蛋白质分子中氨基酸的排列顺序

蛋白质_解析人体化学

第三节　蛋白质

人体细胞里最复杂的、变化最大的一类分子就是蛋白质，它存在于一切活细胞中。1839年德国化学家Mulder　G T给这类化合物起名叫做蛋白质（Protein），意思是“头等重要的”。所有的蛋白质都含C、N、O、H元素，大多数蛋白质还含S或P，或其他元素如Fe、Cu、Zn等。多数蛋白质的分子量范围在1．2万～100万之间。蛋白质是分子量很大的聚合物，水解时产生的单体叫氨基酸。氨基酸是构成蛋白质的基础。蛋白质的种类繁多，功能迥异，各种特殊功能是由蛋白质分子里氨基酸的顺序决定的。

1．蛋白质的化学组成

蛋白质主要由四种元素组成，它们分别是碳、氢、氧、氮这四种。蛋白质元素组成的最大特点是含有氮。有些蛋白质还含有硫、磷、铁等其他元素。上述这些元素按一定结构组成氨基酸。氨基酸是蛋白质的组成单位。自然界中的氨基酸有20多种，这20多种氨基酸以不同数目和不同顺序连接，构成种类繁多，千差万别的蛋白质，发挥它们各自不同的生理功能。蛋白质的分子大小可相差几千倍，但它们含氮的百分率相当恒定，各种蛋白质每100克中的氮含量都约是16克。这样，我们要测定某一种食物的蛋白质含量便可以首先测定其氮含量，再乘以6．25（100÷16＝6．25）即可得出该食物的蛋白质含量。

2．蛋白质的组成—氨基酸

＊代表必需氨基酸；精氨酸和组氨酸对儿童为必需氨基酸，但对成人却不是必需氨基酸。

最简单的肽由两个氨基酸组成，称为二肽。例如两个甘氨酸分子缩合成二肽，甘氨酰甘氨酸（符号为Gly－Gly）：

肽键中的氨基酸由于参与肽键的形成，已经不是原来完整的分子，因此称为氨基酸残基。含有三个、四个、五个等氨基酸残基的肽分别称为三肽、四肽、五肽等。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定的，通常从肽键的NH2末端氨基酸残基开始，称为某氨基酰某氨基酰……某氨基酸。

具有下列化学结构的五肽命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸，可用符号Ser－Gly－Tyr－Ala－Leu表示。

若由两种不同的氨基酸如甘氨酸和丙氨酸来进行缩合，则可能形成两种不同的二肽：

多个氨基酸失水形成的肽称多肽，多肽一般是链状化合物。若4种氨基酸（例如甘氨酸Gly，丙氨酸Ala，丝氨酸Ser和胱氨酸Cy）排列组合，可能的连结方式则有24种：

17种不同的氨基酸组合的不同方式可达到3．56×10¹⁴种。但目前在自然界中已发现的蛋白质种类比起这个数目来还差得很远。同样，由一组氨基酸按不同顺序组成的蛋白质种类的理论数目和实际存在于细胞中的种类数也相差甚远。这个现象说明只有某些氨基酸并按某几种顺序组合而成的蛋白质才与生命或生理活性有关。

3．蛋白质的结构

蛋白质结构一共可以分为有四级结构：

一级结构：组成多肽链的线性氨基酸序列。

二级结构：依靠不同肽键的C＝O和N－H基团形成的稳定结构。

三级结构：由一条多肽链的不同氨基酸侧链间的相互作用形成的稳定结构。

四级结构：由不同多肽链间相互作用形成具有多种功能的蛋白质分子。

氨基酸的顺序决定了蛋白质的功能，对它的生理活性也很重要，顺序中只要有一个氨基酸发生变化，整个蛋白质分子会被破坏。催产素（促进子宫肌肉收缩）、加压素（增加血压）、舒缓激肽（调节血压）和牛胰岛素的化学结构即一级结构。

蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。例如角蛋白中的多肽链，排列成卷曲形，称为α－螺旋。在这种结构里，氨基酸形成螺旋圈，肽键中与氮原子相联的氢，与附在沿链更远处的肽键中和碳原子相连的氧以氢键相结合。根据氨基酸的顺序，各种蛋白质都有其特异的二级结构，如下图所示。

