高等职业教育“十二五”规划教材·生物化学(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：范继业,于文国

出版社：中国轻工业出版社

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高等职业教育“十二五”规划教材·生物化学试读：

前言

本教材在编写过程中严格按照教育部[2006]16号文件等高职教育改革文件精神，坚持以培养高素质技能型专门人才为核心，以就业为导向、以能力为本位、以学生为主体的指导思想和原则，按照生化制药技术、生物化工工艺、药学等专业的人才培养目标，确立本课程的教学内容，编写本教材，最大可能实现学习与岗位工作的对接。

生物化学课程既为后续课程提供理论和技术基础，又直接面向工业生产和现实应用。如何在基础理论教学和实践应用教学上达成统一一直是高职高专教育的难点，鉴于生物化学课程教学内容的并行性和广泛性，以及生物化学制品的产品品种，本教材在延续传统分类体系的基础上对教学内容进行了序化和整合，一方面实现了教学内容上的优化整合，将生物氧化、脂代谢、核酸代谢这部分较为艰深的内容做了大幅精简合并，做到以必需够用为度，另一方面体现了与产品种类的对应性，每个项目均依托真实产品设计了来源于典型工作过程的项目任务，提供了完成项目任务必需的基础知识和技能训练，使学生在完成工作任务的过程中达到规定的知识学习目标和能力目标。本教材编写了大量原创性实训项目，其中包含了传统的单元实验技能，以方便各个层次的院校实施。

本教材内容包括

绪论

由于时间仓促，加之学识水平有限，难免存在诸多不足之处，恳请广大读者提出宝贵意见。编者绪论

学习目标

通过绪论的学习，获得生物化学的涵义、研究内容、发展历程及未来展望方面的知识，理解生物化学课程对微生物、分离纯化、发酵技术等课程的重要指导意义，了解生化产品在现实中的实际应用。为后续课程内容的学习奠定基础。

知识目标

•掌握生物化学的涵义及重大发展成果;

•熟悉生物化学的研究内容及发展历程;

•了解生物化学的现实应用与未来展望。

一、生物化学的起源

生命是物质的一种高级运动形式，核酸和蛋白质是生命的物质基础，生物体内各种物质的化学结构和化学反应过程是生命活动的体现。生物化学(biochemistry)即生命的化学，是在分子水平上研究生物体生命现象化学本质的一门科学。

生物化学这一名词大约在19世纪末出现，但其起源可追溯得更远。其早期的历史是生理学和化学的一部分，主要发现是生物体的气体交换作用和对一些有机化合物(如甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸和尿酸等)的揭示。例如，18世纪80年代， A.L.拉瓦锡证明呼吸与燃烧一样是氧化作用，同时科学家又发现光合作用本质上是动物呼吸的逆过程。又如1828年F.沃勒首次在实验室中合成了一种有机物——尿素，打破了有机物只能靠生物产生的观点。1860年L.巴斯德证明发酵是由微生物引起的，1897年毕希纳兄弟进一步证明没有活细胞也可进行如发酵这样复杂的生命活动。【课堂互动】

请说出一个你最感兴趣的生命现象，并寻求生物化学上的解释。

二、生物化学的研究内容

生物化学主要研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节以及遗传信息传递的分子基础与调控规律。

1.生物体的化学组成

生物体是由一定的物质成分按严格的规律和方式组织而成的。除了水和无机盐之外，活细胞的有机物主要由碳原子与氢、氧、氮、磷、硫等结合组成，分为大分子和小分子两大类。前者包括蛋白质、核酸、多糖和脂质;后者有维生素、激素、各种代谢中间物以及合成生物大分子所需的氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和甘油等。

生物大分子种类繁多，自然界约130余万种生物体中，据估计有10121010～10种蛋白质及10种核酸。人体内的蛋白质分子据估计不下10万种，且极少与其他生物体内的相同。当生物大分子被水解时，即可发现构成它们的基本单位，如蛋白质中的氨基酸，核酸中的核苷酸，脂类中脂肪酸及糖类中的单糖等。这些小而简单的分子称作构件分子。它们的种类为数不多，在每一种生物体内基本上都是一样的。实际上，生物体内的生物分子仅仅是由几种构件分子借助共价键连接而成的。构件分子在生物体内的新陈代谢中，按一定的组织规律，互相连接，依次逐步形成生物分子、亚细胞结构、细胞组织或器官，最后在神经及体液的沟通和联系下，形成一个有生命的整体。

