第一节　蛋白质的分子组成

一、蛋白质的元素组成

组成蛋白质分子的主要元素有碳（50%～55%）、氢（6%～7%）、氧（19%～24%）、氮（13%～19%）。有些蛋白质还含有少量磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼、碘等元素。蛋白质是体内主要的含氮物质，大多数蛋白质含氮量比较接近而恒定，一般为15%～17%，平均为16%，这是蛋白质元素组成的一个重要特点。通过检测生物样品中的含氮量可以推算出蛋白质的大致含量，即凯氏定氮法。

100g样品中蛋白质含量=每克样品中含氮克数×6.25（16%的倒数）×100

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三聚氰胺

三聚氰胺（melamine，C3H6N6）是一种以尿素为原料生产的氮杂环有机化合物，俗称蛋白精或密胺，是一种重要的化工原料，可用于塑料、木材加工、造纸、涂料、黏合剂等生产过程中。常温下，三聚氰胺为白色单斜晶体，无味，可溶于甲醛、甲醇等有机溶剂。由于三聚氰胺分子中有6个非蛋白氮，因此，添加三聚氰胺会使得食品的蛋白质测试含量偏高。动物实验表明，动物长时间摄入三聚氰胺会造成生殖、泌尿系统的损害，如膀胱、肾结石，并可进一步诱发膀胱癌。2008年，我国爆发三鹿婴幼儿奶粉受污染事件，就是由于不良商贩在奶粉中添加三聚氰胺，用非蛋白氮冒充蛋白氮，导致食用了受污染奶粉的婴幼儿出现肾结石病症。

二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸

氨基酸是蛋白质的基本组成单位。自然界中的氨基酸有300余种，而构成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种。

（一）氨基酸的结构特点

氨基酸的结构通式可用下式表示。R表示氨基酸的侧链基团，不同的氨基酸其侧链基团各异。

虽然各种氨基酸结构各不相同，但都具有如下特点：

1.组成蛋白质的氨基酸都是α-氨基酸。即氨基和羧基都连接在α-碳原子上。脯氨酸为α-亚氨基酸。

2.除甘氨酸外，其余氨基酸由于分子结构的不对称性而具有旋光异构现象。每一种氨基酸都具有L-型和D-型两种异构体（图2-1）。组成人体蛋白质的氨基酸都是L-型，即L-α-氨基酸（除甘氨酸外）。脯氨酸属于L-α-亚氨基酸。D-型氨基酸主要存在于自然界中个别植物的生物碱或某些细菌产生的抗生素中。

（二）氨基酸的分类

根据氨基酸侧链的结构和理化性质，将20种氨基酸分为五大类（表2-1）：

1.非极性疏水性氨基酸

这类氨基酸具有非极性疏水基团，如甲基、氢原子等，在水溶液中溶解度小于极性中性氨基酸。属于这一类的氨基酸有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸。

2.极性中性氨基酸

这类氨基酸具有极性基团，如羟基、巯基和酰胺基等，因此有较强的亲水性。由于这类氨基酸的羧基数与氨基数相等，故称为中性氨基酸。但因为羧基电离能力较大，故其实际上具有弱酸性。属于这一类的氨基酸有丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺。

3.酸性氨基酸

这类氨基酸含有两个羧基，在生理条件下带负电，故为酸性氨基酸。属于这一类的氨基酸有天冬氨酸和谷氨酸。

4.碱性氨基酸

这类氨基酸在生理条件下带正电，故为碱性氨基酸。属于这一类的氨基酸有侧链上带有氨基的赖氨酸、胍基的精氨酸和咪唑基的组氨酸。

5.芳香族氨基酸

这类氨基酸均含有苯环，疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下易于解离。属于这一类的氨基酸有苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸。

除上述20种氨基酸外，从蛋白质水解液中还能分离出一些氨基酸衍生物。这些氨基酸衍生物是在蛋白质生物合成中或合成后，由相应的编码氨基酸经加工、修饰而成，如胱氨酸、羟脯氨酸、羟赖氨酸等。两分子半胱氨酸脱氢，通过二硫键连接生成的胱氨酸，对维持蛋白质的结构起着重要作用（图2-2）。脯氨酸在蛋白质合成加工时可被修饰成羟脯氨酸。