蛋白质的三级结构是指球状蛋白质的立体结构。一般讲，球蛋白是一个折叠得非常紧密的球形，如下图：

图　纤维状蛋白质（二级结构）

4．蛋白质的分类

按照化学组成，蛋白质分子可以分成两大类：

（1）简单蛋白质　简单蛋白质只由氨基酸组成，不含任何其他物质，所以当简单蛋白质水解时，只生成氨基酸。例如，乳清蛋白、血清蛋白、免疫球蛋白、鱼精蛋白和谷类种子所含的米谷蛋白等。

（2）结合蛋白质　结合蛋白质是由简单蛋白质与另一物质结合而成。这另一物质叫做结合蛋白质的辅基。例如，血红蛋白就是由珠蛋白（一种简单蛋白质）与辅基血红素结合而成的。细胞中所含的核蛋白是由一种简单蛋白质与辅基核酸结合而成的；唾液中所含的粘蛋白是由一种简单蛋白质与辅基粘多糖结合而成的。

此外，还可以按蛋白质的功能将其分为活性蛋白质（如酶、激素蛋白质、运输和贮存蛋白质、运动蛋白质、受体蛋白质、膜蛋白质等）和非活性蛋白质（如胶原、角蛋白等）两大类。

表　蛋白质按溶解度分类

表　蛋白质按化学成分分类

5．蛋白质的性质

蛋白质是由多种不同的氨基酸互相结合而形成的高分子化合物。它的性质有：

（1）有些蛋白质能溶于水，由于蛋白质分子直径相对很大，已达到了胶体微粒的大小，形成胶体溶液，因此蛋白质溶液具有胶体的某些性质。

（2）两性　由于蛋白质分子中既有—NH₂又有—COOH，因此蛋白质既能与酸反应又能与碱反应。

（3）盐析　少量的盐如（NH₄）₂SO₄，Na₂SO₄等能促进蛋白质的溶解，但蛋白质在这些盐的浓溶液中由于溶解度的降低而析出，这叫做盐析。如再加水，则析出的蛋白质仍能溶解，且不影响原来蛋白质的性质。因此盐析属物理变化，是个可逆过程。利用盐析可分离、提纯蛋白质。

（4）变性　蛋白质在某种条件下发生结构和性质上的改变而凝结起来，这种凝结属化学变化是不可逆的，不能再使它们恢复成为原来的蛋白质，这种变化叫做变性。能使蛋白质变性的条件有加热，加酸、碱、重金属盐（如铜盐、铅盐、汞盐等）、甲醛，紫外线照射等。

（5）颜色反应　分子中有苯环的蛋白质跟浓硝酸作用时呈黄色。天然蛋白质中都含有苯环，因此可用颜色反应来检验蛋白质。

（6）灼烧　蛋白质中除了碳、氢、氧元素外，还含有氮、硫等元素，所以灼烧时具有烧焦羽毛的气味，也用于蛋白质的鉴别。

6．蛋白质的呈色反应

（1）茚三酮反应（Ninhydrin Reaction）

α－氨基酸与水化茚三酮（苯丙环三酮戊烃）作用时，产生蓝色反应，由于蛋白质是由许多α－氨基酸组成的，所以也呈此颜色反应。

（2）双缩脲反应（Biuret Reaction）

蛋白质在碱性溶液中与硫酸铜作用呈现紫红色，称双缩脲反应。凡分子中含有两个以上－CO－NH－键的化合物都呈此反应，蛋白质分子中氨基酸以肽键相连，因此，所有蛋白质都能与双缩脲试剂发生反应。

（3）米伦反应（Millon Reaction）

蛋白质溶液中加入米伦试剂（亚硝酸汞、硝酸汞及硝酸的混合液），蛋白质首先沉淀，加热则变为红色沉淀，此为酪氨酸的酚核所特有的反应，因此含有酪氨酸的蛋白质均呈米伦反应。