2.新陈代谢与代谢调节控制

新陈代谢由合成代谢和分解代谢组成。前者是生物体从环境中取得物质，转化为体内新的物质的过程，也称为同化作用;后者是生物体内的原有物质转化为环境中的物质，也称为异化作用。营养物质进入体内后，在合成代谢中，作为原料供给生物体生长、发育、修补及繁殖;在分解代谢中，主要作为能源物质，经生物氧化作用，放出能量，供生命活动所需，产生的废物经各种途径排出体外，交回环境。这就是生物体与其体外环境的物质交换过程，一般称为物质代谢或新陈代谢。据估计，一个人在其一生中(按60岁计算)，通过物质代谢与其体外环境交换的物质约相当于60000kg水，10000kg糖类，1600kg蛋白质及1000kg脂类。在物质代谢的过程中还伴随有能量的变化。生物体内机械能、化学能、热能等能量的相互转化和变化称为能量代谢，此过程中ATP起着中心的作用。

物质代谢的调节控制是生物体维持生命的一个重要方面。物质代谢中绝大部分化学反应由酶催化进行，具有高度调控能力，这是生物的重要特点之一。以蛋白质为例，人工合成，即使有众多造诣高深的化学家，在设备完善的实验室里，也需要数月以至数年，才能合成一种蛋白质;而在一个活细胞里，在适宜的环境中，合成一个蛋白质分子只需几秒钟，而且有成百上千个不相同的蛋白质分子。

3.生物大分子的结构与功能

组成生物体的每一部分都具有其特殊的生理功能。从生物化学的角度，则必须深入探讨细胞、亚细胞结构及生物分子的功能。功能来自结构。欲知细胞的功能，必先了解其结构;同理，要知道一种细胞结构的功能，也必先弄清构成它的生物分子。

生物大分子的化学结构一经测定，就可在实验室中进行人工合成。20世纪80年代初出现的蛋白质工程，可通过改变蛋白质的结构基因，获得在指定部位经过改造的蛋白质分子。这一技术不仅为研究蛋白质的结构与功能的关系提供了新的途径，而且也开辟了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白质的广阔前景。

4.繁殖与遗传

生物体有别于非生物体的另一突出特点是具有繁殖能力及遗传特性。一切生物体都能自主复制，并能稳定遗传，遗传的特点是保守性和稳定性。近年来，随着生物化学的发展，已经证实，基因是DNA分子中核苷酸残基的种种排列顺序。现在DNA分子的结构已不难测得，遗传信息也可以知晓，传递遗传信息过程中的各种核糖核酸也已基本弄清楚，不但能在分子水平上研究遗传，而且还有可能改变遗传，从而派生出遗传工程学。通过将所需要的基因提出或合成，再将其转移到适当的生物体内去，以改变遗传、控制遗传，这不但能解除一些疾患，而且还可以改良动植物、微生物品种，使其更好地为人类服务。

5.激素与维生素

激素是新陈代谢的重要调节因子。激素系统和神经系统构成生物体两种主要通讯系统，二者之间又有密切的联系。20世纪70年代以来，激素的研究范围日益扩大。如发现肠胃道和神经系统的细胞也能分泌激素;一些生长因子、神经递质等也纳入了激素类物质中。许多激素的化学结构已经测定，它们主要是多肽和甾体化合物。一些激素的作用原理也有所了解，有些是改变膜的通透性，有些是激活细胞的酶系，还有些是影响基因的表达。维生素对代谢也有重要影响，可分为水溶性与脂溶性两大类。它们大多是酶的辅基或辅酶，与生物体的健康有密切关系。

三、生物化学的分类

生物化学若以不同的生物为对象，可分为动物生物化学、植物生物化学、微生物生物化学、昆虫生物化学等。若以生物体的不同组织或过程为研究对象，则可分为神经生物化学、免疫生物化学等。因研究的物质不同，又可分为蛋白质化学、核酸化学、酶学等。按领域划分，可分为医学生物化学、农业生物化学、工业生物化学、营养生物化学等。

四、生物化学的发展简史

生物化学是生命科学中最古老的学科之一，发展大体可分为3个阶段。

1.静态生物化学时期(从19世纪末到20世纪30年代)

研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主。其中E.菲舍尔测定了糖和氨基酸的结构，确定了糖的构型，并指出蛋白质是由肽键连接的。1926年J.B.萨姆纳制得了脲酶结晶，并证明它是蛋白质，确立了酶是蛋白质这一概念。1931年中国生物化学家吴宪提出了蛋白质变性的概念。

2.动态生物化学时期(20世纪30～50年代)

这是一个飞速发展的辉煌时期，主要特点是研究生物体内物质的变化，即代谢途径。其间突出成就是确定了糖酵解、三羧酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及三磷酸腺苷(ATP)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识。

3.机能生物化学时期(20世纪50年代开始)

真正意义上的现代生命化学;蛋白质化学和核酸化学成为研究重点;生物化学的发展进入了分子生物学(molecular biology)时期。通常将研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控的内容称为分子生物学。

