怎样在短时间内减肥-利脑心片
第三章
氨基酸
提要
α
-
氨基酸是蛋白质的构件分子，当用酸、碱或蛋白酶水解蛋白质时可获
得它们。
蛋白质 中的氨基酸都是
L
型的。
但碱水解得到的氨基酸是
D
型
和< br>L
型的消旋混合物。
参与蛋白质组成的基本氨基酸只有
20
种。此外还有若干种氨基酸在某
些蛋白质中存在，但它们都是在蛋白质生物合成后由相应是基本氨基酸< br>（残基）经化学修饰而成。除参与蛋白质组成的氨基酸外，还有很多种
其他氨基酸存在与各种组织 和细胞中，有的是
β
-
、γ
-
或
δ
-
氨基 酸，有些
是
D
型氨基酸。
氨基酸是两性电解质。当
pH< br>接近
1
时，氨基酸的可解离基团全部质子
化，当
pH
在
13
左右时，则全部去质子化。在这中间的某一
pH
（因不
同氨基酸而异）
，氨基酸以等电的兼性离子（
H3N+CHRCOO-
）状态存
在。某一氨基 酸处于净电荷为零的兼性离子状态时的介质
pH
称为该氨
基酸的等电点，用
p I
表示。
所有的
α
-
氨基酸都能与茚三酮发生颜色反应。 α
-NH2
与
2,4-
二硝基氟苯
（
DNFB
）作 用产生相应的
DNP-
氨基酸（
Sanger
反应）
；α
- NH2
与苯乙
硫氰酸酯
（
PITC
）
作用形成相应氨基酸的 苯胺基硫甲酰衍生物
（
Edman
反应）
。胱氨酸中的二硫键可用 氧化剂（如过甲酸）或还原剂（如巯基
乙醇）断裂。半胱氨酸的
SH
基在空气中氧化则 成二硫键。这几个反应
在氨基酸荷蛋白质化学中占有重要地位。
除甘氨酸外
α
-
氨基酸的
α
-
碳是一个手性碳原子，
因此
α< br>-
氨基酸具有光学
活性。比旋是
α
-
氨 基酸的物理常数之一，它是鉴别各种氨基酸的一种根
据。
参与蛋白质组成的氨基酸中 色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸在紫外区有光吸
收，这是紫外吸收法定量蛋白质的依据。核磁共振（
NMR
）波谱技术在
氨基酸和蛋白质的化学表征方面起重要作用。
氨基酸分 析分离方法主要是基于氨基酸的酸碱性质和极性大小。常用方
法有离子交换柱层析、高效液相层析（HPLC
）等。
习题
1.
写出下列氨基酸的单字母 和三字母的缩写符号：精氨酸、天冬氨酸、
谷氨酰氨、谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸。
[
见表
3-1]
表
3-1
氨基酸的简写符号
名称
三字母符号
单字母符号
名称
三字母符
号
单字母符号
丙氨酸
(alanine)
Ala
A
亮氨酸
(leucine)
Leu
L
精氨酸
(arginine)
Arg
R
赖氨酸
(lysine)
Lys
K
天
冬
酰
氨
(asparagines)
Asn
N
甲
硫
氨
酸
(
蛋
氨
酸
)(methionine)
Met
M
天
冬
氨
酸
(aspartic
acid)
Asp
D
苯
丙
氨
酸
(phenylalanine)
Phe
F
Asn
和
/
或
Asp
Asx
B
半胱氨酸
(cysteine)
Cys
C
脯氨酸
(praline)
Pro
P
谷氨酰氨
(glutamine)
Gln
Q
丝氨酸
(serine)
Ser
S
谷
氨
酸
(glutamic
acid)
Glu
E
苏
氨
酸
(threonine)
Thr
T
Gln
和
/
或
Glu
Gls
Z
甘
氨
酸
(glycine)
Gly
G
色
氨
酸
(tryptophan)
Trp
W
组氨酸
(histidine)
His
H
酪氨酸
(tyrosine)
Tyr
Y
异亮氨酸
(isoleucine)
Ile
I
缬氨酸
(valine)
Val
V
2
、计算赖氨酸的
εα
-NH3+20%
被解离 时的溶液
PH
。
[9.9]
解：
pH = pKa + lg20%
pKa = 10.53 (
见表
3-3
，
P133)
pH = 10.53 + lg20% = 9.83
3
、计算谷氨酸的
γ
-COOH
三分之二被解离时的溶液
pH
。
[4.6]
解：
pH = pKa + lg2/3%
pKa = 4.25
pH = 4.25 + 0.176 = 4.426
4
、
计算下列物质
0.3mol/L
溶液的
pH
：
(a)
亮氨酸盐酸盐；
(b)
亮氨酸钠盐；
(c)
等电亮氨酸。< br>[(a)
约
1.46,(b)
约
11.5, (c)
约
6.05]
5
、根据表
3-3
中氨基 酸的
pKa
值，计算下列氨基酸的
pI
值：丙氨酸、
半胱氨酸、谷氨 酸和精氨酸。
[pI:6.02;5.02;3.22;10.76]
解：
pI = 1/2
（
pKa1+ pKa2
）
pI(Ala) = 1/2
（
2.34+9.69
）
= 6.02
pI(Cys) = 1/2
（
1.71+10.78
）
= 5.02
pI(Glu) = 1/2
（
2.19+4.25
）
= 3.22
pI(Ala) = 1/2
（
9.04+12.48
）
= 10.76
6< br>、向
1L1mol/L
的处于等电点的甘氨酸溶液加入
0.3molHCl，问所得溶
液的
pH
是多少？如果加入
0.3mol NaOH
以代替
HCl
时，
pH
将是多少？
[pH
：
2.7 1
；
9.23]
7
、将丙氨酸溶液（
400ml
）调节到
pH8.0
，然后向该溶液中加入过量的
甲醛，当所得溶液用碱反滴定至< br>Ph8.0
时，消耗
0.2mol/L
NaOH
溶液
250 ml
。问起始溶液中丙氨酸的含量为多少克？
[4.45g]
8
、计算
0.25mol/L
的组氨酸溶液在
pH6.4
时各种离子形式的浓度
（
mol/L
）
。
[His2+
为
1.78×10
-4
，
His+
为
0.071
，
His0
为
2.8×10
-4]
9
、说明用含一个结晶水的固体组氨酸盐 酸盐（相对分子质量
=209.6
；咪
唑基
pKa=6.0
）和1mol/L KOH
配制
1LpH6.5
的
0.2mol/L
组氨酸盐缓冲
液的方法
[
取组氨酸盐酸盐
41.92g(0.2mol)，加入
352ml 1mol/L KOH
，用
水稀释至
1L]
10
、为什么氨基酸的茚三酮反映液能用测压法定量氨基酸？
解 ：茚三酮在弱酸性溶液中与
α
-
氨基酸共热，引起氨基酸氧化脱氨脱羧
反映，
（其反应化学式见
P139
）
，其中，定量释放的
CO2
可用测压法测
量，从而计算出参加反应的氨基酸量。
11
、
L-
亮氨酸溶液（
3.0g/50ml
6mol/L
HCl
）在
20cm
旋光管中测得的旋
光度 为+1.81?。
计算
L-
亮氨酸在
6mol/L HCl
中的比旋
（
[a]
）
。
[[a]=+15.1?]
12
、标出异亮氨酸的
4
个光学异构体的
（
R
，
S
）
构型名称。
[
参考图
3-15]
13< br>、
甘氨酸在溶剂
A
中的溶解度为在溶剂
B
中的
4倍，
苯丙氨酸在溶剂
A
中的溶解度为溶剂
B
中的两倍。
利用在溶剂
A
和
B
之间的逆流分溶方
法将甘氨酸和苯丙氨酸分开。< br>在起始溶液中甘氨酸含量为
100mg
，
苯丙
氨酸为
81mg
，试回答下列问题：
(1)
利用由
4
个分溶管组成的逆流分溶
系统时，甘氨酸和苯丙氨酸各在哪一号分溶管中含 量最高？（
2
）在这
样的管中每种氨基酸各为多少毫克？
[
（
1
）
第
4
管和第
3
管；
（
2
）
51.2mg
Gly+24mg Phe
和
38.4mgGly+36mg Phe]
解：根据逆流分溶原理，可得：
对于
Gly
：
Kd = CA/CB = 4 = q(
动相
)/p
（静相）
p+q = 1 = (1/5 + 4/5)
4
个分溶管分溶
3
次：
（
1/5 + 4/5
）
3=1/125+2/125+48/125+64/125
对于
Phe
：
Kd = CA/CB = 2 = q(
动相
)/p
（静相）
p+q = 1 = (1/3 + 2/3)
4
个分溶管分溶
3
次：
（
1/3 + 2/3
）
3=1/27+6/27+12/27+8/27
故利用
4
个分溶管组成的分溶系统中，甘氨酸和苯丙氨酸各在
4
管和第
3
管中含量最 高，其中：
第
4
管：
Gly
：64/125×100=51.2 mg
Phe
：8/27×81=24 mg
第
3
管：
Gly
：48/125×10
0=38.4 mg
Phe
：12/27×81=36 mg
14
、指出 在正丁醇：醋酸：水的系统中进行纸层析时，下列混合物中氨
基酸的相对迁移率
（假定水相的< br>pH
为
4.5
）
：
(1)Ile, Lys; (2)Phe, Ser (3)Ala,
Val, Leu; (4)Pro, Val (5)Glu, Asp; (6)Tyr, Ala, Ser, His.
