第一篇生物大分子的结构与功能表1-1组成蛋白质的20种氨基酸结构式等电点氨基酸名称简写符号(pl)侧链R基团共同部分酸性氨基酸-CHCOOHHOOC-CH2—CH21.谷氨酸谷，Glu，E3.22NH2CH—COOHHOOC—CH2—2.772.天冬氨酸天，Asp，DNH2碱性氨基酸H,N—CH,—CH2—CH,—CH,—-CH-COOH3.赖氨酸赖，Lys,K9.74NH2CH-COOHH2N—C—NH—CH2—CH2—CH2—4.精氨酸10.76精，Arg.RNHNH2CH=C—CH2—-CH-COOH5.组氨酸组，His,H7.59NNHNH2YH不带电荷的极性氨基酸-CHCOOHHI一5.976.甘氨酸甘，Gly，GNH2HO—CH2—-CH—COOH7.丝氨酸丝，Ser,S5.68NH2-CH-COOHCH:-CH-8.苏氨酸苏，Thr，T5.60OHNH2-CH-COOH-CH2—HO-5.669.酪氨酸酪，TyrTNH2-CH-COOHHS—CH2—10.半胱氨酸半，Cys,C5.07NH2天，Asn，NH2N—C—CH2—-CH-COOH11.天冬酰胺5.410NH2NH2谷，Gln，Q-CH-COOHH,N-C—CH,CH2—5.6512.谷氨酰胺ONH2NH24
4 第一篇 生物大分子的结构与功能 表 1-1 组成蛋白质的 20 种氨基酸 氨基酸名称 简写符号 结 构 式 等电点 （pI） 侧链 R 基团 共同部分 酸性氨基酸 1．谷氨酸 谷，Glu，E HOOC—CH2—CH2— —CH—COOH NH2 — 3.22 2．天冬氨酸 天，Asp，D HOOC—CH2— —CH—COOH NH2 — 2.77 碱性氨基酸 3．赖氨酸 赖，Lys，K H2N—CH2—CH2—CH2—CH2— —CH—COOH NH2 — 9.74 4．精氨酸 精，Arg，R H2N—C—NH—CH2—CH2—CH2— NH —CH—COOH NH2 — 10.76 5．组氨酸 组，His，H CH = C—CH2— NH C H N —CH—COOH NH2 — 7.59 不带电荷的极性氨 基酸 6．甘氨酸 甘，Gly，G H— —CH—COOH NH2 — 5.97 7．丝氨酸 丝，Ser，S HO—CH2— —CH—COOH NH2 — 5.68 8．苏氨酸 苏，Thr，T CH3—CH— OH — —CH—COOH NH2 — 5.60 9．酪氨酸 酪，Tyr，T HO— —CH2— —CH—COOH NH2 — 5.66 10．半胱氨酸 半，Cys，C HS—CH2— —CH—COOH NH2 — 5.07 11．天冬酰胺 ܸḼAsnḼN NH2 H2N—C—CH2— O —CH—COOH NH2 — 5.41 12．谷氨酰胺 ḼGlnḼQ NH2 H2N—C—CH2—CH2— O —CH—COOH NH2 — 5.65
第一章蛋白质的结构与功能续表结构式等电点简写符号氨基酸名称(pl)共同部分侧链R基团非极性疏水性氨基酸CH-CH-COOH13.丙氨酸丙，Ala，A6.00NH2CH:—CH--CH—COOH14.缬氨酸缬，Val，V5.96CH3NH2CH:—CH—CH2CH—COOH15.亮氨酸5.98亮，Leu，LCHsNH2-CH—COOHCH:—-CH2—CH16.异亮氨酸异，Ile，I6.02CH3NH2-CH—COOH-CH2-17.苯丙氨酸苯，Phe，F5.48NH2CH,--CH—COOH18.色氨酸色，Trp，W5.89NH2H-CH—COOHCH—S—CH2—CH2—19.甲硫氨酸蛋，Met,，M5.74NH2H2CCHz20.脯氨酸脯，Pro，P6.30HC CH-COOH为亚氨基ZH（三）氨基酸的重要理化性质1：两性解离性质及等电点所有氨基酸都既含有碱性氨基（或亚氨基）又含有酸性羧基，故既有碱的性质，可以接受H，又有酸的性质，可以给出H，因而具有两性解离性质(图1-2)。R—CH—COOHNH,OH RCH-COO*OHR-CH-COOH-R-CH-COOHH*111NH,NH,NH,(pH<pl)(pH=pl)(pH>pl )图1-2氨基酸的解离过程5