1973年重组DNA获得成功，从此开创了基因工程。自1977年以后，用这一技术先后成功地制造了生长激素释放抑制激素、胰岛素、干扰素、生长激素等。1982年用基因工程生产的人工胰岛素获得美、英、前联邦德国、瑞士等国政府批准出售而正式工业化生产。

我国在这一时期取得了一系列重大突破，1965年我国科学家首次合成了结晶牛胰岛素，证明其与天然胰岛素具有相同的结构和生物活性。1981年又首先合成了具有天然生物活力的酵母丙氨酸tRNA。【知识链接】

生物化学大事记

1776—1778年，瑞典化学家舍勒(Sheele)从天然产物中分离出甘油、苹果酸、柠檬酸、尿酸等有机物。

1903年，Neuberg首先使用“生物化学”一词。

1937年，英籍德裔生物化学家克雷布斯(Krebs)发现三羧酸循环，获1953年诺贝尔生理学或医学奖。

1944年，麦克劳德和麦卡蒂证明DNA是遗传物质。

1953年，沃森(Watson)和克里克(Crick)确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理学或医学奖，奠定了现代分子生物学的基础。

1955年，英国生物化学家桑格尔(Sanger)确定牛胰岛素结构，获1958年诺贝尔化学奖。

1965年，中国科学家首次人工合成结晶牛胰岛素。

1973年，基因重组技术建立(美国)。

1980年，桑格尔和吉尔伯特设计出测定DNA序列的方法，获1980年诺贝尔化学奖。

1984年，诺贝尔化学奖授予Bruce Merrifield(美国)，奖励其建立和发展了蛋白质化学合成方法。

1993年，诺贝尔化学奖授予Karg B.Mallis(美国)，以表彰其发明PCR方法;以及 Michaet Smith(加拿大)，以表彰其建立DNA合成作用与定点诱变研究。

1994年，诺贝尔生理学或医学奖授予Alfred G.Gilman(美国)，以表彰其发现G蛋白及其在细胞内信号转导中的作用。

1996年，诺贝尔生理学或医学奖授予Petr C.Doherty(美国)等，以表彰其发现T细胞对病毒感染细胞的识别和MHC(主要组织相容性复合体)限制。

1997年，博耶(Paul D.Boyer)，美国生物化学家，由于在研究产生贮能分子三磷酸腺苷(ATP)的酶催化过程中有开创性贡献而与沃克共获了1997年诺贝尔化学奖。同时获得该奖项的还有发现输送离子++的Na\KATP酶的科学家Jens C.skon(丹麦)。

1997年，诺贝尔生理学或医学奖颁发给史坦利·布鲁希纳(Stanley Prusiner)教授(美国)，表彰其在研究引起人类脑神经退化而成痴呆的古兹菲德 雅各病(Creutzfeldt-Jakob disease，CJD)病原体朊蛋白(PRION)，并在其致病机理的研究方面做出的杰出贡献。

1998年，诺贝尔生理学或医学奖授予Rolert F.Furchgott(美国)，表彰其发现NO是心血管系统的信号分子。

2000年，人类基因组计划完成。

2008年，美籍华人钱永健(我国科学家钱学森堂侄)，利用水母发出绿光的化学物来追查实验室内进行的生物反应。钱永健改造绿色荧光蛋白取得多项成果，世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。

五、生物化学的意义和应用

21世纪与生物化学有关的最重要的领域主要有以下几个方面:

(1)生物大分子结构与功能的关系;

(2)生物膜的结构与功能;

(3)机体自身调控的分子机理;

(4)生物化学技术的创新与发明;

(5)功能基因组、蛋白质组、代谢组等;

(6)分子育种与分子农业(工厂化农业);

(7)生物净化;

(8)生物电子学;

(9)生化药物;

(10)生物能源的开发。【知识拓展】

生物化学与生物制药

2007年全球生物技术药物市场销售额已达到828亿美元，全球销售额最高的6大类生物技术药物，分别是肿瘤治疗药物、anti-TNF alfa药物、EPO、胰岛素、β-干扰素和凝血因子，超过10亿美元销售额的生物技术药物就有28个。