[Ile> lys
；
Phe,> Ser
；
Leu> Val > Ala,
；
Val >Pro
；
Glu>Asp
；
Tyr> Ala>Ser
≌
His]
解：根据
P151
图
3-25
可得结果。
15
．将含有天冬氨酸
(pI=2.98)
、甘氨酸
(pI=5.97)
、亮氨酸
(pI= 6.53)
和赖氨
酸
(pI=5.98)
的柠檬酸缓冲液，加到预先同样缓冲 液平衡过的强阳离交换
树脂中，随后用爱缓冲液析脱此柱，并分别收集洗出液，这
5
种 氨基酸
将按什么次序洗脱下来？
[Asp, Thr, Gly, Leu, Lys] 解：
在
pH3
左右，
氨基酸与阳离子交换树脂之间的静电吸引的大小次序
是减刑氨基酸
(A2+)>
中性氨基酸
(A+)>
酸性氨基酸
(A0)
。
因此氨基酸的洗
出顺序大体上是酸性氨基酸、中性氨基酸，最后是碱性氨 基酸，由于氨
基酸和树脂之间还存在疏水相互作用，
所以其洗脱顺序为：
Asp, Thr, Gly,
Leu, Lys
。
第四章
蛋白质的共价结构
提要
蛋白质分子是由一条或多条肽链构成的生物大分子。多肽链是由氨基 酸
通过肽键共价连接而成的，各种多肽链都有自己特定的氨基酸序列。蛋
白质的相对分子质量介 于
6000
到
1000000
或更高。
蛋白质分为两大类 ：单纯蛋白质和缀合蛋白质。根据分子形状可分为纤
维状蛋白质、球状蛋白质和膜蛋白质。此外还可按蛋 白质的生物学功能
分类。
为了表示蛋白质结构的不同组织层次，经常使用一级结构、 二级结构、
三级结构和四级结构这样一些专门术语。一级结构就是共价主链的氨基
酸序列，有时 也称化学结构。二、三和四级结构又称空间结构（即三维
结构）或高级结构。
蛋白质 的生物功能决定于它的高级结构，高级结构是由一级结构即氨基
酸序列决定的，
二氨基酸序列是 由遗传物质
DNA
的核苷酸序列规定的。
肽键（
CO
—< br>NH
）是连接多肽链主链中氨基酸残缺的共价键，二硫键是
使多肽链之间交联或使多肽链 成环的共价键。
多肽链或蛋白质当发生部分水解时，可形成长短不一的肽段。除部分水
解可以产生小肽之外，生物界还存在许多游离的小肽，如谷胱甘肽等。
小肽晶体的熔点都很高，这说明 短肽的晶体是离子晶格、在水溶液中也
是以偶极离子存在的。
测定蛋白质一级结构的 策略是：
（
1
）
测定蛋白质分子中多肽链数目；
（
2
）
拆分蛋白质分子的多肽链；
（
3
）断开多肽链内的二硫桥；
（< br>4
）分析每一
多肽链的氨基酸组成；
（
5
）鉴定多肽链的N-
末端和
C-
末端残基；
（
6
）
断裂多肽链成较小的肽段，并将它们分离开来；
（
7
）测定各肽段的氨基酸序列；
（
8
）利用重叠肽重建完整多肽链的一级结构；
（
9< br>）确定半胱氨
酸残基形成的
S-S
交联桥的位臵。
序列分析 中的重要方法和技术有：
测定
N-
末端基的苯异硫氰酸酯
（
PITC
）
法，分析
C-
末端基的羧肽酶法，用于多肽链局部断裂的酶裂解和
CNBr
化学裂解，断裂二硫桥的巯基乙醇处理，测定肽段氨基酸序列的
Edman
化 学降解和电喷射串联质谱技术，重建多肽链一级序列的重叠肽拼凑法
以及用于二硫桥定位的对角线电泳等 。
在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质称同源蛋白质。同源蛋白
质具有明显 的序列相似性
(
称序列同源
),
两个物种的同源蛋白质，其序列
间的 氨基酸差异数目与这些物种间的系统发生差异是成比例的。并根据
同源蛋白质的氨基酸序列资料建立起进 化树。同源蛋白质具有共同的进
化起源。
在生物体内有些蛋白质常以前体形试合成， 只有按一定方式裂解除去部
分肽链之后才出现生物活性，这一现象称蛋白质的激活。血液凝固是涉
及氨基酸序列断裂的一系列酶原被激活的结果，酶促激活的级联放大，
使血凝块迅速形成成为可能。凝 血酶原和血清蛋白原是两个最重要的血
凝因子。血纤蛋白蛋白原在凝血酶的作用下转变为血清蛋白凝块（ 血块
的主要成分）
。
我国在
20
世纪
60
年代首次在世界上人工合成了蛋白质——结晶牛胰岛
素。近二、三十年发展起来的固相肽合成是控制合 成技术上的一个巨大
进步，它对分子生物学和基因工程也就具有重要影响和意义。至今利用
Merrifield
固相肽合成仪已成功地合成了许多肽和蛋白质。
习题
1.
如果一个相对分子质量为
12000
的蛋白质，含
10
种氨基酸，并假设每
种氨基酸在该蛋白质分子中的数目相等，问这种 蛋白质有多少种可能的
排列顺序？
[10100]
解：
1012000/120=10100
2
、有一个
A
肽，
经酸解分析得知为
Lys
、
His
、
Asp
、
Glu2
、
Ala
以及
Val
、
Tyr
忽然两个
NH3
分子组成。
当
A
肽与< br>FDNB
试剂反应后得
DNP-Asp
；
当用羧肽酶处理后得游离缬氨 酸。
如果我们在实验中将
A
肽用胰蛋白酶
降解时，得到两种肽，其中一种（< br>Lys
、
Asp
、
Glu
、
Ala
、
Tyr
）在
pH6.4
时，
净电荷为零，
另一种
（
His
、
Glu
以及
Val
）
可给除
DNP-H is
，
在
pH6.4
时，带正电荷。此外，
A
肽用糜蛋白酶 降解时，也得到两种肽，其中一
种（
Asp
、
Ala
、
Ty r
）在
pH6.4
时全中性，另一种（
Lys
、
His、
Glu2
以及
Val
）
在
pH6.4
时带
正
电
荷
。
问
A
肽
的
氨基
酸
序
列
如
何
？
[Asn-Ala-Tyr- Glu-Lys-His-Gln-Val]
解：
1
、
N-
末端分 析：
FDNB
法得：
Asp-
；
2
、
C-
末端分析：羧肽酶法得：
-Val
；
3
、胰蛋白酶只断裂赖氨酸或精氨酸残基的羧基形成的肽键，得到的
是以
Arg
和
Lys
为
C-
末端残基的肽断。酸水 解使
Asn→Asp+ NH4+，由
已知条件
（
Lys
、
Asp
、
Glu
、
Ala
、
Tyr
）
可得 ：
Asn-( )-( )-( )-Lys-( )-( )-Val
；
4
、
FDNB
法分析
N-
末端得
DNP-His< br>，酸水解使
Gln→Glu+NH4+由
已知条件（
His
、
Glu
、
Val
）可得：
Asn-( )-( )-( )-Lys- His-Gln-Val
；
5
、糜蛋白酶断裂< br>Phe
、
Trp
和
Tyr
等疏水氨基酸残基的羧基端肽键。< br>由题，得到的一条肽（
Asp
、
Ala
、
Tyr
）结 合（
3
）
、
（
4
）可得该肽的氨基
酸序列为：Asn-Ala-Tyr-Glu-Lys-His-Gln-Val
3
、< br>某
多
肽
的
氨
基
酸
序
列
如< br>下
：
Glu-Val-Lys-Asn-Cys-Phe-Arg-Trp-Asp- Leu-Gly-Ser-Leu-Glu-
Ala-Thr-Cys-Arg-His-Met- Asp-Gln-Cys-Tyr-Pro-Gly-Glu_Glu-Lys
。
（
1
）如用
胰蛋白酶处理，此多肽将产生几个肽？并解释原因（假设没有二硫键存
在）；
（
2
）在
pH7.5
时，此多肽的净电荷是多少单位？说明理 由（假设
pKa
值：α
-COOH4.0
；α
-
NH3+ 6.0
；
Glu
和
Asp
侧链基
4.0
；
Lys
和
Arg
侧链基
11.0
；
His
侧链基< br>7.5
；
Cys
侧链基
9.0
；
Tyr
侧链 基
11.0
）
；
（
3
）如
何判断此多肽是否含有二 硫键？假如有二硫键存在，
请设计实验确定
5
，
17
和
23
位上的
Cys
哪两个参与形成？
[
（
1
）
4
个肽；
（
2
）
-2.5
单位；
（
3）
如果多肽中无二硫键存在，经胰蛋白酶水解后应得
4
个肽段；如果存在
一个二硫键应得
3
个肽段并且个肽段所带电荷不同，因此可用离子交换
层析、电泳等方 法将肽段分开，鉴定出含二硫键的肽段，测定其氨基酸
顺序，便可确定二硫键的位臵
]
4
、
今有一个七肽，
经分析它的氨基酸组成是：
Lys< br>、