5 第一章 蛋白质的结构与功能 氨基酸名称 简写符号 结 构 式 等电点 （pI） 侧链 R 基团 共同部分 非极性疏水性氨基酸 13．丙氨酸 丙，Ala，A CH3— —CH—COOH NH2 — 6.00 14．缬氨酸 缬，Val，V CH3—CH— CH3 — —CH—COOH NH2 — 5.96 15．亮氨酸 亮，Leu，L CH3—CH—CH2— CH3 — —CH—COOH NH2 — 5.98 16．异亮氨酸 异，Ile，I CH3—CH2—CH— CH3 — —CH—COOH NH2 — 6.02 17．苯丙氨酸 苯，Phe，F —CH2— —CH—COOH NH2 — 5.48 18．色氨酸 色，Trp，W CH2— N H —CH—COOH NH2 — 5.89 19．甲硫氨酸 蛋，Met，M CH3—S—CH2—CH2— —CH—COOH NH2 — 5.74 20．脯氨酸 脯，Pro，P H2C—CH2 H2C CH—COOH˝̍ත۲ N H 6.30 （三）氨基酸的重要理化性质 1．两性解离性质及等电点 所有氨基酸都既含有碱性氨基（或亚氨基），又含有酸性羧 基，故既有碱的性质，可以接受 H+ ，又有酸的性质，可以给出 H+ ，因而具有两性解离性质 （图 1-2）。 续表 NH3 NH2 ḸpH<pIḹ ḸpH=pIḹ ḸpH>pIḹ NH2 R CH COO OH H H R CH COOH R CH COOH R CH COO OH NH3 图 1-2 氨基酸的解离过程
第一篇生物大分子的结构与功能由上式可见，氨基酸在不同H的溶液中，可以带不同的电荷。在酸性溶液中，氨基酸能与溶液中的H+结合而带正电荷；在碱性溶液中，氨基酸能与溶液中的OH结合而带负电荷。当溶液的pH被调到某一特定值时，氨基酸的酸性基团所产生的负电荷与碱性基团所产生的正电荷正好相等，这时的氨基酸被称作兼性离子，分子呈电中性。使某氨基酸所带的正、负电荷数相等时的溶液pH称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint，pl）。各种氨基酸所含的氨基、羧基的数目不同，而且各种基团解离的程度也不同，因此不同的氨基酸有各自特定的等电点（表1-1）。2.氨基酸的紫外吸收性质芳香族氨基酸色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸含有共轭双键在280nm紫外波长处具有特征性吸收峰。由于大多数蛋白质含有色氨酸、酪氨酸残基，因此该性质可用于蛋白质含量测定。3.三酮反应氨基酸与三酮试剂共同加热生成蓝紫色的化合物，最大吸收峰在波长570nm处。根据其颜色的深浅，可对氨基酸进行定性或定量分析。此外，氨基酸还有许多重要性质，如与亚硝酸、甲醛、2，4-二硝基氟苯或丹磺酥氯等反应。这些反应对氨基酸的含量测定或蛋白质多肽链的末端分析都有很大价值。第二节蛋白质的分子结构20种氨基酸以不同数量和不同顺序排列成复杂而多样的蛋白质分子，并具有一定的三维空间结构，由此而发挥其特有的生物学功能。蛋白质的结构可分为一级、二级、三级及四级结构。其中，一级结构为蛋白质的基本结构，二、三、四级结构为其空间结构。一、多肽链是蛋白质分子的结构基础蛋白质是由氨基酸聚合成的高分子化合物。在蛋白质分子中，氨基酸之间通过肽键(peptidebond）相连。肽键是由一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的化学键，又称酰胺键（-CO一NH-）（图1-3）。HRiHTHR.H,OC+OH+H-N--COOHH,N-:C-N+-COOHH,N-C-HOHORHR2肽腱图1-3肽键的生成氨基酸之间通过肽键相互连接而成的化合物称为肽。肽链中的氨基酸因脱水缩合面有残缺，故称为氨基酸残基。由两个氨基酸残基组成的肽称二肽，由三个氨基酸残基组成的肽称三肽，以此类推。一般十肽以下的统称为寡肽，十肽以上者称为多肽或多肽链（polypeptidechain）。由肽键连接各氨基酸残基形成的长链骨架称多肽主链，而连接于C。上的各氨基酸残基的R基团则称为多肽侧链。一条多肽链通常有两个游离末端：一端是未参与肽键形成的α-氨基端，简称N端；另一端是未参与肽键形成的α-羧基端，简称C端。在书写某肽链时，通常N-端写在左边，C-端写在右边。每条多肽链中氨基酸残基的顺序编号都从N端开始，肽的命名也是从N端指向C端。例如，从N端到C端依次由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸缩合而成的三肽称为谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称谷胱甘肽（glutathione，GSH）。生物体内能合成许多具有各种重要6
