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第四章 生物大分子
第二節(jié)　蛋白質
“高精度的新冠病毒完整結構圖展示給我們：它的表面蛋白會‘變臉’：有抗原暴露狀態(tài)，抗原埋藏狀態(tài)，還有膜融合后態(tài)。體外重組只有模仿出它的‘變臉’才能揭示真規(guī)律。
高精度病毒完整結構圖有助于人類開發(fā)出更高效的疫苗。
【結論】從最簡單的病毒、細菌等微生物直至人類，生物體內(nèi)的絕大多數(shù)生命過程都與蛋白質密切相關，可以說沒有蛋白質就沒有生命。氨基酸是組成蛋白質的基本結構單位，要認識蛋白質，必須首先認識氨基酸。
一.氨基酸
1.定義：
羧酸分子烴基上的氫原子被氨基取代得到的化合物稱為氨基酸。
2.官能團：
—COOH (羧基) —NH2 (氨基)
3.結構：
組成蛋白質的氨基酸(天然氨基酸)主要是α-氨基酸(氨基直接連在與羧基相鄰的α位的碳原子上)。結構簡式：
H2N—CH2COOH
甘氨酸
丙氨酸
谷氨酸
4.對映異構：
α -氨基酸除甘氨酸外，一般均含有連接4個不同原子或原子團的手性碳原子，具有對映異構體。
5.存在：
組成生物體內(nèi)蛋白質的氨基酸一般只有20種，其中必需氨基酸有8種。
6.命名：
H2N—CH2COOH
甘氨酸
丙氨酸
谷氨酸
氨基乙酸
2-氨基丙酸
2-氨基戊二酸
苯丙氨酸
半胱氨酸
2-氨基-3-巰基丙酸
2-氨基-3-苯基丙酸
7.物理性質：
天然氨基酸均為無色晶體，熔點較高(多在200~300℃熔化時分解)。一般能溶于水，而難溶于乙醇、乙醚等有機溶劑。
8.化學性質：
①兩性
氨基酸分子中—COOH是酸性基團，—NH2是堿性基團，因此氨基酸是兩性化合物，能與酸、堿反應生成鹽。
注：常見的既能與酸反應又能與堿反應的物質：
（1）金屬：Al
（2）兩性化合物：Al2O3、Al(OH)3
（3）弱酸的銨鹽：(NH4)2CO3、CH3COONH4
（4）多元弱酸的酸式鹽：NaHCO3、NH4HCO3
（5）氨基酸和蛋白質
②成肽反應
兩個氨基酸分子(可以相同，也可以不同)在一定條件下，通過羧基與氨基間縮合脫去水，形成含有肽鍵( )的化合物，發(fā)生成肽反應，該反應屬于取代反應。
反應機理：酸脫羥基，氨脫氫
肽鍵可簡寫為“—CONH—”，不能寫成“—CNHO—”，兩者的連接方式不同。
由兩個氨基酸分子縮合后形成的含有肽鍵的化合物稱為二肽。
二肽還可以繼續(xù)與其他氨基酸分子縮合生成三肽、四肽、五肽，以至生成長鏈的多肽。
多肽常成鏈狀，因此也叫肽鏈；肽鏈能盤曲、折疊，還可以相互結合形成蛋白質。
一般把相對分子質量在10000以上，并具有一定空間結構的多肽稱為蛋白質。
該過程實際是氨基酸分子縮聚成高分子化合物的過程----氨基酸的縮聚反應。
寫出苯丙氨酸與甘氨酸發(fā)生成肽反應生成多肽的化學方程式：
【小結】
縮聚反應：由一種單體進行縮聚反應，生成的小分子物質的量一般為n-1;由兩種單體進行縮聚反應，生成的小分子物質的量一般為2n-1。
由n個同種氨基酸分子發(fā)生成肽反應，生成一個肽鏈時，會生成(n－1)個水分子和(n－1)個肽鍵。
二.蛋白質
1.定義：
蛋白質是由多種氨基酸通過肽鍵等相互連接形成的一類生物大分子(天然有機高分子化合物)。
2.元素組成：
蛋白質中主要含有C、H、O、N、S等元素，有些蛋白質還含有P、Fe、Zn、Cu等元素。其溶液具有膠體的某些性質。
蛋白質含量的測定：
由于生物組織中絕大部分氮元素來自蛋白質，而且各種來源不同的蛋白質的含氮量都比較接近，平均為16%。因此生物樣品中的1 g氮元素大致相當于6.25 g蛋白質，由此可以通過測定樣品中氮元素的質量分數(shù)計算出其中蛋白質的含量。
3.結構：
各種蛋白質在生物體內(nèi)所具有的不同功能與蛋白質的結構密切相關。蛋白質的結構不僅取決于多肽鏈的氨基酸種類、數(shù)目及排列順序，還與其特定的空間結構有關。
中國科學院生物化學研究所、有機化學研究所和北京大學化學系等單位的多位科學家經(jīng)過長期不懈努力，在1965年首先合成了結晶牛胰島素。
4.蛋白質的四級結構
4.化學性質：
①兩性
形成蛋白質的多肽是由多個氨基酸縮合形成的，在多肽鏈的兩端必然存在著自由的羧基(酸性基團)和氨基(堿性基團)，所以蛋白質與氨基酸一樣具有兩性，能與酸、堿反應。
②水解
蛋白質在酸、堿或酶的作用下，水解生成相對分子質量較小的多肽，最終水解得到氨基酸。天然蛋白質水解的最終產(chǎn)物都是α-氨基酸。
