第三单元第三单元 蛋白质蛋白质 一、蛋白质概论一、蛋白质概论 蛋白质是生物体内非常重要的结构分子和功能分子，几乎所有的生命现象 和生物功能都是蛋白质作用的结果，因此，蛋白质是现代生物技术，尤其是基 因工程，蛋白质工程、酶工程等研究的重点和归宿点 （一）蛋白质的化学组成与分类（一）蛋白质的化学组成与分类 1.元素组成元素组成 碳50%，氢7%，氧23%，氮16%，硫 0~3%；微量的磷、铁、铜、碘、锌 、钼凯氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮×6.25 2.氨基酸组成氨基酸组成 从化学结构上看，蛋白质是由20种L-型α氨基酸组成的长链分子 3.分类分类 （（1 1）按组成）按组成 简单蛋白：完全由氨基酸组成； 结合蛋白：除蛋白外还有非蛋白成分（辅基） （（2）按分子外形的对称程度）按分子外形的对称程度 球状蛋白质：分子对称，外形接近球状，溶解度好，能结晶，大多数蛋白 质属此类 纤维状蛋白质：对称性差，分子类似细棒或纤维状 膜蛋白质：与膜脂质结合 （（3）按功能）按功能 酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白 、防御蛋白 3.3.蛋白质在生物体内的分布蛋白质在生物体内的分布含量(干重) ： 微生物 50~80%，人体 45%，一般细胞 50%；种类：大肠 杆菌 3000种，人体约3万种， （二）（二） 蛋白质分子大小蛋白质分子大小 蛋白质是由20种基本aa组成的多聚物，aa数目由几个到成百上千个，相对 分子质量从几千到几千万。
一般情况下，少于50个aa的多聚物称为肽，寡肽或 生物活性肽，有时也称多肽多于50个aa的称为蛋白质但有时也把含有一条 肽链的蛋白质不严谨地称为多肽此时，多肽一词着重于结构意义，而蛋白质 原则强调了其功能意义注意：单体蛋白、寡聚蛋白；残基数、肽链数等术语 蛋白质分子量= aa数目×110 对于任一给定的蛋白质，它的所有分子在氨基酸组成、顺序、肽链长度、 分子量等方面都是相同的，即具有均一性 （三）（三） 蛋白质分子的构象与结构层次蛋白质分子的构象与结构层次 蛋白质分子是由氨基酸首尾连接而成的共价多肽链，每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，这种空间结构称为蛋白质的（天然）构象 一级结构：氨基酸顺序； 二级结构：多肽链借助氢键形成的有规则的局部结构，如α螺旋、β折叠 、β转角，无规卷曲； 三级结构：球状蛋白质在二级结构基础上，借助次级键形成的相对独立的 完整结构 四级结构：具有三级结构的组成单位（亚基）之间的聚合方式 （四）（四） 蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性 1.酶 2.结构成分（结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白） 3.贮藏（卵清蛋白、种子蛋白） 4.物质运输（血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子 传递体） 5.细胞运动（肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白） 6.激素功能（胰岛素） 7.防御（抗体、皮肤的角蛋白、血凝蛋白） 8.接受、传递信息（受体蛋白，味觉蛋白） 9.调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达（组蛋白、阻遏蛋白） 10.其它功能：一些致病生物产生的毒素中有很多是蛋白质。
