頁(yè)/共52頁(yè)L-丙氨基酸第10頁(yè)/共52頁(yè)氨基酸的分類根據(jù)R基的結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族和雜環(huán)氨基酸等三類。根據(jù)分子中羧基和氨基的相對(duì)數(shù)目分為酸性、中性和堿性氨基酸等三類，注意中性的含義。根據(jù)R基的性質(zhì)分為非極性R基的中性氨基酸、極性R基的中性氨基酸、帶負(fù)電荷R基的酸性氨基酸、帶正電荷R基的堿性氨基酸等四類，注意極性和非極性的含義。第11頁(yè)/共52頁(yè)氨基酸的命名

可以用系統(tǒng)命名法，也可以用俗名，但是更常用的是俗名，蛋白質(zhì)中的氨基酸的結(jié)構(gòu)及名稱見有關(guān)表第12頁(yè)/共52頁(yè)第13頁(yè)/共52頁(yè)

氨基酸的俗名縮寫可以用三句順口溜來(lái)描述： 天天谷谷丙甘脯（天天光顧餅干鋪）， 半絲精酪羥脯組（半絲斤兩強(qiáng)補(bǔ)足），

蛋色纈賴，苯丙蘇亮異亮（蛋色邪賴，棒冰說(shuō)涼亦涼）。第14頁(yè)/共52頁(yè)

上述二十種氨基酸中，有一些氨基酸人體自身不能合成或合成量不足以維持健康，必須依靠外源供給，這些氨基酸稱為營(yíng)養(yǎng)必須氨基酸。含有全部營(yíng)養(yǎng)必須氨基酸的蛋白質(zhì)稱為完全蛋白質(zhì)，如牛乳中的酪蛋白，含有19種氨基酸和全部8種營(yíng)養(yǎng)必須氨基酸；不含有全部營(yíng)養(yǎng)必須氨基酸的蛋白質(zhì)稱為非完全蛋白質(zhì)，如玉米中所含的醇溶谷蛋白，缺乏賴氨酸，是非完全蛋白質(zhì)。第15頁(yè)/共52頁(yè)二、氨基酸的性質(zhì)（一）物理性質(zhì)氨基酸分子中既含有酸性基團(tuán)，又含有堿性基團(tuán)，一般以內(nèi)鹽的形式存在，有較大的極性，因此，氨基酸是結(jié)晶固體，有較高的熔點(diǎn)，加熱時(shí)，有時(shí)分解而不熔化，有時(shí)兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生。氨基酸一般易溶于水，難溶于有機(jī)溶劑如酒精，都不溶于乙醚。不同的氨基酸味道不同，有些有甜味如甘氨酸，有些有鮮味如谷氨酸。由于谷氨酸鈉特鮮，因此是味精的主要成分。第16頁(yè)/共52頁(yè)（二）化學(xué)性質(zhì)1.與亞硝酸的反應(yīng)

a-氨基酸中除脯氨酸外，都含有一個(gè)伯氨基，能夠與亞硝酸作用定量的放出氮?dú)狻?.與水合茚三酮的反應(yīng)

a-氨基酸與水合茚三酮在水溶液中加熱，可生成藍(lán)紫色物質(zhì)，稱為羅曼氏紫。第17頁(yè)/共52頁(yè)第18頁(yè)/共52頁(yè)第19頁(yè)/共52頁(yè)3、脫羧反應(yīng)a-氨基酸與氫氧化鋇共熱或在高沸點(diǎn)溶劑中回流，可脫去羧基生成相應(yīng)的胺類化合物。

在生物體內(nèi)，脫羧反應(yīng)可在一些酶的催化下進(jìn)行。例如，動(dòng)物尸體腐爛變臭，是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)腐敗時(shí)，鳥氨酸脫羧生成腐胺，賴氨酸脫羧生成尸胺。NH2RCHCOOHBa(OH)2RCH2NH2+CO2Heating第20頁(yè)/共52頁(yè)4.兩性電離與等電點(diǎn)

氨基酸分子中既含有酸性的羧基，又含有堿性的氨基，因此，氨基酸總是以內(nèi)鹽的形式存在。在水溶液中，氨基酸存在兩性電離，既可以電離出質(zhì)子,形成氨基酸負(fù)離子，又可以電離出氫氧根離子,形成氨基酸正離子。第21頁(yè)/共52頁(yè)

實(shí)際上，氨基酸在水溶液中以三種形式存在，各種形式的含量既與氨基酸的性質(zhì)有關(guān)，也與溶液的pH值有關(guān)。對(duì)于中性氨基酸，在近中性溶液中，主要以兩性離子存在。當(dāng)向溶液中加入酸時(shí)，溶液pH值減小，氨基酸的酸式電離受到抑制，堿式電離受到促進(jìn)，在溶液中氨基酸主要以正離子形式存在，如果將此溶液放在電場(chǎng)中時(shí)，氨基酸離子向電場(chǎng)的負(fù)極移動(dòng)；反之，當(dāng)向溶液中加入堿時(shí)，在溶液中氨基酸主要以負(fù)離子形式存在，向電場(chǎng)的正極移動(dòng)。第22頁(yè)/共52頁(yè)