6 第一篇 生物大分子的结构与功能 由上式可见，氨基酸在不同 pH 的溶液中，可以带不同的电荷。在酸性溶液中，氨基酸 能与溶液中的 H+ 结合而带正电荷；在碱性溶液中，氨基酸能与溶液中的 OH- 结合而带负电 荷。当溶液的 pH 被调到某一特定值时，氨基酸的酸性基团所产生的负电荷与碱性基团所产 生的正电荷正好相等，这时的氨基酸被称作兼性离子，分子呈电中性。使某氨基酸所带的 正、负电荷数相等时的溶液 pH 称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。各种氨基酸所 含的氨基、羧基的数目不同，而且各种基团解离的程度也不同，因此不同的氨基酸有各自特 定的等电点（表 1-1）。 2．氨基酸的紫外吸收性质 芳香族氨基酸色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸含有共轭双键， 在 280nm 紫外波长处具有特征性吸收峰。由于大多数蛋白质含有色氨酸、酪氨酸残基，因此 该性质可用于蛋白质含量测定。 3．茚三酮反应 氨基酸与茚三酮试剂共同加热生成蓝紫色的化合物，最大吸收峰在波 长 570nm 处。根据其颜色的深浅，可对氨基酸进行定性或定量分析。 此外，氨基酸还有许多重要性质，如与亚硝酸、甲醛、2，4- 二硝基氟苯或丹磺酞氯等反 应。这些反应对氨基酸的含量测定或蛋白质多肽链的末端分析都有很大价值。 第二节 蛋白质的分子结构 20 种氨基酸以不同数量和不同顺序排列成复杂而多样的蛋白质分子，并具有一定的三维 空间结构，由此而发挥其特有的生物学功能。蛋白质的结构可分为一级、二级、三级及四级 结构。其中，一级结构为蛋白质的基本结构，二、三、四级结构为其空间结构。 一、多肽链是蛋白质分子的结构基础 蛋白质是由氨基酸聚合成的高分子化合物。在蛋白质分子中，氨基酸之间通过肽键 （peptide bond）相连。肽键是由一个氨基酸的 α- 羧基和另一个氨基酸的 α- 氨基脱水缩合形 成的化学键，又称酰胺键（-CO—NH-）（图 l-3）。 氨基酸之间通过肽键相互连接而成的化合物称为肽。肽链中的氨基酸因脱水缩合而有残 缺，故称为氨基酸残基。由两个氨基酸残基组成的肽称二肽，由三个氨基酸残基组成的肽称 三肽，以此类推。一般十肽以下的统称为寡肽，十肽以上者称为多肽或多肽链（polypeptide chain）。由肽键连接各氨基酸残基形成的长链骨架称多肽主链，而连接于 Cα 上的各氨基酸残 基的 R 基团则称为多肽侧链。 一条多肽链通常有两个游离末端：一端是未参与肽键形成的 α- 氨基端，简称 N 端；另 一端是未参与肽键形成的 α- 羧基端，简称 C 端。在书写某肽链时，通常 N- 端写在左边，C- 端写在右边。每条多肽链中氨基酸残基的顺序编号都从 N 端开始，肽的命名也是从 N 端指 向 C 端。例如，从 N 端到 C 端依次由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸缩合而成的三肽称为谷氨 酰半胱氨酰甘氨酸，简称谷胱甘肽（glutathione，GSH）。生物体内能合成许多具有各种重要 H2N R1 H2O O C H C OH H N H H C R2 COOH H2N R1 C H C O N H H C R2 COOH ᐶᒉ 图 1-3 肽键的生成