（三）氨基酸的理化性质

1.两性解离和等电点

所有氨基酸都含有酸性的α-羧基和碱性的α-氨基（或亚氨基），既可在酸性溶液中与质子（H+）结合成带正电荷的阳离子（—NH3+），也可在碱性溶液中与OH-结合，失去质子成带负电荷的阴离子（—COO-）。因此，氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离的特性（图2-3）。氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度。在某一pH溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，分子呈电中性，此时溶液的 pH称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。

氨基酸的pI是由α-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定。pI计算公式为：pI=1/2（pK1+pK2）。如丙氨酸 pK—COOH=2.34，pK—NH2=9.69，所以 pI=1/2（2.3+9.69）=6.02。若 1 个氨基酸有 3 个可解离基团，写出它们电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值，即为此氨基酸的pI值。如天冬氨酸pK1=2.09、pK2=3.86、pK3=9.82，pI=1/2（pK1+pK2）=1/2（2.09+3.86）=2.98。

2.紫外吸收性质

芳香族氨基酸结构中含有共轭双键，在紫外光谱280nm波长附近具有特征性吸收峰（图2-4）。大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，可以用来检测样品溶液中的蛋白质含量，是蛋白质含量检测最为快捷的方法。

3.茚三酮反应

氨基酸与茚三酮水合物共同加热，茚三酮水合物被还原后可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色的化合物。该反应可用于氨基酸的定性分析。

三、肽和肽键

（一）肽

肽键（peptide bond）是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的共价键，又称酰胺键（图2-5）。氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽（peptide）。两分子氨基酸通过肽键形成二肽，这是最简单的肽。二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽。以此类推，可以生成四肽、五肽……一般来说，由10个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽（oligopeptide），而更多的氨基酸相连而成的肽称为多肽（polypeptide）。这种由许多氨基酸相互连接而形成的长链称为多肽链（polypeptide chain）。氨基酸在形成肽链后，因其部分基团参加肽键的形成，已经不是完整的氨基酸，故将肽链中的每个氨基酸部分称为氨基酸残基（residue）。连接在Cα上的各氨基酸残基的R基团，称为多肽链的侧链。不同的R基团使多肽链折叠成独特的空间结构，并赋予多肽不同的理化性质和功能。

蛋白质是由许多氨基酸残基借肽键相互连接形成的多肽链。蛋白质的分子量比多肽大，但很难划出明确界限。通常把分子量在10kDa以上的称为蛋白质，10kDa以下的称为多肽。如实际应用中，常把由30个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽，而把含有51个氨基酸残基、分子量虽仅为5.7kDa的胰岛素也习惯地称为蛋白质。

多肽链有两端，有自由氨基的一端称氨基末端（amino-terminal）或N端，有自由羧基的一端称羧基末端（carboxyl-terminal）或C端。多肽链中氨基酸残基的排列顺序从N-端到C-端，因此通常N端写在多肽链的左侧，C端写在多肽链的右侧。

（二）生物活性肽

生物体内具有生物学活性的低分子肽，称为生物活性肽。它们在神经传导、代谢调节等生命活动中起着重要的作用。

1.谷胱甘肽（glutathione，GSH）

是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽（图2-6）。第一个肽键与众不同，由谷氨酸γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成。分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团，具有还原性，可作为体内重要的还原剂，保护体内蛋白质或酶免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。此外，GSH的巯基还具有嗜核特性，能与外源的致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物的损害。GSH可在谷胱甘肽过氧化物酶的催化下，氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG），后者在谷胱甘肽还原酶催化下，再生成GSH（图2-7）。

2.多肽类激素

体内有许多激素属于肽类物质，如催产素、促肾上腺皮质激素，促甲状腺激素等。促甲状腺素释放激素是一个特殊结构的三肽，N-末端的谷氨酸环化成为焦谷氨酸（pyroglutamic acid），C-端的脯氨酸残基酰化成为脯氨酰胺。促甲状腺素释放激素由下丘脑分泌，具有促进腺垂体分泌促甲状腺素的功能。

3.神经肽（neuropeptide）

这是一类在神经传导过程中起信号转导作用的肽。较早发现的有脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）和强啡肽（17肽）等。近年还发现孤啡肽（17肽），结构类似于强啡肽。神经肽与中枢神经系统产生痛觉抑制有关，因此可用于镇痛治疗。此外，神经肽还包括P物质（10肽）、神经肽Y等。