生物化学 第一章 蛋白质

第一章蛋白质第一节概述第二节蛋白质的基本结构单位——氨基酸第三节肽第四节蛋白质的结构第五节蛋白质结构与功能的关系第六节蛋白质的理化性质第一节概述一、蛋白质在生命活动中的重要作用二、蛋白质的化学组成三、蛋白质的分类

蛋白质是生物体中最重要的生物大分子之一，分布于细胞的各个部位，具有广泛的生物学功能。它是由L-α-氨基酸通过肽键缩合而成的，具有稳定的构象和一定生物功能。蛋白质是生命活动所依赖的物质基础，是生物体中含量最丰富的大分子。单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质，而人体有10万种以上结构和功能各异的蛋白质，人体干重的45%是蛋白质。蛋白质参与生命的几乎每一个过程，如物质的代谢、能量的加工和信息的传递等，是生命的表现形式。对蛋白质等生物大分子结构的研究已经形成了一门独立的学科，即结构生物学，是当前生命科学的前沿学科。细胞中的蛋白质相互作用，并呈现动态变化，形成错综复杂的蛋白质联系网络，是蛋白质生命活动的基础和特征。研究蛋白质结构及其与功能的关系，不仅有助于我们从分子水平上认识生命的本质，而且对于疾病的诊断和治疗、新药的研发等具有实际指导意义。近年来，科学家正试图对细胞在某一生理时期全部的蛋白质进行分析、鉴定，并进行结构和功能的研究，这是继人类基因组后发展起来的一个新的研究领域——蛋白质组学。一、蛋白质在生命活动中的重要作用蛋白质（protein)一词是在19世纪30年代由荷兰化学家Mulder首先命名的。该词源于希腊语，意思是“第一的”。现在看来这一命名极有先见性，因为蛋白质的确是生物体最重要的组成成分，具有广泛而又重要的功能。（1）催化功能生物体内几乎所有的化学反应都需要生物催化剂——酶来催化，而绝大多数酶的化学本质是蛋白质。如消化道中的蛋白酶可以帮助动物水解利用食物中的蛋白质。（2）结构功能机体中不溶性的结构蛋白能赋予机体一定的形态提供机械保护，如皮肤、软骨和肌腱中的胶原蛋白；羊毛、头发、羽毛、甲、蹄中的角蛋白；昆虫外壳中的硬蛋白；韧带中的弹性蛋白。（3）运输功能蛋白质能够结合其他分子以实现对这些物质的运输。脊椎动物红细胞中的血红蛋白和无脊椎动物体内的血蓝蛋白，在呼吸过程中起着运输氧气的作用。血液中的载脂蛋白可运输脂肪，转铁蛋白可转运铁。一些脂溶性激素的运输也需要蛋白质。（4）贮存功能某些蛋白质的作用是贮存氨基酸作为生物体的养料和胚胎或幼儿生长发育的原料。如卵白中的卵清蛋白、乳中的酪蛋白。（5）运动功能肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白是运动系统的必要成分，它们构象的改会引起肌肉的收缩，从而带动机体运动。（5）防御功能

有些蛋白质能够抵抗外界因素对机体的影响，具有防御功能。高等动物的免疫反应是机体的一种防御机能，它主要也是通过蛋白质（抗体）来实现的，免疫球蛋白能与细菌和病毒结合。鸡蛋清、人乳、眼泪中的溶菌酶能破坏某种细菌。（6）调节功能有些蛋白质作为作为激素调节某些特定细胞或组织的生长、发育和代谢，一些激素受体和许多其他调节因子都是蛋白质。如生长激素可促进肌肉生长；胰岛素能调节人和高等动物细胞内的葡萄糖代谢。（7）膜的组成成分蛋白质是生物膜的主要成分之一。细胞膜上的受体、载体、离子通道等蛋白质，直接参与细胞识别、物质过膜转运、信息传递等重要生理过程。（8）参与遗传活动遗传信息的传递、基因表达的调控都需要多种蛋白质参与。有些蛋白质与特定基因的表达有关。（8）其他功能某些生物能合成有毒的蛋白质，用以攻击或自卫。例如白喉毒素可抑制生物蛋白质合成。机体缺乏某种蛋白质会引起疾病，如人和动物胰岛素分泌不足会导致糖尿病。蛋白质结构的异常变化也会导致疾病的发生，如血红蛋白突变可引起镰刀形贫血病。总之，蛋白质在生命活动过程中发挥了极其重要的作用，是生命活动所依赖的物质基础。没有蛋白质就没有生命。二、蛋白质的化学组成元素分析表明，所有蛋白质都含碳、氢、氧、氮4种主要元素；大多数蛋白质还含少量硫元素；某些蛋白质还含有微量的磷、铁、铜、钼、碘、锌等元素。蛋白质是生物体中主要的含氮化合物。各种蛋白质的氮含量比较恒定，平均值约为16%。可通过测定氮的含量，计算生物样品中蛋白质的含量（换算系数为6.25），称凯氏法定氮，是蛋白质定量的经典方法之一。蛋白质含量=蛋白氮*6.25蛋白质的形状一般分为球形和纤维状。球状蛋白质，分子对称性佳，外形结晶球状或者椭球状，溶解度较好，能结晶，大多数蛋白质属于这一类。纤维状蛋白质，对称性差，分子类似细棒或纤维状，它又可分为可溶性纤维状蛋白质，如肌球蛋白、血纤维蛋白原；和不溶性纤维状蛋白质，包括胶原、弹性蛋白、角蛋白以及丝心蛋白等。蛋白质的相对分子质量变化范围很大，从6000到100万或更大。一般相对分子质量小于6000的称为肽。不过这个界限不是绝对的，如牛胰岛素相对分子质量为5700，一般仍为是蛋白质。蛋白质煮沸凝固，而肽不凝固。较大的蛋白质如烟草花叶病毒，相对分子质量达4000万。三、蛋白质的分类

