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生物化学学习指导蛋白质化学要点解答：1．组成蛋白质的常见氨基酸有多少种?根据其R基团的极性如何分类?组成蛋白质的常见氨基酸有20种，根据这20种氨基酸侧链R基团的极性可将它们分为四大类：(1)具有非极性或疏水的R基团的氨基酸。这类氨基酸在水中的溶解度比极性R基团氨基酸小。(2)具有极性但不带电荷的R基团的氨基酸。它们比非极性氨基酸易溶于水，所含的R基团中的不解离的极性基能与水形成氢键。(3)R基团带负电荷的氨基酸。这是一类酸性氨基酸，包括天冬氨酸和谷氨酸，这两种氨基酸都含有第二个羧基，在pH值7.0时具有净负电荷。(4)R基团带正电荷的氨基酸。这是一类碱性氨基酸，包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸。这三种氨基酸在pH值7.0时带净正电荷。其中赖氨酸R基团带有正电荷的ε－氨基；精氨酸带有正电荷的胍基；组氨酸带有弱碱性的咪唑基。2．何谓氨基酸的等电点(pI)，它是怎样计算的？氨基酸分子是两性电解质，氨基酸在溶液中的带电状况随溶液的pH值变化而变化。实验证明，氨基酸在水溶液或晶体状态时都是以两性离子形式存在的。以两性离子形式存在的氨基酸，在一定酸碱条件下，可以发生解离，而表现出不同的带电形式。当加入酸时，－COO－可以接受质子，氨基酸带净正电荷。当加入碱时，－NH3＋释放质子，氨基酸带净负电荷。在某一特定pH的溶液中，氨基酸以两性离子形式存在，所带的正负电荷总数相等，净电荷为零，在电场中它既不向正极移动也不向负极移动，此时氨基酸溶液的pH值称为氨基酸的等电点，以pI表示。氨基酸的pI值相当于该氨基酸的两性离子状态两侧的基团pK值之和的一半。对于含有三个可解离基团的氨基酸，可通过依次写出其从酸性至碱性的解离方程，找到两性离子两侧pK值，然后取两性离子两侧基团的pK平均值，即可得其pI值。3．什么是肽单位?肽单位有什么特点？多肽链是由许多氨基酸通过肽键彼此连接而成的，多肽链主链骨架的重复单位，即－Cα－CO－NH－Cα－称为肽单位，多肽链实际上是由许多肽单位通过α－碳原子互相连接而成的。肽单位的结构特点：(1)肽键中的C—N键的键长为0.132nm，比大多数其他化合物的C—N单键(0.149nm)短，比C＝N双键(0.127nm)长，因此肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。(2)肽单位是刚性平面结构，即肽单位的6个原子包括肽键的4个原子和与之相连的两个α-碳原子，都位于同一个刚性的平面上，因此又称肽平面或酰胺平面。(3)绝大多数肽单位中，C＝O与N—H或两个α-碳原子为反式构型，因为反式构型比顺式构型稳定。(4)肽单位平面结构有一定的键长和键角。4．什么是构型和构象？构型是指在立体异构体中不对称碳原子上相连的各原予或取代基团的空间排布。任何一个不对称碳原子相连的四个不同原子和基团，只可能有两种不同的空间排布，即两种构型：D-和L-型。改变构型应有共价键的断裂。构象是指通过单键旋转使分子中的原子或基团形成不同的空间排列，这种构象的改变不涉及共价键的破裂。5．什么是蛋白质的二级结构？包括几种类型？各有什么特点?蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链骨架的盘绕和折叠方式。天然蛋白质的二级结构主要有四种基本类型：α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。(1)α-螺旋：α-螺旋结构是Pauling和Corey在1951年提出来的。纤维状蛋白和球状蛋白中均存在α-螺旋结构，它是蛋白质中最常见、最典型的二级结构类型。α-螺旋结构的特点是：①肽链主链像螺旋状盘曲，每隔3.6个氨基酸残基沿中心轴螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，即每个氨基酸残基沿中心轴旋转100°，沿轴上升0.15nm，螺旋的直径约为0.5nm。②α-螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧。