第一节　蛋白质的分子组成

一、蛋白质的元素组成

蛋白质的种类繁多，结构各异，但元素组成相似，主要含碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）和硫（S）。各种蛋白质的含氮量很接近，约占16%。由于生物样品中的含氮物主要来自蛋白质，因此通过测定生物样品中的含氮量就可以推算出生物样品中蛋白质的大致含量。

每克样品中蛋白质含量（g%）=每克样品含氮克数×6.25×100%

或100g样品中蛋白质含量（g）=100g样品含氮克数×6.25

二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸的分类和主要性质

（一）氨基酸的结构

蛋白质的基本结构单位是氨基酸，存在于自然界中的氨基酸有300余种，但被人体直接用于合成蛋白质的只有20种，称为标准氨基酸。除20种标准氨基酸外，近年来科学家们发现了第21氨基酸即硒半胱氨酸，也参与少数蛋白质的合成，包括过氧化物酶和呼吸链的还原酶等。

除甘氨酸外，其余氨基酸的α-碳原子都结合了4个不同的原子或基团：羧基、氨基、R基和1个氢原子（甘氨酸的R基是1个氢原子），所以α-碳原子是手性碳原子，氨基酸是手性分子。氨基酸的区别在于其R基，以及R基的结构、大小、电荷对氨基酸水溶性的影响。

理论上，任何一种手性分子都存在D（右旋）/L（左旋）对映体，但对于手性生物分子，生物体通常只选择它的一种构型：D型或L型。天然蛋白质中的氨基酸为L-构型，D-构型氨基酸最初发现于细菌细胞壁的部分肽及某些肽类抗生素中，后来也发现，如D-丝氨酸为人体内重要的脑神经递质。甘氨酸不含手性碳原子，但习惯上还是称它L-氨基酸。苏氨酸、异亮氨酸各含2个手性碳原子。其余标准氨基酸只含1个手性碳原子。

和其他有机酸一样，为了准确描述氨基酸的结构，需要对其碳原子进行编号。依照惯例，氨基酸的碳原子有两套编号规则可供选用：一种是将碳原子按照与羧基碳原子的距离远近依次编号为α、β、γ、δ等；另一种是用阿拉伯数字编号，羧基是主要功能基团，其碳原子编为1号，其他碳原子依次编为2号、3号、4号等。含杂环结构的氨基酸一般用阿拉伯数字编号，用希腊字母容易产生歧义。

（二）氨基酸的分类

氨基酸主要按照α-碳原子上连接的R基不同来进行分类，根据R基是否电离以及电离后所带电性可将标准氨基酸分为以下四类。

1.非极性中性氨基酸　本类氨基酸含非极性、疏水的R侧链，见表2-1。其中，丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸的R基可参与蛋白质分子中的疏水键形成，以稳定蛋白质构象。甘氨酸的结构最简单，尽管它是非极性的，但其侧链太小，因而并不参与形成疏水键。甲硫氨酸（蛋氨酸）是2个含硫氨基酸中的1个，侧链含非极性硫醚基。脯氨酸脂肪侧链形成刚性的环状结构，在蛋白质的空间结构中具有特殊意义。

2.极性中性氨基酸　本类氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸，其侧链具亲水性，可与水形成氢键，所以与非极性氨基酸相比，较易溶于水，见表2-2。丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的极性源于羟基，半胱氨酸源于巯基，天冬酰胺、谷氨酰胺源于酰胺基。

3.酸性氨基酸　天冬氨酸、谷氨酸其R基侧链含羧基，在生理条件下可以给出H+而带负电荷，见表2-3。

4.碱性氨基酸　pH值7.0时，侧链带正电荷的氨基酸包括赖氨酸：其脂肪链的第6号碳原子上有1个氨基；精氨酸：其脂肪链第5号碳原子连接的胍基带正电；组氨酸：其第3号碳原子连接咪唑基，见表2-4。组氨酸最大的特点是其侧链咪唑基碱性较弱，所以在许多酶促反应中咪唑基既可以作为H+供体又可以作为H+受体，发挥酸碱催化作用。

（三）氨基酸的主要性质

各种氨基酸的理化性质不尽相同，甚至都有自己的特性，这里介绍氨基酸的主要性质。

1.两性电离与等电点　所有的氨基酸都含有α-氨基和α-羧基，既可结合H+而带正电荷，又可给出H+而带负电荷，氨基酸的这种电离特性称为两性电离。在水溶液中，氨基酸既是酸又是碱，被称为兼性离子（zwitterion）（图2-1），也被称为两性电解质（ampholyte）。

氨基酸在溶液中的解离程度受溶液pH值影响。在某一pH值溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，以兼性离子形式存在，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。等电点是氨基酸的特征常数，标准氨基酸的等电点见表2-1～表2-4。如果溶液pH值高于氨基酸等电点，则氨基酸带负电荷，在电场中将向正极（阳极）移动；反之，如果溶液pH低于其等电点，则氨基酸带正电荷，在电场中将向负极（阴极）移动。溶液的pH值越偏离等电点，氨基酸所带净电荷越多，在电场中的移动速度就越快。

2.茚三酮反应　氨基酸与茚三酮水合物发生氧化反应，最终生成蓝紫色化合物（图2-2）。该化合物最大吸收波长为570nm，在一定范围内其吸光度与氨基酸浓度呈线性关系，所以茚三酮反应可用于氨基酸定量分析。

3.氨基酸的紫外吸收　酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸这三种芳香族氨基酸因含有苯环，具有共轭双键，可以吸收紫外线。其中，酪氨酸、色氨酸的吸收峰值为280nm（图2-3），苯丙氨酸的吸收峰值为260nm。由于大多数蛋白质都含有一定量的酪氨酸和色氨酸，所以测定溶液对280nm紫外线的吸光度可以快速简便地进行蛋白质的定量分析。