Pro
、
Arg
、
Phe
、
Ala
、
Tyr
和
Ser
。此肽未经糜蛋白酶处理时，与
FDNB
反应不产生
α
-DNP-
氨
基酸。经糜蛋白酶作用后 ，此肽断裂城两个肽段，其氨基酸组成分别为
Ala
、
Tyr
、
Se r
和
Pro
、
Phe
、
Lys
、
Arg< br>。这两个肽段分别与
FDNB
反应，
可分别产生
DNP- Ser
和
DNP-Lys
。
此肽与胰蛋白酶反应能生成两个肽段，
它 们的氨基酸组成分别是
Arg
、
Pro
和
Phe
、
Tyr
、
Lys
、
Ser
、
Ala
。试问此
七
肽
的
一
级
结
构
怎
样
？
[
它
是
一
个
环
肽
，
序
列
为
：
-Phe-Ser-Ala-Tyr-Lys-Pro-Arg-]
解：（
1
）此肽未经糜蛋白酶处理时，与
FDNB
反应不产生
α-DNP-
氨基
酸，说明此肽不含游离末端
NH2
，即此肽为一环肽；< br>
（
2
）
糜蛋白酶断裂
Phe、
Trp
和
Tyr
等疏水氨基酸残基的羧基端肽键，
由已知两肽 段氨基酸组成（
Ala
、
Tyr
、
Ser
和
Pro
、
Phe
、
Lys
、
Arg
）可得：
-( )-( )-Tyr-
和
-( )-( )-( )-Phe-
；
（
3
）由（
2
）得的两肽段分别与
FDNB
反应，分别产生
DNP-Ser
和
DNP-Lys
可知该 两肽段的
N-
末端分别为
-Ser-
和
-Lys-
，结合（
2
）可得：
-Ser-Ala-Tyr-
和
-Lys-( )-( )-Phe-
；
（
4
）胰蛋白酶专一断 裂
Arg
或
Lys
残基的羧基参与形成的肽键，由
题生成的两肽段氨 基酸组成（
Arg
、
Pro
和
Phe
、
Tyr、
Lys
、
Ser
、
Ala
）可
得：
-Pro-Arg-
和
-( )-( )-( )-( )-Lys
；
综合
（
2
）、
（
3
）
、
（
4
）
可得此肽一级结构 为：
-Lys-Pro-Arg-Phe-Ser-Ala-Tyr-
5
、
三肽
Lys- Lys- Lys
的
pI
值必 定大于它的任何一个个别基团的
pKa
值，
这种说法是否正确？为什么？
[< br>正确，
因为此三肽处于等电点时，
七解离
集团所处的状态是
C-
末端
COO-
（
pKa=3.0
）
，
N
末端NH2
（
pKa
≌
8.0
）
，
3
个侧链
3
（1/3ε
- NH3+
）
（
pKa=10.53
）
(pKa=10.53),
因此
pI>
最大的
pKa
值（
10.53
）
]
6
、一
个
多
肽
可
还
原
为
两
个肽
段
，
它
们
的
序
列
如
下：
链
1
为
Ala-Cys-Phe-Pro-Lys-Arg-Trp- Cys-Arg- Arg-
Val- Cys
；
链
2
为
Cys-Tyr-Cys-Phe-Cys
。
当用嗜热菌蛋白酶消化原多肽
（具
有完整的二硫键）时可用下列各肽：
（< br>1
）
（
Ala
、
Cys2
、
Val
）
；
（
2
）
（
Arg
、
Lys
、
Phe
、
Pro
）
；
（
3
）
(A rg2
、
Cys2
、
Trp
、
Tyr)
；
（
4
）
(Cys2
、
Phe)
。试指
出在该天然多 肽中二硫键的位臵。
（结构如下图）
S-S
Ala-Cys-Phe-Pro-Lys-Arg- Trp-Cys-Arg-Arg-Val_Cys
S
S
Cys-Tyr-Cys-Phe-Cys
解：嗜热菌蛋白酶作用专一性较差，根据题中已知条件：
（
1
）消化原多肽得到（
Ala
、
Cys2
、
Va l
）
，说明链
1
在
2
位
Cys
后及11
位
Val
前发生断裂，
2
位
Cys
与12
位
Cys
之间有二硫键；
（
2
）由链
1
序列可得该肽段序列为：
-Phe-Pro- Lys-Arg-
；
（
3
）由（
1
）
（
2
）可知该肽段
(Arg2
、
Cys2< br>、
Trp
、
Tyr)
中必有一
Cys
< br>来自链
2
，另一
Cys
为链
1
中
8
位
Cys
，即链
1
中
8
位
Cys
与链2
中的一
个
Cys
有二硫键；
（
4
）嗜热菌蛋白酶能水解
Tyr
、
Phe
等疏水氨基酸残基，故此肽（
Cys2
、
Phe
）来自链
2
，结合（
3
）中含< br>Tyr
，可知（
3
）中形成的二硫键为链
1 8
位
C ys
与链
2
中
3
位
Cys
与链
2
中
3
位
Cys
之间；
（
4
）中（
Cys2
、
Phe
）
说明链
2
中
1
位
Cy s
与
5
位
Cys
中有二硫键。
综合（
1
）
、
（
2
）
、
（
3
）
、
（
4
）可得结果。
7
、一个十肽的氨基酸分析表明其水解液中存在下列产物：
NH4+
Asp
Glu
Tyr
Arg
Met
Pro
Lys
Ser
Phe
并观察下列事实：
（
1
）用羧肽酶
A
和
B
处理该十肽无效；
（
2
）胰蛋白酶
处理产生两各四肽 和游离的
Lys
；
（
3
）梭菌蛋白酶处理产生一个四肽和
一 个六肽；
（
4
）溴化氢处理产生一个八肽和一个二肽，用单字母符号表
示其序 列位
NP
；
（
5
）胰凝乳蛋白酶处理产生两个三肽和一个四肽，N-
末端的胰凝乳蛋白酶水解肽段在中性
pH
时携带
-1
净电荷 ，在
pH12
时
携带
-3
净电荷；
（
6
） 一轮
Edman
降解给出下面的
PTH
衍生物：
（图略）
写 出该十肽的氨基酸序列。
[Ser-Glu-Tyr-Arg-Lys-Lys-Phe-Met- Asn-Pro]
解：
（
1
）用羧肽酶
A
和
B< br>处理十肽无效说明该十肽
C-
末端残基为
-Pro
；
（
2
）
胰蛋白酶专一断裂
Lys
或
Arg
残基的羧基参与形成的肽键，
该十
肽在胰蛋白酶处理后产生了两个四肽 和有利的
Lys
，
说明十肽中含
Lys-
…
或
-A rg-
…
-Lys-Lys-
…或
-Arg-Lys-
…
- Lys-
…Arg
-Lys-
…四种可能的肽段，且
水 解位臵在
4
与
5
、
5
与
6
或
4< br>与
5
、
8
与
9
、
9
与
10
之间；
（
3
）
梭菌蛋白酶专一裂 解
Arg
残基的羧基端肽键，
处理该十肽后，
产
生一个四肽和一个六 肽，则可知该十肽第四位为
-Arg-
；
（
4
）溴化氰只断裂由
Met
残基的羧基参加形成的肽键，处理该十肽
后产生 一个八肽和一个二肽，说明该十肽第八位或第二位为
-Met-
；
用单
字母表 示二肽为
NP
，即
-Asn- Pro-
，故该十肽第八位为
-Met-
；
（
5
）胰凝乳蛋白酶断裂
Phe
、
Trp
和
Ty r
等疏水氨基酸残基的羧基端
肽键，处理该十肽后，产生两个三肽和一个四肽，说明该十肽第三 位、
第六位或第七位为
Trp
或
Phe
；
（
6
）一轮
Edman
降解分析
N-
末 端，根据其反应规律，可得
N-
末端
氨
基
酸
残
疾< br>结
构
式
为
：
-NH- CH(-CH2OH)-C(=O)-
，
还
原
为
-NH- CH(-CH2OH)-COOH-
，可知此为
Ser
；
结合（
1
）
、
（
2
）
、
（
3
）
、
（
4
）
、
（
5
）
、
（
6
）可知该十肽的氨基酸序列为：
Ser- Glu-Tyr-Arg-Lys-Lys-Phe-Met-Asn-Pro
8
、一个四肽，经胰蛋白酶水解得两个片段，一个片段在
280nm
附近有
强的光吸收， 并且
Pauly
反应和坂口反应（检测胍基的）呈阳性。另一
片段用溴化氰处理释放出 一个与茚三酮反应呈黄色的氨基酸。写出此四
肽的氨基酸序列。
[YRMP]
解：胰 蛋白酶酶专一水解
Lys
和
Arg
残基的羧基参与形成的肽键，故该
四肽中含
Lys
或
Arg
；
一肽段在
280nm
附 近有强光吸收且
Pauly
反应和坂
口反应（检测胍基的）呈阳性，说明该肽段含Tyr
和
Arg
；溴化氰专一
断裂
Met
残基的羧基参加形成的肽键，又因生成了与茚三酮反应呈黄色
的
氨
基
酸
，
故
该
肽
段
为