自然界中蛋白质的种类估计可以达1010~1012数量级。人类基因组研究显示，人体中的蛋白质约有3万多种。蛋白质可以根据形状、组成和功能等进行分类。根据物理特性和功能的不同，可以将大多数蛋白质分为球蛋白和纤维蛋白两大类。根据化学组成的不同，可以将蛋白质分为简单蛋白质和结合蛋白质。1、简单蛋白质简单蛋白质（又称单纯蛋白质）经过水解后，只产生各种氨基酸，即完全由氨基酸组成，不含非蛋白成分。根据溶解性的不同，可将简单蛋白质分为7类：清蛋白、球蛋白、组蛋白、精蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和硬蛋白。硬蛋白：不溶于水、盐、稀酸或稀碱，消化酶对其不易水解。存在于各种软骨、腱、毛发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。这类蛋白质在动物体内作为结缔组织的重要组分而存在，是执行保护机体的功能蛋白。2、结合蛋白质结合蛋白质是由蛋白质和非蛋白质两部分组成，水解时除了产生氨基酸之外，还产生非蛋白组分。非蛋白部分通常称为辅基。根据辅基种类的不同，可以将结合蛋白质分为以下7类：核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白（蛋白质与卵磷脂相结合）、黄素蛋白（与黄素腺嘌呤二核苷酸）、色蛋白（蛋白质和色素物质结合））以及金属蛋白。按溶解度分类：1、可溶性蛋白质：指可溶于水、稀中性盐和稀酸溶液中的蛋白质，如清蛋白、组蛋白、球蛋白和精蛋白。2、醇溶性蛋白质：一类不溶于水而溶于70%~80%乙醇的蛋白质，如醇溶谷蛋白。3、不溶性蛋白质：此类蛋白质既不溶于水、稀盐溶液，也不溶于一般有机溶剂。如角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和谷蛋白等。第二节蛋白质的基本结构单位——氨基酸一、氨基酸的基本结构二、氨基酸的分类三、氨基酸的理化性质四、蛋白质的水解一、氨基酸的基本结构蛋白质是生物大分子，通过酸、碱或者蛋白酶的彻底水解，可以产生约20种氨基酸的混合物。因此，氨基酸是蛋白质的基本结构单位，又称构件分子。所有生物体都以同样20种氨基酸作为蛋白质的结构单位，这些氨基酸被称为标准氨基酸、基本氨基酸。由于这些氨基酸都是由基因编码的，故又称编码氨基酸。另外，在原核和真核生物的少数蛋白质中还发现了第21种氨基酸——硒代半胱氨酸，即半胱氨酸的硫被硒取代，也是一种编码氨基酸。2002年有人报道，在微生物中发现了第22中编码氨基酸，称吡咯赖氨酸。氨基酸虽然结构各不相同，但结构中的氨基或亚氨基都与邻接羧基的α-碳原子相连接，故它们都属于α-氨基酸。除最简单的甘氨酸，其他氨基酸的α碳原子都是不对称的碳原子（又称手性碳原子），故它们有L型和D型两种构型。然而，天然蛋白质的氨基酸，除了甘氨酸和脯氨酸外，其化学结构式均属L-α-氨基酸，氨基酸的结构通式如下：二、氨基酸的分类1、基本氨基酸20种标准氨基酸的R侧链在大小、形状、电荷、氢键形成能力和化学反应等方面存在差异。不同类型的氨基酸表现出不同的理化特性，如有些是酸性的，有些是碱性的；有些侧链小，有些侧链大；有些带芳香环，有些则为极性的。按照氨基酸的侧链的极性和电荷不同分类：非极性氨基酸、芳不带电荷的极性氨基酸和带负电荷的极性氨基酸、带正电的极性氨基酸。根据氨基酸的侧链结构分类：脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。脂肪族氨基酸（15种）：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸。芳香族氨基酸（3种）：苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。杂环氨基酸（2种）：组氨酸和脯氨酸。根据营养学角度分类：必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸：指人体（或其它脊椎动物）不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必需由食物蛋白供给的氨基酸。共有8种。其作用分别是：赖氨酸：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺、黄体及卵巢，防止细胞退化；色氨酸：促进胃液及胰液的产生；苯丙氨酸：参与消除肾及膀胱功能的损耗；蛋氨酸（甲硫氨酸）：参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能；苏氨酸：有转变某些氨基酸达到平衡的功能；异亮氨酸：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢，作用于甲状腺、性腺；亮氨酸：平衡异亮氨酸；缬氨酸：作用于黄体、乳腺及卵巢。

半必需氨基酸：人体虽能够合成精氨酸和组氨酸，但通常不能满足正常的需要，因此被称为半必需氨基酸或条件必需氨基酸。在幼儿生长期这两种是必需氨基酸。人体对必需氨基酸的需要量随着年龄的增加而下降，成人比婴儿显著下降。

精氨酸：精氨酸与脱氧胆酸制成的复合制剂（明诺芬）是主治梅毒、病毒性黄疸等病的有效药物。

组氨酸：可作为生化试剂和药剂，还可用于治疗心脏病，贫血，风湿性关节炎等的药物。

非必需氨基酸：指人（或其它脊椎动物）自己能由简单的前体合成，不需要从食物中获得的氨基酸。例如甘氨酸、丙氨酸等。2、不常见的蛋白质氨基酸某些蛋白质中含有一些不常见的氨基酸，它们是基本氨基酸在蛋白质合成以后经羟化、羧化、甲基化等修饰衍生而来的，也称稀有氨基酸或特殊氨基酸。如胶原蛋白中存在4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸等。蛋白质中还广泛存在丝氨酸的可逆磷酸化作用，磷酸化会影响蛋白质的生物学活性，可以看作调节蛋白质生物活性的“分子开关”。以上这些修饰的氨基酸均没有遗传密码，是在蛋白质合成后通过相关酶的催化而形成的。另外，很多动物组织中的酶的N-末端可发生乙酰化。3、非蛋白质氨基酸

