《生物化学与分子生物学》课程教学资源（电子教材）北京大学医学出版社《生物化学》书籍PDF第4版（主编：贾弘禔）.pdf_P26-P30

16 生物化学 2 中英文名称中英文缩写结构式等电点 pI pK1 α-COOH pK2 α-NH2 pK3 R- 基团不带电荷的极性氨基酸丝氨酸 serine 丝 Ser（S） COO- CH2 CH OH +NH3 5.68 2.21 9.15 13.60 苏氨酸 threonine 苏 Thr（T） COO- H3C CH CH OH +NH3 6.53 2.63 10.43 13.60 半胱氨酸 cysteine 半胱 Cys（C） SH CH2 CH COO- +NH3 6.25 1.71 10.78 8.33 巯基天冬酰胺 asparagine 天胺 Asn（N） O H2N C CH2 CH COO- +NH3 5.41 2.02 8.80 谷氨酰胺 glutamine 谷胺 Gln（Q） O H2N C C CH2 H2 CH COO- +NH3 5.65 2.17 9.13 带正电荷的（碱性）氨基酸赖氨酸 lysine 赖 Lys（K） CH2 CH2 CH2 CH2 CH COO- +NH3 +NH3 9.74 2.18 8.95 10.53 ε- 氨基 C CH2 CH2 CH2 CH COONH2 NH2 H N +NH3 精氨酸 + arginine 精 Arg（R） 10.76 2.17 9.04 12.48 胍基组氨酸 histidine 组 His（H） CH2 CH COOHN N +NH3 7.59 1.82 9.17 6.00 咪唑基带负电荷的（酸性）氨基酸天冬氨酸 aspartate 天冬 Asp（D） CH2 CH COO - - OOC +NH3 2.98 2.09 9.82 3.86 β- 羧基谷氨酸 glutamate 谷 Glu（E） CH2 CH2 CH COO - - OOC +NH3 3.22 2.19 9.67 4.25 γ- 羧基除 20 种常见氨基酸，某些蛋白质还含有修饰的氨基酸，如弹性蛋白和胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸（见第二十一章），肌球蛋白和组蛋白中的 N- 甲基赖氨酸，肌组织中的 N- 甲基甘氨酸，以及一些含硒代半胱氨酸和硒代甲硫氨酸的酶（见第五章）。（三）α- 氨基、α- 羧基及 R 基团决定氨基酸的理化性质 1. 氨基酸可进行两性解离 L-α- 氨基酸含有碱性的氨基（或亚氨基）及酸性的羧基，其氨基（—NH2）可在酸性溶液中与质子（H＋）结合，形成阳离子（—NH3 ＋）；羧基（—COOH）可在碱性溶液中与 OH－结合，失去质子而变成阴离子（—COO－）。因此，氨基酸是两性电解质，具有两性解离的特性。氨基酸的解离方式取决于其所处环境的酸碱度。在某种 pH 环境中，氨基酸可能不解离，或解离成阳离子、阴离子的程度或趋势相等，称兼性离子（zwitterion）；在电场中它既续表 PUMP

第二章蛋白质结构与功能17不移向阴极，也不移向阳极。此时，氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint,pl)。CH—COOHNH22CH-COOOHR-CH-COOH.R--CH-COO*+NH,NH2+NH3阳离子氨基酸的兼性离子阴离子pH<plpH=plpH>pl大多数氨基酸的R基团为非极性，或虽为极性但呈非解离状态。这类氨基酸的等电点由其α-羧基和α-氨基解离常数的负对数一pK,和pK,决定，即pl=1/2（pK+pK,）。例如，甘氨酸的pKc00H=2.34，pK-NH,=9.60，则其pl=1/2（2.34+9.60）=5.97。对含有可解离R基团的氨基酸而言，其等电点由α-氨基、α-羧基及R基团的解离状态共同决定。写出它们的解离方程式后，取兼性离子两边的pK值的平均值，即为该氨基酸的pI值。根据这一原则，酸性或碱性氨基酸的pI值就是Tryptophan两个羧基或氨基pK值的均值。例如，天冬氨酸的pl=1/2（pK+pK）=1/2（2.09+3.86）=2.98；赖氨酸的pl=1/2gduosqe（pK,+pKg）=1/2（8.95+10.53）=9.74。2.芳香族氨基酸具有紫外光吸收能力芳香族氨基酸色(An)氨酸、酪氨酸可吸收紫外光，最大光吸收峰在280nm；但苯丙氨酸的紫外光吸收能力极弱（Fig.2-1）。因为大多数蛋白质含有酪氨酸、色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液Tyrosine在280nm的吸光度（OD28o）是测定溶液蛋白质含量的一种简便方法。Phenylalanine3.