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第２章　蛋白质的化学
2.1 蛋白质的概述
2.2　氨基酸
2.3　肽
2.4　蛋白质的结构
2.5　蛋白质的性质
2.6　蛋白质技术
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2.1 蛋白质的概述
蛋白质是生命性状的体现者和生物学功能的执行者，其是由氨基酸为基本单位形成的具有空间结构的生物大分子，本节将重点讲述蛋白质的分类、蛋白质的生物学功能及蛋白质的化学组成等相关知识。
2.1.1　蛋白质的分类
蛋白质种类繁多、结构复杂、功能多样，所以分类方法也是层出不穷，常见的有根据蛋白质的分子形状、功能、组成、溶解度和营养价值分类。
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2.1 蛋白质的概述
2.1.2　蛋白质的生物学功能
蛋白质与核酸一同被称为最重要的生物大分子，与核酸存储和传递遗传信息不同的是，蛋白质是遗传信息和生命性状的真实体现者，不同的蛋白质具有各自不同的功能，可以从３个大的方面来体现其重要性。现叙述如下。
１. 蛋白质是生物体重要的组成成分
作为生物体重要的组成成分，可用六个字来概括：分布广、含量高。
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2.1 蛋白质的概述
分布广：生物体的所有器官、组织都含有蛋白质，细胞的各个部分也都含有蛋白质，如胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等为构成细胞和细胞间质的结构和支持成分，也分布在高等动物的毛发、肌腱、韧带、软骨、皮肤等处。含量高：蛋白质是生物体内含量最丰富的有机物，如其占人体干重的４５％，人体中某些组织含量更高，如在脾、肺、横纹肌中蛋白质含量可达干重的８０％。
２. 蛋白质具有重要的生物学功能
（１）催化作用 （２）转运功能 （３）贮存功能 （４）防御与进攻功能 （５）运动作用 （６）信息传递与调节功能
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2.1 蛋白质的概述
３. 蛋白质可以为机体提供能量
正常情况下，蛋白质虽不是机体的主要能量来源，但仍是能量来源之一。当机体通过氧化糖和脂肪供给能量不足时，机体将增加蛋白质的分解来提供能量。食肉动物所需能量的９０％来自氨基酸。
2.1.3　蛋白质的元素组成
蛋白质的元素组成是指蛋白质中所含各种元素的多少，蛋白质中所含主要元素为Ｃ （平均５２％）、Ｈ （平均７％）、Ｏ （平均２３％）、Ｎ （平均１６％）、Ｓ （平均２％）。此外，蛋白质中还含有微量元素，例如酪蛋白中含磷、甲状腺球蛋白含碘等。
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２．２　氨　基　酸
2.2.1　氨基酸的结构通式
从细菌到人类，所有蛋白质都由２０种常见氨基酸（ｓｔａｎｄａｒｄａｍｉｎｏａｃｉｄｓ）组成。构成蛋白质的氨基酸除脯氨酸是α?亚氨基酸外，其余均为α?氨基酸，即氨基（—ＮＨ２）和羧基（—ＣＯＯＨ）共同连在一个Ｃα上。Ｃα上还有一个氢原子和一个Ｒ 基团，不同的氨基酸Ｒ 基团结构不同。
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２．２　氨　基　酸
2.2.2　氨基酸的分类
构成蛋白质的氨基酸包括常见的蛋白质氨基酸（即２０种基本氨基酸）和不常见的蛋白质氨基酸（即常见氨基酸的修饰衍生物）。２０种常见氨基酸又可根据所含成分、酸碱性质、结构组成等不同依据进行不同的分类。
2.2.3　氨基酸的理化性质
１.氨基酸的物理性质
（１）一般物理性质
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２．２　氨　基　酸
① 溶解性：各种氨基酸在水中的溶解度差别很大，并能溶解于稀酸或稀碱中，但不能溶解于有机溶剂。通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析出。
② 熔点：氨基酸为无色结晶或粉末状，有各自特殊的晶形，与相应的有机酸相比，氨基酸的熔点很高，一般在２００℃以上。
③味感：其味随不同氨基酸有所不同，有的无味、有的味甜、有的味苦，谷氨酸的单钠盐有鲜味，是味精的主要成分。
④ 旋光性：除甘氨酸外，氨基酸都具有旋光性，能使偏振光平面向左或向右旋转，左旋者通常用（－）表示，右旋者用（＋）表示。