毒性机理有： 破坏细胞膜； 干扰细胞内机能； 抑制神经细胞突触的功能 11.蛋白质毒素：直接作用于细胞膜的毒素称溶细胞毒素，可以由细菌、真 菌、植物、鱼、蛇等产生链球菌属(Streptoccus)Pyogene产生的链球菌溶血素( 包括0.5等)，能使精细胞产生孔洞，Na+等离子外渗，细胞死亡链球菌溶血素 O是产生风湿热的原因之一(rheiematie fever)此外，一些有毒的酶点，如蛇的磷酯酶在A2也能破坏细胞膜 破坏细胞内机能的毒素也很多，如白喉杆菌(Corynebacteriadiphtheriae)产生 的白喉毒素(diphtheria toxin)和霍乱弧菌(Vibrio cholerae)产生的霍乱毒素(cholera toxin)它们均由A、B两个亚基组成，B亚基与靶细胞结合，A亚基致毒白候 毒素分子一旦进入靶细胞，AB亚在就分开，A亚基是一种酶能阻止蛋白质的合 成，寄主的心、肾和神经组织都会被破坏 霍乱毒素的B亚基由5个相同亚基组成，B亚基与肠细胞膜结合，A亚基就被 送入这些细胞中，A亚基激活一种酶使cAMP大量产生，cAMP打开细胞膜的CL 通道，由于CL-外泄引起渗适压的改变，水分也大量丧失，结果导致腹泻(diarrh oea)，不加治疗的话，严重的脱水可使病人48小时内死亡。
神经突触连接两个神经元或一个神经元与一个肌肉细胞一种突触产生的 毒素-Latrotoxin(125KD)是一条多肽链，能剌激神经递质乙酰胆碱(acetylcholine , ACH)的广谱性释放肉毒杆菌(Lostrldium botulinum)产生的肉毒杆菌毒素(botu linum toxin)能抑制Ach释放酶，肉毒中毒(botulism)为是由于受了被污染的罐袋食物引起的 二、氨基酸二、氨基酸 （一）蛋白质的水解（一）蛋白质的水解 氨基酸是蛋白质的基本结构单位在酸、碱、蛋白酶的作用下，可以被水 解成氨基酸单体 酸水解：色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基 碱水解：消旋，色氨酸稳定 酶水解：水解位点特异，用于一级结构分析，肽谱 （二）氨基酸的功能：（二）氨基酸的功能： 1.1.组成蛋白质组成蛋白质 2.2.一些一些aaaa及其衍生物充当化学信号分子及其衍生物充当化学信号分子 -amino butyric acid (-氨基丁酸)、Serotonic(5-羟色胺，血清紧张素)、melat onin(褪黑激素，N-乙酰-甲氧基色胺)，都是神经递质，后二者是色氨酸衍生物( 神经递质是一个神经细胞产生的影响第二个神经细胞或肌肉细胞功能的物质)。
Thyroxine(甲状腺素，动物甲状腺thyroid gland产生的Tyr衍生物)和吲乙酸( 植物中的Trp衍生物)都是激素(激素就是一个细胞产生的调节其它细胞的功能的 化学信号分子) 3.3.氨基酸是许多含氨基酸是许多含N N分子的前体物分子的前体物 核苷酸和核酸的含氮碱基、血红素、叶绿素的合成都需要aa 4.4.一些基本氨基酸和非基本一些基本氨基酸和非基本aaaa是代谢中间物是代谢中间物 精氨酸、Citrulline(瓜氨酸)、Ornithine(鸟氨酸)是尿素循不(Urea cycle)的中 间物，含氮废物在脊椎动物肝脏中合成尿素是排除它们的一种重要机制 （三）氨基酸的结构与分类（三）氨基酸的结构与分类 1809年发现Asp，1938年发Thr，目前已发现180多种但是组成蛋白质的aa常见的有20种，称为基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸） ，还有一些称为稀有氨 基酸，是多肽合成后由基本aa经酶促修饰而来此外还有存在于生物体内但不 组成蛋白质的非蛋白质氨基酸(约150种) 1.1.编码的蛋白质氨基酸（编码的蛋白质氨基酸（2020种）种） 也称基本氨基酸或标准氨基酸，有对应的遗传密码。
近年发现谷胱甘肽过氧化物酶中存在硒代半胱氨酸，有证据表明此氨基酸 由终止密码UGA编码，可能是第21种蛋白质氨基酸 结构通式： L-型，羧酸的α-碳上接-NH2，，所以都是L-α-氨基酸 α-氨基酸都是白色晶体，熔点一般在200℃以上除胱氨酸和酪氨酸外都 能溶于水，脯氨酸和羟脯氨酸还能溶于乙醇和乙醚 2.2.