如果控制溶液的pH在某一特定的值，使氨基酸基本上以兩性離子形式存在，而在兩性離子中，離子所帶正電荷與負(fù)電荷相同，放在電場(chǎng)中時(shí)，既不向正極移動(dòng)，也不向負(fù)極移動(dòng)。因此，此時(shí)溶液的pH稱為該氨基酸的等電點(diǎn)，用pI表示。第23頁(yè)/共52頁(yè)正離子 兩性離子(zwitterion）負(fù)離子pH<pI pH=pI pH>pI第24頁(yè)/共52頁(yè)

幾類不同類型的氨基酸，其等電點(diǎn)有明顯的差異。其中，中性氨基酸由于羧基的電離大于氨基的電離，等電點(diǎn)一般小于7，pI=5~6附近；酸性氨基酸由于具有兩個(gè)羧基，等電點(diǎn)進(jìn)一步降低，在pI=3附近；堿性氨基酸，由于有兩個(gè)堿性基團(tuán)，堿式電離作用較強(qiáng)，因此，等電點(diǎn)大于7，但不同的堿性氨基酸，堿性基團(tuán)的堿性大小不同，因此，等電點(diǎn)有較大的差別。如精氨酸為10.76,組氨酸為7.59。第25頁(yè)/共52頁(yè)

在一定pH的溶液中，不同氨基酸，由于等電點(diǎn)不同，因此，有不同的形態(tài)，放在電場(chǎng)中有不同的溶液行為。如溶液的pH=6.0時(shí)，丙氨酸（6.02）、谷氨酸（3.22）和賴氨酸（9.74）在溶液中有不同的形態(tài)，在電場(chǎng)中移動(dòng)方向也不同。同一氨基酸，在不同pH的溶液中，也有不同的形態(tài)，放在電場(chǎng)中也有不同的溶液行為。第26頁(yè)/共52頁(yè)5.成肽反應(yīng)

在一定條件下，一個(gè)氨基酸分子之中的氨基可與另一分子的羧基脫水生成一類含有酰胺鍵的化合物，稱為肽。由兩個(gè)氨基酸脫水形成的肽稱為二肽，三個(gè)氨基酸脫水可形成三肽。肽分子中的酰胺鍵稱為肽鍵。許多氨基酸分子通過(guò)肽鍵形成多肽。第27頁(yè)/共52頁(yè)甘丙二肽丙甘二肽第28頁(yè)/共52頁(yè)關(guān)于肽的幾個(gè)問(wèn)題肽鍵的結(jié)構(gòu)，肽鍵是構(gòu)成多肽及蛋白質(zhì)分子最基本的化學(xué)鍵肽平面肽單位肽的命名肽的分類多肽中的氨基末端（N-末端）多肽中的羧基基末端（C-末端)多肽與蛋白質(zhì)的關(guān)系第29頁(yè)/共52頁(yè)第三節(jié) 蛋白質(zhì)一、元素組成蛋白質(zhì)都含有碳、氫、氧和氮，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)還含有硫和磷，少數(shù)蛋白質(zhì)含有少量的銅、鐵、錳、鋅等金屬元素和碘等非金屬元素。碳 氫 氧 氮 硫 50~55%6.0~7.5%19~24%15~17% 0~4%

含氮量都相當(dāng)接近，約為16%，每克氮相當(dāng)于6.25克蛋白質(zhì)，這是蛋白質(zhì)元素組成的一個(gè)特點(diǎn)。

6.25稱為蛋白質(zhì)系數(shù)，對(duì)任何生物樣品，只要測(cè)定出其含氮量，就可粗略估算出其蛋白質(zhì)含量。第30頁(yè)/共52頁(yè)二、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

（一）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)也叫初級(jí)結(jié)構(gòu)，是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸的連接方式和排列順序。氨基酸的連接方式一般都是肽鍵，也就是說(shuō)，蛋白質(zhì)分子實(shí)際上是由一條或幾條多肽鏈組成的，因此，蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)主要?dú)w結(jié)為多肽鏈中氨基酸的排列順序。第31頁(yè)/共52頁(yè)

一級(jí)結(jié)構(gòu)是由基因上的遺傳密碼的排列順序決定的，它包含著決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本因素，也是蛋白質(zhì)生物功能多樣性和種屬特異性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中起決定作用。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)哪怕有一點(diǎn)微小的變化，其生理活性和生物功能都會(huì)有很大變化，甚至喪失功用。關(guān)于蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，目前研究的比較清楚的是幾種肽鏈較短的蛋白質(zhì)。例如，結(jié)晶牛胰島素。第32頁(yè)/共52頁(yè)（二）空間結(jié)構(gòu)

空間結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)多肽鏈在空間的伸展情況，也即是蛋白質(zhì)的構(gòu)象。它包括蛋白質(zhì)的二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。

1.

