蛋白质上

化学生物学

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蛋白质

蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。
蛋白质是生命活动的物质基础。

蛋白质是生物功能的主要体现者，参与了几乎所有的生命活动过程

• 催化功能: 酶
• 代谢调节功能: 激素
• 防御和保护功能：抗体(免疫球蛋白)
• 氧气和物质转运功能：血红蛋白
• 维持血浆渗透压：血浆蛋白
• 运动功能：肌动蛋白
• 结构功能：角蛋白
• 信息传递功能：信号蛋白分子
• 构成和修复身体各种组织细胞的材料

外源蛋白质有营养功能，可作为生产加工的对象

临床肝功能三项检验单: 谷草转氨酶（AST）、谷丙转氨酶（ALT）、谷草转氨酶/谷草转氨酶（AST/ALT）

蛋白质含量（克%）=每克生物样品中含氮的克数 × 6.25 × 100
6.25被称为蛋白质系数

蛋白质光谱探针: 就是能与蛋白质发生相互作用的无机离子、有机小分子或络合物，这些物质与蛋白质结合生成超分子复合物之后，体系的光谱性质发生变化，可以提供蛋白质浓度或结构方面的信息。

蛋白质检验方法

双缩脲法
具有2个或2个以上肽键的化合物都有双缩脲反应，因此蛋白质在碱性溶液中也能与Cu²⁺生成紫红色化合物，可在540nm测量吸光度。

Folin-Lowry法
Lowry等将双缩脲试剂和Folin酚试剂（磷钼酸盐磷钨酸盐）结合使用，在蛋白质发生双缩脲反应之后，再和Folin酚试剂反应，此试剂在碱性溶液下被蛋白质中酪氨酸的酚基还原，生成颜色更深的化合物，可在640nm测量吸光度。

比双缩脲法灵敏100倍 多种因素干扰
且由于蛋白质中酪氨酸、色氨酸含量不同，在显色灵敏度方面存在差异。本法可测定范围是25—250μg蛋白质。

考马斯亮蓝G-250法
在酸性条件下，染料考马斯亮兰G-250与蛋白质结合后，其吸收高峰从465nm移至595nm处，而颜色也由棕黄色转为深兰色。因蛋白质与染料生成复合物颜色的深浅与其浓度成比例关系，可作为测定蛋白质浓度的方法。
方便 反应时间短 染色稳定 抗干扰性强 线性范围为 1～20μg/mL 灵敏度最高

蛋白质的组成分析

酸水解
常用6 mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸在105-110℃条件下水解反应约20小时。
优点：不容易引起水解产物的消旋化
缺点：色氨酸被沸酸完全破坏
含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。

碱水解
一般用5 mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。
缺点：水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。部分水解产物发生消旋化。
优点:是色氨酸在水解中不受破坏。

氨基酸 —— 组成蛋白质的基本单位

• 构建生物体大分子蛋白质的基本单位
• 合成抗体蛋白以对抗细菌和病毒侵袭
• 合成血红蛋白以输送氧气和营养物质
• 合成酶和激素以维持和调节新陈代谢
• 用于合成精细胞和卵细胞的主要物质
• 合成神经介质的不可缺少的前体物质
• 可为生物体的各种生命活动提供能源

组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。

氨基酸的结构与分类

从蛋白质水解物中分离出来的氨基酸有二十种，除脯氨酸外，这些天然氨基酸在结构上的共同特点为：

• 分子中同时含有羧基和氨基，且与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而称为α-氨基酸。

• 除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的α-碳原子都为不对称碳原子,

  • 氨基酸都具有旋光性；
  • 每一种氨基酸都具有D-型和L-型两种立体异构体;

  目前已知的天然蛋白质中氨基酸都为L-型。

氨基酸的分类

按R基团的酸碱性分类

• 中性氨基酸：甘、丙、缬、亮、异亮、丝、苏、甲硫
• 酸性氨基酸：天冬氨酸Asp、谷氨酸Glu、谷氨酰胺Gln、天冬酰胺Asn
• 碱性氨基酸：赖氨酸Lys、精氨酸Arg、组氨酸His

按R基团的疏水性和亲水性分类

• 疏水性R基团氨基酸：甘氨酸Gly、丙氨酸Ala、缬氨酸Val、亮氨酸Leu、异亮氨酸Ile、苯丙氨酸Phe、脯氨酸Pro
• 亲水性R基团氨基酸：色氨酸Trp、丝氨酸Ser、酪氨酸Tyr、半胱氨酸Cys、甲硫氨酸Met、天冬酰胺Asn、谷氨酰胺Gln、苏氨酸Thr