按照按照R R基的化学结构分类（蛋白质工程的同源替代）：基的化学结构分类（蛋白质工程的同源替代）： （（1 1））R R为脂肪烃基的氨基酸（为脂肪烃基的氨基酸（5 5种）种） Gly、Ala、Val、Leu、Ile，R基均为中性烷基（Gly为H） ，R基对分子酸碱 性影响很小，它们几乎有相同的等电点（6.0±0.03） Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性从Gly至Ile，R基团疏水性增加，Ile 是这20 种 a.a 中脂溶性最强的之一（除Phe 2.5、Trp3.4 、Tyr 2.3以外） （（2））R R中含有羟基和硫的氨基酸（共中含有羟基和硫的氨基酸（共4 4种）种） 含羟基的有两种：Ser和Thr，Ser的-CH2 OH基（pKa=15） ，在生理条件下不 解离，但它是一个极性基团，能与其它基团形成氢键，具有重要的生理意义。
在大多数酶的活性中心都发现有Ser残基存在Thr 中的-OH是仲醇，具有亲水 性，但此-OH形成氢键的能力较弱，因此，在蛋白质活性中心中很少出现Ser 和Thr的-OH往往与糖链相连，形成糖蛋白 含硫的两种：Cys、Met，Cys中R含巯基（-SH） ，Cys 具有两个重要性质： （1）在较高pH值条件，巯基离解 （2）两个Cys的巯基氧化生成二硫键，生成 胱氨酸Cys-S-S-Cys，二硫键在蛋白质的结构中具有重要意义Cys还常常出 现在酶的活性中心 Cys与结石有关，在细胞外液如血液中，Cys以胱氨酸(Cystine)氧化形式存 在，胱氨酸的溶解性最差 胱氨酸尿(Cystinuria)是一种遗传病，由于胱氨酸的跨膜运输缺陷导致大量 的胱氨酸排泄到尿中胱氨酸在肾(Kidney)、输尿管(ureter)、膀胱(urinary bladd er)中结晶形成结石(Calculus, calculi)，结石会导致疼疼、发炎甚至尿血大量服 用青霉胺(Penicillcemine)能降低肾中胱氨的含量，因为青霉胺与半胱氨酸形成 的化合物比胱氨酸易溶解 Met的R中含有甲硫基（-SCH3） ，硫原子有亲核性，易发生极化，因此，M et是一种重要的甲基供体。
（（3 3））R R中含有酰胺基团（中含有酰胺基团（2 2种）种） Asn、Gln酰胺基中氨基易发生氨基转移反应，转氨基反应在生物合成和代 谢中有重要意义4 4））R R中含有酸性基团（中含有酸性基团（2 2种）种） Asp、Glu为酸性氨基酸，Asp侧链羧基pKa（β-COOH）为3.86，Glu侧链 羧基pKa（γ-COOH）为4.25，它们是在生理条件下带有负电荷的仅有的两个氨基酸 （（5 5））R R中含碱性基团（中含碱性基团（3 3种）种） Lys、Arg、His，一般称碱性氨基酸，Lys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，Lys侧链带有一个正电荷（—NH3+） ，同时它 的侧链有4个C的直链，柔性较大，使侧链的氨基反应活性增大 （如肽聚糖的 短肽间的连接） Arg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 His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。
它是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸His含咪唑环，一侧去质子化和另一侧质子化同步进行，因而在酶的酸碱催化机 制中起重要作用 （（6））R R中含有芳基的氨基酸（中含有芳基的氨基酸（3 3种）种） Phe、Try、Trp都具有共轭π电子体系,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受体—底 物、或分子相互识别过程中具有重要作用 这三种氨基酸在紫外区有特殊吸收峰，蛋白质的紫外吸收主要来自这三种 氨基酸，在280nm处，Trp＞Tyr＞Phe Phe疏水性最强. 酪氨酸的-OH磷酸化是一个十分普遍的调控机制，Tyr在较高pH值时，酚羟 基离解 Trp有复杂的π共轭休系，比Phe和Tyr更易形成电荷转移络合物 （（7））R R为环状的氨基酸（为环状的氨基酸（1 1种）种） Pro，有时也把His、Trp归入此类Pro是唯一的一种环状结构的氨基酸， 它的α-亚氨基是环的一部分，因此具。