-Met-Pro-
；< br>所
以
该
四
肽
的
氨
基
酸
组< br>成
为
Tyr-Arg-Met- Pro
，即
YRMP
。
9
蜂毒明肽（
apamin
）是存在蜜蜂毒液中的一个十八肽，其序列为
CNVRAPETALCARRCO OH
，已知蜂毒明肽形成二硫键，不与碘乙酸发
生反应，
（
1
）问此 肽中存在多少个二硫键？（
2
）请设计确定这些（个）
二硫键位臵的策略。
[
（
1
）
两个；
（
2
）
二硫键的 位臵可能是
1-3
和
11-15
或
1-11
和
3- 15
或
1-15
和
3-11
，第一种情况，用胰蛋白酶断裂将产生两 个肽加
Arg
；第二种情
况和第三种，将产生一个肽加
Arg
，通过 二硫键部分氧化可以把后两种
情况区别开来。
]
10
、叙述用
Mernfield
固相化学方法合成二肽
Lys- Ala
。如果你打算向
Lys- Ala
加入一个亮氨酸残基使成三肽，
可能会掉进什么样的“陷坑”？
第五章
蛋白质的三维结构
提要
每一种蛋白质至少都有一种构像在生理条 件下是稳定的，并具有生物活
性，这种构像称为蛋白质的天然构像。研究蛋白质构像的主要方法是
X
射线晶体结构分析。此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核
磁共振和重氢交换等 被用于研究溶液中的蛋白质构像。
稳定蛋白质构像的作用有氢键、范德华力、疏水相互作用和 离子键。此
外二硫键在稳定某些蛋白质的构像种也起重要作用。
多肽链折叠成特定的 构像受到空间上的许多限制。就其主链而言，由于
肽链是由多个相邻的肽平面构成的，
主链上只 有
α
-
碳的二平面角
Φ
和
Ψ
能自由旋转，但也受到 很大限制。某些
Φ
和
Ψ
值是立体化学所允许的，
其他值则不被允许。 并因此提出了拉氏构像，它表明蛋白质主链构象在
图上所占的位臵是很有限的（
7.7%-20 .3%
）
。
蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复性结构称为二级结构。 最常见
的二级结构元件有
α
螺旋、β
转角等。α
螺旋是蛋白质中最典 型、含量
最丰富的二级结构。α
螺旋结构中每个肽平面上的羰氧和酰氨氢都参与
氢键的 形成，因此这种构象是相当稳定的。氢键大体上与螺旋轴平行，
每圈螺旋占
3.6
个氨 基酸残基，
每个残基绕轴旋转
100°，
螺距为
0.54nm
。α
-
角蛋白是毛、发、甲、蹄中的纤维状蛋白质，它几乎完全由
α
螺旋构
成的多肽链构成。β
折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折（锯齿）形式，
肽链之间或一条肽链的肽段之间借助氢键彼此连接成片状结构，故称为
β
折叠片，每条 肽链或肽段称为
β
折叠股或
β
股。肽链的走向可以有平
行和反平行两 种形式。平行折叠片构象的伸展程度略小于反平行折叠
片，它们的重复周期分别为
0.65nm
和
0.70nm
。大多数
β
折叠股和
β
折
叠片都有右手扭曲的倾向，以缓解侧链之间的空间应力（
steric strain
）
。
蚕丝心蛋白几乎完全由扭曲的反平行
β
折叠片构成。胶原蛋白是动物结
缔 组织中最丰富的结构蛋白，有若干原胶原分子组成。原胶原是一种右
手超螺旋结构，称三股螺旋。弹性蛋 白是结缔组织中另一主要的结构蛋
白质。
蛋白质按其外形和溶解度可分为纤维状蛋白 质、球状蛋白质和膜蛋白。
α
-
角蛋白、丝心蛋白（β
-
角蛋白）< br>、教员蛋白和弹性蛋白是不溶性纤维状
蛋白质；肌球蛋白和原肌球蛋白是可溶性纤维状蛋白质，是 肌纤维中最
丰富的蛋白质。球状蛋白质是一类可溶性的功能蛋白，如酶、抗体、转
运蛋白、蛋白 质激素等，膜蛋白是一类与膜结构和功能紧密相关的蛋白
质，它们又可分为膜内在蛋白质、脂锚定蛋白质 以及膜周边蛋白质。
蛋白质结构一般被分为
4
个组织层次（折叠层次），一级、二级、三级
和四级结构。细分时可在二、三级和四级结构。细分时可在二、三级之
间增加超二级结构和结构域两个层次。超二级结构是指在一级序列上相
邻的二级结构在三维折叠中彼此靠 近并相互作用形成的组合体。超二级
结构有
3
中基本形式：αα（螺旋束）
、 βαβ（如
Rossman
折叠）
、ββ（β
曲
折和希腊钥匙拓扑结 构）
。结构域是在二级结构和超二级结构的基础上
形成并相对独立的三级 结构局部折叠区。结构域常常也就是功能域。结
构域的基本类型有：全平行
α
螺旋结构 域、平行或混合型
β
折叠片结构
域、反平行
β
折叠片结构域和富含金 属或二硫键结构域等
4
类。
球状蛋白质可根据它们的结构分为全
α
-
结构蛋白质、α、β
-
结构蛋白质、
全
β
-结构蛋白质和富含金属或二硫键蛋白质等。
球状蛋白质有些是单亚
基的，称单体蛋白质，有 些是多亚基的，称寡聚或多聚蛋白质。亚基一
般是一条多胎链。亚基（包括单体蛋白质）的总三维结构称 三级结构。
球状蛋白质种类很多，结构也很复杂，各有自己独特的三维结构。但球
状蛋白质分子 仍有某些共同的结构特征：①一种分子可含多种二级结构
元件，②具有明显的折叠层次，③紧密折叠成球 状或椭球状结构，④疏
水测链埋藏在分子内部，亲水基团暴露在分子表面，⑤分子表面往往有
一 个空穴（活性部位）
。
蛋白质受到某些物理或化学因素作用时，引起生物活性丢失， 溶解度降
低以及其他的物理化学常数的改变，这种现象称为蛋白质变性。变性实
质是非共价键破 裂，天然构象解体，但共价键未遭破裂。有些变性是可
逆的。蛋白质变性和复性实验表明，一级结构规定 它的三维结构。蛋白
质的生物学功能是蛋白质天然构象所具有的性质。天然构象是在生理条
件下 热力学上最稳定的即自由能最低的三维结构。
蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低构 象的。折叠动力学研究
表明，多肽链折叠过程中存在熔球态的中间体，并有异构酶和伴侣蛋白
质 等参加。
寡聚蛋白是由两个或多个亚基通过非共价相互作用缔合而成的聚集体。
缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构，它涉及亚级在聚集体中
的空间排列（ 对称性）以及亚基之间的接触位点（结构互补）和作用力
（非共价相互作用的类型）
。
习题
1.
（
1
）计算一个含有
78
个氨 基酸的
α
螺旋的轴长。
（
2
）此多肽的
α
螺
旋完全伸展时多长？
[11.7nm
；
28.08nm]
解：
（
1
）α
螺旋中每个残基绕轴旋转
100°，沿轴上升
0.15nm< br>，故该
α
螺旋的轴长为：
78×0.15nm=11.7nm
(2) α
螺旋每圈螺旋占
3.6
个氨基酸残基，
故该< br>α
螺旋圈数为：
78÷3.6
圈；
α
螺旋的直径约为
0.5nm
，故每圈轴长为
0.5πnm。完全伸展的
α
螺旋长
度约 为：0.5π×（78÷3.6）≌
34.01nm
。
2.某一蛋白质的多肽链除一些区段为
α
螺旋构想外，其他区段均为
β
折叠片构象。该蛋白质相对分子质量为
240000
，多肽链外姓的长度为
5.06 ×10
-5cm
。试计算：α
螺旋占该多肽链的百分数。
（假设
β< br>折叠构象
中每氨基酸残疾的长度为
0.35nm
）
[59%]
解：一般来讲氨基酸的平均分子量为
120Da
，此蛋白质的分子量为
240000 Da
，所以氨基酸残基数为
240000÷120=2000
个。设有
X个氨基
酸残基呈
α
螺旋结构，则：
X?0.15+（
2000-X
）×0.35=5.06×10
-
5×107=506nm
< br>解之得
X=970
，α
螺旋的长度为
970×0.15=145.5， 故
α
-
螺旋占该蛋白质
分子的百分比为：
145.5/536×100
%=29%
3.
虽然在真空中氢键 键能约为
20kj/mol
，但在折叠的蛋白质中它对蛋白
质的桅顶焓贡献却要小得多 （
<5kj/mol
）
。试解释这种差别的原因。
[
在
伸展 的蛋白质中大多数氢键的共体和接纳体都与水形成氢键。折旧时氢
键能量对稳定焓贡献小的原因。
]
4.