此外，蛋白质溶液还可与酚试剂、乙醛酸试剂、浓硝酸等发生颜色反应。

7．蛋白质的变性与凝结

蛋白质分子的表面上因为含有大量不同的极性基团，所以它们容易吸引水分子，使溶液中的蛋白质成为高度水化的分子。直接吸附在蛋白质分子表面的水分子结合得最牢固，称为结合水，其数量约为蛋白质的20%～50%，吸附在外层的水分子数量更多，但结合较松散。蛋白质的水化使它在溶液中有很高的稳定性，是典型的亲水胶体。

另一方面，蛋白质在多种条件下会发生胶凝作用，形成体积相当大的内部有很多空腔并包容着大量液体的软胶状物体。常见的例子如鸡蛋（整个或打开）受热时整体凝固，少量的蛋白质将大量的水分子包围在一起凝固，不能再流动。

蛋白质的凝固通常发生在变性作用之后。蛋白质在多种情况下会发生变性，加热和多种物理、化学或机械处理都可能使蛋白质发生变性，使蛋白质的分子结构变成松散的无定形结构，分子中的活性基团更多暴露，化学活性增强，较易发生各种化学反应和凝结作用。

蛋白质的凝结由于是在变性以后发生的，所有蛋白质在很多情况下会发生变性作用。热变性是最常见的，一般在60℃以上就相当快。强烈的机械搅拌、震荡、鼓泡，以及超声波、紫外线或放射性照射等，都会使蛋白质变性。较强的酸或碱，重金属如铅、铜的化合物亦使蛋白质变性；某些有机物如甲醛、乙醇、丙酮、三氯乙酸、尿素、洗涤剂、季铵盐等也有此作用。

蛋白质的变性作用主要是它的分子结构发生变化。天然蛋白质的分子结构紧密、按严格的规则排列，因此多种蛋白质可以形成结晶体。蛋白质变性以后，分子结构转变为松散的无定形结构，不能再结晶，并失去原有的生物活性；分子中各种活性基团比较暴露，化学活性增强，参加各种化学反应的能力增大，较易凝结析出。

蛋白质变性凝结后，和水结合的能力变化不大，并没有明显的脱水作用。众所周知，一只完整的鸡蛋加热凝结以后，原来可以流动的液态物质整体变成了固态，并没有一点水被“脱”出来。而且相反，占比例不大的蛋白质分子把很大量的液体牢固地包藏在凝结物之内。

蛋白质凝结物的体积相当庞大，重量只约为糖汁的1%的凝结蛋白质在沉淀以后可占到10%以上的体积。如果蛋白质被脱水，例如加入酒精，所生成的沉淀物的体积是很小的。

8．酶

人类对生物催化作用的初步的认识，从酿酒、造醋、制酱、发面时起。不过当时并不知道有酶这类生物催化剂。进入19世纪后期，人们已积累了不少关于酶的知识，认识到酶来自生物细胞。进入20世纪，不仅发现了很多酶，而且酶的提取、分离、提纯等技术有了很大的发展，并注意到有不少酶在作用中需要低分子量的物质（辅酶）参与，对酶的本质进行了深入的研究。1926年第一次成功地从刀豆中提取了脲酶的结晶，并证明每种结晶具有蛋白质的化学本质，它能催化尿素分解为NH3和CO₂。而后，相继分离出许多酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）的晶体。科学实验证明了酶的化学组成同蛋白质一样，也是由氨基酸组成的，它们都具有蛋白质的化学本性。至今，人们已鉴定出2000种以上的酶，其中有200多种已得到了结晶。

酶是由生物细胞产生的，以蛋白质为主要成分的，具有催化活性的一类生物催化剂。

（1）酶的分类

国际酶学委员会（I．E．C）规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类：

①氧化还原酶类（oxidoreductases）指催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如，乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。

②转移酶类（transferases）指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。

③水解酶类（hydrolases）指催化底物发生水解反应的酶类。例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。

④裂解酶类（lyases）指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。

⑤异构酶类（isomerases）指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。

⑥合成酶类（连接酶类，ligases）指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸：tRNA连接酶等。

（2）酶的命名

习惯命名法

①一般采用底物加反应类型而命名，如蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。

②对水解酶类，只要底物名称即可，如蔗糖酶、胆碱酯酶、蛋白酶等。

③有时在底物名称前冠以酶的来源，如血清谷氨酸－丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶等。

习惯命名法简单，应用历史长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的现象。

系统命名法

鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱，国际酶学委员会规定了一套系统的命名法，使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号。例如对催化下列反应酶的命名。

