第五章蛋白质（ Protein)

第五章蛋白质（Protein)

第一节引言 • 蛋白质是构成生物体的基本物质。病毒，细菌，激素，植物和动物细胞原生质都是以蛋白质为基础的。 • 酶是蛋白质已经发现数以千计的酶。 • 蛋白质是由20种氨基酸构成的聚合物。

一、蛋白质的分类 （一）根据组成分类 简单蛋白质（homoproteins）在细胞中未经酶催化改性的蛋白质。仅含有氨基酸。 结合蛋白质（conjugated proteins）或杂蛋白质（heteroproteins）经过酶催化改性的或与非蛋白质组分复合的蛋白质。含有氨基酸和其它非蛋白质化合物。辅基（prosthetic proteins）结合蛋白中的非蛋白质组分。

结合蛋白质包括： 核蛋白（核蛋白体）  糖蛋白（卵清蛋白、κ-酪蛋白）  磷蛋白（α-和β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）  脂蛋白（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质）  金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）。

（二）根据大体上的结构形式分类 • 球蛋白以球状或椭圆状存在的蛋白质，由多肽链自身折叠而成； • 纤维状蛋白棒状分子，含有相互缠绕的线状多肽链（例如，原肌球蛋白、胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白）。纤维状蛋白也能由小的球状蛋白经线性聚集而成，例如肌动蛋白和血纤维蛋白。大多数酶是球状蛋白，而纤维状蛋白总是起着结构蛋白的作用。

二、蛋白质的生物功能 • 酶 • 结构蛋白 • 收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白） • 激素（胰岛素、生长激素） • 传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白） • 抗体（免疫球蛋白） • 储藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）储藏蛋白主要存在于蛋和植物种子中。 • 保护蛋白（毒素和过敏素）。

食品蛋白质 • 易于消化 • 无毒 • 富有营养 • 显示功能特性 • 来源丰富

表5-1 常见食物的蛋白质含量 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 食物蛋白质食物蛋白质食物蛋白质 (%) (%) (%) ───────────────────────── 猪肉 13.3-18.5 鸡蛋 13.4 花生 25.8 牛肉 15.8-21.5 稻米 8.5 大豆 39.0 羊肉 14.3-18.7 小麦 12.4 菠菜 1.4 鸡肉 21.5 小米 9.4 油菜 1.4 肝 18-19 玉米 8.6 大白菜 1.1 脑 7-9 高梁 9.6 白萝卜 0.6 鲤 18.1 小麦粉 11.0 桔子 0.9 牛乳 3.5 红薯 1.3 苹果 0.2 ─────────────────────────

第二节氨基酸的物理化学性质 一、氨基酸的一般性质（一）一般结构和分类 • 蛋白质含有碳、氢、氧和氮等元素，有些含有硫或磷元素，少数还含有锌、铁、铜、锰等元素。不同的蛋白质其组成和结构也不同。 • 各种蛋白质的含氮量很接近，其平均值为16%。

组成蛋白质的氨基酸除了脯氨酸和羟脯氨酸外都是α－氨基酸。组成蛋白质的氨基酸除了脯氨酸和羟脯氨酸外都是α－氨基酸。 • 都是L-型的α-氨基酸。  决定物化性质

蛋白质中常见氨基酸根据其分子结构可归纳为六类蛋白质中常见氨基酸根据其分子结构可归纳为六类 • 中性氨基酸一氨基,一羧基 GLY（甘）,ALA（丙）,VAL（缬）, LEU（亮）, ILE（异亮） • 酸性氨基酸一氨基，二羧基 ASP（天冬），GLU（谷） • 碱性氨基酸二氨基，一羧基 ARG（精），LYS（赖） • 含羟氨基酸一氨基，一羧基，一羟基 SER（丝），THR（苏） • 含硫氨基酸一氨基，一羧基，一巯基 CYS（胱氨酸），MET（蛋） • 含环氨基酸一氨基，一羧基，一环 PHE（苯丙）,TRP（色）, HIS（组）,PRO（脯）,TYR（酪）

按侧链基团的极性可分为四类 • 非极性氨基酸或疏水性氨基酸。含有脂肪族（Ala、Ile、Leu、Met、Pro和Val）和芳香族侧链的氨基酸(Phe，Trp)是疏水的。 • 不带电荷的极性氨基酸，侧链与水结合氢键如： SER，THR，TYR，CYS， ASP，GLY。 • 在pH7时(生理条件下)带正电荷的极性氨基酸（碱性氨基酸），如LYS，ARG，HIS。 • 在pH7时(生理条件下)带负电荷的极性氨基酸（酸性氨基酸），如ASP，GLU。碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性。

甘丙缬亮异脂链 丝苏半蛋羟硫添脯酪色苯杂芳环天谷精赖组酸碱

必需氨基酸 • 有些氨基酸，机体合成不足，必需从食物或饲料中供给，如果食物或饲料中缺乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生长和健康。 • 人体必需氨基酸有LYS，PHE, VAL, MET, TRP, LEU, ILE及THR八种，此外，HIS对于婴儿的营养也是必需的。