自然界中还存在150多种不参与构成蛋白质的氨基酸，以游离形式存在。它们大多是基本氨基酸的衍生物，也有一些是D-氨基酸或β、γ、ζ-氨基酸。这些氨基酸中有些是重要的代谢物前体或者中间产物，如瓜氨酸和鸟氨酸是合成精氨酸的中间产物，β-丙氨酸是遍多酸（泛酸，辅酶A前体）的前体，γ-氨基丁酸是传递神经冲动的化学介质。三、氨基酸的理化性质1、物理性质α-氨基酸都是白色晶体，每种氨基酸都有特殊的结晶形状，可以用来鉴别各种氨基酸。除胱氨酸和酪氨酸外，都能溶于水中。脯氨酸和羟脯氨酸能溶于乙醇或乙醚中。除甘氨酸外，α-氨基酸都有旋光性，α-碳原子具有手性。苏氨酸和异亮氨酸有两个手性碳原子。

从蛋白质中水解得到的氨基酸都是L型。但是在生物体内特别是细菌中，D-氨基酸也存在，如细菌的细胞壁和某些抗菌素中都含有D-氨基酸。参与蛋白质组成的20种氨基酸，在可见光区都无光吸收；在紫外光区只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有光吸收，其最大吸收波长分别为279nm、278nm和259nm。许多蛋白质中色氨酸和酪氨酸的总量大体相近，因此蛋白质在280nm处有特征性的最大吸收峰，可以通过测定蛋白质溶液在280nm的紫外吸收值，方便、快速地估测其中的蛋白质含量。2、化学性质（1）两性解离及等电点氨基酸的分子中既含有酸性的羧基（——COOH），又含有碱性的氨基（——NH2）。前者能提供质子变成——COO-，后者能接受质子变成——NH3+。这种具有双重解离性质的物质被称为两性电解质。通过改变溶液的pH可使氨基酸分子的解离状态发生改变。在某一pH条件下，使氨基酸解离成阳离子和阴离子的数量相等，分子呈电中性，即形成了兼性离子，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点pI。（2）氨基的反应酰化：碱性溶液中反应，在多肽合成中保护氨基。与亚硝酸作用：VanSlyke法测定氨基氮的基础，常用于蛋白质的化学修饰、水解程度测定及氨基酸的定量。与醛反应：与甲醛反应生成羟甲基化合物，氨基酸不再是兼性离子，其滴定终点可用一般的酸碱指示剂指示，因而可以滴定，称为甲醛滴定法，可用于测定氨基酸。与本异硫氰酸酯（PITC）反应：Edman测序法的基础，鉴定蛋白质的N-末端氨基酸，用于蛋白质的氨基酸顺序分析。与2,4-二硝基氟苯（DNFB）反应：Sanger试剂，应用于蛋白质N-末端测定。（3）羧基反应羧基可与碱作用生成盐，其重金属盐不溶于水。羧基可与醇生成酯，此反应常用于多肽合成中的羧基保护。某些酯有活化作用，可以增加羧基活性。将氨基保护以后，可与二氯亚砜或五氯化磷作用生成酰氯，在多肽合成中用于活化羧基。（4）茚三酮反应氨基酸与茚三酮在微酸性溶液中加热，最后生成蓝色物质，而脯氨酸生成黄色化合物。根据这个反应，可通过二氧化碳的生成量来测定氨基酸的含量。（5）侧链的反应二硫键半胱氨酸在碱性溶液中容易被氧化形成二硫键，生成胱氨酸。胱氨酸中的二硫键在形成蛋白质的构象上起很大的作用。烷化半胱氨酸可与烷基试剂，如碘乙酸、碘乙酰胺等发生烷化反应。半胱氨酸与氨丙啶反应，生成带正电的侧链，称为S-氨乙基半胱氨酸。与重金属反应极微量的某些重金属离子，如银离子、汞离子，就能与巯基反应，生成硫醇盐，导致含巯基的酶失活。四、蛋白质的水解蛋白质的水解主要有三种方法。1、酸水解2、碱水解3、酶水解第三节肽一、肽键与肽二、肽的理化性质三、天然存在的活性肽一、肽键与肽一个氨基酸的羧基与另外一个氨基酸的氨基缩水形成的C-N共价键，称为肽键。由两个氨基酸分子缩合而成的肽称为二肽；含三个氨基酸的的肽，称为三肽；以此类推，含20个以上的称为多肽。多肽与蛋白质之间无明显界限，50个以上的氨基酸构成的肽一般称为蛋白质。有些蛋白质中包含几百甚至上千个氨基酸。蛋白质之中的氨基酸不再是完整的氨基酸分子，称为氨基酸残基。N-末端C-末端