按R基团的化学结构分类

• 脂肪族氨基酸：
  
  • 中性氨基酸：甘、丙、缬、亮、异亮、丝、苏、甲硫
  • 酸性氨基酸：天冬氨酸Asp、谷氨酸Glu、谷氨酰胺Gln、天冬酰胺Asn
  • 碱性氨基酸：赖氨酸Lys、精氨酸Arg、组氨酸His
• 芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸
• 杂环族氨基酸：脯氨酸、组氨酸

结构特殊的氨基酸：
脯氨酸: 唯一的亚氨基酸
半胱氨酸: 通过二硫键形成胱氨酸

人体所需的八种必需氨基酸

赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 甲硫氨酸(Met) 色氨酸(Trp) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile) 苏氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe)

婴儿时期所需： 精氨酸(Arg) 组氨酸(His)

早产儿所需：色氨酸(Trp) 半胱氨酸(Cys)

几种氨基酸的用途

L-赖氨酸 可治疗营养缺乏症、发育不全及氮平衡失调症。
L-苯丙氨酸 重要的食品添加剂阿斯巴甜的主原料；在医药行业是合成某些抗癌药物的中间体，也是营养强化剂、氨基酸输液和复合氨基酸制剂的重要成分。
L-色氨酸
① 对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要的作用，被称为第二必需氨基酸，广泛应用于医药、食品和饲料等方面。
② 在生物体内，色氨酸代谢失凋会引起糖尿病等，因此在医学上被用作氨基酸注射液和复合氨基酸制剂。
③ 由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸，它便成为继甲硫氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。
L-甲硫氨酸
① 含硫的人体“必需氨基酸”之一，与生物体内各种含硫化合物的代谢密切相关，可利用其所带的甲基，对有毒物或药物进行甲基化而起到解毒的作用。
② 蛋氨酸可用于防治慢性或急性肝炎、肝硬化等肝脏疾病。
③ 广泛应用于医药、保健品、食品、化妆品和饲料等行业。
L-缬氨酸
① 三种支链氨基酸之一，因其特殊的结构和功能，在人类生命代谢中占有特别重要的地位。
② 合成环孢菌素的原料。
③ 合成降压药缬沙坦的原料。
④ 主要用于配制复合氨基酸制剂，特别是应用于高支链氨基酸输液及口服液。
L-亮氨酸
① 支链氨基酸之一
② 可用于诊断和治疗小儿的突发性高血糖症，也可用作头晕治疗剂及医药营养滋补剂。
③ 亮氨酸存在于所有蛋白质中，在玉米麸质和血粉中含量最高，鱼类含量也很高，特别是豚鱼含量更高。
L-异亮氨酸
① 合成人体激素、酶类的原料，它属支链氨基酸，具有促进蛋白质合成和抑制其分解的效果。
② 以L-异亮氨酸为原料制成的氨基酸输液和制剂作为营养支持和治疗肝、肾疾病方面有特殊功效。
L-组氨酸
① 一种半必需氨基酸，对于婴幼儿及动物的成长尤其重要。
② 可作为生化试剂和药剂，还可用于生产治疗心脏病、贫血、风湿关节炎和消化道溃疡等的药物。
L-甘氨酸
① 广泛应用于医药、食品、饲料等领域。
② 自除草剂草甘膦问世以来，甘氨酸作为一种重要的精细化工中间体在农药行业的应用快速增长。
L-丝氨酸
① 广泛用于配置第三代复方氨基酸输液和营养增补剂，并用于合成多种丝氨基酸衍生物，如抗癌、爱滋病新药及基因工程用保护氨基酸等。
② 因L-丝氨酸在微生物体内处于中间代谢，获取L-丝氨酸非常困难，因此是市场最昂贵的氨基酸之一。
③ L-丝氨酸在国内主要采用蛋白质水解法进行生产，产量低、效率低、成本高，在国外L-丝氨酸是利用构建的基因工程菌进行批量生产。
L-半胱氨酸
① 生物体组织细胞用来防御有害物质和增加活力的一种氨基酸，也是唯一具有活性巯基(-SH)的氨基酸。
② 在医药方面用于肝脏药、解毒药，解热镇痛药和溃疡治疗药等。
L-谷氨酸
① 生产味精的中间体,市场巨大。
② 它的盐酸盐可充当胃酸的增强剂，其溴化氢镁盐具有消解焦虑症的功能。
L-精氨酸
① 人体的半必需氨基酸之一，也是生物体尿素循环的一种重要中间代谢物。
② 可治疗血氨中毒，对肝炎、肝硬化也有较好治疗效果，并可防止和治疗脂肪肝病变。
L-丙氨酸
① 广泛应用于医药、食品、化工行业。
② 维生素B6的重要原料。
③ 氨基酸注射液的主要成份之一。
④ 其国内外市场需求旺盛，产品供不应求，国外基本由日本“味之素”公司垄断和控制世界产量和价格。
L-脯氨酸
① 氨基酸输液的重要原料
② 合成卡托普利、依那普利等一线降压药物的主要中间体
③ 已被广泛应用于食品与医药工业。
④ 星湖科技生产的L-脯氨酸原料药，约占国内市场的60％。
L-酪氨酸
① 是肾上腺素和去甲肾上腺素的前体物质。
② 也是合成多肽类激素、抗生素、L-多巴等药物的主要原料。
③ 酪氨酸在人体中，能促进儿茶酚胺、甲状腺激素、黑④ 色素的生物合成，是制造肾上腺激素所必需的氨基酸
L-天门冬氨酸
① 在各种氨基酸的用量占第三位
② 用于治疗心脏病、肝功能促进剂和氨基酸的输液成分
③ 可作合成L-丙氨酸和L-天冬酰胺的主要原料。