HO
H
O
H
H—N—CH2—C—
O
H
—N—CH2—C—OH
③鹽析
少量的某些可溶性鹽(如硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等)能促進蛋白質的溶解。但當這些鹽在蛋白質溶液中達到一定濃度時，反而使蛋白質的溶解度降低而使其從溶液中析出，這種作用稱為鹽析。
實驗操作 在試管中加入2mL飽和(NH4)2SO4溶液，
向其中加入幾滴雞蛋清溶液，振蕩，
觀察現(xiàn)象。再繼續(xù)加入蒸餾水振蕩，
觀察現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象
結論
加入(NH4)2SO4溶液，產(chǎn)生白色沉淀，加入H2O之后，沉淀溶解。
蛋白質的鹽析是一個可逆過程，析出的蛋白質在水中仍能溶解，并不影響其活性。采用多次鹽析和溶解，可以分離提純蛋白質。
①蛋白質的鹽析是物理變化，可逆過程，不影響蛋白質的活性；
②應選擇輕金屬的鹽溶液[NaCl、Na2SO4、 (NH4)2SO4等] 進行鹽析；
③要選擇鹽的濃溶液（或飽和溶液）進行鹽析，且用量要大，因為少量的鹽能促進蛋白質溶解；
④易溶于水的蛋白質可以進行鹽析，不溶性蛋白質沒有鹽析的性質；
⑤多次鹽析和溶解，可分離提純蛋白質 。
④變性
a.概念：在某些物理或化學因素的影響下，蛋白質的性質和生理功能發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為蛋白質的變性。
b.物理因素：加熱、加壓、攪拌、振蕩、超聲波、紫外線和放射線等。
c.化學因素：強酸、強堿、重金屬鹽、乙醇、甲醛、丙酮等。
實驗操作
實驗現(xiàn)象
結論
三支試管內(nèi)均產(chǎn)生白色沉淀，加水后沉淀均不溶解
變性后的蛋白質在水中不能重新溶解，變性會使蛋白質的結構發(fā)生變化，失去生理活性，發(fā)生了不可逆的變化。
在日常生活中有時需要利用蛋白質變性，如食物加熱、乙醇、苯酚和可消毒等；有時防止蛋白質變性，疫苗等生物制劑要低溫保存；登山防曬護目是為了防止蛋白質變性。
1.因誤服鉛、汞等重金屬鹽中毒的患者在急救時，為什么可口服牛奶、蛋清或豆?jié){？
2.為什么紫外線可用于環(huán)境和物品消毒，放射線可用于醫(yī)療器械滅菌？
誤服重金屬鹽，可口服牛奶、蛋清或豆?jié){，其目的是使重金屬鹽與牛奶等發(fā)生變性作用，從而減少人體蛋白質變性。
紫外線用于環(huán)境和物品消毒，放射線用于醫(yī)療器械消毒，都是利用紫外線或放射線使細菌和病毒中的蛋白發(fā)生變性而使其死亡。
蛋白質鹽析和變性的區(qū)別
鹽析 變性
變化條件 濃的輕金屬鹽 受熱、紫外線、強酸、強堿、重金屬鹽、某些有機物
變化實質 物理變化(溶解度降低) 化學變化(蛋白質性質改變)
變化過程 可逆 不可逆
用途 分離、提純蛋白質 殺菌、消毒
⑤顯色反應
含有苯環(huán)的蛋白質遇濃硝酸會有白色沉淀產(chǎn)生，加熱后沉淀變黃色。
實驗操作
實驗現(xiàn)象
結論
加入濃硝酸生成白色沉淀，加熱后，沉淀變黃
含有苯環(huán)的蛋白質(天然蛋白質都含苯環(huán))沾上濃硝酸會出現(xiàn)黃色，可用于檢驗蛋白質。
⑥蛋白質灼燒有燒焦羽毛氣味。
5.蛋白質的用途
（1）食物（人類必須的營養(yǎng)物質）
（2）工業(yè)原料：
動物的毛、蠶絲 (紡織原料)
動物的皮 (皮革)
動物的骨、皮、蹄 (動物膠)
牛奶中的酪素 (酪素塑料)
三.酶
1.定義：
酶是一類由細胞產(chǎn)生的、對生物體內(nèi)的化學反應具有催化作用的有機化合物，其中絕大多數(shù)是蛋白質。
2.來源：
3.功能：
活細胞產(chǎn)生的
具有生物催化作用，反應結束后，酶本身保持不變。
4.酶的催化作用的特點：
（2）催化反應條件溫和，一般在接近體溫和中性的條件下進行，此時酶的催化作活性最高。超過適宜的溫度時，酶將失去活性；
（3）具有高度的專一性。如蛋白酶只能催化蛋白質的水解反應，淀粉酶只對淀粉和糖原等多糖的水解起催化作用
（1）具有高效的催化作用，一般是普通催化劑的107倍
5.酶的應用：
（1）淀粉酶應用于食品、發(fā)酵、紡織、制藥等工業(yè)；
（2）蛋白酶應用于醫(yī)藥、制革等工業(yè)；
（3）脂肪酶應用于脂肪水解、羊毛脫脂等；
（4）酶還可用于疾病的診斷。

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