通过肽键连接而成的链状结构称为多肽链。除了末端修饰和环状肽链除外，一条多肽链只有一个游离的α-NH2和一个游离的α-COOH。在书写多肽结构时，总是把含有α-NH2的氨基酸残基写在多肽链的左边，称为N-末端（氨基端），把含有α-COOH的氨基酸残基写在多肽的最右边，称为C-末端（羧基端）。除肽键外，蛋白质中还含有其他类型的共价键。例如，蛋白质分子中的两个半胱氨酸可通过其巯基形成二硫键（-S-S-，又称二硫桥），这是蛋白质分子中一种常见的共价键，可存在于多肽链内部或两条肽链之间。肽键像酰胺键一样，由于键内原子处于共振状态而表现出较高的稳定性。在肽键中C-N单键具有约40%双键性质，而C=O双键表现出40%的单键性质。用于描述两个肽平面间位置关系的参数为φ及ψ，φ描述的是Cα-N之间的二面角，ψ描述的是Cα-C间的二面角。理论上肽平面具有顺式（cis）和反式（trans）两种可能的构型。反式中相邻的两个Cα在肽键的两侧，顺式构型中位于同一侧。由于立体结构的制约，蛋白质中几乎所有的肽平面都呈反式结构。仅有少数是顺式结构，并且一般都包含脯氨酸。二、肽的理化性质小肽的理化性质与氨基酸类似。晶体的熔点高，说明是离子晶体，在水溶液中以偶极离子形式存在。肽键的亚氨基不解离，所以肽的酸碱性取决于肽的末端氨基、羧基和侧链上的基团。哎长肽或蛋白质中，可解离的基团主要是侧链上的。一般小肽的旋光度等于各个氨基酸旋光度的综合，但较大的肽或者蛋白质的旋光度不等于其组成氨基酸的旋光度的简单加和。肽的化学性质和氨基酸一样，但有一些特殊的反应，如双缩脲反应。一般含有两个或两个以上肽键的化合物都能与硫酸铜溶液发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物。利用这个反应可以测定蛋白质的含量。三、天然存在的活性肽除了蛋白质部分水解可以产生长短不一的各种肽段之外，生物体内还存在很多游离肽。肽是精准的蛋白质片断，其分子只有纳米般大小，肠胃、血管及肌肤皆极容易吸收。它们具有各种特殊的生物学功能。肽类作为小分子蛋白质，在体内有一些相当重要的功能，并有一定的应用价值。已知很多激素属于肽类物质，如催产素、加压素和舒缓激素等。

有些抗生素也属于肽类或肽的衍生物，例如短杆菌肽S、多粘菌素E和放线菌素D等。

（1）内啡肽

内啡肽亦称安多芬或脑内啡，是一种内成性的类吗啡生物化学合成物激素。它是由脑下垂体和脊椎动物的丘脑下部所分泌的肽。它能与吗啡受体结合，产生跟吗啡、鸦片剂一样有止痛和欣快感，等同天然的镇痛剂。利用药物可增加脑内啡的分泌效果。

当机体有伤痛刺激时，内啡肽被释放出来以对抗疼痛。在内腓肽的激发下，人的身心处于轻松愉悦的状态中，免疫系统实力得以强化，并能顺利入梦，消除失眠症。

内腓肽也被称之为“年轻荷尔蒙”，意味这种荷尔蒙可以帮助人保持年轻快乐的状态。（2）阿斯巴甜阿斯巴甜（AsPartame），别名阿司帕坦、阿斯巴坦，食品添加剂国际编码:E951，化学名称为L-天冬氨酞-L-苯丙氨酸甲酯，是一种非碳水化合物类的人造甜味剂。因阿斯巴甜甜味高和热量低，主要添加于饮料、维他命含片或口香糖代替糖的使用。许多糖尿病患者、减肥人士都以阿斯巴甜做为糖的代用品。但因高温会使其分解而失去甜味，所以阿斯巴甜不适合用于烹煮和热饮。因为阿斯巴甜在人体胃肠道酶作用下可分解为苯丙氨酸、天冬氨酸和甲醇，不适用于苯丙酮酸尿患者。中国于1986年批准在食品中应用，常用于乳制品、糖果、巧克力、胶姆糖、餐桌甜味剂、保健食品、腌渍物和冷饮制品等。（3）谷胱甘肽谷胱甘肽(GSH)是一种含γ-酰胺键和巯基的三肽，由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成。存在于几乎身体的每一个细胞。谷胱甘肽能帮助保持正常的免疫系统的功能，并具有抗氧化作用和整合解毒作用。

谷胱甘肽不仅能消除人体自由基，还可以提高人体免疫力。谷胱甘肽维护健康，抗衰老，在老人迟缓化的细胞上所发挥的功效比年轻人大。谷胱甘肽对于放射线、放射性药物所引起的白细胞减少等症状，有强有力的保护作用。谷胱甘肽能与进入人体的有毒化合物、重金属离子或致癌物质等相结合，并促进其排出体外，起到中和解毒作用。谷胱甘肽还可以抑制乙醇侵害肝脏所产生的脂肪肝。

已人工研制开发出了谷胱甘肽药物，广泛应用于临床，除利用其巯基以螯合重金属、氟化物、芥子气等毒素中毒外，还用在肝炎、溶血性疾病以及角膜炎、白内障和视网膜疾病等，作为治疗或辅助治疗的药物。近年来，西方科学家，尤其是日本学者发现谷胱甘肽具有抑制艾滋病毒的功能。

最新研究还表明，GSH能够纠正乙酰胆碱、胆碱酯酶的不平衡，起到抗过敏作用，还可防止皮肤老化及色素沉着，减少黑色素的形成，改善皮肤抗氧化能力并使皮肤产生光泽，另外，GSH在治疗眼角膜病及改善性功能方面也有很好作用。

在很多水果中都含有谷胱甘肽，如西红柿（俗称番茄）、樱桃、圣女果（俗称小西红柿）等。所以，在日常生活中多吃些水果，是有益于延缓衰老、延年益寿的。谷胱甘肽于21世纪初开始兴起于美容，美白效果尤为突出，通过HPLC检测，含量可达99.5%。

同时，谷胱甘肽也是美白针的主要成分。（4）生物活性肽乳肽乳肽主要由动物乳中酪蛋白与乳清蛋白酶解制得，比原蛋白更易溶于水和被人体消化吸收，且耐热、耐酸、渗透压低，是活性肽中需求量最大，应用最广的保健食品素材。大豆肽