α-氨基酸可进行三酮反应自由α-氨基酸在碱性0240250260270280290300310溶液中与苗三酮（ninhvdrin）水合物共同加执：氨基酸氧化Wave length (nm)脱羧，生成醛、NH及CO，，节三酮水合物则被还原：还原Fig.2-1 Ultraviolet(UV)absorption三酮与NH，及另一分子三酮缩合成有色化合物，即荫三ofaromaticamino acids酮反应。ROHH,NERCHO + NH,+ CO2OHHC氨基酸三酮水合物还原三酮02H-0NH,+O:OH0r还原节三酮节三酮蓝紫色化合物大多数α-氨基酸经节三酮反应生成蓝紫色化合物，颜色深浅与反应生成的NH含量成正比，其最大光吸收峰（入max）在570nm。脯氨酸、羟脯氨酸与三酮试剂反应呈黄色（入max=440nm），天

第二章蛋白质结构与功能 17 2 不移向阴极，也不移向阳极。此时，氨基酸所处溶液的 pH 值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。 R +NH3 CH COOH H+ R +NH3 CH COOR NH2 CH COOH OH- R NH2 CH COO- 阳离子氨基酸的兼性离子阴离子 pH<pI pH=pI pH>pI 大多数氨基酸的 R 基团为非极性，或虽为极性但呈非解离状态。这类氨基酸的等电点由其 α- 羧基和 α- 氨基解离常数的负对数——pK1 和 pK2 决定，即 pI＝1/2（pK1＋pK2）。例如，甘氨酸的 pK—COOH＝2.34，pK—NH2 ＝9.60，则其 pI＝1/2（2.34＋9.60）＝5.97。对含有可解离 R 基团的氨基酸而言，其等电点由 α- 氨基、α- 羧基及 R 基团的解离状态共同决定。写出它们的解离方程式后，取兼性离子两边的 pK 值的平均值，即为该氨基酸的 pI 值。根据这一原则，酸性或碱性氨基酸的 pI 值就是两个羧基或氨基 pK 值的均值。例如，天冬氨酸的 pI ＝1/2 （pK1＋pKR）＝1/2（2.09＋3.86）＝2.98 ；赖氨酸的 pI ＝1/2 （pK2＋pKR）＝1/2（8.95＋10.53）＝9.74。 2. 芳香族氨基酸具有紫外光吸收能力芳香族氨基酸色氨酸、酪氨酸可吸收紫外光，最大光吸收峰在 280 nm ；但苯丙氨酸的紫外光吸收能力极弱（Fig. 2-1）。因为大多数蛋白质含有酪氨酸、色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液在 280 nm 的吸光度（OD280）是测定溶液蛋白质含量的一种简便方法。 3. α- 氨基酸可进行茚三酮反应自由 α- 氨基酸在碱性溶液中与茚三酮（ninhydrin）水合物共同加热，氨基酸氧化脱羧，生成醛、NH3 及 CO2，茚三酮水合物则被还原；还原茚三酮与 NH3 及另一分子茚三酮缩合成有色化合物，即茚三酮反应。 R H2N H C COOH + C C C O O OH OH RCHO + NH3 + CO2 + C C C O O H OH 氨基酸茚三酮水合物还原茚三酮 C C C O O H OH + NH3 + C C C O O -2H2O C C C O O H N C C C O O 还原茚三酮茚三酮蓝紫色化合物 O 大多数 α- 氨基酸经茚三酮反应生成蓝紫色化合物，颜色深浅与反应生成的 NH3 含量成正比，其最大光吸收峰（λmax）在 570 nm。脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮试剂反应呈黄色（λmax＝440 nm），天 Fig. 2-1 Ultraviolet（UV）absorption of aromatic amino acids PUMP

生物化学18冬酰胺呈棕色。实际上，具有自由氨基末端的多肽/蛋白质也可发生节三酮反应，故该反应可用于氨基酸、多肽的定量分析及层析分离时的监测。三、氨基酸通过肽键共价连接形成多肽AminoAcidsAreLinkedbyPeptideBondstoForm Polypeptides2（一）氨基酸通过成肽反应聚合成（多）肽两分子氨基酸可通过一分子的氨基与另一分子的羧基反应，脱去1分子水，缩合成为二肽（dipeptide）（Fig.2-2）；在两个氨基酸之间产生的酰胺键（—CO—NH—一）称为肽键（peptidebond）。二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合成三肽。反应持续进行，依次生成四肽、五肽..乃至多肽（Fig.2-3）。通常习惯将2～20个氨基酸残基组成的肽链称为寡肽（oligopeptide），由10～20个及以上氨基酸残基组成的肽链称为多肽（polypeptide），其间没有严格界限。肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而残缺，故称氨基酸残基（residue）。多肽链具有方向性：有自由氨基的-端称为氨基末端（amino-terminal）或N-末端（N-terminal）；有自由羧基的一端称为羧基末端（carboxyl-terminal）或C-末端（C-terminal）。命名短肽从N-末端开始，指向C-末端，例如，由丙氨酸、亮氨酸、半胱氨酸和甘氨酸残基顺序连接组成的四肽称为丙氨酰亮氨酰半胱氨酰甘氨酸。H--H,O_HoN-H.N-COO*+H,NCOO-COO+H20HR2R.RaPeptide bondatwoaminoacidsFig.2-2FormationofadinentidefroHQJH.NCOO-HHHHRR.R100RaaRodAminoterminusCarboxylterminusFig. 2-3Basic structure of a polypeptide containing 100 amino acid residues（二）生物体内存在很多生物活性肽自然界生物体内存在很多小肽或寡肽，具有各种生物学活性。例如，催产素（oxytocin，OT）、加压素（vasopressin，VP）都是由环9肽组成的肽类激素。生长激素释放抑制素（growthhormonereleaseinhibitinghormone，GIH）简称生长抑素（somatostatin，SST），是一种线性14肽。属于抗生素肽的短杆菌肽（gramicidin）类是10～15肽类；缬氨霉素（valinomycin）是由12个氨基酸残基组成的小型环肽。广泛存在于人体和哺乳动物细胞中的-谷胱甘肽（glutathione，GSH）是三肽，由谷氨酸的-COOH连接半胱氨酸的α-氨基，后者的α-COOH再连接一个甘氨酸的氨基组成，即-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，是重要的抗氧化剂。除天然活性肽，20世纪70年代以后通过重组DNA技术获得的药物多肽、肽类疫苗等越来越多，统称重组多肽。四、根据分子组成、结构、性质可将蛋白质进行分类ProteinsAreClassifiedupon TheirComposition,Structure and Properties蛋白质分类有多种方法，基本上都是根据蛋白质或多肽的分子组成、结构或性质等原则进行的。根据分子组成可将蛋白质分为单纯蛋白质（simpleprotein）和缀合蛋白质（结合蛋白质）

18 生物化学 2 冬酰胺呈棕色。实际上，具有自由氨基末端的多肽 / 蛋白质也可发生茚三酮反应，故该反应可用于氨基酸、多肽的定量分析及层析分离时的监测。三、氨基酸通过肽键共价连接形成多肽 Amino Acids Are Linked by Peptide Bonds to Form Polypeptides （一）氨基酸通过成肽反应聚合成（多）肽两分子氨基酸可通过一分子的氨基与另一分子的羧基反应，脱去 1 分子水，缩合成为二肽（dipeptide）（Fig. 2-2）；在两个氨基酸之间产生的酰胺键（—CO—NH—）称为肽键（peptide bond）。二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合成三肽。反应持续进行，依次生成四肽、五肽. 乃至多肽（Fig. 2-3）。通常习惯将 2 ～ 20 个氨基酸残基组成的肽链称为寡肽（oligopeptide），由 10 ～20 个及以上氨基酸残基组成的肽链称为多肽（polypeptide），其间没有严格界限。肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而残缺，故称氨基酸残基（residue）。多肽链具有方向性：有自由氨基的一端称为氨基末端（amino-terminal）或 N- 末端（N-terminal）；有自由羧基的一端称为羧基末端（carboxyl-terminal）或 C- 末端（C-terminal）。命名短肽从 N- 末端开始，指向 C- 末端，例如，由丙氨酸、亮氨酸、半胱氨酸和甘氨酸残基顺序连接组成的四肽称为丙氨酰亮氨酰半胱氨酰甘氨酸。 Fig. 2-2 Formation of a dipeptide from two amino acids Fig. 2-3 Basic structure of a polypeptide containing 100 amino acid residues （二）生物体内存在很多生物活性肽自然界生物体内存在很多小肽或寡肽，具有各种生物学活性。例如，催产素（oxytocin， OT）、加压素（vasopressin，VP）都是由环 9 肽组成的肽类激素。