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２．２　氨　基　酸
（２）光吸收性质
构成蛋白质的２０种氨基酸在可见光区（３８０～７８０ｎｍ）都没有光吸收，但在远紫外区（＜２２０ｎｍ）均有光吸收。在近紫外区（２２０～３００ｎｍ），只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有光吸收能力，三者的最大吸收波长分别为２７５ｎｍ、２５７ｎｍ 和２８０ｎｍ。具有紫外吸收的氨基酸在结构上都属于芳香族氨基酸，Ｒ基团苯环上的共轭π键是引起紫外吸收的原因。
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２．２　氨　基　酸
２.氨基酸的两性解离及等电点
（１）氨基酸的两性离子形式
不考虑Ｒ基团解离的情况下，氨基酸中含有羧基和氨基两个可以解离的基团，其解离方程式如下：
根据路易斯共轭酸碱理论，质子的供体为共轭酸，如—ＣＯＯＨ 和—ＮＨ３＋ ；质子的受体为共轭碱，如—ＣＯＯ－ 和—ＮＨ２。
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２．２　氨　基　酸
实验证明，氨基酸在水溶液或晶体状态下都以两性离子的形式存在，即在同一氨基酸分子上有能放出质子的—ＮＨ３＋，也有能接受质子的—ＣＯＯ－，所以氨基酸属于两性电解质。如下所示。
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２．２　氨　基　酸
（２）氨基酸的两性解离
氨基酸中各种基团的解离与其所处溶液的ｐＨ 关系密切：ｐＨ 增大，有利于羧基的解离，羧基倾向于以离子形式（—ＣＯＯ－）存在；ｐＨ 降低，有利于氨基的解离，氨基倾向于以离子形式（ＮＨ３＋）存在。
３. 氨基酸的化学反应
氨基酸的化学反应主要是指它的α?氨基和α?羧基及侧链上的功能基团所参与的反应，下面着重讨论在蛋白质化学中具有重要意义的氨基酸化学反应。
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２．３　肽
2.3.1 肽的概念与结构
由两个或两个以上的氨基酸通过肽键连接而形成的化合物叫作肽。肽键（也叫酰胺键）是由一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基脱水缩合形成的。
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２．３　肽
两分子氨基酸通过肽键共价连接形成的肽叫作二肽，三个氨基酸形成的肽叫作三肽，依此类推。一般来说，小于１０～２０个氨基酸组成的多肽均可叫作寡肽，多于２０个氨基酸的肽统称为多肽。蛋白质就是由几十到几百甚至上千的氨基酸组成的多肽。但是，这些术语的区别并不是很严格，在不同的场合可以是不同的名称，如几十个氨基酸组成的多肽，有时也可叫作蛋白质，寡肽与多肽之间也没有严格的界限。
氨基酸之间通过肽键连接形成的链状结构称为肽链。肽链中各氨基酸形成肽键后余下的结构不再完整的氨基酸部分叫作氨基酸残基。在一条肽链中，含有游离α?氨基的一端为氨基端（Ｎ 端，用“Ｈ”来表示），含有游离α?羧基的一端为羧基端（Ｃ端用“ＯＨ”来表示）。
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２．３　肽
绝大多数肽链是线性无分支的，但也有一些肽链，可利用氨基酸残基Ｒ 基的氨基和羧基以异肽键的形式相连形成分支。如泛素通过羧基端与其他蛋白质相连，再如两个半胱氨酸残基通过各自的巯基形成二硫键可以使单独的肽链连接成环。
书写肽链时，从氨基端开始依次写出氨基酸的名称或字母符号（一般用三字母缩写符），直到羧基端。如脑啡肽Ｔｙｒ?Ｇｌｙ?Ｇｌｙ?Ｐｈｅ?Ｍｅｔ。肽链的主链结构是指多肽链中除去每个氨基酸残基Ｒ基团的剩余部分，每一个氨基酸残基的Ｒ基团称为侧链。
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２．３　肽
肽平面又称肽单位（ｐｅｐｔｉｄｅｕｎｉｔ）是指构成肽键（—ＣＯ—ＮＨ—）的羰基氧原子、酰胺氢原子和两个相邻的Ｃα原子组成的一个平面单位。蛋白质中每个Ｃα—Ｎ键可以自由旋转，肽键中Ｃ—Ｎ 键不能自由旋转。肽平面是肽链上的重复结构。
2.3.2 肽的命名
