生物化学—蛋白质的组成分析

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1、第一章 蛋白质 第一节 氨基酸 第二节 肽 第三节 蛋白质的结构 第四节 蛋白质结构与功能的关系 第五节 蛋白质的理化性质 第六节 蛋白质的分离纯化 概述 蛋白质（protein）是生物体内主要的生物 大分子，存在于所有生物体中，从高等动植 物到低等的微生物，从人类到最简单的病毒 ，都含有蛋白质。蛋白质的基本结构单位是 氨基酸，氨基酸之间通过肽键连接成多肽链 ，蛋白质就是由一条或多条多肽链构成的生 物大分子。 例如，人体的蛋白质含量占人体固体总量 45%，皮肤、肌肉、内脏、毛发、韧带、 血液等都是以蛋白质为主要成分的。动物 体内蛋白质约占鲜重的 20%左右，微生物 中蛋白质含量也很高，细菌含蛋

2、白质约 50%80%，干酵母含蛋白质约 46.6%。 病毒中除了一小部分核酸外，其余几乎都 是蛋白质。 动物性食品和植物性食品都含有丰富的蛋 白质。 动物性食品蛋白质常分布于肌肉、皮、骨 骼、血液、乳和蛋中。 植物性食品常分布于籽实和块根、块茎中 。另外在微生物中也含有丰富的蛋白质。 一般食物蛋白质含量: 肉类(包括鱼类)为10%30%； 乳类为1.5%3.8%； 蛋类为11%14%； 干豆类20%49.8%， 坚果类(核桃仁、榛子仁等)为15%26%； 谷类果实6%10%， 薯类约为2%3%。 从食品科学的角度来看，蛋白质除了保证 食品的营养价值外，对决定食品的色、香 、味及质量特征方面也起

3、着重要作用。 一、蛋白质的重要功能 （一）生物体的组成成分 蛋白质是生物体的主要结构成分。细胞里 的片层结构，如细胞膜、线粒体、叶绿体 、 内质网等都是由不溶性蛋白质和脂质组成 的。高等动物的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。 （二）酶的催化作用 生命的最基本特征是能够进行新陈代谢， 新陈代谢包括的所有化学反应都是在生物 催化剂酶的作用下进行的。生物体内的有 些化学反应非常简单，而有些反应则非常 复杂，如染色体的复制和蛋白质的合成等 等，这些反应都需要许多种酶的催化，否 则反应就不能进行。到目前为止，已鉴定 出的酶几乎都是蛋白质。所以蛋白质起到 了确定化学转

4、化作用类型的独特作用。 （三）运输功能 生物体中许多小分子和离子要靠特殊的蛋 白质运输，如血红蛋白在红血球中运输氧 ，血液中的脂蛋白负责运输脂类，铁传递 蛋白负责运输铁，生物氧化过程中细胞色 素 C 等电子传递体负责电子的传递。 （四）储藏作用 有些蛋白质可作为生物体生长发育的养料 储存起来，如植物种子中的醇溶蛋白和谷 蛋白都是储藏蛋白，这些蛋白质有储藏氨 基酸的功能，可供种子萌发时利用。动物 的卵清蛋白和酪蛋白也是储藏蛋白。 （五）收缩运动 生物的运动也离不开蛋白质。蛋白质是肌 肉的主要成分，肌肉收缩实际上是肌球蛋 白和肌动蛋白丝状体的滑动运动，而运动 是通过肌肉收缩完成的。细菌的鞭毛及纤

5、毛是由许多微管蛋白组装起来的，也能产 生类似的活动。近年来研究发现，在非肌 肉的运动系统中普遍存在着运动蛋白。 （六）免疫保护功能 疾病的发生与防御也与蛋白质有关，如免 疫系统中的抗原和抗体都是蛋白质。抗体 能够识别特异的抗原（如病毒、细菌和其 它生物体的细胞）并与之结合以清除抗原 的作用，因此它具有防御疾病和抵抗外界 病原侵袭的免疫能力。 （七）激素功能 有些蛋白质具有激素功能，对生物体的新 陈代谢起调节作用，如胰岛素能参与血糖 的代谢调节，降低血液中的葡萄糖含量。 （八）接受和传递信息 生物体内起接受和传递信息作用的信号受 体也是蛋白质，例如接受各种激素的受体 蛋白和接受外界刺激的感觉蛋白