（二）氨基酸的立体化学 • 除甘氨酸外都具有旋光性。 • 在植物或动物组织的蛋白质水解物中，仅发现Ｌ－型异构体。

（三）氨基酸的酸碱性质：离子化 • 在中性pH范围，α-氨基和羧基都处在离子化状态，此时是偶极离子或两性离子。两性电解质。 • 偶极离子以电中性状态存在时的pH被称为等电点（pI）。

（四）氨基酸的疏水性 • 蛋白质在水中的溶解度主要取决于氨基酸组分侧链上极性（带电或不带电）和非极性（疏水）基团的分布。 • 氨基酸在水中和极性溶剂（例如乙醇）中的相对溶解度决定着氨基酸以及多肽和蛋白质的疏水性。 • 如果不考虑活度系数，那么１摩尔氨基酸从乙醇转移到水溶液的自由能变化可表示氨基酸的疏水性。 ΔGt（Et→W）

缬氨酸（Val） • ΔGt,Val=ΔGt,Gly+ΔGt,异丙基侧链 • ΔGt,异丙基侧链=ΔGt,Val-ΔGt,Gly

具有大的正的ΔGt的AA侧链 • 疏水性强 • 优先选择处在有机相 • 倾向于配置在蛋白质分子的内部 • 具有负的ΔGt的AA侧链 • 亲水性的 • 配置在蛋白质分子的表面

（五）氨基酸的光学性质 • Trp、Tyr和Phe在近紫外区（250-300 nm）吸收光。Trp和Tyr在紫外区还显示荧光。

二、氨基酸的化学反应性 • 存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反应基团氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫醚基（Met）、咪唑基和胍基

与茚三酮反应 • 常用来定量游离氨基酸。 • 1摩尔的氨基酸，产生1摩尔的氨、醛、CO2和二氢化茚亭。释放出的氨随即与1摩尔茚三酮和1摩尔二氢化茚亭反应生成一种被称为Ruhemann’s紫的紫色物质，后者在570 nm显示最高吸收。 • 脯氨酸和羟基脯氨酸产生一种黄色物质，它在440 nm显示最高吸收。

与邻-苯二甲醛反应 • 当存在2-巯基乙醇时氨基酸与邻-苯二甲醛反应（1，2-苯二甲醛）反应生成高荧光的衍生物，它在380 nm激发时在450 nm具有最高荧光发射。

与荧光胺反应 • 含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应成高荧光的衍生物，它在390 nm激发时，在475 nm具有最高荧光发射。此法能被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。

第三节蛋白质的结构 一、蛋白质的结构水平（一）一级结构 • 一级结构指氨基酸在蛋白质分子中按一定顺序以肽键连接形成多肽链。 • 构成蛋白质的主要氨基酸有20种。

C—N键具有部分双键的性质 • C—O键仅有60%的双键性质而C—N键亦有40%的双键性质. • C—N键不能旋转，这对蛋白质的的空间结构有很大影响。 • N-Cα和Cα-C键具有转动自由度，分别被定义为φ和ψ两面角，也称为主链扭转角。 • 理论上φ和ψ具有360度转动自由度，但实际转动自由度由于Cα原子上侧链原子的立体位阻而被限制.

多肽链主链基本上可被描述为通过Cα原子连结的一系列 -Cα-CO-NH-Cα-平面

几乎所有的蛋白质肽键都以反式构型存在在热力学上反式比顺式稳定几乎所有的蛋白质肽键都以反式构型存在在热力学上反式比顺式稳定

（二）二级结构 • 蛋白质的二级结构多肽链的某些部分的氨基酸残基周期性的（有规则的）空间排列，即沿着肽链轴所采取的特有的空间结构。 • 连续的氨基酸残基采取同一套φ和ψ扭转角时就形成周期性的结构。氨基酸残基侧链之间近邻或短距离的非共价相互作用导致局部自由能下降，这就驱动了φ和ψ角的扭转。 • 非周期性或随机结构是指连续的氨基酸残基具有不同套的φ和ψ扭转角所形成的区域。

1. 螺旋结构 • 连续的氨基酸残基的φ和ψ角按同一套值扭转。 • 通过选择不同的φ角和ψ角组合，理论上可能产生几种几何形状的螺旋结构。 • 在蛋白质分子中仅存在三种螺旋结构，即α-螺旋、310-螺旋和π-螺旋。

α-螺旋 • 每圈包含3.6个AA残基。每一个AA转角为100˚。侧链按垂直于螺旋的轴的方向定向。 • 依靠氢键稳定。每一个残基的N-H基与前面第四个残基的C=O基形成氢键，在此氢键圈中包含13个主链原子；于是α-螺旋有时也被称为3.613螺旋。氢键平行于螺旋轴而定向。氢键的N、H和O原子几乎处在一条直线上。 • α-螺旋能以右手和左手螺旋两种方式存在，右手螺旋较稳定。 • 天然蛋白质中只存在右手α-螺旋。