由大豆蛋白酶解制得。具有低抗原性、抑制胆固醇、促进脂质代谢及发酵等功能。用于食品能快速补充蛋白质源，消除疲劳以及作为双歧杆菌增殖因子。玉米肽

由玉米蛋白酶解制得。具有抗疲劳，改善肝、肾、肠胃疾病患者营养的功能，并可促进酒精代谢，用做醒酒食品。豌豆肽

酶解豌豆蛋白制得。口味温和、价廉，可用于婴儿配方乳粉。卵白肽

酶解卵蛋白制得。具有易消化吸收、低抗原、耐热等特点，可用于流动食品、营养食品或糕点中。畜产肽

由牲畜肌肉、内脏、血液中的蛋白经酶解而制得，如脱脂牛肉酶解制得牛肉肽，含较高支链氨基酸和肉毒碱，是低热量蛋白质补充剂；新鲜猪肝经酶解、脱色、脱臭、超滤精制得肝肽，可作促铁吸收剂，用于婴儿食品、饮料、糕点等；猪血经酶解制得血球蛋白肽，可用于各类食品。水产肽

各种鱼肉蛋白酶解制得的肽，如沙丁鱼肽，是血管紧张素转换酶抑制肽，不含苦味，可用于制作防治高血压的保健食品或制剂。丝蛋白肽

蚕茧丝蛋白经酶解制得的低肽，具有促进酒精代谢、降低胆固醇、预防痴呆等多种功能，可用于醒酒食品和特种保健食品。复合肽

动植物、水产、畜产等多种蛋白质混合物经酶解制得的复合肽，具有改善脂质代谢功能，可用于各类保健食品。

主要是二肽、三肽等低肽，比氨基酸消化吸收快，吸收率高，并具有低抗原性、低渗透压，不会引起过敏、腹泻等不良反应，适用于胃功能低下、消化道疾病患者术后恢复、耐久力运动员、婴幼儿及老人的滋补食品。抗菌肽

又称抗微生物肽，广泛分布于自然界，在原核生物和真核生物中都存在。如植物、微生物、昆虫和脊椎动物在微生物感染时迅速合成而得，也可采用基因克隆技术生产，如乳链菌肽具有很强杀菌作用。抗菌肽主要用于食品防腐保鲜。第四节蛋白质的结构一、蛋白质的一级结构二、蛋白质的二级结构三、蛋白质的三级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子是结构及其复杂的生物大分子。有的蛋白质分子只包含一条多肽链，有的则包含数条多肽链。为研究方便，可将蛋白质的结构划分为几个层次，包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。一级结构：多肽链中的氨基酸顺序。二级结构：多肽链主链骨架的局部空间结构。三级结构：多肽链上所有原子和基团的空间排布。四级结构：由几条肽链构成。

研究立体结构的主要方法是X-射线晶体衍射技术，其次是核磁共振技术。前者需要制备蛋白质晶体，根据晶体的衍射图谱确定立体结构，是测定蛋白质空间结构的主要方法。蛋白质立体结构数据也保存在蛋白质数据库中。目前，人们已经获得了2万多种蛋白质及其复合物的立体结构。一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指多肽链的氨基酸组成及其排列顺序。氨基酸序列是蛋白质分子结构的基础，也是各种蛋白质的区别所在，不同的蛋白质具有不同的一级结构。它决定蛋白质的高级结构。蛋白质的一级结构是由遗传信息，即编码蛋白质的基因决定的，其信息量非常大。单由20种氨基酸组成的三肽，理论上就有8，000种。蛋白质的一级结构从N-末端开始，按照氨基酸排列顺序表示。其中氨基酸残基可采用中文或者英文缩写。例如，脑啡肽（五肽）的命名如下：中文氨基酸残基命名法：酪胺酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸中文的单个字表示法：酪-甘-甘-苯丙-甲硫三字母符号表示法：Tyr-Gly-Gly-Phe-Met单字母符号表示法：YGGFMSSU05_2194transcriptionalregulator基因：216ntatgtgccgtacgcttgaaaaattaatagctgcaaataagaaaaaacacactaagcttaaacaacgcgaccaatttttaaaagaacaggaagattcactcagtaaaactcttggaacagctacaaaaattatcaagaagaaaaacgggagcggagaaattcggattagctttaatgacctcgatgaattcgaaagaattatcaacaattttaaataa肽：71aaMCRTLEKLIAANKKKHTKLKQRDQFLKEQEDSLSKTLGTATKIIKKKNGSGEIRISFNDLDEFERIINNFK蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质的氨基酸组成、氨基酸的排列顺序和二硫键的位置、肽键数目、末端氨基酸的种类等。胰岛素是一级结构首先被揭示的蛋白质。它的主要功能是促进糖原的生成和加速葡萄糖的氧化，并促进葡萄糖进入肌肉及脂肪细胞，因此胰岛素可以降低体内的血糖含量。胰岛素含量不足时，肝中糖原加速分解，血糖升高并从尿中排除，导致糖尿病的发生。胰岛素分子是由51个氨基酸残基组成的，含有A链、B链，两个条链之间通过二硫键连接。牛胰核糖核酸酶存在于牛胰中，十分耐热。目前不但全部弄清了该酶的结构。而且还进行了人工合成。由124个氨基酸组成，有4对二硫键。通过4个二硫键及次级键，使肽链盘曲折叠成三级结构，具有生物活性。蛋白质一级结构测定（即测序）是研究蛋白质高级结构的基础，同时也是研究蛋白质结构域功能的关系、酶活性中心结构、分子病机理以及生物进化与分子分类学等的重要手段。蛋白质测序是一项比较复杂的工作，目前用蛋白质序列仪来完成。蛋白质测序一般采用1950年Edman提出的N-末端测序法，即每次从蛋白质的N-末端水解去掉一个氨基酸，从N-末端逐个开始测定氨基酸的序列，称Edman降解法。这是蛋白质测序的里程碑。这种测序方法一次可完成50个左右氨基酸的序列分析，因此大的蛋白质分子需要裂解成短的肽段，再分别测序。一级结构测定要求蛋白质样品的纯度必须达到97%以上，同时还需要事先测出蛋白质的分子质量，预测氨基酸的数目。二、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指肽链主链的空间走向（折叠和盘绕方式），是有规则重复的构象。某些肽段可以借助氢键形成有规则的构象，如α-螺旋、β-折叠和β-转角。二级结构不包括R侧链的构象。肽链主链具有重复结构，其中氨基是氢键供体，羰基是氢键受体。通过形成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二级结构单元。1、α-螺旋Pauling和Corey根据氨基酸和小肽的X-射线晶体衍射图谱，于1950年提出了α-螺旋结构。α-螺旋是一种棒状的结构。不久，Perutz证实了α-角蛋白中存在α-螺旋。α-角蛋白包含300多个氨基酸，是毛发、皮肤、指甲中的主要成分。

肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，一般都是右手螺旋结构，螺旋是靠链内氢键维持的。每个氨基酸残基（第n个）的羰基氧与多肽链C端方向的第4个残基（第n+4个）的酰胺氮形成氢键。

在典型的右手α-螺旋结构中，螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15nm。螺旋的半径为0.23nm。在天然蛋白质中，几乎所有的α-螺旋都是右手螺旋。只在嗜热菌蛋白酶中发现一圈左手螺旋。一条肽链能否形成α-螺旋，以及螺旋的稳定性怎样，与其一级结构有很大关系。

①侧链基团的电荷性质和大小都有影响，甘氨酸由于侧链太小，构象不稳定，是α-螺旋的破坏者；

②连续存在带相同电荷的氨基酸残基；

③存在脯氨酸残基，脯氨酸由于其亚氨基少一个氢原子，无法形成氢键，而且Cα－N键不能旋转，所以是α-螺旋的破坏者，肽链中出现脯氨酸就中断α-螺旋，形成一个“结节”。

β-折叠是Pauling和Corey提出的另外一种二级结构，也是蛋白质中最常见的一种主链构象。是指蛋白质分子中两条平行或反平行的主链中伸展的、周期性折叠的构象，很像α-螺旋适当伸展形成的锯齿状结构。蚕丝丝心蛋白几乎全部由堆积起来的反平行β-折叠结构组成。球状蛋白质中也广泛存在这种结构，如溶菌酶、核糖核酸酶、木瓜蛋白酶等球状蛋白质中都含有β-折叠结构。2、β-折叠

β-折叠结构的形成一般需要两条或两条以上的肽段共同参与，即两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的氨基和羰基之间形成有规则的氢键，维持这种结构的稳定。β-折叠结构的特点如下：

（1）在β-折叠结构中，多肽链几乎是完全伸展的。相邻的两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm。侧链R交替地分布在片层的上方和下方，以避免相邻侧链R之间的空间障碍。

（2）在β-折叠结构中，相邻肽链主链上的C=O与N-H之间形成氢键，氢键与肽链的长轴近于垂直。所有的肽键都参与了链间氢键的形成，因此维持了β-折叠结构的稳定。

（3）相邻肽链的走向可以是平行和反平行两种。在平行的β-折叠结构中，相邻肽链的走向相同，氢键不平行。在反平行的β-折叠结构中，相邻肽链的走向相反，但氢键近于平行。从能量角度考虑，反平行式更为稳定。β-折叠有两种类型，一种是平行式，即所有的肽链的氨基端都在同一端；另一种是反平行式，所有肽链的氨基端按正反方向交替排列。从能量上看，反平行式更稳定。3、β-转角

β-转角结构又称为β-弯曲、β-回折、发夹结构和U型转折等。蛋白质分子多肽链在形成空间构象的时候，经常会出现180°的回折（转折），回折处的结构就称为β-转角结构。常见的转角含有4个氨基酸残基，第一个氨基酸的羧基和第四个氨基酸的氨基之间形成氢键。这种结构在球形蛋白质中广泛存在，可占全部残基总量的1/4。

对580多种蛋白质的X-射线晶体衍射分析发现，有些蛋白质几乎全是由α-螺旋结构组成的，有些蛋白质几乎全是由β-折叠结构组成的，而有些蛋白质分子中α-螺旋和β-折叠结构都存在。4、无规则卷曲无规则卷曲（randomcoil)是指没有一定规律的松散肽链结构,其二面角φ及ψ都不规则。这些区域也是蛋白质中稳定的、有序的二级结构，使蛋白质的构象显示出多种多样的特性。此结构看上去杂乱无章，但对一种特定蛋白质又是确定的。球状蛋白质中含有大量无规则卷曲，倾向于产生球状构象。对已知的67种蛋白质结构分析表明，几种二级结构的比例是α-螺旋为26%，β-折叠为19%，β-转角为15%。无规则卷曲有高度的特异性，与生物活性密切相关，对外界的理化因子极为敏感，经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。例如许多钙结合蛋白中结合钙离子的EF手结构的中央环。5、超二级结构相邻的二级结构单元可组合在一起，相互作用，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件，称为超二级结构，又称基序或模体。常见的有α-螺旋和β-折叠的组合形式：折叠-螺旋-折叠，α-螺旋的走向常与两条β-折叠平行。发夹，包含两条相邻的反平行β-折叠，由一个发夹环连接。希腊钥匙，由肽键连接四个或更多的反平行β-折叠。螺旋-环-螺旋β-折叠桶球蛋白分子的一条多肽链常常存在一些紧密的、相对独立的区域，称为结构域，是在超二级结构的基础上形成的具有一定功能的结构单位。