目标检测

一、单项选择题

1.关于生物化学叙述错误的是( )。

A.生物化学是生命的化学

B.生物化学是生物与化学

C.生物化学是生物体内的化学

D.生物化学的研究对象是生物体

E.生物化学的研究目的是从分子水平探讨生命现象的本质

2.关于分子生物学叙述错误的是( )。

A.研究核酸的结构与功能

B.研究蛋白质的结构与功能

C.研究基因结构、表达与调控

D.研究对象是人体

E.是生物化学的重要组成部分

3.关于生物化学的发展叙述错误的是( )。

A.经历了三个阶段

B.18世纪中叶至19世纪末是静态生物化学阶段

C.20世纪前半叶是动态生物化学阶段

D.20世纪后半叶以来是分子生物学时期

E.DNA双螺旋结构模型的提出是在动态生物化学阶段

4.当代生物化学研究的主要内容不包括( )。

A.生物体的物质组成

B.生物分子的结构和功能

C.物质代谢及其调节

D.基因信息传递

E.基因信息传递的调控

5.我国生物化学家吴宪做出贡献的领域是( )。

A.生物分子合成

B.免疫化学

C.蛋白质变性和血液分析

D.人类基因组计划

E.人类后基因组计划

6.我国生物化学家刘思职做出贡献的领域是( )。

A.生物分子合成

B.免疫化学

C.蛋白质变性和血液分析

D.人类基因组计划

E.人类后基因组计划

7.我国生物化学家人工合成具有生物活性的牛胰岛素是在( )。

A.1995年

B.1978年

C.1965年

D.1981年

E.2001年

二、简答题

1.什么是生物化学? 它的研究对象和目的是什么?

2.什么是分子生物学? 它与生物化学的关系是什么?

3.当代生物化学研究的主要内容是什么?项目一蛋白质

学习目标

通过本项目的学习，获得蛋白质的结构、功能、理化性质等方面的知识，为学好酶、蛋白质生物合成等后续内容和药理学、生物制药工艺学、生物工程学等后续专业课程奠定必备的蛋白质理论基础。

知识目标

•掌握蛋白质的元素组成及特点，掌握氨基酸的分类和结构;

•掌握蛋白质的理化性质和相应概念，掌握沉淀、透析、电泳、层析等技术分离纯化蛋白质的原理;

•熟悉肽键、多肽链、一级结构、空间结构的概念，相应结构类型及特点;

•熟悉蛋白质结构与功能的关系;

•了解氨基酸、小分子肽、蛋白质与药物生产应用的关系。

能力目标

•能将蛋白质的相关知识应用于有关氨基酸、小分子肽及蛋白质类药物的生产、检测、运输和贮存过程中;

•能进行蛋白质分离纯化的相关技术操作。

任务描述

某生物制品生产厂家在药品和营养品开发方面有一定的经验，该厂家计划开发一系列产品，主要依托粮食主产区，生产蛋白粉类营养产品，开拓市场，并以此为基础积累生产经验，尝试单一蛋白质的纯化制备，逐渐过渡到药品领域，现我单位接受该厂家委托进行产品的研发及后续策划工作，请大家制定生产方案。一、蛋白质概述

蛋白质是生物体的基本组成成分，是荷兰化学家 Mulder首先使用的，来自于希腊语“protos”，意为“第一”和“最重要的”。不论是动物、植物，还是简单的细菌、病毒等都有蛋白质存在。它是细胞原生质的主要成分，与核酸一起共同构成了生命的物质基础。人体内蛋白质含量就占其干重的45%左右。

(一)蛋白质是生命的物质基础

1.蛋白质是生物机体的结构物质

蛋白质是生物体内重要的生物大分子，从高等动、植物到低等的微生物，都以蛋白质为主要组成成分，人体的皮肤、肌肉、内脏、毛发和血液等都以蛋白质为主要成分，如结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白等。表1-1所示为人体主要器官组织中蛋白质的含量。表1-1 人体主要器官组织中蛋白质的含量【知识链接】

蛋白质的相关定义

·蛋白质是氨基酸通过肽键连接而成的一类大分子含氮化合物，由1条或若干条多肽链组成。

·多肽链:是以多种氨基酸作为结构单位通过肽键连接而成的生物大分子。

·多肽:两个氨基酸脱水形成二肽，三个氨基酸通过两个肽键连接3形成三肽，依次类推。一般相对分子质量小于10的多肽链可简称为36肽，相对分子质量在1× 10～1×10的多肽链称为蛋白质。

2.蛋白质在生命活动中的作用

蛋白质的重要性很早就被认识，1838年，当 Mulder提出蛋白质这个名词时，他就明确指出:在植物和动物中存在这样一种物质，毫不怀疑它是生物体中已知的最重要的物质，如果没有它，在地球上生命则是不可能存在的。因此，蛋白质有着极其重要的生物学意义。【课堂互动】

很多国家提倡国民饮用牛奶，印度民族运动领袖圣雄甘地就倡导喝奶;英国政坛“铁娘子”撒切尔夫人任英国政府教育大臣时，因倡导学校安排孩子每天喝杯牛奶，被开玩笑地称作是“牛奶部长”;第二次世界大战后，日本政府每天免费配给中学生一盒牛奶。为什么? 有什么作用?