生长激素释放抑制素（growth hormone release inhibiting hormone，GIH）简称生长抑素（somatostatin，SST），是一种线性 14 肽。属于抗生素肽的短杆菌肽（gramicidin）类是 10 ～ 15 肽类；缬氨霉素（valinomycin）是由 12 个氨基酸残基组成的小型环肽。广泛存在于人体和哺乳动物细胞中的 γ- 谷胱甘肽（glutathione， GSH）是三肽，由谷氨酸的 γ-COOH 连接半胱氨酸的 α- 氨基，后者的 α-COOH 再连接一个甘氨酸的氨基组成，即 γ- 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，是重要的抗氧化剂。除天然活性肽，20 世纪 70 年代以后通过重组 DNA 技术获得的药物多肽、肽类疫苗等越来越多，统称重组多肽。四、根据分子组成、结构、性质可将蛋白质进行分类 Proteins Are Classified upon Their Composition，Structure and Properties 蛋白质分类有多种方法，基本上都是根据蛋白质或多肽的分子组成、结构或性质等原则进行的。根据分子组成可将蛋白质分为单纯蛋白质（simple protein）和缀合蛋白质（结合蛋白质） PUMP

第二章蛋白质结构与功能19（conjugatedprotein）两类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成。结合蛋白质则是由蛋白质与非蛋白质组分结合而成，其非蛋白质组分称为结合蛋白质的辅基（prostheticgroup）。辅基种类很多，包括有机分子（如糖类、脂质、核酸或色素化合物等）、无机分子（如磷酸、硫酸、硝酸等）或金属离子等。绝大多数辅基通过共价键与多肽链连接。常见的结合蛋白质有糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、色系蛋白、磷蛋白和金属蛋白等。2绝大多数蛋白质呈水溶性，即（水）可溶性蛋白，个别蛋白质水溶性差，即（水）不溶性蛋白。除按溶解性质，还有根据酸碱性、耐热性或热稳定性等区分蛋白质的。按照分子形状或空间构象不同，蛋白质分为纤维状蛋白质和球状蛋白质。纤维状蛋白质分子不对称性强，分子长轴与短轴之比较大。纤维状的肌组织结构蛋白和血纤维蛋白原可溶于水，而角蛋白、丝心蛋白等纤维蛋白不溶于水。球状蛋白质分子形状接近球形，水溶性好，空间结构比纤维状蛋白质复杂，生物体内的蛋白质多属于这一类。蛋白质按功能可分为结构蛋白质和功能蛋白质，前者参与细胞和组织的结构组成，后者执行催化、调节、运输/转运或收缩/运动等功能。也有按分布分类，如血浆蛋白质、膜蛋白、（细）胞质蛋白和（细胞）核蛋白等。需要强调，细胞核蛋白（nuclearprotein）与核蛋白（nucleoprotein，NP）的概念不同：前者泛指分布在细胞核内的蛋白质，也包括分布在核内的DNA结合蛋白（DNAbindingprotein，DBP）和RNA结合蛋白（RNAbindingprotein，RBP），但它们在结合DNA或RNA之前，属性是细胞核蛋白，结合DNA或RNA后组成核蛋白（NP）；后者特指核酸（DNA、RNA）与蛋白质的缀合物，可以分布在胞核、胞质，或游离于细胞存在（如DNA或RNA病毒）。随着对蛋白质/多肽结构、功能认识的深入，20世纪80年代以后出现的“家族”（family）分类是当前对蛋白质/多肽进行分类的新趋势。蛋白质的特定结构域（domain）或氨基酸模体（motif）常与某种生物学功能相联系，根据结构与功能的关系，分子生物学家常将具有相同或类似结构域或模体的蛋白质（同源蛋白质）归为一大类、一类或一组，分别称为超家族（superfamily）、家族（family）或亚家族（subfamily）；分类范围越小，居于同一类别中的蛋白质或多肽同源性越高，即相似的结构成分越多，功能越接近。例如，含螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix）、锌指（zincfinger）或亮氨酸拉链（leucinezipper）等模体的（超）家族蛋白，以及PDZ结构域蛋白、POU结构域蛋白等，都是根据结构域或氨基酸模体特性分类的。这种分类既包含了蛋白质结构特性，又提示了功能特性，在当前各种数据库中极其常见。第三节蛋白质的分子结构Section3MOLECULARSTRUCTUREOFPROTEINS蛋白质的分子结构分为4个层次。蛋白质的一级结构又称为初级结构或基本结构；蛋白质的二、三、四级结构统称空间结构、空间构象或高级结构。但并非所有蛋白质都有四级结构，由一条肽链形成的蛋白质只有一、二和三级结构；由两条及以上肽链组成的蛋白质才可能有四级结构。一、氨基酸按顺序共价连接形成蛋白质的一级结构TheCovalentLinkingofAminoAcidsinaPolypeptideIsPrimaryStructure（一）一级结构系指蛋白质中氨基酸的排列顺序蛋白质/多肽是由一定种类、数量的氨基酸按特异顺序排列，通过肽键共价连接形成的多聚体（polymer）。氨基酸在多肽链中的共价连接顺序，称序列（sequence），即蛋白质的一级结构（primarystructure）。肽键（peptidebond）是维系一级结构的基本结构键；有些蛋白质尚含有二