结构域被认为是蛋白质的折叠单位，在新生肽链折叠中发挥重要作用。较大的蛋白质分子包含2个或2个以上的结构域，例如免疫球蛋白（抗体）分子包含12个结构域；较小的球蛋白分子只包含一个结构域，如肌红蛋白分子。结构域平均大小约为100个氨基酸。结构域之间的区域常常形成裂缝，可以作为与其他分子的结合位点。结构域间可以由松散的肽链连接，使结构域能在较大范围内相对运动，以便完成蛋白质的功能。6、二级结构的蛋白质（1）角蛋白角蛋白（keratin）系硬蛋白之一，是一类具有结缔和保护功能的纤维状蛋白质。由处于α-螺旋或β-折叠构象的平行的多肽链组成不溶于水的起着保护或结构作用的蛋白质。角蛋白来源于外胚层分化而来的细胞，是这些细胞内的结构蛋白之一。故角蛋白存在于发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、喙、丝及其他表皮结构中，是羽毛、毛发、爪、喙、蹄、角以及脑灰质、脊髓和视网膜神经的蛋白质。

根据X射线衍射分析，角蛋白的空间结构有α-螺旋结构(α-角蛋白)和β-折叠片层结构(β-角蛋白)两种类型。

α-角蛋白胱氨酸含量丰富，故二硫键含量特别多，在蛋白质肽链中起交联作用，因此α-角蛋白化学性质特别稳定，有较高的机械强度，如羊毛、角、蹄、甲的蛋白质胱氨酸含量高达22%。β-角蛋白不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸含量很高，如蚕丝丝心蛋白。

α-角蛋白，如头发，暴露于湿热环境中几乎可以伸长一倍，冷却干燥后又收缩到原来的长度。β-角蛋白则无此变化。（2）胶原胶原是细胞外基质的一种结构蛋白质，多糖蛋白，呈白色，含有少量的半乳糖和葡萄糖，是细胞外基质的主要成分，约占胶原纤维固体物的85%。胶原蛋白是动物体中普遍存在的一种大分子蛋白，主要存在于动物的结缔组织（骨、软骨、皮肤、腱、韧等）中，占哺乳动物体内蛋白质的25%～30%，相当于体重的6%。在许多海洋生物，如鱼类的皮，占其蛋白质含量甚至高达80%以上。对机体和脏器起着支持、保护、结合以及形成界隔等作用。除了生物力学方面的以外，还具有诸如信号转导、生长因子与细胞因子的运输等功能。

胶原蛋白种类较多，常见类型为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型，胶原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，比如低抗原性、在体内易被人体吸收、能促进细胞成活与生长、促进血小板凝结等在食品、医药、组织工程、化妆品等领域获得广泛的应用。

由于氨基酸组成和交联度等方面的差异，使得水产动物尤其是其加工废弃物—皮、骨、鳞中所含有的丰富的胶原蛋白具有很多牲畜胶原蛋白所没有的优点，如一定的凝胶性、高度的分散性、低粘度性、吸水性、持水性以及乳化性等。另外人们发现来源于海洋动物的胶原蛋白在一些方面明显优于陆生动物的胶原蛋白，比如具有低抗原性、低过敏性、变性温度低、可溶性高、易被蛋白酶水解等特性。因此水产胶原蛋白可能逐步替代陆生动物胶原蛋白。三、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指多肽链中所有原子和基团的构象。它是在二级结构的基础上进一步盘曲折叠形成的，包括所有主链和侧链的结构。三级结构是有生物活性的构象或称为天然构象。通过肽链折叠使一级结构相距很远的氨基酸残基彼此靠近，进而导致其侧链的相互作用。在三级结构中，通过氨基酸残基R侧链间的非共价键作用形成的紧密球状构象。二硫键是维持三级结构唯一的一种共价键，能把肽链的不同区段牢固的连接在一起，而疏水性较强的氨基酸则借疏水力、范德华力聚集形成紧密的疏水核，极性的残基以氢键和盐碱相结合。这些共价键虽然较微弱，但数目庞大，因此仍然是维持三级结构的主要作用力。

所有具有高度生物学活性的蛋白质几乎都是球状蛋白。三级结构是蛋白质发挥生物学活性所必须的。球蛋白的一个共同特征是有表面和内部之分，并且通常为紧密的结构。在蛋白质序列中无法确定疏水性氨基酸的分布模式，但在三维结构中这类氨基酸多分布于分子内部。肌红蛋白是一种氧结合蛋白，能结合氧分子便于氧在肌肉中扩散。海洋类哺乳类动物，如鲸、海豹能长时间潜水，其肌肉中肌红蛋白含量达8%，能储存大量氧气。肌红蛋白分子由一条153个氨基酸残基的多肽链和一个血红素（亚铁血红素辅基）组成。分子呈紧密的扁球形。多肽链中氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部,亲水侧链多位于分子表面,因此其水溶性较好。肌红蛋白由8段α-螺旋构成一个球状结构，有8段α-螺旋区，每个α-螺旋区含7～24个氨基酸残基，分别称为A、B、C…G及H肽段。有1～8个螺旋间区。多肽链中氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部,亲水侧链多位于分子表面,因此其水溶性较好。内部存在一口袋形空穴，血红素居于此空穴中。血红素是铁卟淋化合物，它由4个吡咯通过4个甲炔基相连成一个大环，Fe2+居于环中。

体内活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信号传导过程。但过多的活性氧自由基就会有破坏行为，导致人体正常细胞和组织的损坏，而肌红蛋白是富氧链蛋白，更容易遭到自由基的攻击。

遭到自由基的攻击从而引起多种疾病，如心脏病、老年痴呆症、帕金森病和肿瘤，与肌红蛋白被氧化存在着密切的关系。此外，更多活性氧自由基，使核酸突变，这是人类衰老和患病的根源。四、蛋白质的四级结构较大的球蛋白分子往往由两条或多条肽链组成。这些多肽链本身都具有特定的三级结构，称为亚基。亚基之间以非共价键相连。每个亚基都有自己的一、二、三级结构。亚基的种类、数目、空间排布以及相互作用称为蛋白质的四级结构。蛋白质的四级结构不涉及亚基本身的结构。