6、（如视网 膜上的视色素、味蕾上的味觉蛋白等）都 属于这一类。 （九）控制生长和分化 遗传信息的表达不是随意的，无控制的， 在某一个时期只有小部分细胞的基因被表 达。这种有控制的表达对于细胞的正常生 长和分化是必须的。而控制基因表达的“开 ” 和“关”也是由蛋白质来完成的，如组蛋白 和阻抑蛋白等都参与细胞生长和分化的调 节控制。 总之，蛋白质是生命活动所依赖的基础， 是生命现象的主要执行者和体现者，蛋白 质在生物的几乎所有生命过程中起着极其 重要的作用。生物体中蛋白质的种类非常 之多，每种类型生物细胞都含有成千上万 种蛋白质，且各自具有其独特的结构和功 能。不同生物所含有的蛋白质的种类和数 量也

7、各不相同，并且具有时空性和可调节 性，因而表现出不同的性状和特征。 对于蛋白质组（指由一个基因组或一个细胞 、组织表达的所有蛋白质）的研究形成了一 个新的领域蛋白质组学。蛋白质组学是以蛋 白质组为对象，在整体水平上研究蛋白质的 组成与调控的活动规律，它旨在阐明生物体 全部蛋白质的表达模式及功能模式，其内容 包括蛋白质的定性鉴定、定量检测、细胞定 位和相互作用研究等，最终揭示蛋白质功能 ，增进我们对生命活动规律的了解，诠释生 命的奥秘。 二、蛋白质的元素组成 都含有碳、氢、氧、氮及少量硫，在蛋白质 中以一定的比例关系存在。有些蛋白质还含 有少量的磷、铁、铜、锌、锰、钴及钼等元 素。一般干燥蛋白质

8、的主要元素分析平均值 为： 碳50%60% 氮13 %19% 氢6%8% 硫0.3%2.5% 氧19%24% 磷0%1.5% 糖和脂肪中一般只含碳、氢、氧三种元素， 氮元素是蛋白质区别于糖和脂肪的特征，而 且大多数蛋白质的含氮量都相当接近，一般 都在15%17%范围内，平均约为16%，即 每100克蛋白质中含氮16克。因此在蛋白质 的定量分析中，每测得1克氮即相当于6.25 克蛋白质（100/166.25），6.25称为蛋白 质系数。 这是定氮法测定蛋白质含量的计算基础，测 定含氮量一般都采用微量凯氏定氮法。 样品中蛋白质含量(克%)= 含氮(克)/每克样 6.25 100 不同来源蛋白质系数

9、不同: 一般动物: 6.25 牛奶: 6.38 植物: 5.7 大米: 5.95 第一节 氨基酸 一、蛋白质氨基酸的一般结构及其分类 （一）蛋白质中常见氨基酸的结构及分类 蛋白质的基本组成单位是氨基酸(amino acid)。蛋白质是生物体内主要的生物大分 子，因生物种类不同，各种蛋白质所含氨基 酸的种类和数目都各不相同。目前从各种生 物体中发现的氨基酸已有很多，但组成蛋白 质分子的常见氨基酸有20种，这20种氨基 酸也称为编码氨基酸或基本氨基酸。 20种氨基酸的结构有其共同特点，即每个氨 基酸分子（脯氨酸除外）中与羧基相连的- 碳原子上都结合一个氨基（amino group ），故称为-氨基

10、酸。各种氨基酸的差别就 在于与-碳原子相连的R侧链的不同。 为表达多肽或蛋白质的结构，氨基酸的名称 常使用三字母或单字母简写符号表示。 氨基酸的分类 氨基酸分类的方法有多种，目前常以氨基酸 的 R 基团的结构和性质作为氨基酸分类的基 础。如果按侧链 R 基团的结构分类，可将 20 种氨基酸分为七类： （1）R 为脂肪族基团的氨基酸；（2）R 为芳 香族基团的氨基酸；（3）R 为含硫基团的氨 基酸；（4）R 为含醇基基团的氨基酸；（5 ）R 为碱性基团的氨基酸；（6）R 为酸性基 团的氨基酸；（7）R 为含酰胺基团的氨基酸 。 甘氨酸 （Gly,G） 丙氨酸 （Ala,A） 缬氨酸 （Val,V