第一章蛋白质的结构与功能生物学活性的小分子肽，称为生物活性肽，如：抗氧化的谷胱甘肽、下丘脑分泌的促甲状腺素释放激素、腺垂体分泌的促肾上腺皮质激素等。近些年通过DNA重组技术，可在体外生成更多的药物重组多肽、重组肽类疫苗等。肽键（-CO-NH-）是连接于氨基酸之间的共价键。用X线衍射法证实，肽键是一个刚性平面。肽键中的C-N键长为0.132nm，短于相邻的N-C。单键（0.149nm），长于普通C=N双键（0.127nm），故肽键的C-N键在一定程度上具有双键性质，不能自由旋转。因此，肽键中的C、O、NH四个原子与它们相邻的2个C.原子都处于同一平面上，该平面称肽键平面（也称肽单元）（图1-4）。O肽键平面1Cis图1-4肽键平面在多肽链中，由于与C.相连的N和C所形成的化学键（C.-N和Ca-C）都是典型的单键，可以自由旋转，所以两个相邻的肽键平面可以围绕C。旋转，形成两个相邻肽键平面的相对空间位置。这是多肽链形成特殊规律的α-螺旋结构或β-片层结构的基础。二、多肽链中氨基酸残基的顺序排列是蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（primarystructure）是指氨基酸在蛋白质多肽链中从N端至C端的排列顺序，其基本化学键是肽键。有些蛋白质的一级结构中尚含有二硫键，由两个半胱氨酸的基（-SH）脱氢氧化生成。蛋白质分子的一级结构首先研究清楚的是胰岛素，它由两条多肽链构成，一条称为A链，由21个氨基酸残基组成；另一条称为B链，由30个氨基酸残基组成，两条多肽链通过A7和B7、A20和B19之间的两个二硫键相连。此外，A链内部的A6和A11之间也形成一个二硫键（图1-5）。蛋白质一级结构是其特异空间结构和生物学活性的基础。尽管各种蛋白质的基本结构都是多肽链，但所含氨基酸的数目、各种氨基酸的比例以及氨基酸的排列顺序不尽相同，由此形成了结构多样、功能各异的蛋白质。因此，研究蛋白质的一级结构，是在分子水平阐述蛋白质结构与其功能关系的基础。三、多肽链局部的空间构象是蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（secondarystructure）是指多肽主链原子在局部空间的规律性排列
7 第一章 蛋白质的结构与功能 生物学活性的小分子肽，称为生物活性肽，如：抗氧化的谷胱甘肽、下丘脑分泌的促甲状腺 素释放激素、腺垂体分泌的促肾上腺皮质激素等。近些年通过 DNA 重组技术，可在体外生 成更多的药物重组多肽、重组肽类疫苗等。 肽键（-CO-NH-）是连接于氨基酸之间的共价键。用 X 线衍射法证实，肽键是一个刚性 平面。肽键中的 C-N 键长为 0.132nm，短于相邻的 N-Cα 单键（0.149nm），长于普通 C =N 双 键（0.127nm），故肽键的 C-N 键在一定程度上具有双键性质，不能自由旋转。因此，肽键中 的 C、O、N、H 四个原子与它们相邻的 2 个 Cα 原子都处于同一平面上，该平面称肽键平面（也 称肽单元）（图 l-4）。 在多肽链中，由于与 Cα 相连的 N 和 C 所形成的化学键（Cα-N 和 Cα-C）都是典型的单 键，可以自由旋转，所以两个相邻的肽键平面可以围绕 Cα 旋转，形成两个相邻肽键平面的 相对空间位置。这是多肽链形成特殊规律的 α- 螺旋结构或 β- 片层结构的基础。 二、多肽链中氨基酸残基的顺序排列是蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构（primary structure）是指氨基酸在蛋白质多肽链中从 N 端至 C 端的排 列顺序，其基本化学键是肽键。有些蛋白质的一级结构中尚含有二硫键，由两个半胱氨酸的 巯基（-SH）脱氢氧化生成。 蛋白质分子的一级结构首先研究清楚的是胰岛素，它由两条多肽链构成，一条称为 A 链，由 21 个氨基酸残基组成；另一条称为 B 链，由 30 个氨基酸残基组成，两条多肽链通过 A7 和 B7、A20 和 B19 之间的两个二硫键相连。此外，A 链内部的 A6 和 A11 之间也形成一 个二硫键（图 l-5）。 蛋白质一级结构是其特异空间结构和生物学活性的基础。尽管各种蛋白质的基本结构都 是多肽链，但所含氨基酸的数目、各种氨基酸的比例以及氨基酸的排列顺序不尽相同，由此 形成了结构多样、功能各异的蛋白质。因此，研究蛋白质的一级结构，是在分子水平阐述蛋 白质结构与其功能关系的基础。 三、多肽链局部的空间构象是蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构（secondary structure）是指多肽主链原子在局部空间的规律性排列， 图 1-4 肽键平面 ᐶ᪃ࣰ᭦1 ᐶ᪃ࣰ᭦2 Cα Cα Cα C N O R C N O H H H Φ φ