蛋白质的功能是通过种类和结构的多样性实现的。自然界中蛋白质种类繁多，结构复杂，最简单的单细胞生物如大肠杆菌有3000种不同的蛋白质，负担不同的生物学作用，具有不同的生物学特性，因此蛋白质被称为“功能大分子”。蛋白质的类型及生物学功能见表1-2。表1-2 蛋白质的类型及生物学功能

总体来说，蛋白质与生命活动关系密切，生命现象和生理活动往往都是通过蛋白质来实现的，主要体现在八个方面:

(1)生物催化功能 蛋白质的一个最重要的生物学功能是作为有机体新陈代谢的催化剂——酶。几乎所有的酶都是蛋白质。生物体内的各种化学反应几乎都是在相应酶的参与下进行的，如人体新陈代谢的酶系统就包含4000余种具有蛋白质组分的酶，保证代谢有序进行。

(2)结构蛋白 蛋白质另一个主要的生物学功能是作为有机体的结构成分。在高等动物里，胶原纤维是主要的细胞外结构蛋白，参与结缔组织和骨骼作为身体的支架，具有强烈的韧性，1mm粗的胶原纤维可耐受10～40kg的张力。【课堂互动】

你还能够说出人体的哪些组织和器官是由蛋白质组成的?

(3)物质运输功能 脊椎动物的血红蛋白运输氧和二氧化碳;血浆运铁蛋白转运铁离子，某些色素蛋白如细胞色素c等起传递电子的作用。

(4)免疫保护功能 生物体防御体系中的抗体也是蛋白质。它能识别病毒、细菌以及其他机体的细胞，并与之相结合而排除外来物质对有机体的干扰，起到保护机体的作用。【知识链接】

2002年中国已有19种生物技术药物投放市场。其中重组人干扰素、重组人白细胞介素是重要的基因工程药物产品。2009年抗甲流疫苗投放市场，反映我国生物技术药物的研发水平有了大幅度提高。

(5)代谢调节功能 还有一些蛋白质具有激素的功能，对生物体内的新陈代谢起调节作用。如胰岛素、生长激素、胸腺激素等，其中胰岛素参与血糖的调节，能降低血液中葡萄糖的含量。

(6)运动功能 某些蛋白质与生物体的运动有关，如肌肉的收缩和松弛由肌球蛋白和肌动蛋白完成，是人运动、血液循环、呼吸和消化的基础，细菌的鞭毛或纤毛蛋白也能产生类似的活动。

(7)机械支持功能 高等动物的具有机械支持功能的组织如骨、结缔组织以及具有覆盖保护功能的毛发、皮肤、指甲等组织主要是由胶原蛋白、角蛋白、弹性蛋白等组成的。

(8)贮藏功能 生物体将各种营养以蛋白质的形式进行贮藏，保障子代发育时的营养供应，如卵清蛋白和种子蛋白。

(二)蛋白质的元素组成

蛋白质是含氮的有机化合物，其含氮量占生物组织中一切含氮物质的绝大部分。氮元素是蛋白质区别于糖和脂肪的特征性元素，根据对大多数蛋白质的氮元素进行的分析，其氮元素的含量都相当接近，一般在15%～17%，平均为16%，即100g蛋白质中含有16g氮。这是凯氏(Kjedahl)定氮法测定蛋白质含量的计算基础。通过凯氏定氮法可以测得样品中氮元素的百分含量，计算公式如下:

蛋白质含量=蛋白氮×6.25

式中 6.25——16%的倒数，每测得1g氮相当于6.25g的蛋白质【案例分析】

2008年某品牌婴幼儿配方奶粉受到三聚氰胺污染，导致多例婴幼儿泌尿系统结石病例，形成一起重大的食品安全事故。卫生部专家指出，三聚氰胺是一种化工原料，可导致人体泌尿系统产生结石。该品牌部分批次奶粉中含有的三聚氰胺，是不法分子为增加原料奶或奶粉的蛋白质含量而人为加入的。请问三聚氰胺是蛋白质吗? 为什么不法分子向奶粉里加入三聚氰胺可提高蛋白质含量? 应如何避免这一问题?

凯氏定氮法是通过测定生物样品中氮元素含量的方法间接求得蛋白质的大致含量。在利用凯氏定氮法测定粗蛋白质时，由于在样品消化时，有些非蛋白质如硝基、氨基等，也会游离释放出来，造成测定值偏高，限制了凯氏定氮法的实际应用。

另外，并非所有蛋白质中氮元素含量均为16%，肉类、蛋类的换算系数为6.25，而植物性食物中换算系数偏低。如小麦与大麦为5.83、花生为5.46、动物胶为5.30、大豆为5.11等。

蛋白质的元素主要包括碳、氢、氧、氮和少量的硫。蛋白质的元素组成百分比见图1-1。需要注意的是，蛋白质元素组成中所占比例最大的仍然是碳元素。图1-1 蛋白质的元素组成百分比