11、） 亮氨酸 （Lue,L） 异亮氨酸 （Ile,I） 中性脂肪族氨基酸 含羟基或硫脂肪族氨基酸 丝氨酸 （Ser,S） 苏氨酸 （Thr,T） 半胱氨酸 （Cys,C） 甲硫氨酸 （Met,M） 酸性氨基酸及酰胺 天冬氨酸 （Asp,D） 谷氨酸 （Glu,E） 天冬酰胺 （Asn,N） 谷氨酰胺 （Gln,Q） 碱性氨基酸 赖氨酸 （Lys,K） 精氨酸 （Arg,R） 组氨酸 （His,H） 杂环 杂环氨基酸 组氨酸 （His,H） 脯氨酸 （Pro,P） 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 （Phe,F） 酪氨酸 （Tyr,Y） 色氨酸 （Trg,W） 根据 R 基团的极性可将氨基酸分为四大类： （

12、1）非极性 R 基团氨基酸； （8种） （2）极性不带电荷 R 基团氨基酸；（7种） （3）R 基团带负电荷的氨基酸； （2种） （4）R基团带正电荷的氨基酸。 （3种） 这种分类方法更有利于说明不同氨基酸在蛋 白质结构和功能上的作用。 1非极性R基团氨基酸（8种） 5种脂肪族烃基：丙氨酸（Ala）, 亮氨酸（ Leu）,异亮氨酸（Ile），缬氨酸（Val）,脯 氨酸（Pro，亚氨基酸）。 2种芳香族烃基：苯丙氨酸（Phe）,色氨酸（ Try）； 1种含有硫氨基酸：甲硫氨酸（Met蛋氨酸） 。 5种是带有脂肪烃侧链的氨基酸，即丙氨酸 、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸。 丙氨酸的侧链是一个简单

13、的甲基； 缬氨酸的侧链是一个含有支链的三碳侧链； 亮氨酸和异亮氨酸都含有带支链的四碳侧链 。这4种氨基酸的侧链是高度疏水的，所以 它们倾向于聚集以避开水，这在建立和维持 蛋白质的三维结构中起着重要作用。 脯氨酸明显地不同于其它19种氨基酸，它 有一个环形的饱和烃侧链结合在-碳和 - 氨基的氮上，所以严格地讲，脯氨酸是一个 亚氨基酸。脯氨酸的环形侧链结构限制蛋白 质的空间结构，有时会在多肽链中引进一个 转折的变化。 苯丙氨酸和色氨酸是两个含有芳香环的氨 基酸。 甲硫氨酸含有硫元素，又称蛋氨酸，是疏 水氨基酸，它的侧链上带有一个非极性的 甲基硫醚基。 2极性不带电荷R基团氨基酸（7种） 这一类包括

14、 7 种氨基酸，它们的侧链含有不 解离的极性基团，可与水形成氢键。 甘氨酸Gly(G)、酪氨酸Tyr(Y) 、 丝氨酸Ser(S) 、苏氨酸Thy(T) 、 半胱氨酸Cys(C) 天门冬酰胺Asn(N) 、 谷氨酰胺Gln(Q) 甘氨酸是20种氨基酸中结构最简单的，它 的侧链是个氢原子，有时也把它归入非极性 类。 丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的侧链极性主要 来自羟基。 天冬酰胺和谷氨酰胺分别是天冬氨酸和谷 氨酸的酰胺化产物，其侧链极性主要来自酰 胺基。 半胱氨酸也是一种含硫的氨基酸，其侧链上 含有一个巯基（-SH），-SH是一个高反应 性的基团，它可以失去氢质子，所以是一 种极性氨基酸。两个半胱氨酸

15、分子通过二 硫键（disulfide bonds）连接形成胱氨酸 ，二硫键又称为二硫桥，在稳定某些蛋白 质的三维结构中起着重要作用。 3R基团带负电荷的氨基酸（2种） 这一类包括 2 种酸性氨基酸： 天门冬氨酸Asp(D) 谷氨酸Glu(E) 。 天冬氨酸和谷氨酸都是二羧基氨基酸，除了 含有-羧基外，天冬氨酸还含有-羧基，谷 氨酸还含有-羧基。由于这两种氨基酸的侧 链在pH7时完全解离，因此分子是带负电荷 的。这两种氨基酸经常出现在蛋白质分子的 表面。 4R基团带正电荷的氨基酸 （3 种） 这一类包括 3 种氨基酸：精氨酸Arg(R) 、 赖氨酸Lys(K)、组氨酸His(H) 。 它们的侧链基团都带有亲水性的含氮碱基 基团