肽的命名可以依据肽所含氨基酸残基数简单地称为二肽、三肽、四肽等。也可根据肽的功能和来源命名，如脑啡肽等。还可以从Ｎ 端开始，连续读出氨基酸残基的名称，除Ｃ端氨基酸外，其他氨基酸残基的名称均将“酸”改为“酰”。如Ｔｙｒ-Ｇｌｙ-Ｇｌｙ-Ｐｈｅ-Ｍｅｔ可命名为：酪氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸。
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２．３　肽
2.3.3　天然存在的生物活性肽
生物活性肽是能够调节生物机体的生命活动或具有某些生理活性的寡肽和多肽的总称。但其大多数以非活性状态存在于蛋白质的长链中，被酶解成适当的长度时，其生理活性才会表现出来。自然界所有细胞都能合成多肽，迄今为止，在生物体内已经发现了几百种活性肽，参与调节物质代谢、激素分泌、神经活动、细胞生长及繁殖等几乎所有的生命活动。常见的生物活性肽如谷胱甘肽、催产素、加压素、脑啡肽、促肾上腺皮质激素、胰高血糖素等。
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2.4　蛋白质的结构
蛋白质能执行多种多样的生物学功能依赖于蛋白质复杂的空间结构。为了便于描述和理解，通常将蛋白质结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构四个层次。一级结构是指多肽链从氨基端到羧基端的氨基酸序列；二级结构是多肽链局部主链的空间构象；三级结构是多肽链借助非共价力折叠成具有特定空间结构的实体；四级结构是指具有三级结构的亚基借助非共价键缔合形成的寡聚蛋白质。
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2.5　蛋白质的性质
2.5.1　蛋白质的相对分子质量
蛋白质相对分子质量很大，一般为１００００～１００００００，甚至于更大。由于蛋白质的相对分子质量太大，所以常用的测定小分子物质相对分子质量的方法如冰点降低、沸点升高等就不适用。测定蛋白质相对分子质量常用的方法有渗透压法、超离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。其中渗透压法最简单，对仪器设备要求不高，但灵敏度差；而凝胶过滤法和聚丙烯酰胺凝胶电泳所测定的蛋白质相对分子质量也仅是近似值；所以最准确可靠的方法是超离心法。
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2.5　蛋白质的性质
2.5.2　大分子胶体性质
蛋白质溶液并不是真正的溶液，而是一种均匀的分散系统，在这个系统中，蛋白质分子是分散相，水分子是分散介质。按照分散程度，蛋白质分子大小为１～１００ｎｍ，属于胶体系统，但是由于它的分散相是分子本身，在这个意义上又属于真溶液。蛋白质溶液既然是胶体溶液，就具有胶体溶液的性质，如丁道尔现象、布朗运动及不能透过半透膜等胶体性质。利用蛋白质不能透过半透膜的性质可以纯化蛋白质。
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2.5　蛋白质的性质
蛋白质分子在溶液（胶体）中保持稳定需要三个条件：第一，蛋白质分子大小为１～１００ｎｍ，这样大小的分子在动力学上稳定，介质对其碰撞合力不为零，其在介质中做布朗运动，不会因为自身重力作用而沉降。第二，蛋白质分子由于在非等电点时带相同性质的电荷，互相排斥， 不易聚集沉淀。第三， 蛋白质分子亲水基团（如—ＣＯＯ—、—ＯＨ、—ＳＨ 等）吸引周围的水分子，使水分子定向排列在蛋白质分子的表面形成水化膜层。
利用蛋白质不能透过半透膜的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析。
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2.5　蛋白质的性质
2.5.3 两性电离和等电点
氨基酸中由于氨基、羧基和Ｒ 基团的存在，使其具有两性电离的性质。而蛋白质中，多数氨基和羧基以肽键的形式缩合成链状结构，然而其表面仍有许多可解离的基团，主要是Ｒ基团（如氨基酸残基上的ε-氨基、β-羧基、γ-羧基、咪唑基、胍基、酚基、巯基等）及每条多肽链首尾至少存在的氨基和羧基，因此蛋白质也是两性电解质。
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2.5　蛋白质的性质
2.5.4　蛋白质的沉淀
上述蛋白质在溶液中稳定而不沉淀的因素如果被破坏，蛋白质胶体溶液就不再稳定而从溶液中沉淀出来，这叫作蛋白质的沉淀。沉淀蛋白质常用的方法有盐析法、有机溶剂沉淀法、重金属盐沉淀法、生物碱试剂沉淀法和加热变性沉淀法。