相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。从N-末端出发，氢键是由每个氨基酸残基的C＝O与前面第4个氨基酸的N-H之间形成的。α-螺旋的稳定靠氢键维持。③α-螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，但天然蛋白质的α-螺旋，绝大多数都是右手螺旋，右手螺旋比左手螺旋稳定。(2)β-折叠结构：这种结构也是在1951年由Pauling等人首先提出的，它是蛋白质中第二种最常见的二级结构，β-折叠是由几乎伸展的多肽链侧向聚集在一起，相邻肽链的主链之间靠氢键连结而形成的锯齿状片层结构。β-折叠结构的特点是：①肽链按层排列，主链呈锯齿状。相邻肽链主链上的N－H和C＝O之间形成氢键，β-折叠靠氢键维持其结构的稳定性。②相邻肽链走向可以平行，也可以反平行。肽链的N端在同侧为平行式，在不同侧为反平行式，从能量角度考虑，反平行式更为稳定。③肽链中氨基酸残基的R侧链交替分布在片层的上下。④在纤维状蛋白质中，β-折叠可以在不同肽链之间形成，而球状蛋白质中的β-折叠既可以在不同肽链之间形成，也可以在同一肽链的不同肽段之间形成。(3)β-转角：是在球状蛋白质中存在的一种二级结构。β-转角是由多肽链上4个连续的氦基酸残基组成，主链骨架以180°回折，其中第一个氨基酸残基的C＝O与第四个氨基酸残基的N－H之间形成氢键，是一种不很稳定的环形结构。由于β-转角结构，可使多肽链走向发生改变，目前发现的β-转角多数都处在球状蛋白质分子的表面，在这里改变多肽链的方向阻力比较小。(4)无规则卷曲：是球状蛋白分子中存在的一种没有确定规律的盘曲。无规则卷曲有利于多肽链形成灵活的、具有特异生物学活性的球状构象。6．蛋白质的三级结构和四级结构各有何特点?蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上进一步盘绕、折叠形成的、紧密地借各种次级键维持的球状分子构象。其特点是：(1)具有三级结构的蛋白质一般都是球蛋白，整个分子排列紧密，内部有时只能容纳几十个水分子或者空腔更小。(2)亲水性氨基酸侧链多分布在球蛋白分子的表面，从而使球蛋白分子可溶于水。(3)疏水性氨基酸侧链多埋藏在分子内部，形成疏水核心。(4)维持蛋白质分子三级结构的主要作用力有离子键、氢键、疏水键、范德华力和二硫键等。蛋白质的四级结构是指具有三级结构的多肽链通过次级键彼此缔合形成的聚集体。其中每个具有三级结构的多肽链称为亚基。亚基—般只有一条多肽链，但有的亚基由两条或多条肽链组成，这样的亚基中的链间以二硫键相连。由少数亚基聚合而成的蛋白质称为寡聚蛋白，有几十个甚至上千个亚基聚合而成的蛋白质称为多聚蛋白，无四级结构的蛋白质如溶菌酶、肌红蛋白等称为单体蛋白。维持蛋白质四级结构的作用力与维持三级结构的力是相同的。四级结构的形成使蛋白质结构更加复杂，以便执行更为复杂的功能。7．稳定蛋白质构象的作用力有哪些?蛋白质肽链之所以能维持其特定的构象，主要依赖于其分子主链和侧链上许多极性、非极性基团之间相互作用所形成的化学键。(1)氢键：氢键是由一个极性很强的X-H基上的氢原子，与另一个电负性强的原子Y(如O、N、F等)相互作用形成的一种吸引力，本质上仍属于弱的静电吸引作用。在蛋白质多肽链之间或链内均能形成氢键。氢键对于维持蛋白质二、三、四级结构，保持蛋白质的稳定性起着重要作用。(2)离子键：是正负离子之间的静电相互作用。蛋白质分子中可解离的侧链基团，如羧基、氨基、胍基、咪唑基等，均可形成离子键。(3)疏水键：是指蛋白质分子中疏水性氨基酸(如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)侧链避开水相而相互聚集的作用。主要存在于蛋白质分子的内部，对蛋白质构象的形成和稳定均起着主要作用。(4)范德华力：一般指范德华引力，狭义的范德华力是指在非极性分子或非极性基闭的瞬时偶极间的相互作用。虽然范德华力是很弱的力，但在蛋白质分子中由于它的数量较大，且具有加和性，所以是一种不可忽视的作用力。氢键、离子键、疏水键和范德华力都属于非共价键，统称为次级键。此外，蛋白质分子中还常含有二硫键，它是共价键，在维持蛋白质构象方面也起着重要作用。