氨基酸的性质

一、光学性质
具有旋光性（除甘氨酸）
在远紫外区(<220nm)均有光吸收
在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸(275)、苯丙氨酸(257)和色氨酸(280)有吸收光的能力
二、等电点
酸性氨基酸：pI = (pK₁ + pK_R-COO- )/2
碱性氨基酸：pI = (pK₂ + pK_R-NH2 )/2
中性氨基酸：pI = (pK₁ + pK₂ )/2
三、氨基酸的应用
食品工业 饲料工业 化妆品工业 医药工业

支链氨基酸

① 支链氨基酸是指α-碳上含有分支脂肪烃链的中性氨基酸。
② 支链氨基酸包括：L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-缬氨酸。都属于必需氨基酸，主要在骨骼肌代谢，约占骨骼肌蛋白质必需氨基酸的35％，同骨骼肌的合成有着密切的关系。
③ 肌肉是氧化支链氨基酸的主要组织。
④ 每分子亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸完全氧化分别产生42、43、32分子ATP。安静时，人骨骼肌总能量消耗的14％由支链氨基酸氧化过程提供，属于非糖的能量来源。

氨基酸的生产

发酵法 酶法 提取法 合成法

多肽

寡肽 : 由十个以内氨基酸相连而成的肽
多肽 : 由更多氨基酸相连形成的肽
氨基酸残基 : 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全
多肽链的表示方法：从N端开始到C端
肽单元 : 参与肽键的6个原子构成
一、不变残基
定义 : 多肽链中有些氨基酸的数目与其序列都是不能轻易变动的，否则将改变整个蛋白质分子性质和功能，这些氨基酸残基称为不变残基。
功能 :　不变残基对维持蛋白质分子构象和功能起着重要作用。
二、可变残基
定义 :　并不是说蛋白质一级结构中每个氨基酸都很重要，有些氨基酸残基发生改变并不影响蛋白质的活性，这些氨基酸残基称为可变残基。
功能 :　可变残基可用于研究生物进化。
三、肽键的特点
① 组成肽键的原子处于同一平面；
② 肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转；
③ 在大多数情况下，以反式结构存在。

肽单位：指多肽链上从一个α-碳原子到相邻的α-碳原子之间的结构，它是肽链主链骨架中的重复结构。
肽平面：由于肽键具有部分双键的性质，因而不能自由旋转，使得肽键所连接的6个原子处于同一个平面上。这个平面称为肽平面。
α-碳原子的二面角：多肽链中Cα-N和Cα-C之间都是单键，可以自由旋转，其中Cα-N旋转角度由 φ表示。 Cα-C间旋转角度由Ψ表示，它们被称为α-碳原子的二面角。
肽单位的三个显著特征：肽平面、 α-碳原子的二面角、反式结构。