ATP＋D—→─葡萄糖ADP＋D—葡萄糖－6－磷酸

该酶的正式系统命名是：ATP：葡萄糖磷酸转移酶，表示该酶催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类数字是：E，C，2，7，1，1。E、C代表按国际酶学委员会规定的命名，第一个数字（2）代表酶的分类名称（转移酶类），第二个数字（7）代表亚类（磷酸转移酶类），第三个数字（1）代表亚亚类（以羟基作为受体的磷酸转移酶类），第4个数字（1）代表该酶在亚－亚类中的排号（D葡萄糖作为磷酸基的受体）。

（3）酶催化作用的特点

酶具有催化作用，有很多特点，最主要的是：

①酶是由生物细胞产生的，其主要成分是蛋白质，因而对周围环境的变化比较敏感，若遇到高温、强酸、强碱、重金属离子、配位体或紫外线照射等因素的影响时，易失去它的催化活性。

②酶催化反应都是在比较温和的条件下进行的。例如在人体中的各种酶促反应，一般是在体温（37℃）和血液pH约为7的情况下进行的。

③酶具有高度的专一性，即某一种酶仅对某一类物质甚至只对某一种物质的给定反应起催化作用，生成一定的产物。如脲酶只能催化尿素水解生成NH₃和CO₂，而对尿素的衍生物和其他物质都不具有催化水解的作用，也不能使尿素发生其他反应。酶的这种专一性通常可用酶分子的几何构型给予解释。如麦芽糖酶是一种只能催化麦芽糖水解为两分子葡萄糖的催化剂，这是由于麦芽糖酶的活性部位（即反应发生的位置）能准确地结合一个麦芽糖分子，当两者相遇时，使两个单糖单位相连接的链合变弱，其结果是水分子进入并发生水解反应。麦芽糖酶不能使蔗糖水解，使蔗糖水解的是蔗糖酶。早年提出“一把钥匙开一把锁”的酶催化锁钥模型如下图所示。

这是一个过于简单化的比喻，但它说明了一个重要的问题，通过减少开始这项工作所需要的能量，酶使得这项困难的工作变容易了。就像钥匙只能适合于特殊钥匙孔的形状一样，酶在活性部位具有只允许对某些分子起作用的特殊的结构。

酶催化剂锁钥模型

近年来的研究结果表明，把酶和底物看成刚性分子是不完善的，实际上它们的柔性使二者可以相互识别，相互适应而结合。

④酶促反应所需要的活化能低，而且催化效率非常高。例如，H2O₂分解为H2O和O₂所需的活化能是75．3kJ·mol^－1；用胶态铂作催化剂活化能降为49kJ·mol^－1；当用过氧化氢酶催化时的活化能仅需8kJ·mol^－1左右，并且H2O₂分解的效率可提高10⁹倍！

从酶的化学组成来看，可分成单纯酶和结合酶两大类。单纯酶的分子组成全为蛋白质，不含非蛋白质的小分子物质。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等都属单纯酶。结合酶的分子组成除蛋白质外，还含有热稳定的非蛋白质小分子物质，这种非蛋白质部分叫做辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合后所形成的复合物或配合物叫做全酶。辅助因子是这类酶起催化作用的必要条件，缺少了它们，酶的催化作用即行消失，酶蛋白、辅助因子各自单独存在时都无催化作用。酶的辅助因子可以是金属离子（如Cu（Ⅱ），Zn（Ⅱ），Fe（Ⅲ），Mg（Ⅱ），Mn（Ⅱ）等）的配合物（如血红素、叶绿素等），也可以是复杂有机化合物。

人体对食物的消化、吸收，通过食物获取能量，以及生物体内复杂的代谢过程都包含许多化学反应，必须有各种不同的酶参与作用。这些专一性的酶组成一系列酶的催化体系，维持生物体内各种代谢过程有规律的进行。