(三)蛋白质的分类

蛋白质可以按不同的方法分类。作为分类的依据主要有:分子的形状或空间构象;分子的溶解性;分子的组成情况;功能。

(1)按照分子的形状或空间构象 可将蛋白质分为纤维状蛋白和球状蛋白两大类。

纤维状蛋白形状类似纤维，如角蛋白、丝心蛋白以及胶原蛋白等。

球状蛋白分子的形状接近球形，如血红蛋白、肌红蛋白等。

(2)按照组成成分 可将蛋白质分为单纯蛋白和结合蛋白两类。

单纯蛋白不含非蛋白质部分，这类蛋白质水解的最终产物只有氨基酸。单纯蛋白按其溶解性质的不同可分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、精蛋白、组蛋白以及硬蛋白等。

结合蛋白是指由单纯蛋白和非蛋白成分结合而成的蛋白质，包括核蛋白、脂蛋白、磷蛋白、糖蛋白等。

(3)按照蛋白质来源 可将蛋白质分为动物蛋白、植物蛋白及微生物蛋白。

(4)按照蛋白质的功能 可划分为酶蛋白、结合蛋白、运输蛋白、受体蛋白、调节蛋白、防御蛋白、贮存蛋白、毒蛋白等。

(四)蛋白质的水解

1.酸水解

方法:常用6mol/L的盐酸或4mol/L的硫酸在105～110℃条件下进行水解，反应时间约为20h。

特点:优点是不容易引起水解产物的消旋化;缺点是色氨酸被沸酸完全破坏。

注意:含有羟基的氨基酸，如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解;天冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰氨基被水解成了羧基。

2.碱水解

方法:常用5mol/L氢氧化钠煮沸10～20h。

特点:优点是色氨酸在水解中不受破坏;缺点是部分的水解产物发生消旋化。

注意:由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，导致产率不高。

3.酶水解

方法:在适宜条件下，使用特定蛋白酶进行特异性水解。

现状:目前用于蛋白质多肽链断裂的蛋白水解酶或称蛋白酶已有十多种。

特点:优点是不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化;缺点是产物为较小的肽段，水解不彻底。二、蛋白质的基本单位——氨基酸4

蛋白质是一类含氮的生物大分子，相对分子质量大，一般在106～10，结构复杂，功能多样，经酸、碱或酶处理，使蛋白质彻底水解可得到各种氨基酸，现已证明氨基酸是蛋白质的基本组成单位。目前发现的氨基酸有180多种，但从天然蛋白质水解得到的氨基酸只有20种，这些氨基酸除甘氨酸外都是L-氨基酸。L-α-氨基酸结构通式如下:

(一)氨基酸的结构特征

氨基酸是同时含有氨基及羧基的有机化合物。从蛋白质水解产物中分离出来的常见的20种氨基酸，在结构上的共同特点是与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而称为α-氨基酸(脯氨酸除外)。有两种结构表示方法:非解离形式两性离子形式

式中的R表示化学基团，又因为这些基团常处于蛋白质链状分子的侧链上故又称为侧链基团。R基团不同构成不同的氨基酸。【知识链接】

哪个碳原子是α-碳原子? 其他碳原子如何命名?

以赖氨酸为例:

从结构上看，除甘氨酸外，所有α-氨基酸的α-碳原子都是不对称碳原子或称手性碳原子，因此都具有旋光性，都能使偏振光平面向左或向右旋转，左旋通常用(-)表示，右旋通常用(+)表示。其次每种氨基酸都有D型和L型两种立体异构体，这是与甘油醛相比较确定的。书写时将羧基写在α-碳原子的上端，则氨基在左边的为L型，氨基在右边的为D型。从蛋白质水解得到的α-氨基酸都属于L型的，所以习惯上书写氨基酸都不标明构型和旋光方向。L型氨基酸D型氨基酸【知识拓展】

构型与旋光性

手性碳原子(α-碳原子)是α-氨基酸的不对称中心，所以有以下关系需注意。

(1)除甘氨酸外，每种α-氨基酸都有L型和D型两种立体异构体。这是因为α-碳原子周围的价键是四面体排布，这样四个不同的取代基在空间的排布有两种不同的方式，它们是不能叠合的物体与镜像关系或左右手关系(图1-2)。图1-2 L型和D型氨基酸的镜像关系

(2)除甘氨酸外，每种α-氨基酸都具有旋光性。因为给定的氨基酸的一个异构体溶液，在旋光计上使偏振光平面向左旋转(逆时针方向)记为(-)，另一个异构体则使偏振光平面向右旋转(顺时针方向)记为(+)，但两者的旋转程度相等。旋光物质在化学反应中，只要不对称碳原子经过对称状态的中间阶段，即将发生消旋作用并变为D型和L型的等物质的量混合物，称为消旋物。蛋白质与碱共热水解或用一般有机合成方法人工合成氨基酸时得到的都是无旋光性的DL-消旋物。注意:构型和旋光性是两个不同的概念，L型的氨基酸多数为右旋，少数有左旋现象。

