《有机化学》课件-21-3

21.3蛋白质

前已提及，蛋白质（proteins)就是相对分子质量很大(一万以上，有的高达数千万）的多肽。实际上蛋白质和多肽之间并没有严格的界线。蛋白质部分水解所得到的都是各种多肽的混合物。21.2节介绍过的有关多肽结构的测定和合成方法基本上都适合于蛋白质。本节着重介绍蛋白质不同于一般多肽的特点。一、蛋白质的分类

蛋白质的种类繁多，可以从不同的角度，根据它们不同的特征进行分类。1.根据蛋白质的形状分类(1)纤维蛋白质

如丝蛋白、角蛋白、胶原蛋白等。它们的分子呈细长形，排列成纤维状，一般不溶于水。(2)球蛋白

如蛋清蛋白、酪蛋白、胰岛素、酶等。它们的分子折叠，卷曲成球形或椭球形，一般能溶于水。2.根据蛋白质的化学组成分类(1)单纯蛋白

仅由氨基酸单位组成的蛋白质。如球蛋白、谷蛋白等。

(2)结合蛋白质

由单纯蛋白质与非蛋白质部分结合而成的。非蛋白质部分称为辅基。按辅基种类不同，结合蛋白质又可分为：A.脂蛋白

单纯蛋白质与脂类结合。B.糖蛋白

单纯蛋白质与糖类结合。C.磷蛋白

单纯蛋白质与磷酸结合。D.色蛋白

单纯蛋白质与有色化合物结合。E.核蛋白

单纯蛋白质与核酸结合。F.血红蛋白

单纯蛋白质与血红素结合。G.金属蛋白

单纯蛋白质与金属离子结合。3.根据蛋白质在机体的新陈代谢中所起的作用分类(1)酶

起催化作用。(2)激素

起调节作用。(3)抗体

起免疫作用。(4)输送蛋白

起输送作用。(5)收缩蛋白

主管机体的运动。二、蛋白质的结构

蛋白质的物理、化学性质和生物功能都依赖于它们的结构。为了阐明许多生物化学问题和现象，研究、了解蛋白质的结构是十分重要的。

蛋白质的结构相当复杂，通常用一级结构、二级结构、三级结构、四级结构四种不同的层次来描述。蛋白质的二级、三级、四级结构又统称为空间结构，指的是蛋白质分子中原子和基团在三维空间的排列和分布。1.蛋白质的一级结构

一级结构表示的是组成蛋白质分子的氨基酸残基排列顺序。各种蛋白质的生物活性首先是由一级结构决定的。

测定多肽氨基酸顺序的技术都可应用于蛋白质。1955年，桑格首次确定了胰岛素的完整结构后，相继获得了多种蛋白质的一级结构，如胰核糖核酸酶(124个氨基酸残基，见图21-3)、糜蛋白酶(241个氨基酸残基）。γ-球蛋白是一种很复杂的抗体，其氨基酸的顺序也已经被破译。英国人爱德尔曼（G.Edelman)证明此抗体总共含有1320个氨基酸（由四个链组成，两个含446个氨基酸，另两个含214个氨基酸）。此成就使他获得了1973年的诺贝尔奖。2.蛋白质的二级结构

在蛋白质分子中，有两种类型的二级结构:α-螺旋型和β-折叠型。(l)α-螺旋型鲍林（L.Pauling)和考里（E.J.Corey)根据用X射线法对纤维状蛋白质分子的研究，

首先提出了肽链的α-螺旋型结构。α-螺旋型结构是由肽链之间的氢键所造成的（图21-4)。

天然蛋白质的α-螺旋绝大多数是右螺旋的，每圈中有3.6个氨基酸单位。相隔4个肽键形成氢键，氢键取向几乎与中心轴平行。氨基酸的侧链R伸向外侧，两个螺旋之间的距离大约为0.54nm。螺旋直径为1〜1.1nm，中间空隙很小，溶剂分子无法进入。

蛋白质的多肽链形成α-螺旋的难易及螺旋体本

身的稳定性与组成蛋白质的一级结构有关。当肽链中存在脯氨酸时，由于脯氨酸的α-NH构成肽链后，没有多余的氢原子去形成氢键。所以在肽链中有脯氨酸出现时，α-螺旋就会中断。

α-角蛋白等纤维状蛋白质，大都是α-螺旋结构。近年来的研究证明，某些球蛋白的一部分肽链也是迂回盘旋的α-螺旋型结构。

(2)β-折叠型

β-折叠型是肽链的一种伸展结构，在两条肽链，或一条肽链的两段之间形成氢键。两条肽链可以是平行的（N端到C端是同向的），也可以是反平行的。从能量上看，反平行比较稳定。图21-5表示的是蛋白质肽链的β-折叠型结构。3.蛋白质的三级结构

实际上蛋白质分子很少以简单的α-螺旋或β-折叠型结构存在，而是在二级结构的基础上进一步卷曲折叠，构成具有特定构象的紧凑结构，称为三级结构。维持三级结构的力来自氨基酸侧链之间的相互作用。主要包括二硫键、氢键、正负离子间的静电引力（离子键）、疏水基团间的亲和力（疏水键)等（图21-6)。这些作用总称为副键。

二硫键是蛋白质三级结构中惟一的共价键，将其断开约需要209.3〜418.6kJ/mol。其他键都比较弱，较容易受到外界条件(温度、溶剂、pH、盐浓度等)影响而被破坏。

