高中生物教师必备：氨基酸、蛋白质的结构理化性质与分类

本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com
蛋白质
蛋白质是细胞和生物体的重要组成成分，通常占细胞干重的一半以上。蛋白质主要由C、H、0、N四种元素组成，其中氮的含量在各种蛋白质中比较接近，平均为16％，因此用凯氏(KJelahl)法定氮测定蛋白质含量时，受检物质中含蛋白质量为氮含量的6．25倍。蛋白质是高分子化合物，其基本组成单位是氨基酸。
(一)氨基酸
1．氨基酸的结构
天然存在于蛋白质中的氨基酸共有20种，各种氨基酸(除脯氨酸)在结构上的一个共同特点是，在与羧基相连的碳原子(α-碳原子)上都有一个氨基，因而称为α-氨基酸，它们的不同之处在于侧链，即R基的不同。除甘氨酸外，所有氨基酸分子中的α-碳原子都是不对称的，有L-型和D-型之分。在天然蛋白质中存在的氨基酸都是L-α-氨基酸。
2．氨基酸的分类
根据R基团极性不同，氨基酸可分为：非极性氨基酸(9种)；极性不带电荷氨基酸(6种)；极性带负电荷氨基酸(2种)；极性带正电荷氨基酸(3种)。如表1-1-1所示。
根据成年人的营养需求，20种氨基酸又可分为必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸足指成年人体内不能合成而必须山食物提供的一类氨基酸，包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、另；氨酸、蛋氨酸、色氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸等8种。精氨酸和组氨酸，在幼儿时期体内合成量满足不了生长需要，需食物补充，称为半必需氨基酸。
3．氨基酸的主要理化性质
(1)一般的物理性质 α-氨基酸呈无色结晶，在水中溶解度各不相同，易溶于酸、碱，但不溶于有机溶剂、
(2)两性解离和等电点 α-氨基酸在中性水溶液中或固体状态下主要是以两性离子的形式存在，即在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的-NH3+正离子和能接受质子的
@一C00-负离子。因此，氨基酸是两性电解质。当两性离子氨基酸溶解于水时，其正负离子都能解离，但解离度与溶液的pH值有关。向氨基酸溶液加酸时，其两性离子的-COO-负离子接受质子，自身成为正离子，在电场中向阴极移动 加入碱时，其两性离子的一NH3+正离子解离放出质子(与一OH-合成水)，其自身成为负离子，在电场中向阳极移动。当凋节氨基酸溶液的pH值，使氨基酸分子上的一NH3+和一C00-的解离度完全相等时，即氨基酸所带净电荷为零，在电场中既不向阳极移动也不向阴极移动，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，以符号pI表示。在等电点时，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀，利用这一性质可以分离制备各种氨基酸。
(3)紫外吸收光谱 各种氨基酸在可见光区都没有光吸收，在远紫外区均有光吸收，而在近紫外光区仅色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸有吸收能力。其中色氨酸最大吸收波长为279nm，酪氨酸最大吸收波长278nm，苯丙氨酸最大吸收波长为259nm。利用紫外光法可以测定这些氨基酸的含量。
(4)重要的化学反应 氨基酸不但α-氨基、α-羧基能参加反应，而且有的侧链R基团也能参加化学反应，因此可以发生的反应很多。如：α-氨基能与茚三酮反应产生蓝紫色沉淀(脯氨酸和羟脯氨酸则产生黄色沉淀)；α-氨基可与亚硝酸反应产生氮气，在标准条件下测定氮气体积，即可计算出氨基酸的量；一些氨基酸的R基团能与特殊的试剂发生呈色反应。
(二)蛋白质的结构