第一篇生物大分子的结构与功能S-SA链H,N-甘-异亮--谷-谷酰-半胱-半胱-苏-丝-异亮-半胱-丝-亮-酪-谷酰-亮-谷-天冬酰-酪半胱-天冬酰-COOH111213141516171819/2021123456718910SCS-B链H,N-苯丙-缬-天冬酰-谷酰-组-亮-半胱-甘-丝-组-亮-缅-谷-丙-亮-酪-亮-缬-半胱-甘-谷-精-甘-苯丙-苯丙12345689101112131415161718192021222324257酪-苏-脯-赖-丙-COOH2627282930图1-5牛胰岛素的一级结构不包括氨基酸残基侧链的构象。（一）形成蛋白质二级结构的基础蛋白质主链以肽键平面为基本单位，经过折叠、盘曲可形成有规律的空间排布形式，故肽键平面是形成蛋白质二级结构的基础，氢键是维持蛋白质二级结构的主要化学键。（二）蛋白质二级结构的主要形式α-螺旋（α-helix）和β-片层（β-sheet）是蛋白质二级结构的主要形式。此外，β-转角和无规卷曲也属于蛋白质二级结构的类型。1：α-螺旋结构特点：①多肽链以α-碳原子为转折点，以肽键平面为单位，盘曲成一个右手螺旋。②每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每个氨基酸残基向上平移0.15nm，故螺距为0.54nm。③肽键平面与螺旋长轴平行，两圈螺旋之间借肽键中的O与H原子形成许多氢键，使螺旋稳定。④肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成。碱性或酸性氨基酸集中的区域，由于同性电荷相斥，不利于α-螺旋的形成；含较大R基团的氨基酸（如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸）集中的区域也妨碍α-螺旋的形成，脯氨酸和羟脯氨酸存在时不能形成α-螺旋（图1-6）。3.6个氨基酸残基图1-6α-螺旋结构8
8 第一篇 生物大分子的结构与功能 不包括氨基酸残基侧链的构象。 （一）形成蛋白质二级结构的基础 蛋白质主链以肽键平面为基本单位，经过折叠、盘曲可形成有规律的空间排布形式，故 肽键平面是形成蛋白质二级结构的基础，氢键是维持蛋白质二级结构的主要化学键。 （二）蛋白质二级结构的主要形式 α- 螺旋（α-helix）和 β- 片层（β-sheet）是蛋白质二级结构的主要形式。此外，β- 转角 和无规卷曲也属于蛋白质二级结构的类型。 1．α- 螺旋 结构特点：①多肽链以 α- 碳原子为转折点，以肽键平面为单位，盘曲成一 个右手螺旋。② 每隔 3.6 个氨基酸残基螺旋上升一圈，每个氨基酸残基向上平移 0.15nm，故 螺距为 0.54nm。③肽键平面与螺旋长轴平行，两圈螺旋之间借肽键中的 O 与 H 原子形成许 多氢键，使螺旋稳定。④肽链中氨基酸侧链 R 分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响 α- 螺旋的形成。碱性或酸性氨基酸集中的区域，由于同性电荷相斥，不利于 α- 螺旋的形成； 含较大 R 基团的氨基酸（如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸）集中的区域也妨碍 α- 螺旋的形 成；脯氨酸和羟脯氨酸存在时不能形成 α- 螺旋（图 1-6）。 Aᩖ H2N H2N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 COOH S S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 COOH S S S S Bᩖ ၲ ऩ̜ ᎘ ᦳ Ӧᑖ Ӧᑖ ᔙ ˌ ऩ̜ Ӧᑖ ˌ ̜ ᦳ ̜ ܸпᦳ Ӧᑖ ܸпᦳ ᔬˈ ᎘ ܸпᦳ ᦳ ጷ ̜ Ӧᑖ ၲ ˌ ጷ ̜ ᎘ ˈ ̜ ̜ ᎘ Ӧᑖ ၲ ዴ ၲ ᔬˈ ᔬˈ ᔙ ᑰ ᠺ ˈ 图 l-5 牛胰岛素的一级结构 H R N H C C N C R R H O H R O H C H R H C N C C N C R H O H O H R H R H H C N C O C C C 3.6˓ත۲ᦺ൴۲ 图 1-6 α- 螺旋结构