新陈代谢简称代谢。广义的代谢泛指生物活体与外界不断交换物质的过程，包括从体外吸取养料和物质在体内的变化。狭义的代谢指物质在细胞中的合成和分解过程，一般称中间代谢。合成代谢一般是将简单物质变成复杂物质，而分解代谢则是将复杂物质变为简单物质。代谢过程是生命现象的基本特征。糖、脂肪和蛋白质的合成途径各有不同，但它们的分解途径的共同点是，氧化成CO₂和H₂O。

生物体是通过物质的氧化获得能量的，但物质氧化时所产生的能量一般不能直接被利用。机体利用能量的方式是将生物氧化系统释放的能量，以高能键的形式先贮存在生物体内的ATP中（ATP是核苷酸－三磷酸腺苷英文名称的缩写，其分子是由1分子腺嘌呤，1分子核糖和3分子磷酸连接而成），当需要时再释放出来供各种生理活动和生化反应使用。

生物氧化过程，即由各种有机物（食物来源）在酶的作用下，氧化生成CO₂和H₂O，并释放出能量的过程。

由于酶的催化作用，生物氧化得以在比较温和的条件下及有水的环境中进行，并且能量可以逐步释放。

通过食物氧化得到的能量主要用于合成ATP。然后在适当的催化剂存在时，ATP将经历三步水解，其提供的能量可用来引起其他化学反应。各种生物活动，如核酸、蛋白质的生物合成、糖、脂肪、药物等物质的代谢，以及细胞内外物质的转运等等，都有ATP参与。ATP被称为生物体内的能量使者。

对大多数细胞代谢过程的酶已经有了较多的了解。目前酶学研究中的新领域包括：酶合成的遗传控制与遗传病、许多酶系统的自我调节性质、生长发育及分化中酶的作用与肿瘤及衰老的关系、细胞相互识别过程中酶的作用等等。

9．蛋白质对人体的作用和营养价值

蛋白质是构成人体的重要组成成分，是生命的基础。血液、肌肉、神经、皮肤、毛发、各种酶类、激素、抗体等等都是由蛋白质构成，没有蛋白质，生命便不复存在，因此蛋白质是最重要的营养素之一。

蛋白质对人体有极其重要的作用，可以归纳为以下几点：

（1）蛋白质是人体的主要组成成分　人体的各组织、器官是由细胞组成的，而细胞的主要成分就是蛋白质，因此蛋白质是生命的基础。

（2）形成新组织　小儿正处于不断生长发育阶段，新组织不断增长，需要蛋白质作为原料合成更多的新细胞、新组织，满足体内各器官的生长。例如小儿的肌肉、骨骼、神经组织发育非常快，需要较多的蛋白质作为原料，如果蛋白质供给太少，小儿的肌肉就会松弛、消瘦，骨骼生长缓慢，还会出现贫血、水肿，甚至导致智力障碍。

（3）修补身体组织　人体各部分的组织，在不断地进行新陈代谢，需要蛋白质来修补。

（4）增强抵抗力　身体内一些具有特殊功能的物质如各种酶、激素及抵抗疾病的免疫物质，主要是由蛋白质组成的。因此缺少蛋白质时，机体的功能衰退，抵抗力降低。

（5）蛋白质　还可以供给热量，每克蛋白质能产生16千焦（约4千卡）热量。

10．蛋白质的供给量和来源

（1）蛋白质的供给量

蛋白质的供给量主要与膳食蛋白质的质量有关。如果蛋白质主要来自奶、蛋等食品，则成年人不分男女均为每日每公斤体重0．75克。中国膳食以植物性食物为主，蛋白质质量较差，供给量需要定为每日每公斤体重1．0～1．2克。蛋白质供给量也可用占总能量摄入的百分比来表示。在能量摄入得到满足的情况下，由蛋白质提供的能量对于成年人应占总能量的10%～12%，生长发育中的青少年则应占14%。

（2）蛋白质的来源

食物中蛋白质来源主要是动物性食物和植物性食物。动物性食物蛋白质含量高、质量好，如奶、蛋、鱼、瘦肉等。植物性食物主要是谷类和豆类。大豆含有丰富的优质蛋白质。谷类是我们的主食，蛋白质含量居中（约10%），是我国人民膳食蛋白质的主要来源。蔬菜水果等食品蛋白质含量很低，在蛋白质营养中作用很小。