已确认的蛋白质结构有不同层次，人们为了认识的方便通常将其分为一级结构、二级结构，超二级结构、结构域、三级结构及四级结构。
l，一级结构
蛋白质的一级结构又称为初级结构或化学结构，是指蛋白质分子内氨基酸的排列顺序。蛋白质分子中氨基酸主要通过肽键相互连接。肽键是由一个氨基酸分子中的α-氨基与相邻另一个氨基酸分子中的α-羧基，通过缩水而成，这样连起来的氨基酸聚合物叫做肽。多肽链上各个氨基酸由于在相互连接过程中丢失了α-氨基上的H和α-羧基上的OH，被称为氨基酸残基。在多肽链的一端氨基酸含有一个未反应的游离氨基(一NH2)，称为肽链的氨基末端氨基酸或N末端氨基酸，另一端的氨基酸含有一个尚未反应的游离羧基(一COOH)，称为肽链的羧基末端氨基酸或C末端氨基酸。一般表示多肽时，总是N末端：写在左边，C末端写在右边。肽链中除肽键外还有二硫键，它是由肽链中相应部位上两个半胱氨酸脱氢连接而成，是肽链内和肽链间的主要桥键。
2，二级结构
二级结构是指多肽链本身绕曲折叠成的有规律的结构或构象。这种结构是以肽链内或肽链间的氢键来维持的。常见的二级结构有α-螺旋、β-折叠、β-转角、自由绕曲等四种。
(1)α-螺旋 α-螺旋模型是Pauling和Corey等研究羊毛、马鬃，猪毛、鸟毛等α-角蛋白时提出的。如图l-1-1所示，其特征是：多肽链中氨基酸残基以100°的角度围绕螺旋轴心盘旋上升，每3．6个残基就旋转一圈，螺距为0．54nm，即每个残、基沿螺旋体中心轴上、升0．15nm；右手旋转；多肽链内的氢键由肽链中一个肽键的一CO的氧原子与第四个肽键的一NH的氢原子组成，每个氢键所形成的环内共有13个原子，这种螺旋称为3．613.一条多肽链能否形成α-螺旋以及形成的螺旋体的稳定程度与R基团大小、带电状况等有关。如多聚赖氨酸在pH 7．0时，R基团带正电相互排斥，破坏螺旋形成，而在pH 12时则能自发形成α-螺旋。又如肽链内相邻残基是异亮氨酸、缬氨酸、亮氨酸等时，由于R基团较大，会阻碍α-螺旋形成。多聚脯氨酸则由于肽键上不具有亚氨基氢，无法形成氢键，因此多肽链中只要有脯氨酸残基，α-螺旋即被中断，使多肽主链产生一个“结节”。
(2)β-折叠 分两种类型，一是平行式，即所有肽链N端都在同一端，另一类是反平行式，即肽链的N端一顺一反地排列。 β-折叠结构的肽链几乎是完全伸展的，邻近两链以相反或相同方向平行排列成片层状。两个氨基酸残基之间的轴心距离为0．35nm，β-折叠结构的氢键是由两条肽链中一条的一C0基与另一条的一NH基形成。丝蛋白的二级结构主要是β-折叠。如图1-1-2所示。
(3)β-转角 蛋白质分子的多肽链上经常出现180°的回折，在这种肽链的回折角上就是β-转角结构，由第一个氨基酸残基的一CO与第四个氨基酸残基的一NH形成氢键。
(4)自由绕曲 是指没有一定规律的松散结构，酶的功能部位常常处于这种构象区域中。
3．超二级结构与结构域
近年在研究蛋白质构象、功能与进化时，引进了超二级结构和结构域(图1-1-3)的结构层次。它们是二级结构与三级结构的过渡型构象。超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。通常有βαβ、βββ、αα、ββ等。如肌球蛋白、原肌球蛋白和纤维蛋白原中有一种αα超二级结构，是由两股或三股右手α-螺旋彼此缠绕而成的左手螺旋构象。结构域是指多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠成紧密的球状结构，在空伺上彼此分隔的各自具有部分生物功能的亚结构。一般情况下，酶的活性部位位于两个结构域之间的裂缝中。
4.三级结构
纤维状蛋白质一般只有二级结构，而球状，蛋白质在二级结构的基础上，经过超二级结构和结构域，进一步组装成三级结构(图1-1-4)。维持三级结构的作用力主要是一些次级键，包括氢键、盐键、疏水键和范德华力等。其中疏水键在维持蛋白质的三级结构上有突出作用。
5.四级结构
