12年级

氨基酸、肽、蛋白质结构

氨基酸通过肽键连成链并折叠成蛋白质；四级结构解释了序列如何决定形状与功能。

直觉直觉：二十个字母，无穷的词

蛋白质是用二十种氨基酸“字母”写成的长“词”。字母顺序即序列；随后链折叠，使一部分躲在内部远离水，另一部分在外侧，形成的三维形状使蛋白质能作为酶、纤维或载体发挥作用。

隔一个残基带一个侧链小球的弯曲链；拖动可旋转。仅为拓扑示意，并非真实蛋白质折叠。

定义:

氨基连在羧基相邻碳上的化合物 $\ce{H2N-CHR-COOH}$ 。蛋白质中有二十种不同的 R 基（侧链）；除甘氨酸外均有手性，天然蛋白质使用 L 型。

\ce{H2N-CHR-COOH + H2N-CHR'-COOH -> H2N-CHR-CO-NH-CHR'-COOH + H2O}

两个氨基酸缩合脱去一分子水，形成称为肽键的酰胺键。两个单元为二肽，三个为三肽，长链为多肽。链的两端不同：游离 $\ce{NH2}$ 的 N 端和游离 $\ce{COOH}$ 的 C 端。

例题: 能有多少种三肽？

三种不同氨基酸（Gly、Ala、Val）各用一次，能形成多少种不同的三肽？若每个位置可以是三者中任意一种呢？

解答

各用一次：顺序有意义，共 3! = 6 种（Gly-Ala-Val 与 Val-Ala-Gly 不同）。允许重复则为 3³ = 27 种。

在水中氨基酸以两性离子 $\ce{^+H3N-CHR-COO-}$ 存在。净电荷为零时的 pH 称为等电点 pI，中性氨基酸的 pI 是两个 pKa 的平均值（甘氨酸 pKa 为 2.34 和 9.60，故 pI ≈ 5.97）。肽键具有部分双键性质，其周围六个原子共平面，通常为反式。

\mathrm{pI}=\tfrac12\left(\mathrm{p}K_{a1}+\mathrm{p}K_{a2}\right)

例题: 甘氨酸的等电点

甘氨酸 pKa(COOH) = 2.34，pKa(NH₃⁺) = 9.60。求 pI，并说明在 pH 8 时它在电场中向哪极移动。

解答

pI = (2.34 + 9.60)/2 = 5.97。pH 8 高于 pI，分子带净负电（铵基大部分仍质子化，但 $\ce{COO-}$ 略多于 $\ce{NH3+}$ ），因此缓慢向正极移动。

Lehninger Principles of Biochemistry (8th ed.) · David L. Nelson, Michael M. Cox, Aaron A. Hoskins, 2021
The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain · Linus Pauling, Robert B. Corey, H. R. Branson, 1951