第一章 蛋白質(zhì)的化學

　　第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成

　　一、蛋白質(zhì)的元素組成

　　經(jīng)元素分析，主要有 C(50%～55%)、H(6%～7%)、O(19%～24%)、N(13%～19%)、S(0%～4%)。有些蛋白質(zhì)還含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。

　　各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。因此，可以用定氮法來推算樣品中蛋白質(zhì)的大致含量。

　　每克樣品含氮克數(shù)×6.25×100=100g樣品中蛋白質(zhì)含量(g%)

　　二、蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸

　　蛋白質(zhì)在酸、堿或蛋白酶的作用下，最終水解為游離氨基酸(amino acid)，即蛋白質(zhì)組成單體或構(gòu)件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余種，但合成蛋白質(zhì)的氨基酸僅20種(稱編碼氨基酸)，最先發(fā)現(xiàn)的是天門冬氨酸(1806年)，最后鑒定的是蘇氨酸(1938年)。

　　(一)氨基酸的結(jié)構(gòu)通式

　　組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸有共同的結(jié)構(gòu)特點：

　　1.氨基連接在α- C上，屬于α-氨基酸(脯氨酸為α-亞氨基酸)。

　　2.R是側(cè)鏈，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型兩種立體異構(gòu)體。天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L-型。

　　注意：構(gòu)型是指分子中各原子的特定空間排布，其變化要求共價鍵的斷裂和重新形成。旋光性是異構(gòu)體的光學活性，是使偏振光平面向左或向右旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，(-)表示左旋，(+)表示右旋。構(gòu)型與旋光性沒有直接對應(yīng)關(guān)系。

　　(二)氨基酸的分類

　　1.按R基的化學結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族、雜環(huán)、雜環(huán)亞氨基酸四類。

　　2.按R基的極性和在中性溶液的解離狀態(tài)分為非極性氨基酸、極性不帶電荷、極性帶負電荷或帶正電荷的四類。

　　帶有非極性R(烴基、甲硫基、吲哚環(huán)等，共9種)：甘(Gly)、丙(Ala)、纈(Val)、亮(Leu)、異亮(Ile)、苯丙(Phe)、甲硫(Met)、脯(Pro)、色(Trp)

　　帶有不可解離的極性R(羥基、巰基、酰胺基等，共6種)：絲(Ser)、蘇(Thr)、天胺(Asn)、谷胺(Gln)、酪(Tyr)、半(Cys)

　　帶有可解離的極性R基(共5種)：天(Asp)、谷(Glu)、賴(Lys)、精(Arg)、組(His)，前兩個為酸性氨基酸，后三個是堿性氨基酸。

　　蛋白質(zhì)分子中的胱氨酸是兩個半胱氨酸脫氫后以二硫鍵結(jié)合而成，膠原蛋白中的羥脯氨酸、羥賴氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白質(zhì)加工修飾而成。

　　(三)氨基酸的重要理化性質(zhì)

　　1.一般物理性質(zhì)

　　α-氨基酸為無色晶體，熔點一般在200 oC以上。各種氨基酸在水中的溶解度差別很大(酪氨酸不溶于水)。一般溶解于稀酸或稀堿，但不能溶解于有機溶劑，通常酒精能把氨基酸從其溶液中沉淀析出。

　　芳香族氨基酸(Tyr、Trp、Phe)有共軛雙鍵，在近紫外區(qū)有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收峰在280nm，Phe在265 nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)含Tyr、Trp殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。

　　2.兩性解離和等電點(isoelectric point, pI)

　　氨基酸在水溶液或晶體狀態(tài)時以兩性離子的形式存在，既可作為酸(質(zhì)子供體)，又可作為堿(質(zhì)子受體)起作用，是兩性電解質(zhì)，其解離度與溶液的pH有關(guān)。

　　在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢和程度相等，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。氨基酸的pI是由α-羧基和α-氨基的解離常數(shù)的負對數(shù)pK1和pK2決定的。計算公式為：pI=1/2(pK1+ pK2)。

　　若1個氨基酸有3個可解離基團，寫出它們電離式后取兼性離子兩邊的pK值的平均值，即為此氨基酸的等電點(酸性氨基酸的等電點取兩羧基的pK值的平均值，堿性氨基酸的等電點取兩氨基的pK值的平均值)。

　　3.氨基酸的化學反應(yīng)

　　氨基酸的化學反應(yīng)是其基團的特征性反應(yīng)。重要的有：

　　(1)茚三酮反應(yīng)

　　所有具有自由α-氨基的氨基酸與過量茚三酮共熱形成藍紫色化合物(脯氨酸和羥脯氨酸與茚三酮反應(yīng)產(chǎn)生黃色物質(zhì))。用分光光度法可定量測定微量的氨基酸。藍紫色化合物的最大吸收峰在570nm波長處，黃色在440nm波長下測定。吸收峰值的大小與氨基酸釋放的氨量成正比。

　　(2)與2，4-二硝基氟苯(DNFB)的反應(yīng)

　　在弱堿性溶液中，氨基酸的α-氨基很容易與DNFB作用生成穩(wěn)定的黃色2，4-二硝基苯氨基酸(DNP-氨基酸)，這一反應(yīng)在蛋白質(zhì)化學的研究史上起過重要作用，Sanger等人應(yīng)用它測定胰島素一級結(jié)構(gòu)。

　　多肽順序自動分析儀是根據(jù)相類似的原理設(shè)計的，即利用多肽鏈N端氨基酸的α-氨基與異硫氰酸苯酯PITC反應(yīng)(Edman降解法)。

　　三、肽(peptide)

　　1.肽鍵與肽鏈

　　一個氨基酸的α-羧基和另一個氨基酸的α-氨基脫水形成的酰胺鍵稱為肽鍵。由氨基酸通過肽鍵相連而成的化合物稱為肽。肽鍵及其兩端的α-碳原子相連所形成的長鏈骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N—Cα—C—N—Cα…稱為多肽主鏈，—CαCN—是重復單位。肽鍵是蛋白質(zhì)分子中的主要共價鍵。多肽鏈的方向性是從N末端指向C末端。

　　肽分子中不完整的氨基酸稱為氨基酸殘基。肽按其序列從N端到C端命名。一般10肽以下屬寡肽，10肽以上為多肽。

　　2.生物活性肽

　　(1)谷胱甘肽(glutathione，GSH)

　　是由Glu、Cys、Gly組成的一種三肽，又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸(含γ-肽鍵)。Cys的-SH是主要功能基團，GSH是一種抗氧化劑，是某些酶的輔酶，可保護蛋白質(zhì)分子中的-SH免遭氧化，保護巰基蛋白和酶的活性。在GSH過氧化物酶的作用下，GSH還原細胞內(nèi)產(chǎn)生的H2O2，生成H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH還原酶催化下，又生成GSH。

　　(2)多肽類激素和神經(jīng)肽

　　人體內(nèi)有許多激素屬寡肽或多肽，如下丘腦—垂體分泌的催產(chǎn)素(9肽)、加壓素(9肽)、促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH，39肽)等。催產(chǎn)素和加壓素結(jié)構(gòu)僅第3、第8位兩個氨基酸殘基不同，前者使平滑肌收縮，有催產(chǎn)和使乳腺泌乳的作用;后者能使小動脈收縮，增高血壓，也有減少排尿的作用。

　　神經(jīng)肽是在神經(jīng)傳導過程中起信號轉(zhuǎn)導作用的肽類。如腦啡肽(5肽)、β-內(nèi)啡肽(31肽)、強啡肽(17肽)等。隨著腦科學的發(fā)展，會發(fā)現(xiàn)更多的生物活性肽。