多聚甘氨酸是一个简单的多肽，能形成一个具有
φ=
-
80°ψ=+120°的
螺旋，根据拉氏构象图（图
5-13
）
，描 述该螺旋的（
a
）手性；
（
b
）每圈
的碱基数。
[
（
a
）左手；
（
b
）
3.0]
解：据
P206
图
5-13
拉氏构象图，
=φ< br>-
80°ψ=+120°时可知该螺旋为左
手性，每圈残基数为
3.0
。
5.α
螺旋的稳定性不仅取决于肽链间的氢键形成，
而且还取 决于肽链的氨
基酸侧链的性质。试预测在室温下的溶液中下列多聚氨基酸那些种将形
成
α
螺旋，那些种形成其他的有规则的结构，那些种不能形成有规则的
结构？并说明理由。
（
1
）
多聚亮氨酸，
pH=7.0
；
（
2
）
多聚异亮氨酸，
pH=7.0
；
（
3
）
多聚精 氨酸，
pH=7.0
；
（
4
）
多聚精氨酸，
pH= 13
；
（
5
）
多聚谷氨酸，
pH=1.5
；
（
6
）多聚苏氨酸，
pH=7.0
；
（
7
）多聚 脯氨酸，
pH=7.0
；
[
（
1
）
（
4< br>）和（
5
）能形成
α
螺旋；
（
2
）
（
3
）和（
6
）不能形成有规则的结构；
（
7
）有 规则，但不是
α
螺旋
]
6.
多 聚甘氨酸的右手或左手
α
螺旋中哪一个比较稳定？为什么？
[
因为
甘 氨酸是在
α
-
碳原子上呈对称的特殊氨基酸，因此可以预料多聚甘氨酸
的左右 手
α
螺旋（他们是对映体）在能量上是相当的，因而也是同等稳
定的。
]
7.
考虑一个小的含
101
残基的蛋白质。该蛋白质将有
200
个可旋转的键。
并假设对每个键
φ
和
ψ
有亮个定向。 问：
（
a
）这个蛋白质可能有多种随
机构象（
W
）？（b
）根据（
a
）的答案计算在当使
1mol
该蛋白质折叠成只有一种构想的结构时构想熵的变化（ΔS
折叠）
；
（
c
）如果 蛋白质完全
折叠成由
H
键作为稳定焓的唯一来源的
α
螺旋，
并且每
mol H
键对焓的
贡献为
-5kj/mol
，试计算
ΔH
折叠；
（
d
）根据逆的（
b
）和（
c
）的答案，
计算
25
℃时蛋白质的
ΔG
折叠。该蛋白质的折叠形式 在
25
℃时是否稳
定？
[
（
a
）W=2 200=1.61×1060；
（
b
）ΔS
折叠
=1.15
kj/
（K?mol）
（
c
）ΔH
折
叠
100× （
-5 kj/mol
）
=-500 kj/mol
；注意，这里我们没有考 虑在螺旋末
端处某些氢键不能形成这一事实，但考虑与否差别很小。
（
d
）Δ G
折叠
=-157.3 kj/mol.
由于在
25
℃时
Δ G
折叠
<0
，
因此折叠的蛋白质是稳定的。
]
8.
两个多肽链
A
和
B
，有着相似的三级结构。但是在正常情况下< br>A
是以
单体相识存在的，而
B
是以四聚体（
B4
）形 式存在的，问
A
和
B
的氨
基酸组成可能有什么差别。
[在亚基
-
亚基相互作用中疏水相互作用经常
起主要作用，参 与四聚体
B4
的亚基
-
亚基相互作用的表面可能比单体
A
的 对应表面具有较多的疏水残基。
]
9.
下面的序列是一个球状蛋白质的一 部分。利用表
5-6
中的数据和
Chou-Faman
的
经
验
规
则
，
预
测
此
区
域
的
二
级
结
构
。
RRPVVLMAACLRPVVFITYGDGGTY YHWYH
[
残基
4-11
是一个
α
螺旋，残基
14-19
和
24-30
是
β
折叠片。残基
20-23很可能形成
β
转角
]
10.
从热力学考虑，
完全暴露在水环境中和完全埋藏在蛋白质分子非极性
内部的两种多肽片段，
哪一种更容易形成
α
螺旋？为什么？
[
埋藏在蛋白
质的非极性内部时更容易形成
α
螺旋。因为在水环境中多肽对稳定焓
（ΔH
折叠）的贡献要小些。
]
11.
一种酶相对分子质量为
300000
，在酸性环境中可解理 成两个不同组
分，其中一个组分的相对分子质量为
100000
，另一个为
5 0000
。大的组
分占总蛋白质的三分之二，具有催化活性。用
β
-
巯基乙醇（能还原二硫
桥）处理时，大的失去催化能力，并且它的沉降速度减小，但沉降图案
上 只呈现一个峰（参见第
7
章）
。关于该酶的结构作出什么结论？
[
此 酶
含
4
个亚基，两个无活性亚基的相对分子质量为
50000
，两个 催化亚基
的相对分子质量为
100000
，每个催化亚基是由两条无活性的多肽链（相
对分子质量为
50000
）组成。彼此间由二硫键交联在一起。
]
12.
今有一种植物的毒素蛋白，
直接用
SDS
凝胶电泳分析
（见第
7
章）
时，
它的区带位于肌红蛋白（相对分子 质量为
16900
）和
β
-
乳球蛋白（相对
分子质量
37100
）良种蛋白之间，当这个毒素蛋白用
β
-
巯基乙醇和碘乙
酸处理后，
在
SDS
凝胶电泳中仍得到一条区带，
但其位臵靠近标记蛋白< br>细胞素
（相对分子质量为
13370
）
，
进一步实验表明，< br>该毒素蛋白与
FDNB
反应并酸水解后，
释放出游离的
DNP- Gly
和
DNP-Tyr
。
关于此蛋白的结
构，
你能做出什 么结论？
[
该毒素蛋白由两条不同的多肽链通过链间二硫
键交联而成，每条多肽链的相 对分子质量各在
13000
左右。
]
13.
一种蛋白质 是由相同亚基组成的四聚体。
（
a
）对该分子说出来年各种
可能的对称性。< br>稳定缔合的是哪种类型的相互作用
（同种或异种）
？
（
b
）< br>假设四聚体，如血红蛋白，是由两个相同的单位（每个单位含
α
和
β
两
种链）组成的。问它的最高对称性是什么？
[
（
a
）
C4< br>和
D2
，
C4
是通过
异种相互作用缔合在一起，
D2
是通过同种相互作用缔合在一起，
（
b
）
C2
因为每个αβ
二聚体是一个不对称的原聚体
]
14.