第二章蛋白质结构与功能 19 2 （conjugated protein）两类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成。结合蛋白质则是由蛋白质与非蛋白质组分结合而成，其非蛋白质组分称为结合蛋白质的辅基（prosthetic group）。辅基种类很多，包括有机分子（如糖类、脂质、核酸或色素化合物等）、无机分子（如磷酸、硫酸、硝酸等）或金属离子等。绝大多数辅基通过共价键与多肽链连接。常见的结合蛋白质有糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、色素蛋白、磷蛋白和金属蛋白等。绝大多数蛋白质呈水溶性，即（水）可溶性蛋白，个别蛋白质水溶性差，即（水）不溶性蛋白。除按溶解性质，还有根据酸碱性、耐热性或热稳定性等区分蛋白质的。按照分子形状或空间构象不同，蛋白质分为纤维状蛋白质和球状蛋白质。纤维状蛋白质分子不对称性强，分子长轴与短轴之比较大。纤维状的肌组织结构蛋白和血纤维蛋白原可溶于水，而角蛋白、丝心蛋白等纤维蛋白不溶于水。球状蛋白质分子形状接近球形，水溶性好，空间结构比纤维状蛋白质复杂，生物体内的蛋白质多属于这一类。蛋白质按功能可分为结构蛋白质和功能蛋白质，前者参与细胞和组织的结构组成，后者执行催化、调节、运输 / 转运或收缩 / 运动等功能。也有按分布分类，如血浆蛋白质、膜蛋白、（细）胞质蛋白和（细胞）核蛋白等。需要强调，细胞核蛋白（nuclear protein）与核蛋白（nucleoprotein， NP）的概念不同：前者泛指分布在细胞核内的蛋白质，也包括分布在核内的 DNA 结合蛋白（DNA binding protein，DBP）和 RNA 结合蛋白（RNA binding protein，RBP），但它们在结合 DNA 或 RNA 之前，属性是细胞核蛋白，结合 DNA 或 RNA 后组成核蛋白（NP）；后者特指核酸（DNA、 RNA）与蛋白质的缀合物，可以分布在胞核、胞质，或游离于细胞存在（如 DNA 或 RNA 病毒）。随着对蛋白质 / 多肽结构、功能认识的深入，20 世纪 80 年代以后出现的“家族”（family）分类是当前对蛋白质 / 多肽进行分类的新趋势。蛋白质的特定结构域（domain）或氨基酸模体（motif ）常与某种生物学功能相联系，根据结构与功能的关系，分子生物学家常将具有相同或类似结构域或模体的蛋白质（同源蛋白质）归为一大类、一类或一组，分别称为超家族（super family）、家族（family）或亚家族（subfamily）；分类范围越小，居于同一类别中的蛋白质或多肽同源性越高，即相似的结构成分越多，功能越接近。例如，含螺旋＿环＿螺旋（helix-loop-helix）、锌指（zinc finger）或亮氨酸拉链（leucine zipper）等模体的（超）家族蛋白，以及 PDZ 结构域蛋白、POU 结构域蛋白等，都是根据结构域或氨基酸模体特性分类的。这种分类既包含了蛋白质结构特性，又提示了功能特性，在当前各种数据库中极其常见。第三节蛋白质的分子结构 Section 3 MOLECULAR STRUCTURE OF PROTEINS 蛋白质的分子结构分为 4 个层次。蛋白质的一级结构又称为初级结构或基本结构；蛋白质的二、三、四级结构统称空间结构、空间构象或高级结构。但并非所有蛋白质都有四级结构，由一条肽链形成的蛋白质只有一、二和三级结构；由两条及以上肽链组成的蛋白质才可能有四级结构。一、氨基酸按顺序共价连接形成蛋白质的一级结构 The Covalent Linking of Amino Acids in a Polypeptide Is Primary Structure （一）一级结构系指蛋白质中氨基酸的排列顺序蛋白质 / 多肽是由一定种类、数量的氨基酸按特异顺序排列，通过肽键共价连接形成的多聚体（polymer）。氨基酸在多肽链中的共价连接顺序，称序列（sequence），即蛋白质的一级结构（primary structure）。肽键（peptide bond）是维系一级结构的基本结构键；有些蛋白质尚含有二 PUMP