2.5.5　蛋白质的变性和复性
１.蛋白质的变性
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2.5　蛋白质的性质
天然蛋白质受到物理的或化学的因素影响，其分子内部原有的高度规律性空间结构发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学功能都有所改变，但并未导致其一级结构的破坏，这种现象称为蛋白质的变性。变性后的蛋白质称为变性蛋白质。
２. 蛋白质的复性
蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程。变性蛋白质在一定条件下如果去除变性的因素，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象称为蛋白质的复性。
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2.5　蛋白质的性质
需要注意的是，蛋白质在体外变性后，并非所有的变性都可以复性，绝大多数情况下是不能复性的；如变性程度浅，蛋白质分子的构象未被严重破坏，或者蛋白质具有特殊的分子结构，并经特殊处理，则可以复性。
蛋白质的变性对研究蛋白质的结构和功能方面有重要的理论价值，也对医药生产和应用起着重要的指导作用，例如乙醇、高温高压灭菌等就是通过使细菌蛋白质变性的方法而达到杀菌消毒目的的。提取植物中的有效药用成分也经常使用变性的方法去除杂蛋白。
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2.5　蛋白质的性质
蛋白质的变性与凝固在现实生活中也有许多实际应用。如豆腐是大豆蛋白质的浓溶液加热加盐而成的变性蛋白质凝固体；临床上急救误服重金属盐的病人，给病人进食大量乳品或蛋清，使蛋白质与该重金属结合成变性的不溶也不能为消化道所吸收的蛋白质，之后采用催吐剂将其排出体外，从而达到解毒的目的；用紫外线或酒精进行消毒灭菌是使微生物体内蛋白质变性而杀灭微生物。
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２．６　蛋白质技术
蛋白质技术包括蛋白质的分离纯化、蛋白质含量测定和多肽人工合成技术，本部分将分别加以讲解。
2.6.1　蛋白质的分离纯化
由于科学研究、生产和生活的需要，对蛋白质尤其是纯蛋白质的需求日益增加，特别是在酶工程领域和医药领域。所以，高效、大规模、低成本获取蛋白质产品就尤为重要。然而蛋白质的提取、分离、纯化是艰巨繁重的任务，所以急需一套或几套对蛋白质进行分离纯化的高效方法。
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２．６　蛋白质技术
１.蛋白质分离纯化的原则
蛋白质分离纯化的原则是从含有目的蛋白丰富的材料中获得高纯度的蛋白质制品，提高酶纯度和比活力（后章节有叙述）。分离纯化可大体上包括前处理、粗分级分离和细分级分离和结晶四大步。
２. 蛋白质分离纯化的常用方法
利用蛋白质理化性质的差异，可以对蛋白质进行分离与纯化。常用的蛋白质分离纯化有以下几类。
（１）根据蛋白质分子大小不同进行分离
（２）根据蛋白质溶解度不同进行分离
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２．６　蛋白质技术
（３）根据蛋白质带的电荷蛋白质进行分离
2.6.2 蛋白质的含量测定
测定蛋白质的含量，除了蛋白质颜色反应中所述的双缩脲法，常用的还有以下几种。
１. 凯氏定氮法
２. 紫外吸收法
3.考马斯亮蓝染色法
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２．６　蛋白质技术
2.6.3 多肽和蛋白质的人工合成
由于一些肽和蛋白质的化学结构的陆续阐明，通过人工方法来合成具有生物学活性的肽和蛋白质的任务就提到了科学工作者的面前。１９５８年，北京大学生物系在国内首次合成了具有生物活性的八肽———催产素。接着于１９６５年９月，中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学化学系协作，在世界上首次人工合成了结晶牛胰岛素，与此同时，美国、德国也合成了胰岛素，这标志着人类在研究生命起源的历程中迈进了一大步，下面简单地介绍肽和蛋白质的人工合成方法。
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