证明一个多阶段 装配过程比一个单阶段装配过程更容易控制蛋白质
的质量。考虑一个多聚体酶复合物的合成，此复合物含
6
个相同的二聚
体，每个二聚体由一个多肽
A
和一个
B组成，多肽
A
和
B
的长度分别
为
300
个和< br>700
个氨基酸残基。假设从氨基酸合成多肽链，多肽链组成
二聚体，再从二聚体聚集成 多聚体酶，在这一建造过程中每次操作的错
误频率为
10-8
，
假设氨基酸序列没有错误的话，
多肽的折叠总是正确的，
并假设在每一装配阶段剔除有 缺陷的亚结构效率为
100%
，试比较在下
列情况下有缺陷复合物的频率：
（
1
）
该复合物以一条
6000
个氨基酸连续
的多肽链一步合 成，链内含有
6
个多肽
A
和
6
个多肽
B
。
（
2
）该复合物
分
3
个阶段形成：第一阶段，多肽
A
和
B
的合成；第二阶段，
AB
二聚
体的形成；第三阶段，
6
个
AB
二聚体装配成复合物。
[
（
1
）有缺陷复合物的平均频率是
6000×10
-
8=6×10
-5]
[
（
2
）由于有缺陷的二聚体可被剔除，因此有缺陷复合物的平均率只是最后阶段的操作次数（
5
此操作装配
6
个亚基）乘以错误频率，即：5×10
-8
。因此它比一步合成所产生的缺陷频率约低
1000
倍。< br>]
第六章
蛋白质结构与功能的关系
提要
肌红蛋白（
Mb
）和血红蛋白（
Hb
）是脊椎动物中的载氧蛋白质。肌红
蛋白便于氧在肌肉中转运，并 作为氧的可逆性贮库。而血红蛋白是血液
中的氧载体。这些蛋白质含有一个结合得很紧的血红素辅基。它 是一个
取代的卟啉，在其中央有一个铁原子。亚铁（
Fe2+
）态的血红素能结合氧，但高铁（
+3
）态的不能结合氧。红血素中的铁原子还能结合其他小
分子如< br>CO
、
NO
等。
肌红蛋白是一个单一的多肽链，含
153
个残基，外形紧凑。
Mb
内部几
乎都是非极性残基。多肽链中约
75%
是
α
螺旋，共分八个螺旋段。一个
亚铁血红素即位于疏水的空穴内， 它可以保护铁不被氧化成高铁。血红
素铁离子直接与一个
His
侧链的氮原子结合。此 近侧
His
（
H8
）占据
5
个配位位臵。第
6个配位位臵是
O2
的结合部位。在此附近的远侧
His
（
E7< br>）降低在氧结合部位上
CO
的结合，并抑制血红素氧化或高铁态。
氧 与
Mb
结合是可逆的。对单体蛋白质如
Mb
来说，被配体（如）
O2
占
据的结合部位的分数是配体浓度的双曲线函数，如
Mb
的氧集合曲线。
血红蛋白由
4
个亚基（多肽链）组成，每个亚基都有一个血红素基。
Hb < br>A
是成人中主要的血红蛋白，
具有
α2β2
的亚基结构。
四聚 体血红蛋白中
出现了单体血红蛋白所不具有的新性质，
Hb
除运载氧外还能转运
H+
和
CO2
。血红蛋白以两种可以相互转化的构象态存在，称
T
（紧张）和
R
（松弛）态。
T
态是通过几个盐桥稳定的。无氧结合时达到最稳 定。氧
的结合促进
T
态转变为
R
态。
氧与血红蛋 白的结合是别构结合行为的一个典型例证。
T
态和
R
态之间
的构象变 化是由亚基
-
亚基相互作用所介导的，
它导致血红蛋白出现别构
现象。
Hb
呈现
3
种别构效应。第一，血红蛋白的氧结合曲线是
S
形的，
这以为着氧的结合是协同性的。氧与一个血红素结合有助于氧与同一分
子中的其他血红素结合。 第二，
H+
和
CO2
促进
O2
从血红蛋白中释放，
这是生理上的一个重要效应，它提高
O2
在代谢活跃的组织如肌肉的释
放。相反的，< br>O2
促进
H+
和
CO2
在肺泡毛细血管中的释放。
H +
、
CO2
和
O2
的结合之间的别构联系称为
Bohr效应。第三，血红蛋白对
O2
的
亲和力还受
2
、
3-< br>二磷酸甘油酸（
BPG
）调节，
BPG
是一个负电荷密度
很高 的小分子。
BPG
能与去氧血红蛋白结合，
但不能与氧合血红蛋白结
合。因此，
BPG
是降低血红蛋白对氧的亲和力的。
胎儿血红蛋白
（α2β2 ）
比成年人的血红蛋白
（α2β2）
有较高 的氧亲和力，
就是因为它结合
BPG
较少。
导致一个蛋白质中氨基 酸改变的基因突变能产生所谓分子病，这是一种
遗传病。了解最清楚的分子病是镰刀状细胞贫血病。这种 病人的步正常
血红蛋白称为
Hb S
，
它只是在两条
β
链第 六位臵上的
Glu
倍臵换乘
Val
。
这一改变 在血红蛋白表面上产生一个疏水小区，因而导致血红蛋白聚集
成不溶性的纤维束，并引起红细胞镰刀状化 和输氧能力降低。纯合子的
病人出现慢性贫血而死亡。地中海贫血是由于缺失一个或多个编码血红
蛋白链的基因造成的。
棉衣反映是由特化的白细胞——淋巴细胞和巨噬细胞及其相关的蛋白
质之间的相互作用介导的。
T
淋巴细胞产生
T
细胞受体，
B
淋巴细胞产
生免疫球蛋白，即抗体。所有的细胞都能产生
MHC
蛋白，它们在 细胞
表面展示宿主（自我）肽或抗原（非自我）肽。助
T
细胞诱导那些产生
免 疫球蛋白的
B
细胞和产生
T
细胞受体的胞毒
T
细胞
增殖。免疫球蛋
白或
T
细胞受体能与特异的抗原结合。
一个特定的祖 先细胞通过刺激繁
殖，产生一个具有同样免疫能力的细胞群的过程称为克隆选择。
人 类具有
5
个类别的免疫球蛋白，每一类别的生物学功能都是不同的。
最丰富的是
IgG
类，它由
4
条多肽链组成，两条重链，两条轻链，通过
二硫键连接成
Y
形结构的分子。
靠近
Y
的两“臂”顶端的结构域是多变
区 ，形成来年各个抗原结合部位。一个给顶的免疫球蛋白一般只结合一
个大抗原分子的一部分，称为表位。 结合经常涉及
IgG
的构象变化，以
便域抗原诱导契合。由于抗体容易制取并具有高度 特异性，它成为许多
分析和制备生化方法的核心，如酶联免疫吸附测定（
ELISA
）
、
Western
印迹和单克隆抗体技术等都得到广泛应用。
在发 动机蛋白质中蛋白质
-
配体相互作用上空间和时间的组织达到相当
完善的程度。肌肉收 缩是由于肌球蛋白和肌动蛋白“精心安排”的相互
作用的结果。肌球蛋白是由纤维状的尾和球状的头组成 的棒状分子，在
肌肉中倍组织成粗丝。
G-
肌动蛋白是一种单体 ，
由它聚集成纤维状的
F-
肌动蛋白，后者是细丝的主体。由粗丝和细丝构成肌肉收缩 单位——肌
节。
肌球蛋白上的
ATP
水解与肌球蛋白头片的系列构象变化相偶 联，
引
起肌球蛋白头从
F-
肌动蛋白亚基上解离并与细丝前方的另 一
F-
肌动蛋
白亚基再结合。因此肌球蛋白沿肌动蛋白细丝滑动。肌肉收缩受从肌质< br>网释放的
Ga2+
刺激。
Ga2+
与肌钙蛋白结合导致肌钙蛋白
-
原肌球蛋白复
合体的构象变化，引发肌动蛋白
-
肌球蛋白
0相互作用的循环发生。
习题
1.
蛋白质
A
和
B
各有一个配体
X
的结合部位，前者的解离常数
Kd
为< br>10-6mol/L
。
（
a
）哪个蛋白质对配体
X
的 亲和力更高？（
b
）将这两个蛋
白质的
Kd
转换为结合常数
Ka
。
[
（
a
）蛋白质
B
；
（
b
）蛋白质
A
的
Ka=106(mol/L)-1
，蛋白质
B
的
Ka=10-9(mol/L)-1
2.
下列变化对肌红蛋白 和血红蛋白的
O2
亲和力有什么影响？（
a
）血浆
的
pH< br>从
7.4
降到
7.2
；
（
b
）肺中
CO2
分压从
45torr
（屏息）降到
15torr
（正常）；
（
c
）
BPG
水平从
4.5mmol/L
（ 海平面）增至
7.5mmol
（高空）
。
[
对肌红蛋白：
（
a
）无；
（
b
）无；
（
c
）无。对血红蛋 白：
（
a
）降低；
（
b
）
增加；
（
c
）降低
]
3.
在
37
℃，
pH7 .4
，
CO2
分压
40
torr
和
BPG
正常胜利水平（
4.5mmol/L
血）条件下，人全血的氧结合测定给出下列数据：
p
（
O2
）
%
饱和度（=100×Y）
10.6
10
19.5
30
27.4
50
37.5
70
50.4
85
77.3
96
92.3
98
（
a
）
根据这些数据，
绘制氧结合曲线；
估算在
（< br>1
）
100torr p
（
O2
）
(
肺中< br>)
和（
2
）
30 torr p
（
O2
）
（静脉血中）下血的氧百分饱和度。
（
b
）
肺中
[100 torr p
（
O2
）
]
结合的氧有百分之多少输送给组织
[30
torr p
（
O2
）
]
？
（
c
）
如果在毛细血管中
pH
降到
7.0
，
利用图
6-17
数据重新估算
（
b
）
部分。
[
（
a
）
（1
）
98%
，
（
2
）
58%
；
（
b
）约
40%
；
（
c
）约
50%]
解：
（
a
）图略，从图中克知分别为
98%
和
58 %
；
（
b
）
98%-58%=4 0%
，故约
40%
；
（
c
）当
pH
降到
7.0
时，据图
6-17
可知：
9 6%-46%=50%
。
4.
如果已知
P50
和
n
，可利用方程（
6-15
）
Y/
（
1-Y）
=[ p
（
O2
）
/ P50]n
计算
Y
（血红蛋白氧分数饱和度）
。设
P50=26 t orr
，
n=2.8
，计算肺（这
里
p
（
O2）
=100 torr
）中的
Y
和毛细血管（这里
p
（
O2
）
=40 torr
）中的
Y
。在这些条件下输氧效率 （
Y
肺
-Y
毛细血管=ΔY）是多少？除
n=1.0
外，重复上面计算。比较
n=2.8
和
n=1.0
时的< br>ΔY
值。并说出协同氧结
合对血红蛋白输氧效率的影响。
[n=2.8
时，
Y
肺
=0.98
，
Y
毛细血管
=0.77，
所以，
ΔY=0.21，
n=1.0
时，
Y
肺
=0.79
，
Y
毛细血管
=0.61
，
所以，
Δ Y=0.18，
两
ΔY
之差
0.21-0.18=0.03
，
差值似乎不大，
但在代谢活跃的组织中
p
（
O2
）
<40 torr
，因此潜在输氧效率不小，参见图
6-15]
解：
Y
肺< br>/
（
1-Y
肺）
=[100/26]2.8
Y
肺
=0.98
Y
毛
/
（
1-Y
毛）
=[40/26]2.8
Y
毛
=0.77
ΔY=0.98
-0.77=0.21
当
n=1.0
时，同理，
Y
肺
=0.79
Y
毛
=0.61
ΔY=0.18
5.< br>如果不采取措施，
贮存相当时间的血，
2.3-BPG
的含量会下降。
如果这
样的血用于输血可能会产生什么后果？
[
贮存过时的红血球经酵解途径
代谢
BPG
。
BPG
浓度下降，
Hb
对
O2
的亲和力增加，致使不能给组织
供氧。接受这种
BPG
浓度低的输血，病人可能被窒 息。
]
能抑制
HbS
形成细长纤维和红细胞在脱氧后的 镰刀状化。
为什么
HbA
具有这一效应？
[
去氧
HbA含有一个互补部位，因而它能加到去氧
HbS
纤维上。这样的纤维不能继续延长，因为末端 的去氧
HbA
分子缺
少“粘性”区。
]
7.
