蛋白质的元素组成及其重要性

(一)蛋白质的元素组成

蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。有些蛋白质还含有其他一些元素，例如磷、铁、碘、硒、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比:碳为50%～55%；氧为20%～23%；氮为15%～17%；氢为6%～8%；硫为0～4%；磷为0～1%；碘、硒、锌和铜等占比极少。生物组织中的氮元素几乎都为蛋白质所含有，并且大多数蛋白质的含氮量非常接近，平均约为16%。

(二)蛋白质的化学结构

1.氨基酸是组成蛋白质的基本单位

蛋白质是一种大分子物质，人们为了研究它的结构，分别用酸，碱和酶的实验方法去水解蛋白质，发现水解后的最终产物都是氨基酸，由此得出结论，蛋白质的基本结构是由氨基酸组成。人们也分析了在实验中得到的这些水解产物，发现氨基酸有20种，它们分别是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、天门冬酰胺、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸、组氨酸和脯氨酸。并且这些氨基酸的结构都可以用下面的一个通式来表示，如图7-1所示。

图7-1　氨基酸的结构通式(分子型或离子型)

这20种氨基酸是构成蛋白质最常见的氨基酸，称为基本氨基酸。按它们的酸碱性质来分类，可以分为酸性氨基酸，碱性氨基酸和中性氨基酸。其中酸性氨基酸是分子结构中的R基团为羧基的氨基酸，包括天门冬氨酸和谷氨酸；而碱性氨基酸结构中的R基团为氨基，包括精氨酸和赖氨酸，另外还有一种呈弱碱性的氨基酸——组氨酸；其余15种氨基酸都为中性氨基酸。

氨基酸是蛋白质的构件分子，也是构成生命大厦的基石。微生物和植物能在体内合成所有的氨基酸，而人体(或其他脊椎动物)则有8种氨基酸不能在体内自行合成或合成速度远不能满足机体的需要，必须由食物蛋白供给，这些氨基酸被人们称为必需氨基酸。这8种氨基酸分别是赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸。组氨酸对幼儿也是必需氨基酸。其余的12种氨基酸(儿童为11种)人体能够自己制造，为非必需氨基酸。但是成年人体内合成精氨酸、组氨酸的速度缓慢，当机体需要量增加时，也需要从食物中摄取一部分才能完全满足自身需要。(www.xing528.com)

2.氨基酸与多肽相互连接构成蛋白质

以上这些氨基酸在人体内不是独立存在的，它们之间通过一些特殊的化学反应，如一个氨基酸结构中的氨基与另一个氨基酸结构中的羧基产生脱羧反应形成肽键(peptide bond)，使得两个以上的氨基酸通过肽键连接起来。通常将10个以下的氨基酸缩合成的肽叫寡肽；而逐渐形成10个以上氨基酸连接的产物，叫多肽。例如，胰岛素就是由51个氨基酸构成的一种多肽，参与调节人体糖代谢，控制血糖平衡。

蛋白质的种类有很多，构成蛋白质的氨基酸小到只有几十个，大的可达成千上万个，要构成结构如此复杂的蛋白质，一般分四个步骤^[2](详见图7-2)。第一步是氨基酸通过肽链相互连接成多肽，形成蛋白质一级结构。第二步是蛋白质一级结构在空间通过折叠、盘曲成螺旋状(α-螺旋)，或片层状结构(β-折叠)，形成了蛋白质的二级结构(也叫次级结构)。第三步则进一步扭曲成类似球形的紧密结构，也就构成了蛋白质的三级结构。第四步是在这些肽链与肽链之间，又会发生一些弱相互作用和反应产生盐键、氢键、二硫键等各种化学键。这些化学键将肽链与肽链之间连接起来，构成了蛋白质四级结构(也称高级结构)，从而形成了自然界中成千上万的蛋白质，它们的分子结构更为复杂，性质各异，功能各不相同。

图7-2　蛋白质结构

◎思考题

1.什么是蛋白质?

2.人体所必需的氨基酸有哪几种?