亚基一般只包含一条多肽链，亚基之间的相互作用力与稳定三级结构的化学键相比通常较弱，体外很容易将亚基分开，但亚基在体内紧密联系。亚基单独存在时无活性，只有相互聚合而成特定构象时才具有完整的生物学活性。由两条或两条以上肽链通过非共价键构成的蛋白质称为寡聚蛋白。四级结构就是各个亚基在寡聚蛋白的天然构象中空间上的排列方式。

寡聚蛋白中的不同亚基可以用α、β、γ、δ、ε命名区分，亚基数目通常为偶数，种类一般不多。判断寡聚蛋白的标准是将发挥生物功能的最小单位作为一个分子。胰岛素可形成二、六聚体，但不是其功能单位，所以不是寡聚蛋白。

维持四级结构的作用力主要是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德华力等。第五节蛋白质结构与功能的关系一、一级结构与功能的关系二、空间构象与功能的关系在生命活动过程中，不同的蛋白质执行不同的生理功能。蛋白质多种多样的生物功能是以其化学组成和极其复杂的结构为基础的。多肽和蛋白质的是生理功能不仅与其一级结构有关，而且还与其空间结构有直接联系。蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境，因此研究一级结构与功能的关系是十分重要的。研究多肽、蛋白质的结构与功能的关系，对于阐明生命起源、生命现象的本质以及分子病的机理等具有十分重要的意义，是蛋白质化学的重大研究课题。

一、一级结构与功能的关系1、多肽的结构与功能的关系在人和动物体内存在不少多肽，如催产素、生长激素、脑啡肽等。它们分别具有不同的功能，对体内的新陈代谢起调节作用。多肽的功能与其结构有密切关系。近年来的研究还表明，体内的一些小肽也包括一定的立体结构（如α-螺旋、β-转角等二级结构），并影响这些小肽的生物学活性。但是小肽的立体结构通常不如蛋白质稳定，表现出较大的灵活性。催产素和加压素是人和动物脑垂体分泌的多肽类激素，两者的一级结构十分相似，都是含一个二硫键的9肽。因此，加压素有微弱的催产素生理活性，而催产素也有微弱的加压素生理活性。但是由于二者在第3位和第8位的残基不同，因此它们主要的生理活性有差异：催产素促进子宫和乳腺平滑肌收缩，帮助分娩和排乳；加压素有升高血压和抗利尿的作用。2、同功能蛋白质结构的种属差异与保守性对不同生物的同功能蛋白质的一级结构进行比较，发现种属差异十分明显，这可以帮助我们了解哪些氨基酸对蛋白质的活性是重要的，哪些是不重要的。同时，还可以为研究生物进化规律提供新的、可靠的依据。例如胰岛素。一般认为，激素的活性中心以及维持活性中心构象的氨基酸残基不能够改变，否则激素将失去生物活性。3、蛋白质前体激活动物体内有些蛋白质是以无活性的前体形式产生和贮存的。这些前体在机体需要时，经过某种蛋白酶的水解，切去部分肽段后，才变成有活性的蛋白质，这一过程称为蛋白质前体的激活。这类蛋白质称为蛋白质原。如参与蛋白质消化的胃蛋白酶原、参与血液凝固的凝血酶原、参与糖代谢调节的胰岛素原。4、分子病基因突变导致蛋白质一级结构的突变。如果这种突变导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病。例如在非洲普遍流行的镰刀形红细胞贫血病，就是由于血红蛋白一级结构的变异而产生的一种分子病。病人的异常血红蛋白与正常人的相比，仅仅是β-亚基的第六位氨基酸残基不同，正常人为Glu，病人为Val。二、空间构象与功能的关系蛋白质的功能多样性常与其空间结构的复杂性密切相关。蛋白质的构象是其生物活性的基础。构象发生变化，其功能活性也随之发生改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复。在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应。

蛋白质（或酶）的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。

第六节蛋白质的理化性质一、两性解离及等电点二、蛋白质的胶体性质三、蛋白质的变性与沉淀蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质一部分与氨基酸相似，如两性电离、等电点、呈色反应、成盐反应等，也有一部分不同于氨基酸，如高相对分子质量、胶体性、变性等。一、两性解离及等电点

蛋白质是两性电解质，分子之中的可解离基团主要是侧链基团，也包括末端氨基和羧基。蛋白质也有等电点，即所带净电荷为零的pH。多数蛋白质等电点为中性偏酸，约5左右。偏酸的如胃蛋白酶，等电点为1左右；偏碱的如鱼精蛋白，约为12。蛋白质在等电点时净电荷为零，因此没有同种电荷的排斥，所以不稳定，溶解度小，易聚集沉淀。同时粘度、渗透性、膨胀性以及导电能力均为最小。各种蛋白质的等电点不同，在同一pH时所带电荷不同，在电场作用下移动的方向和速度也不相同，所以可以用电泳来分离提纯蛋白质。二、蛋白质的胶体性质蛋白质是生物大分子，水溶液中的颗粒直径1~100nm，是一种分子胶体，具有胶体溶液的性质，如布朗运动、丁达尔现象、电泳、不能透过半透膜及吸附能力等。利用半透膜可分离纯化蛋白质，称为透析。三、蛋白质的变性与沉淀1、变性特定的空间结构对蛋白质的生物活性至关重要。天然蛋白质受物理或化学因素影响，高级结构遭到破坏，致使其理化性质和生物功能发生改变，这种现象称为变性。变形后的蛋白质称为变性蛋白质。二硫键的改变引起的失活可看作变性。

（1）引起天然蛋白质变性的因素很多：物理因素：热（60℃~100℃）、紫外线、X-射线、超声波、高压、表面张力