一 个单克隆抗体与
G-
肌动蛋白结合但不与
F-
肌动蛋白结合，
这对于 抗
体识别抗原表位能告诉你什么？
[
该表位可能是当
G-
肌动蛋白聚 合成
F-
肌动蛋白时被埋藏的那部分结构。
]
8
．
假
设
一
个
Fab-
半
抗
原
复
合
体
的
解
离
常数
在
25℃
和
pH7
时
为
5×10
-7mol/L
。< br>（
a
）结合的标准自由能（
25
℃和
pH7
时）是多 少？（
b
）
此
Fab
的亲和力结合常数是多少？
（
c
）
从该复合体中释放半抗原的速度
常数为
120S-1
。结合的速 度常数是多少？此说明在结合半抗原时抗体中
的结构变化是大还是小？
（
[
a
）
ΔG0ˊ
=35.9kj/mol
；
（
b
）Ka=2×106mol
-1L
；
（
c
）结合速度常数
k=2×108mol
-1S-1L
，此值接近于小分子与蛋白质相
遇（结合）的扩散 控制限制（
108
至
109mol-1S-1L
）
]
< br>9.
抗原与抗体的结合方式与血红蛋白的氧结合相似。假设抗原是一价，
抗体是
n
价，即
6
抗体分子有
n
个结合部位，且各结合部位的结合常数Ka
值是相同的，则可证明当游离抗原浓度为
[L]
时，结合到抗体上的抗
原浓度
[Lp]
与抗体的总浓度
[Pr]
之比值，
N=[Lp]/ [Pr]=(nKa [L])/(1+Ka [L])
N
实际上表示被一个抗体分子结合的抗原分子平均数。
（
a
）证明上面的方程可重排为
N /[L]=Kan-Ka N
此方程式称
Scatchard
方程，方程表明，
N/[L]
对
N< br>作图将是一条直线。
（
b
）根据
Scatchard
方程，利用下列数据作图求出抗体
-
抗原反应的
n
和
Ka
值。
[L] mol/L
N
1.43×10
-5
0.5
2.57×10
-5
0.77
6.00×10
-5
1.20
1.68×10
-4
1.68
3.70×10
-4
1.85
[
（
a
）第一个方程两边各乘（
1+Ka [L]
）
，然后两边各除以
[L]
，并重排第
2
个方程；
（
b）根据第二方程，
N/[L]
对
N
作图的斜率是
-Ka
，
N/[L]=0
时的截距给出
n
。利用数据作图得
Ka =2.2×10
-4 mol/L
，
n=2.1
。因为结
合部位数目 只可能是整数，所以
n=2]
10.
一个典型的松弛肌节中细丝长约2μm，粗丝长约为
1.5μm。
（
a
）
估算在松弛和收缩时粗丝和细丝的重叠情况。
（
b
）
一次循环中肌球蛋白沿细 丝滑行“一步”移动约
7.5nm
，问
一次收缩中每个肌动蛋白纤维需要进行多少个步 ？
[
（
a
）约
0.75nm
，
（
b
）约
67
步
]
解：
（
a
）根据P281
图
6-35A
所示，
当松弛是重叠总长度为：
（
1+1
）
-
（
3-1.5
）=0.5μm
0.5/2=0.25μm
当收缩时重叠总长度为：（
1+1
）
-
（
2-1.5
）=1.5μm
1.5/2=0.75μm
（
b
）（
3-2
）÷2×103÷7.5≌
67
步
第七章
蛋白质的分离、纯化和表征
提要
蛋白质也是一种两性电解质。它的酸碱性质主要决定于肽链上可解离的
R
基团。对某些蛋白质说，在某一
pH
下它所带的正电荷与负电荷 相等，
即净电荷为零，此
pH
称为蛋白质的等电点。各种蛋白质都有自己特定
的等电点。在等电点以上的
pH
时蛋白质分子带净负电荷，在等电点以
下的
p H
时带净正电荷。蛋白质处于等电点时溶解度最小。在无盐类干
扰情况下，一种蛋白质的质子供 体基团解离出来的质子数与质子受体基
团结合的质子数相等时的
pH
是它的真正等电点 ，称为等离子点，它是
该蛋白质的特征常数。
测定蛋白质相对分子质量（
M r
）的最重要的方法是利用超速离心机的沉
降速度法和沉降平衡法。
沉降系数
（
s
）
的定义是单位离心场强度的沉降
速度。
s
也常用来近 似地描述生物大分子的大小。凝胶过滤是一种简便
的测定蛋白质
Mr
的方法。
SDS-
聚丙乙酰胺凝胶电泳
（
PAEG
）
用于测定
单体蛋 白质或亚基的
Mr
。
蛋白质溶液是亲水胶体系统。
蛋白质分子颗粒
（直径
1
～
100nm
）
是系统
的分散相，水是分 散介质。蛋白质分子颗粒周围的双电层和水化层是稳
定蛋白质胶体系统的主要因素。
分离蛋白质混合物的各种方法主要根据蛋白质在溶液中的下列性质：
（
1
）分子大小；
（
2
）溶解度；
（
3
）电荷；
（
4
）吸附性质；
（
5
）对配体分
子特异的生物学亲和力。透析和超过滤是利用 蛋白质不能通过半透膜的
性质使蛋白质分子和小分子分开，常用于浓缩和脱盐。密度梯度离心和
凝胶过滤层析都已成功地用于分离蛋白质混合物。等电点沉淀、盐析和
有机溶剂分级分离等方法常用于蛋 白质分离的头几步。移动界面电泳、
各种形式的区带电泳，特别是圆盘凝胶电泳、毛细血管电泳以及等电 聚
焦具有很高的分辨率。
纤维素离子交换剂和
Sephadex
离子交换剂的离子
交换柱层析已广泛地用于蛋白质的分离纯化。
HPLC
和亲 和层析法是十
分有效的分离纯化方法。
蛋白质制品的纯度鉴定通常采用分辨率高的物 理化学方法，
例如
PAGE
、
等电聚焦、毛细血管电泳、沉降分析和
HPLC
等。如果制品是纯的，在
这些分析的图谱上只呈现一个峰或一条带。必须指出，任何单 独鉴定只
能认为是蛋白质分子均医性的必要条件而不是充分条件。
习题
< br>1.
测得一种血红素蛋白质含
0.426%
铁，计算最低相对分子质量。一种纯
酶按重量计算含亮氨酸
1.65%
和异亮氨酸的分子质量都是
2.48%，
问其最
低相对分子质量是多少？
[13110
；
15870]
解：
（
1
）蛋白质
MV
=55.8÷0.426%=131 00
（
2
）
亮氨酸和异亮氨酸的分子质量 都是
131Da
，
根据两种氨基酸的含
量来看，异亮氨酸：亮氨酸
= 2.48%
：
1.65%=3
：
2
，所以在此蛋白质中的
亮 氨酸至少有两个，异亮氨酸至少有三个，那么：1.65%=2×（
131-18
）
÷ 蛋白质
MV
蛋白质
MV=14581Da
。
2.
超速离心机的转速为
58000r/min
时，
（< br>1
）
计算角速度
ω，
以
rad/s
表示；
（
2
）计算距旋转中心
6.2cm
处的离心加速度
a
；
（
3
）此离心加速度相当
于重力加速度“g”的多少倍？
[
（
1
）ω=60
70.7rad/s
（
2< br>）a=2.284×108cm/s2；
（
3
）
a=233061g]
解：
（
1
）ω=58000×2π/60=6070.7rad/s
（
2
）
a=
（
6070.7
）2×6.2=2.285×108cm/s2
（
3
）2.285×108/9.8=23316326
3.
一种蛋白质的偏微比容为
0.707cm2/g,
当温度校正为
20< br>℃，溶剂校正为
水时扩散系数
（
D20.W
）
为
13 .1×10
-7cm2/s.
沉降系数
（
S20.W
）
为< br>2.05S
。
20
℃时水的密度为
0.998g/
cm3,
根据斯维德贝格公式计算该蛋白质的相
对分子质量。
[13000]
解
：
Mr=(RTs)/[D(1-
υρ)]=8.314×
（273+20
）
×2.05/[13.1×10
-7
（
1-0.707×0.998）
]=13000
4.