2. β-折叠片结构 一种据齿形结构。它比α螺旋较为伸展

主链上的氨基酸残基的侧链按垂直于片状结构的平面定向。主链上的氨基酸残基的侧链按垂直于片状结构的平面定向。 • 氢键只可能在多肽链的两个片断之间形成。 • 在反平行β-折叠片结构中，N-H…O原子处在一条直线上（0氢键角），增加了氢键的稳定性。反平行β-折叠片结构比平行β-折叠片结构更为稳定。

含有高比例的β-折叠片结构的蛋白质一般呈现高变性温度。含有高比例的β-折叠片结构的蛋白质一般呈现高变性温度。 • 当α-螺旋类型的蛋白质溶液经加热和冷却时，α-螺旋结构通常转变成β-折叠片结构。β-折叠片结构不会转变成α-螺旋结构。

β-弯曲（β-bend）或β-旋转（β-turn) • β-折叠片结构中多肽链反转180°就形成β-旋转。 • 一个β-旋转结构包含4个氨基酸残基，此结构由氢键所稳定。最常见于β-旋转结构中的氨基酸残基是Asp、Cys、Asn、Gly、Tyr和Pro。

Beta turn

（三）三级结构

三级结构的形成包括在蛋白质中各种不同的基团之间相互作用（疏水、静电和范德华尔）和氢键的优化，使得蛋白质分子的自由能尽可能地降至最低。三级结构的形成包括在蛋白质中各种不同的基团之间相互作用（疏水、静电和范德华尔）和氢键的优化，使得蛋白质分子的自由能尽可能地降至最低。 • 一级结构决定着蛋白质分子的形状。含有大量的并均匀地分布在氨基酸序列中的亲水性氨基酸残基的蛋白质分子将呈拉长或棒状。含有大量的疏水性氨基酸残基的蛋白质分子将呈球状。

（四）四级结构 • 蛋白质的四级结构蛋白质亚基非共价结合的结果。稳定四级结构的键或力除了二硫键外和稳定三级结构的是相同的。

（五）蛋白质结构中的相互作用和键 ---稳定蛋白质结构的作用力 • 蛋白质的天然构象是一种热力学状态，在此状态有利的相互作用达到最大，不利的相互作用降到最小。 • 蛋白质的稳定性使蛋白质分子能达到和保持它们的天然构象的一种状态，但这并不排除生理功能所必需的构象的调整。 • 影响蛋白质折叠的作用力包括两类：（a）蛋白质分子固有的作用力所形成的分子内相互作用。范德华相互作用（Van der Waals interaction）和空间相互作用（steric interaction）（b）受周围溶剂影响的分子内相互作用。氢键、静电相互作用和疏水相互作用。

1. 空间相互作用 大多数氨基酸残基含有庞大的侧链，某些扭角是不可能存在的。理论上φ和ψ角在具有360°的转动自由度，实际上由于侧链原子的空间位阻而使它们的转动受到很大的限制。 2. Van der Waals相互作用存在于原子之间。原子间距离较大，相互作用小；距离减小，吸引力逐渐增大；如果距离进一步减小，斥力将增大。中性原子之间偶极-诱导偶极和诱导偶极-诱导偶极相互作用。吸引和排斥吸引能6次方反比于相互作用的原子间的距离，而排斥相互作用7次方反比于该距离。 • 范德华尔相互作用对于蛋白质的折叠和稳定性的贡献是很显著的。

3. 静电相互作用 • 蛋白质含有一些带有可离解基团的氨基酸残基。在中性pH，Asp和Glu残基带负电荷，而Lys、Arg和His带正电荷；在碱性pH，Cys和Tyr残基带负电荷。在中性pH，蛋白质分子带净的负电荷或净的正电荷，这取决于分子中负电荷和正电荷残基的相对数目。 • 蛋白质分子净电荷为0时的pH被定义为蛋白质的等电点（pI）。 • 等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH。

除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布在分子的表面。除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布在分子的表面。 • 排斥作用或许会导致蛋白质结构不稳定。吸引作用有助于蛋白质结构的稳定。 • 处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳定性没有重要的贡献。水溶液中水的介电常数高，引力和排斥力均小。 • 处在蛋白质分子内部的带电基团对蛋白质结构的稳定性有重要的影响环境的介电常数比水的小，引力和排斥力均大。

4.氢键 主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而形成的一种键。 • 蛋白质含有一些能形成氢键的基团。可在两肽链间，或一条肽链的不同部位形成氢键。 • 在α-螺旋和β-折叠片结构中肽键的N-H和C=O之间形成了最大数目的氢键。 • 氢键对于维持蛋白质二级结构，保持蛋白质稳定性，起着重要的作用。

第五章蛋白质（ Protein)