四级结构(图1-l-5)是指蛋白质分子内具有三级结构的亚单位通过氢键、盐键、疏水键 和范德华力等弱作用力聚合而成的特定构象。所谓亚单位，又称亚基，是指那些在化学上相 互独立但自身又具有特定构象的共同构成同一蛋白质的肽链。如血红蛋白有四个不同的亚 基，这4个亚基以一定形式结合在一起，形成特定的构象，即是四级结构。
(三)蛋白质的理化性质
1．胶体性质 蛋白质相对分子质量很大，在水溶液中所形成的颗粒具有胶体溶液的特 征，如布朗运动、丁达尔现象、不能通过半透膜等。溶液中，蛋白质胶体颗粒带有相同电荷， 彼此排斥；而且颗粒表面极性分子能与水分子形成一层水膜，将蛋白质颗粒相互隔开，因此蛋白质颗粒比较稳定，不易沉淀。
2，两性电解质 蛋白质分子除了肽链两端有自由的α-氨基和α-羧基外，许多氨基酸残基的侧链上存有不少可解离的基团，所以蛋白质是两性电解质。在酸性溶液中蛋白质带正电，在碱性淀液中蛋白质带负电。当溶液达到某一pH值时，蛋白质所带正负电荷相等，这时溶液的pH值叫做蛋白质的等电点(pI)。一般含酸性氨基酸较多的蛋白质，等电点偏酸；含碱性氨基酸较多的蛋白质，等电点偏碱。可以根据不同的蛋白质的等电点，用电泳法分离蛋白质。
3．沉淀反应 如果在蛋白质溶液小加入适当试剂，破坏了蛋白质的水膜或中和蛋白质的电荷，则蛋白质胶体溶液就不稳定而出现沉淀现象.可引起沉淀反应的试剂有高浓度盐类(如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等，称为盐析)，有机溶剂(如酒精、丙酮)，重金属盐(如硝酸银、醋酸铅、三氯化铁等)，某些生物碱试剂(如苦味酸、单宁酸等).
4．变性 蛋白质因受物理或化学因素的影响，其分子的空间结构改变，导致其理化性质、生物活性都发生改变，这种现象称为蛋白质的变性。能使蛋白质变性的化学因素有强酸、强碱、重金属离子、尿素、酒精、丙酮等；能使蛋白质变性的物理因素有加热震荡或搅拌、超声波、紫外线及X射线照射等。蛋白质生物活性的丧失是蛋白质变性的主要特征，变性后的蛋白质最明显的理化性质改变是溶解度降低。变性过程中不发生肽键断裂和二硫键的破坏，因而不发生一级结构的破坏；而主要发生氢键、疏水键的破坏，使肽链的有序的卷曲、折叠状态变为松散无序。
5．紫外吸收 蛋白质在280nm的紫外光下，有最大吸收峰。这主要是由于肽链中酪氨酸和色氨酸的R基团引起的。因此可以用紫外线分光光度法测定蛋白质在280nm的光吸收值来测定蛋白质的含量。
6．变构作用 含2个以上亚基的蛋白质分子，如果其中一个亚基与小分子物质结合，那么不但该亚基的构象发生改变，而且其他亚基的构象受影响也发生变化，结果整个蛋白质分子的构象乃至活性均会改变，这一现象称为变构作用(或别构作用)。例如，血红蛋白有4个亚基，当02与其中一个亚基结合后，即引起该亚基的构象的改变，进而又会引起另外三个亚基构象发生变化，结果整个分子构象改变，使所有亚基更易于与氧结合，大大加快血红蛋白与氧结合的速度。
7．呈色反应 蛋白质分子中因含有某些特殊的结构或某些特殊氨基酸残基，能与多种化合物发生颜色反应。重要的颜色反应如表l-1-2所示。
(四)蛋白质的分类
1．蛋白质的化学分类 根据蛋白质的分子组成可将蛋白质分为简单蛋白质和结合蛋白质两大类。简单蛋白质完全水解的产物为α-氨基酸，即只由α-氨基酸组成。因此，简单蛋白，质又称单纯蛋白质，如球蛋白、白蛋白、组蛋白等。结合蛋白质由简单蛋白质和非蛋白质物质两部分组成。非蛋白质部分通常称为辅基。辅基可以是核酸、糖类、脂类、色素、磷酸，由此组成的结合蛋白质分别称为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白、磷蛋白。
2．蛋白质的功能分类 根据蛋白质的功能大体分为结构蛋白和酶两大类，结构蛋白参与细胞结构的组成。酶是活细胞产生的具极高催化效率的一类蛋白质，生物体内的绝大多数化学反应都需要在酶的催化作用下才能进行。
www.
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网