一个层析柱中负顶相体积（Vs
）为流动相体积（
Vm
）的
1/5
。假设某
化合物 的分配系数，
（
a
）
Kd=1
；
（
b
）< br>Kd=50
。计算该化合物的有效分配
系数（
Keff
）
，也 称容量因子（
capacity
）
。
[
（
a
）Keff=0.2
；
(b)Keff=10]
5.
指出从分 子排阻层析柱上洗脱下列蛋白质时的顺序。分离蛋白质的范
围是
5000
到
4 00000
；肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素
C
、肌球蛋白、
胰凝乳蛋白酶 原和血清清蛋白（它们的
Mr
见表
7-4
）
。
[
肌 球蛋白、过氧
化氢酶、血清清蛋白、胰凝乳蛋白酶原、肌红蛋白、细胞色素
C]
< br>6.
由第
5
题所述的，
从分子排阻层析柱上洗脱细胞色素
C< br>、
β
-
乳球蛋白和
血清红蛋白时，其洗脱体积分别为
118< br>、
58
、
37
和
24ml
，问未知蛋白的
M r
是多少？假定所有蛋白质都是球形的，并且都处于柱的分级分离范
围。
[52000 ]
7.
在下面指出的
pH
下，下述蛋白质 在电场中相哪个方向移动，即向正
极、负极还是不动？（根据表
7-2
的数据判断。< br>）
（
1
）血清蛋白，
pH5.0
；
（
2）
β
-
乳球蛋白，
pH5.0
和
7.0
；（
3
）
胰凝乳蛋白酶原，
pH5.0
、
9.1
和
11
。
[
（
1
）正极；
（
2
） 负极、正极；
（
3
）负极、不动、正极
]
解：
（
1
）卵清蛋白
pI=4.6
，
pH=5.0>4.6
带负电，向正极移动；
（
2
）β
-
乳球蛋白
pI=5.2
，
pH=5.0<5.2
带正电，向负极移动；
pH=7.0>5.2
带负电，向正极移动；
（
3
）胰凝乳蛋白 酶原
pI=9.1
，
pH=5.0<9.1
带正电，向负极移动；
pH=9.1=pI
净电荷为零，不移动；
pH=11>9.1
带负电，向正极移动；
8.
（
1
）当
Ala
、
Ser
、
Phe
、
Leu
、
Ar g
、
Asp
和
His
的混合物在
pH3.9
进行< br>纸电泳时，哪些氨基酸移向正极？哪些氨基酸移向负极？（
2
）纸电泳
时，带有 相同电荷的氨基酸常有少许分开，例如
Gly
可与
Leu
分开，试
说 明为什么？（
3
）设
Ala
、
Val
、
Glu、
Lys
和
Thr
的混合物
pH
为
6.0，
试指出纸电泳后氨基酸的分离情况。
PI
值：
Ala
：
6.02 Ser
：
5.68 Phe
：
5.48 Leu
：
5.98 Arg
：
10.76 Asp
：
2.97 His
：
7.59
[
（
1
）
Ala
、< br>Ser
、
Phe
和
Leu
以及
Arg
和His
向负极，
Asp
移向正极；
（
2
）
电泳 时，具有相同电荷的较大分子比较小分子移动得慢，因为电荷
/
质
量之比较小，因而引 起每单位质量迁移的驱动力也较小。
（
3
）
Glu
移向
正极，
Lys
移向负极
,Val
、
Ala
和
Thr
则留在原点。
]
9.
凝胶过滤层析和凝胶电泳中的分子筛效应有什么不同？为什么？
10.
配制一系列牛血清清蛋白（
BSA
）稀释液，每一种溶液取
0.1 ml
进行
Bradford
法测定。对适当的空白测定
595nm
波 长处的光吸收（
A595
）
。
结果如下表所示：
BSA
浓度（mg?L
-1
）
A595
1.5
1.4
1.0
0.97
0.8
0.79
0.6
0.59
0.4
0.37
0.2
0.17
BSA
浓度对
A595
作图得标准曲线。
的蛋白质提取液样品（
0.1ml
）
测得 的
A595
为
0.84
。根据标准曲线算出
提取液中的蛋白 质浓度。
[0.85mg/ml]
解：标准曲线略。由标准曲线可知，当
A595< br>为
0.84
时，
BSA
浓度为
0.85mg/ml
。
第八章
酶通论
提要
生物体内的各种化学变化都是在酶催化下进行的。酶是由生物细胞产生
的，受多种因 素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。与一般催化剂
相比有其共同性，但又有显著的特点，酶的催化 效率高，具有高度的专
一性，酶的活性受多种因素调节控制，酶作用条件温和，但不够稳定。
酶的化学本质除有催化活性的
RNA
分子之外都是蛋白质。根据酶的化
学组成 可分为单纯蛋白质和缀合蛋白质是由不表现酶活力的脱辅酶及
辅因子（包括辅酶、辅基及某些金属离子） 两部分组成。脱辅酶部分决
定酶催化的专一性，
而辅酶
（或辅基）
在酶催化作 用中通常起传递电子、
原子或某些化学基团的作用。
根据各种酶所催化反应的类型， 把酶分为六大类，即氧化还原酶类、转
移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。按规定每种 酶都
有一个习惯名称和国际系统名称，并且有一个编号。
酶对催化的底物有高度的选 择性，即专一性。酶往往只能催化一种或一
类反应，作用于一种或一类物质。酶的专一性可分为结构专一 性和立体
异构专一性两种类型。用“诱导契合说”解释酶的专一性已被人们所接
受。
酶的分离纯化是酶学研究的基础。已知大多数酶的本质是蛋白质，因此
用分离纯化蛋白质的方法 纯化酶，不过要注意选择合适的材料，操作条
件要温和。在酶的制备过程中，没一步都要测定酶的活力和 比活力，以
了解酶的回收率及提纯倍数，以便判断提纯的效果。酶活力是指在一定
条件下酶催化 某一化学反应的能力，可用反应初速率来表示。测定酶活
力及测酶反应的初速率。酶活力大小来表示酶含 量的多少。
20
世纪
80
年代初，
Cech
和
Altmsn
分别发现了某些
RNA
分子具有催化
作用，定名为核酶（
ribozyme
）
。有催化分子内和分分子间反应的核酶。< br>具有催化功能
RNA
的发现，开辟了生物化学研究的新领域，提出了生
命起源的 新概念。根据发夹状或锤头状二级结构原理，可以设计出各种
人工核酶，用作抗病毒和抗肿瘤的防治药物 将会有良好的应用前景。
抗体酶是一种具有催化能力的蛋白质，本质上是免疫球蛋白，但是在 易
变区赋予了酶的属性。根据酶催化的过度态理论，设计各种过度态类似
物作为半抗原免疫动物 ，筛选具有催化活性的单抗。抗体酶具有酶的一
切性质。现已研制出催化多种反应的抗体酶。抗体酶的发 现，不仅为酶
的过度态理论提供了有力的实验证据，而且抗体酶将会得到广泛的应
用。
酶工程是将酶学原理与化学工程技术及基因重组技术有机结合而形成
的新型应用技术，是生物工 程的支柱。根据研究和解决问题的手段不同
将酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。随着化学工程技术及 基因工程
技术的发展，
酶工程发展更为迅速，
必将成为一个很大的生物技术产业。
习题
1.
酶作为生物催化剂有哪些特点？
答：酶 是细胞所产生的，受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催
化剂，与一般非生物催化剂相比较有以下 几个特点：
1
、酶易失活；
2
、
具有很高的催化效率；
3< br>、
具有高度专一性；
4
、
酶活性受到调节和控制。
2.
何谓酶的专一性？酶的专一性有哪些？如何解释酶作用的专一性？研
究酶的专一性有何意义？
答：酶的专一性是指酶对催化的反应和反映物有严格的选择 性。酶的专
一性分为两种类型：
1
、结构专一性，包括绝对专一性、相对专一性（族< br>专一性或基团专一性、键专一性）
；
2
、立体异构专一性，包括旋光异构
专一性、几何异构专一性。
通过对酶结构与功能的研究，确信酶与底物作用的专一性是由于 酶与底
物分子的结构互补，诱导契合，通过分子的相互识别而产生的。
对酶的专一性 研究具有重要的生物学意义。它有利于阐明生物体内有序
的代谢过程，酶的作用机制等。
3.
酶的活性受那些因素调节，试说明之。
答：酶的调节和控制有多种方式，主要有：
（
1
）
调节酶的浓度：主要有
2
种方式：诱导或抑制酶的合成 ；调
节酶的降解；
（
2
）
通过激素调节酶活性、激素通过与细胞膜或细胞内受体相结
合而引起一系列生物学效应，以此来 调节酶活性；
（
3
）
反馈抑制调节酶活性：许多小分子物质的合成是由一连串的
反应组成的，
催化此物质合成的第一 步的酶，
往往被他们终端产物抑制；
（
4
）
抑制剂和激活剂对酶活性的调节：酶受大分子抑制剂或小分
子物质抑制，从而影 响酶活性；
（
5
）
其他调节方式：通过别构酶、酶原的激活、酶的可逆共价修
饰和同工酶来调节酶活性。
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