测定蛋白质的整个三级结构，是一项令人望而生畏的任务，但对化学家来说也不是高不可攀的。1957年肯笃(J.C.Kendrew)用X光衍射技术成功地测定了携氧蛋白质——肌红蛋白(M=17800)的三级结构（图21-7)。

使人们第一次看到了一个蛋白质分子内部的立体构象图。在大致相同的时期，更复杂的携氧蛋白质——血红蛋白（M=64500)的三级结构图形从珀汝茨（M.F.Pemtz)的20年蛋白质结构研究工作中出现了。1962年J.C.肯笃和M.F.珀汝茨因他们的出色成就而获得了诺贝尔化学奖。从那时起，人们陆续测得了一些蛋白质（包括酶在内）的相当详细的分子结构图形。

肌红蛋白由一条多肽链构成，有153个氨基酸残基和一个血红素辅基。在整个分子中有77%呈螺旋型结构。在拐角处α-螺旋体受到破坏而出现松散肽链。脯氨酸残基都存在于拐角处。其他一些难以形成α-螺旋的氨基酸，如亮氨酸，丝氨酸残基也在此处出现。整个分子十分致密结实。分子内部只有一个能容纳四个水分子的空间，辅基血红素垂直地伸出在分子表面。

用X光衍射法测定蛋白质晶体的空间结构是近年来分子生物学的重大突破，为此已经颁发了四次诺贝尔奖金。1971〜1973年我国科学工作者也成功地用X光衍射法完成了猪胰岛素晶体结构的测定。4.蛋白质的四级结构

蛋白质分子作为一个整体所含有的肽链不止一条。由多条肽链（三级结构）聚合而形成特定构象的分子叫做蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为一个亚基。维持四级结构的主要是静电引力，在亚基之间进行聚合时，必须在空间结构上满足镶嵌互补。

血红蛋白是含有两种不同亚基的四聚体，每一个亚基都有一个三级结构的肽链和一个血红素相连，它们是以四面体的方式排列起来的，形成一个非常紧凑的结构（图21-8)。α1、α2,β1、β1分别代表血红蛋白分子中四条肽链，α链是由141个氨基酸组成，β链由146个氨基酸组成，各自都有一定的排列顺序。它们的一级结构相差较大，但三级结构大致相同，类似于肌红蛋白。三、蛋白质的性质

1.两性与等电点

蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质（在肽链中有C端的COOH，N端的NH2)，有它们的等电点。不同蛋白质，其等电点也不相同。在等电点时，蛋白质的溶解度最小，因此可以通过调节溶液的pH值，使蛋白质从溶液中析出，达到分离或提纯的目的。2.胶体性质

蛋白质在水溶液中形成的颗粒直径在1〜l00nm内，具有胶体性质。所以蛋白质溶液不能通过半透膜（如玻璃纸等）。3.蛋白质的沉淀

蛋白质和水所形成的亲水胶体和其他胶体一样，不十分稳定。在各种不同条件的影响下，蛋白质容易以沉淀析出。

如果在蛋白质水溶液中加入大量氯化钠等电解质，蛋白质将会以沉淀析出，这种作用称为盐析。当加入Hg2+、Pb2+等重金属离子，或加入酒精、丙酮等对水有较大亲合力的有机溶剂时，都能使蛋白质从水溶液中沉淀出来。4.蛋白质的变性

当蛋白质受到物理或化学因素影响时，可使蛋白质二、三级结构的结合力遭受破坏，肽链松散，导致蛋白质在理化和生物性质上的改变，这种现象称为蛋白质的变性。蛋白质变性的表现主要是溶解度降低，粘度变大，难以结晶，容易为酶所水解，丧失生物活性，等等。

一般来说，蛋白质在变性初期，分子构象未遭到深度破坏（只破坏了三级结构，而二级结构未变），那么还有可能恢复原来的结构和性质，即这种变性是可逆的。如变性过度，就会成为不可逆变性，这时二级结构也遭受破坏，无法恢复。

蛋白质的变性，在现实生活中，有时希望它发生，例如医疗器皿用酒精消毒，或在高温、高压下蒸煮都是为了使细菌蛋白质变性而被杀灭。临床上急救重金属盐中毒时，可以给病人吃大量乳品或鸡蛋清，使蛋白质在消化道中与汞盐结合成为变性的不溶解物质，从而阻止有毒的汞离子吸入体内。有时则需要避免变性，例如预防接种的疫苗需储存在冰箱中，以免温度过高，使蛋白质变性而失去生物活性。5.蛋白质的颜色反应

（1）水合茚三酮反应

蛋白质与稀的水合茚三酮一起加热呈现蓝色。该反应主要用于纸层析。（2）缩二脲反应

蛋白质与硫酸铜碱性溶液反应，呈现紫色。称为缩二脲反应（因缩二脲有这种颜色反应而得名）。（3）蛋白黄反应

含有芳香族氨基酸，特别是酪氨酸，色氨酸残基的蛋白质，遇浓硝酸后产生白色沉淀，加热时沉淀变为黄色。所以称为蛋白黄反应。这实际上就是芳香环上的硝化反应，生成了黄色的硝基化合物。皮肤被硝酸沾污后变黄就是这个道理。（4）米隆（Millon)反应

蛋白质遇硝酸汞的硝酸溶液时变为红色，这是由于酪氨酸中的酚基与汞形成有色化合物。因大多数蛋白质都含有酪氨酸，所以这种反应带有普遍性。利用该反应可以检验蛋白质中有无酪氨酸存在。四、蛋白质的代谢

蛋白质的消化从胃中开始