一级结构的最小单位是氨基酸残基，高级结构的最小单位是肽单位。
四、多肽的性质
多肽的两性离解
① 多肽的肽键与一般的酰胺键一样，可以被酸或碱水解，也可以被酶水解。
② 根据多肽水解程度不同可分为完全水解和部分水解。
③ 完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。
④ 酸或碱能将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解。
在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。
活性肽 : 许多分子量比较小的多肽以游离状态存在,这类多肽常都具有特殊的生理功能。
如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。

蛋白质的结构

蛋白质分子量变化范围很大,从大约6000到1000000道尔顿甚至更大。
一、蛋白质结构层次
蛋白质一级结构
包括组成蛋白质的多肽链数目、种类和顺序（蛋白质生物功能的基础）、肽链内或链间二硫键的数目和位置。
主要的化学键： 氢键
蛋白质二级结构
主要有：
α-螺旋
类似棒状结构，紧密卷曲的多肽链构成了棒的中心部 分，侧链R伸出到螺旋的外面，完成一个螺旋需3.6个氨基酸残基，螺旋每上升一圈，螺距为0.54nm，相邻两个氨基酸残基之间的轴心距为0.15nm；

结构的稳定是靠链内的氢键，氢键形成于第一个氨基酸残基的羧基与线性顺序中的第四个氨基酸的氨基，氢键环内包含13个原子，因此a-螺旋通常的表示法为ns (n为每螺旋中包含的氨基酸残基数，s为氢键环内包含的原子数）；

大多数蛋白质中的a-螺旋为右手螺旋。

有些结构不易形成α-螺旋：

• Gly和Pro不易形成α-螺旋；
• 多聚大侧链氨基酸；
• 多聚相同电荷氨基酸。

β-折叠
由两条或两条以上几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间氢键交联而成。肽链的主链成锯齿状折叠构象。
结构特征 ：
① 在β-折叠中，α-碳原子总是处于折叠线上，氨基酸的侧链都垂直于折叠片平面，交替地分布在片状平面的上面或下面，以避免R基团的空间障碍；
② 相邻两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm；
③ 几乎所有肽键都参与链间氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。
④ β-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。

β-转角
① β-转角也称β-回折或发夹结构，存在于球状蛋白中。
② 在β-转角部分，由四个氨基酸残基组成;
③ 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。

无规则卷曲
① 指没有明确规律性的肽链构象，但仍然是紧密有序的稳定结构，可以通过主链间氢键，甚至在主链与侧链间形成氢键而维持其构象。
② 无规则卷曲的类型大体上可以分为两大类
（1）紧密环
（2）连接条带

超二级结构
相邻的二级结构单元按照一定规律、规则地组合在一起，彼此相互作用，形成在空间构象上有区别的二级结构组合单位，称为超二级结构。
超二级结构有αα、ββ、βαβ、βββ等几种类型。

结构域
在二级结构或超二级结构基础上形成的特定区域称为结构域。
两个结构域间常常形成空穴。

结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。

结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上。

蛋白质的三级结构
在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。

维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。

蛋白质的三级结构包括主链构象和侧链构象

主链构象：多肽主链通过氢键形成二级结构 
侧链构象：多肽侧链通过非共价键形成微区

蛋白质的三级结构包括亲水区和疏水区

亲水区：亲水区多位于分子表面，故球形蛋白质水溶性较好
疏水核：疏水区多位于分子内部，往往是与辅酶/基或底物结合位点 

蛋白质三级结构稳定的原因

主要原因：侧链基团的疏水键 
次要原因：氢键、盐键等次级键; 部分蛋白质中的二硫键 

蛋白质三级结构的意义

蛋白质的三级结构决定了蛋白质的生物学功能，即蛋白质的生物学功能 随着三级结构的破坏而丧失。

蛋白质的四级结构
指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。

① 具四级结构的蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位(Subunit)，它一般由一条肽链构成，无生理活性；
② 维持亚基之间的化学键主要是疏水键。
③ 由多个亚基聚集而成的蛋白质常称为寡聚蛋白。
④ 根据亚基的数目可将具有四级结构的蛋白质分为低聚体和多聚体两大类。在低聚体中，亚基多数紧密地堆积呈球形；
⑤ 多聚体系可成为线型结构，例如肌肉蛋白中肌动蛋白的装配。
⑥ 另一些多聚体系形成空心的球状多面体或棒状，大量的病毒外壳属于这一类型。

没有四级结构的蛋白质

只有一条多肽链的蛋白质。
虽然有多条多肽链，但他借助于共价键相连（如：胰岛素和IgG等)
多聚体、多酶复合体、超分子复合体不属于四级结构范畴。