生物界中也发现一些D系氨基酸，主要存在于某些抗生素以及个别植物的生物碱中。

(二)氨基酸的分类

从α-氨基酸的结构通式可以知道，各种α-氨基酸的区别就在于侧链R基团的不同，即不同的氨基酸有不同的R基团。这样，组成蛋白质的20种常见氨基酸可以按照R基团的化学结构或极性大小进行分类。

1.根据R基团的结构不同分类

(1)R基团为烃基

①R基团均为中性烷基，对酸碱性影响很小，几乎有相同的等电点(6.0± 0.03)。

②Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。

③从Gly至Ile，R基团疏水性逐渐增加。

(2)R基团含硫或含羟基

①Ser的—CHOH在生理条件下不解离，在大多数酶的活性中心2都发现有Ser残基存在。

②Cys的R中含巯基(—SH)，具有两个重要性质:在较高pH条件下，巯基解离;两个Cys的巯基氧化生成二硫键，生成胱氨酸。

③Met在生物合成中是一种重要的甲基供体。

(3)R基团含酰胺、酸性氨基酸 酸性氨基酸有两个，即天冬氨酸和谷氨酸，它们都含有一个氨基和两个羧基。

①酰氨基中氨基易发生氨基转移反应。

②Asp和Glu是在生理条件下带有负电荷的两个氨基酸。

(4)碱性氨基酸 碱性氨基酸有三个，即精氨酸、赖氨酸和组氨酸，它们都含有一个羧基、两个以上的氨基或亚氨基。

①Arg含有胍基，碱性最强。

②His最接近生理pH。

(5)芳香族氨基酸 芳香族氨基酸有3种，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，它们的R基团含芳香环。

在280nm处，Trp吸收最强，Tyr次之，Phe最弱。

(6)脯氨酸 R基团取代了氨基的一个氢形成一个杂环。

①Pro的α-亚氨基是环的一部分，具有特殊的刚性结构。

②一般出现在两段α-螺旋之间的转角处。

2.根据侧链R基团的极性划分

按照20种氨基酸侧链R基团的极性差别进行分类，对于认识蛋白质的性质、结构与功能更为有利。按照这种分类方法可将氨基酸分为四大类:

(1)非极性或疏水性的侧链R基团氨基酸 氨基酸的R基团不带电荷或极性极微弱的属于非极性 R基团氨基酸，它们的 R基团具有疏水性，共有丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)和异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、甲硫氨酸(Met)、脯氨酸(Pro)8种氨基酸。

(2)极性但不带电荷的R基团氨基酸 R基团有极性，但不解离，或解离极弱， R基团有亲水性。这一组有丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、酪氨酸(Tyr)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)7种氨基酸，甘氨酸(Gly)的侧链介于极性与非极性之间，有时也把它归入非极性类。

(3)极性带负电荷的氨基酸 即两种酸性氨基酸，天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)。它们都含有两个羧基，显酸性，分子带负电荷。

(4)极性带正电荷的氨基酸 即3种碱性氨基酸，赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)和组氨酸(His)，是pH=7时带净正电荷的氨基酸。

赖氨酸除α-氨基外，在脂肪链的ε位置上还有一个氨基;精氨酸含有一个带正电荷的胍基;组氨酸是R基团的pK值在7附近的唯一氨基酸。【知识拓展】

必需氨基酸

成年人:Thr、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Lys、Met。

婴儿期:Arg和His供给不足，属半必需氨基酸。【课堂互动】

构成蛋白质的20种氨基酸及存在于多种组织和细胞的非蛋白质氨基酸(约180种)有各自的存在方式及生理作用，许多氨基酸在人们生活中以单一制品、添加剂及复合营养品等形式出现，请结合表1-3和表1-4举例说明或进行课下调研。表1-3 常见氨基酸的存在及用途表1-4 非蛋白质氨基酸的存在及用途

(三)氨基酸的性质

1.一般物理性质

氨基酸呈白色结晶或粉末状，熔点很高(一般大于200℃，个别大于300℃)。通常溶于水、稀酸和稀碱溶液中，但不溶于有机溶剂，所以用酒精能把氨基酸从其溶液中析出。除甘氨酸外都具有旋光性。

2.紫外吸收——芳香族氨基酸具有紫外吸收图1-3 芳香族氨基酸的紫外吸收

构成蛋白质的氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在紫外区苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸具有光吸收。苯丙氨酸的最大光吸收在257nm，酪氨酸的最大光吸收在275nm，色氨酸的最大光吸收在280nm(图1-3)。蛋白质因为含有这些芳香族氨基酸，所以也有紫外吸收能力，一般采用紫外分光光度计在280nm波长处测最大光吸收来测定蛋白质的含量。