8．蛋白质的结构与功能之间的关系如何？各种蛋白质都有其特定的生物学功能，这些功能是与蛋白质分子的特定结构密切相关的。(1)一级结构与功能的关系：①一级结构的变异与分子病：分子病是指某种蛋白质分子—级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。如镰刀状细胞贫血病就是一种分子病。病人的血红蛋白分子与正常人相比，在574个氨基酸中只有一个氨基酸是不同的，即β链的第六位氨基酸由正常的谷氨酸变成了缬氨酸。由于谷氨酸的侧链是带负电荷的羧基，缬氨酸的侧链是不带电荷的疏水基，因此这种改变显著降低了血红蛋白的溶解度，使患者的血红蛋白分子容易聚集成纤维状，导致红细胞收缩变形成镰刀状，输氧能力下降，细胞脆弱易溶血而引起贫血。②同源蛋白质的一级结构差异与生物进化：同源蛋白质是指在不同生物体中行使相同功能或相似功能的蛋白质，如真核生物线粒体中的细胞色素c。比较各种不同生物的细胞色素c的一缎结构，发现亲缘关系越近的，其结构越相似。根据不同生物细胞色素c在一级结构上差异的程度，就可以判定这些生物在亲缘关系上的远近，从而为生物进化的研究提供有价值的依据。(2)蛋白质构象与功能的关系：蛋白质的变构现象：有些蛋白质在表现其生物功能时，构象必须发生一定的变化。例如血红蛋白未与O2结合时．处于紧密型状态，与氧的亲和力很低。一旦O2与血红蛋白分子中的一个亚基结合，即引起该亚基构象发生变化，并相继传达到其余三个亚基．使所有亚基血红素铁原子的位置都变得适宜与O2结合，因此血红蛋白与O2结合的速度大大加快。可见血红蛋白与氧结合时构象的变化与其运输氧气的功能是密切相关的。9．稳定蛋白质胶体溶液的因素有哪些？蛋白质的分子大小在1～100nm之间，属于胶体质点的范围，是一种亲水胶体，与一般的胶体系统一样具有布朗运动、丁道尔现象、不透过半透膜、具有吸附能力等性质。稳定蛋白质胶体系统的因素主要有两个，一是因为蛋白质分子表面有许多极性基团，如-NH3＋、-COO－、-OH、-SH等，能与水分子起水化作用，使蛋白质分子表面形成水膜。水膜的存在使蛋白质颗粒互相隔开，不会相互碰撞凝集而沉淀。另一因素是因为蛋白质分子表面的可解离基团，在非等电点状态时，都带有同性电荷，同性电荷互相排斥，使蛋白质颗粒不致聚集而产生沉淀。10．使蛋白质发生沉淀的因素有哪些?蛋白质在溶液中的稳定是有条件的、相对的，如果条件发生改变，破坏了蛋白质溶液的稳定性，蛋白质就会从溶液中沉淀出来。沉淀蛋白质的方法通常有以下几种：(1)等电点沉淀：蛋白质和氨基酸一样是两性电解质，在酸性环境中蛋白质各碱性基团能接受H＋而使蛋白质带正电荷，在碱性环境中其酸性基团能释放H＋，与环境中的OH－结合成水，使蛋白质带负电荷。当溶液达到某一pH值时，蛋白质所带的正负电荷相等，即净电荷为零，在电场中既不向正极也不向负极移动，这时溶液的pH值即为该蛋白质的等电点(pI)。改变蛋白质溶液的pH值．达到蛋白质的pI，可以使蛋白质分子携带的净电荷为零，蛋白质分子之间失去静电斥力，相互凝集而沉淀。(2)盐析：向蛋白质溶液中加入大量的中性盐，使蛋白质分子脱去水化层而聚集沉淀的现象，称为盐析。盐析一般不引起蛋白质变性，当除去盐后又可溶解。(3)有机溶剂沉淀法：向蛋白质溶液中加入一定量的极性有机溶剂(甲醇、乙醇或丙酮等)，使蛋白质分子脱去水化层和降低介电常数而增加带电质点的相互作用，从而聚集沉淀。在室温下，有机溶剂不仅引起蛋白质沉淀，而且伴随着变性。若在低温下，边加边搅，变性将减轻。(4)重金属盐沉淀法：当溶液pHpI时，蛋白质分子带负电荷，易与重金属离子(Hg2+、Pb2＋、Cu2+、Ag+)等结合形成不溶性盐而沉淀。误服重金属的病人可口服牛奶、豆浆、蛋清等蛋白质进行解救，就是因为它能和重金属离子形成不溶性盐，然后再服用催吐剂排除体外。(5)生物碱试剂和某些酸类物质沉淀法：生物碱试剂是指能引起生物碱沉淀的一类试剂，如苹果酸、苦味酸(2，4，6-三硝基酚)、钨酸、KI等，某些酸类是指三氯乙酸、磺基水杨酸等。当pHpI时，蛋白质分子带正电荷，易与生物碱试剂和酸类的酸根负离子发生反应生成不溶性盐而沉淀。(6)加热变性沉淀法：几乎所有的蛋白质都会因加热变性而凝固，少量盐类促进凝固，当蛋白质处于pI时，凝固更加迅速。加热变