第一篇 生物大分子的結構與功能

第一章 氨基酸和蛋白質

一、組成蛋白質的20種氨基酸的分類

1、非極性氨基酸

包括：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸

2、極性氨基酸

極性中性氨基酸：色氨酸、酪氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、蘇氨酸

酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸

堿性氨基酸：賴氨酸、精氨酸、組氨酸

其中：屬于芳香族氨基酸的是：色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸

屬于亞氨基酸的是：脯氨酸

含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸

注意：在識記時可以只記第一個字，如堿性氨基酸包括：賴精組

二、氨基酸的理化性質

1、兩性解離及等電點

氨基酸分子中有游離的氨基和游離的羧基，能與酸或堿類物質結合成鹽，故它是一種兩性電解質。在某一ＰＨ的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性，此時溶液的ＰＨ稱為該氨基酸的等電點。

2、氨基酸的紫外吸收性質

芳香族氨基酸在280nm波長附近有最大的紫外吸收峰，由于大多數(shù)蛋白質含有這些氨基酸殘基，氨基酸殘基數(shù)與蛋白質含量成正比，故通過對280nm波長的紫外吸光度的測量可對蛋白質溶液進行定量分析。

3、茚三酮反應

氨基酸的氨基與茚三酮水合物反應可生成藍紫色化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波長處。由于此吸收峰值的大小與氨基酸釋放出的氨量成正比，因此可作為氨基酸定量分析方法。

三、肽

兩分子氨基酸可借一分子所含的氨基與另一分子所帶的羧基脫去1分子水縮合成最簡單的二肽。二肽中游離的氨基和羧基繼續(xù)借脫水作用縮合連成多肽。10個以內氨基酸連接而成多肽稱為寡肽；39個氨基酸殘基組成的促腎上腺皮質激素稱為多肽；51個氨基酸殘基組成的胰島素歸為蛋白質。

多肽連中的自由氨基末端稱為Ｎ端，自由羧基末端稱為Ｃ端，命名從Ｎ端指向Ｃ端。

人體內存在許多具有生物活性的肽，重要的有：

谷胱甘肽（GSH）：是由谷、半胱和甘氨酸組成的三肽。半胱氨酸的巰基是該化合物的主要功能基團。GSH的巰基具有還原性，可作為體內重要的還原劑保護體內蛋白質或酶分子中巰基免被氧化，使蛋白質或酶處于活性狀態(tài)。

四、蛋白質的分子結構

1、蛋白質的一級結構：即蛋白質分子中氨基酸的排列順序。

主要化學鍵：肽鍵，有些蛋白質還包含二硫鍵。

2、蛋白質的高級結構：包括二級、三級、四級結構。

1）蛋白質的二級結構：指蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，也就是該段肽鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。二級結構以一級結構為基礎，多為短距離效應。可分為：

α-螺旋：多肽鏈主鏈圍繞中心軸呈有規(guī)律地螺旋式上升，順時鐘走向，即右手螺旋，每隔3.6個氨基酸殘基上升一圈，螺距為0.540nm。α-螺旋的每個肽鍵的Ｎ-Ｈ和第四個肽鍵的羧基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平形。

β-折疊：多肽鏈充分伸展，各肽鍵平面折疊成鋸齒狀結構，側鏈Ｒ基團交錯位于鋸齒狀結構上下方；它們之間靠鏈間肽鍵羧基上的氧和亞氨基上的氫形成氫鍵維系構象穩(wěn)定．

β-轉角：常發(fā)生于肽鏈進行180度回折時的轉角上，常有4個氨基酸殘基組成，第二個殘基常為脯氨酸。

無規(guī)卷曲：無確定規(guī)律性的那段肽鏈。

主要化學鍵：氫鍵。

2）蛋白質的三級結構：指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，顯示為長距離效應。

主要化學鍵：疏水鍵（最主要）、鹽鍵、二硫鍵、氫鍵、范德華力。

3）蛋白質的四級結構：對蛋白質分子的二、三級結構而言，只涉及一條多肽鏈卷曲而成的蛋白質。在體內有許多蛋白質分子含有二條或多條肽鏈，每一條多肽鏈都有其完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基，亞基與亞基之間呈特定的三維空間排布，并以非共價鍵相連接。這種蛋白質分子中各個亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，為四級結構。由一條肽鏈形成的蛋白質沒有四級結構。