3.两性解离与等电点

氨基酸的同一分子中含有碱性的氨基(—NH)和酸性的羧基(—2+COOH)，因此，它是两性电解质。它的—COOH 可以解离释放出 H，-+其自身变为—COO，释放出的 H与—NH结合，使—NH变为，22此时氨基酸成为带有正、负两种电荷的兼性离子，这也是氨基酸在水中或结晶状态时的主要存在形式。

氨基酸的氨基和羧基的解离情况以及氨基酸本身的带电情况取决于它所处环境的pH。当它处于酸性环境时，由于羧基结合质子而使氨基酸带正电荷;当它处于碱性环境时，由于氨基的解离而使氨基酸带负电荷;当它处于某一pH时，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等，即净电荷为零的兼性离子状态，此时的pH称为该氨基酸的等电点，用pI表示。【知识链接】

氨基酸的pI与电场运动

当pH>pI时，氨基酸带净负电荷，在电场中向正极移动;

当pH

在一定pH范围内，氨基酸溶液的pH离等电点越远，氨基酸所携带的净电荷越大。【知识拓展】

在生理pH时，大多数氨基酸以兼性离子的形式存在。由于静电的作用，在等电点时氨基酸的溶解度最小，容易沉淀。利用这一性质可以分离制备氨基酸。如谷氨酸的生产，就是将微生物发酵液的pH调节到3.22(谷氨酸的等电点)而使谷氨酸沉淀析出。

4.氨基酸等电点的计算

等电点的求法介绍如下。

(1)依次写出它从酸性至中性至碱性解离过程的各种离子形式;

(2)找出净电荷为零的兼性离子状态;

(3)取两性离子两侧的pK值的平均值即为该氨基酸的pI值。

现以甘氨酸为例说明氨基酸的解离情况。它分步解离如下:-+

在上列公式中，K和K分别代表α-碳原子上—COO和—NH的123解离常数。

对侧链R基团不解离的中性氨基酸来说，其等电点是它的pK和1pK的平均值(图1-4)。2图1-4 甘氨酸的解离曲线(方框内表示在解离曲线拐点处的pH时所具有的离子形式)

由于氨基酸的两性性质，在水溶液中它既可以被酸滴定又可以被碱滴定。通过对氨基酸的酸碱滴定，可以得到氨基酸的各个基团的解离常数即pK值。每一种氨基酸的等电点就是它的兼性离子两侧能解离基团的pK值的一半，即碱性氨基酸的等电点为pI=1/2(pK+pK)，23其他类型的氨基酸的等电点pI=1/2(pK+pK) (表1-5，图1-5)。12表1-5 氨基酸各个基团的解离常数图1-5 天冬氨酸pI的计算

5.化学性质

氨基酸的化学反应主要指它的α-氨基、α-羧基以及侧链上的基团所参与的一些反应。

(1)由α-氨基参与的反应

① 与亚硝酸反应:在室温下亚硝酸能与含游离α-氨基的氨基酸起反应，定量放出氮气，氨基酸被氧化成羟酸(含亚氨基的脯氨酸则不能与亚硝酸反应)。其反应式如下:

式中产生的氮气一半来自氨基酸的氨基氮，另一半来自亚硝酸。在标准条件下测定所生成的氮气体积，即可计算出氨基酸的量，这就是Valslyke(范斯莱克)法测定氨基酸氮的基础。在生产上，可用此法来进行氨基酸定量测定和蛋白质水解程度的测定。

② 与2，4-二硝基氟苯的反应:在弱碱性溶液中，氨基酸的α-氨基很容易与2，4-二硝基氟苯(DNFB)作用，生成稳定的黄色2，4-二硝基苯氨基酸(简写为DNP-氨基酸)。

这个反应首先被英国的Sanger用来鉴定多肽或蛋白质的N-末端氨基酸。

③与苯异硫氰酸酯(PITC)的反应:苯异硫氰酸酯(PITC)在弱碱性条件下与氨基酸反应生成苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸)，在无水酸中环化变为苯硫乙内酰脲(PTH)，即PTH-氨基酸。此反应最早被Edman用来测定多肽和蛋白质的N-末端氨基酸，这也是氨基酸自动分析仪测定氨基酸序列的设计原理。

(2)α-羧基参与的反应 氨基酸的α-羧基和其他有机酸的羧基一样，在特定的条件下可发生成盐、成酯、成酰氯、成酰胺、脱羧和叠氮化等反应。

(3)α-氨基、α-羧基共同参与的反应 在氨基酸的化学分析中，具有特殊意义的是氨基酸与茚三酮的反应。茚三酮在弱酸性溶液中与α-

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