二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)多肽鏈在空間的初步盤旋扭曲的情況。研究表明，蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是多種多樣的，a-螺旋、b-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)則卷曲等。最主要的有a-螺旋和b-折疊。第33頁(yè)/共52頁(yè)

b-折疊與a-螺旋的差別：（1）b-折疊是高度伸展的結(jié)構(gòu)，而a-螺旋則是高度卷曲的結(jié)構(gòu)；（2）a-螺旋的氫鍵是在同一條鏈中形成的，b-折疊的氫鍵是在鏈與鏈之間形成的。第34頁(yè)/共52頁(yè)2.三級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，由于鏈上某些R基的反應(yīng)性，進(jìn)一步沿某個(gè)特定的方向扭曲，使較長(zhǎng)的肽鏈形成更緊密的類似于球形的結(jié)構(gòu)。是一種更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。例如，哺乳動(dòng)物的肌紅蛋白具有三級(jí)結(jié)構(gòu)。第35頁(yè)/共52頁(yè)3.四級(jí)結(jié)構(gòu)

幾條具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈按一定方式締合在一起，形成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)的每條具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈都稱為一個(gè)亞基。例如，具有輸送氧和二氧化碳功能的血紅蛋白具有四級(jí)結(jié)構(gòu)，它是由四個(gè)亞基組成，其中兩條稱為a-鏈，各含141個(gè)氨基酸殘基，兩條b-鏈，各含146個(gè)氨基酸殘基。每一條鏈均與亞鐵血紅素輔基結(jié)合并盤曲為三級(jí)結(jié)構(gòu)。第36頁(yè)/共52頁(yè)（三）穩(wěn)定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的副鍵1.氫鍵2.二硫鍵3.酯鍵4.疏水鍵5.鹽鍵（離子鍵)第37頁(yè)/共52頁(yè)三、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)（一）膠體性質(zhì)（二）兩性電離與等電點(diǎn)正離子 兩性離子(zwitterion）負(fù)離子pH<pI pH=pI pH>pI

蛋白質(zhì)的兩性電離和等電點(diǎn)類似于氨基酸。蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)一般都小于7，在5左右。在體液的pH（7.4）條件下，都是以負(fù)離子的形式存在。第38頁(yè)/共52頁(yè)

蛋白質(zhì)位于等電點(diǎn)時(shí)，彼此間沒有電荷排斥，因此在溶液中最不穩(wěn)定，容易沉淀，常利用此性質(zhì)分離和提純蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)不在等點(diǎn)電時(shí)，則帶有一定的電荷，若將其放在電場(chǎng)中，則向帶相反電荷電極方向移動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的電泳，電泳的方向、速度大小取決于蛋白質(zhì)的性質(zhì)，因此，也常利用電泳分離和提純蛋白質(zhì)。第39頁(yè)/共52頁(yè)（三）變性

天然蛋白質(zhì)在物理或化學(xué)因素影響下，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致理化性質(zhì)改變、生理活性降低等現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性。第40頁(yè)/共52頁(yè)1.影響變性的因素物理因素：加熱、紫外線照射、X-射線輻射、超聲波作用、劇烈震蕩或攪拌等；化學(xué)因素：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬鹽、有機(jī)溶劑、尿素等。第41頁(yè)/共52頁(yè)2.變性原因

在變性因素影響下，蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中的副鍵遭到破壞，原來(lái)較為緊密有序的結(jié)構(gòu)變?yōu)樗缮o(wú)序的狀態(tài)，許多疏水基團(tuán)原來(lái)包在里面，變性后都裸露在外面，以至于蛋白質(zhì)溶液的粘度增加、溶解度降低。第42頁(yè)/共52頁(yè)3.變性結(jié)果理化性質(zhì)改變：蛋白質(zhì)的溶解度降低，溶液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生沉淀；生理活性改變：例如，酶失去催化活性，抗體失去免疫能力，激素失去調(diào)節(jié)作用等。第43頁(yè)/共52頁(yè)4.變性程度可逆變性：變性后的蛋白質(zhì)，在撤除變性因素后，又恢復(fù)到原來(lái)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。不可逆變性：變性后的蛋白質(zhì)，在撤除變性因素后，不能恢復(fù)到原來(lái)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。第44頁(yè)/共52頁(yè)5.變性的應(yīng)用

鹵水點(diǎn)豆腐，使豆?jié){變成豆腐；雞蛋加熱使其凝固，以利于消化吸收；紫外線或酒精消毒、滅菌；放射性同位素照射腫瘤細(xì)胞等都是使相應(yīng)蛋白質(zhì)變性。某些蛋白質(zhì)制劑（如酶制劑、疫苗等）存放在較低溫度下是防止蛋白質(zhì)變性。第45頁(yè)/共52頁(yè)（四）沉淀

蛋白質(zhì)溶液非常穩(wěn)定，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)帶有水化膜和電荷。若除去兩種因素或其中的一種因素（視具體情況而論），則蛋白質(zhì)可以被沉淀下來(lái)。第46頁(yè)/共52頁(yè)幾種常見沉淀蛋白質(zhì)的方法

1.鹽析在蛋白質(zhì)溶液中加入中性鹽類致一定濃度時(shí)，蛋白質(zhì)從溶液中析出的現(xiàn)象稱為鹽析。所用的鹽有氯化鈉、硫酸鈉、硫酸銨等稱