主要化學鍵：疏水鍵、氫鍵、離子鍵

五、蛋白質結構與功能關系

1、蛋白質一級結構是空間構象和特定生物學功能的基礎。一級結構相似的多肽或蛋白質，其空間構象以及功能也相似。

尿素或鹽酸胍可破壞次級鍵

β-巰基乙醇可破壞二硫鍵

2、蛋白質空間結構是蛋白質特有性質和功能的結構基礎。

肌紅蛋白：只有三級結構的單鏈蛋白質，易與氧氣結合，氧解離曲線呈直角雙曲線。

血紅蛋白：具有4個亞基組成的四級結構，可結合4分子氧。成人由兩條α-肽鏈（141個氨基酸殘基）和兩條β-肽鏈（146個氨基酸殘基）組成。在氧分壓較低時，與氧氣結合較難，氧解離曲線呈Ｓ狀曲線。因為：第一個亞基與氧氣結合以后，促進第二及第三個亞基與氧氣的結合，當前三個亞基與氧氣結合后，又大大促進第四個亞基與氧氣結合，稱正協(xié)同效應。結合氧后由緊張態(tài)變?yōu)樗沙趹B(tài)。

六、蛋白質的理化性質

1、蛋白質的兩性電離：蛋白質兩端的氨基和羧基及側鏈中的某些基團，在一定的溶液PH條件下可解離成帶負電荷或正電荷的基團

2、蛋白質的沉淀：在適當條件下，蛋白質從溶液中析出的現(xiàn)象。包括：

a.丙酮沉淀，破壞水化層。也可用乙醇

b.鹽析，將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，破壞在水溶液中的穩(wěn)定因素電荷而沉淀。

3、蛋白質變性：在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，從而導致其理化性質的改變和生物活性的喪失。主要為二硫鍵和非共價鍵的破壞，不涉及一級結構的改變性的因素有：加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑、超聲波、紫外線、震蕩等。

4、蛋白質的紫外吸收：

由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm處有特征性吸收峰，可用蛋白質定量測定。

5、蛋白質的呈色反應

a.茚三酮反應：經(jīng)水解后產生的氨基酸可發(fā)生此反應，詳見二、3

b. 雙縮脲反應：蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸酮共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色。氨基酸不出現(xiàn)此反應。蛋白質水解加強，氨基酸濃度升高，雙縮脲呈色深度下降，可檢測蛋白質水解程度。

七、蛋白質的分離和純化

1、沉淀，見六、2

2、電泳：蛋白質在高于或低于其等電點的溶液中是帶電的，在電場中能向電場的正極或負極移動。根據(jù)支撐物不同，有薄膜電泳、凝膠電泳等。

3、透析：利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法。

4、層析：

a.離子交換層析，利用蛋白質的兩性游離性質，在某一特定ＰＨ時，各蛋白質的電荷量及性質不同，故可以通過離子交換層析得以分離。如陰離子交換層析，含負電量小的蛋白質首先被洗脫下來。

b.分子篩，又稱凝膠過濾。小分子蛋白質進入孔內，滯留時間長，大分子蛋白質不能時入孔內而徑直流出。

5、超速離心：既可以用來分離純化蛋白質也可以用作測定蛋白質的分子量。不同蛋白質其密度與形態(tài)各不相同而分開。

八、多肽鏈中氨基酸序列分析

a.分析純化蛋白質的氨基酸殘基組成

（蛋白質水解為個別氨基酸，測各氨基酸的量及在蛋白質中的百分組成）

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測定肽鏈頭、尾的氨基酸殘基

二硝基氟苯法（DNP法）

頭端 尾端 羧肽酶Ａ、Ｂ、Ｃ法等

丹酰氯法

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水解肽鏈，分別分析

胰凝乳蛋白酶（糜蛋白酶）法：水解芳香族氨基酸的羧基側肽鍵

胰蛋白酶法：水解賴氨酸、精氨酸的羧基側肽鍵

溴化脯法：水解蛋氨酸羧基側的肽鍵

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Edman降解法測定各肽段的氨基酸順序

（氨基末端氨基酸的游離α-氨基與異硫氰酸苯酯反應形成衍生物，用層析法鑒定氨基酸種類）

b.通過核酸推演氨基酸序列。