第二章-蛋白質化學

第二章--蛋白質化學第一頁，共72頁。第一節(jié)蛋白質概述蛋白質存在于所有的生物細胞中，是構成生物體最基本的結構物質和功能物質。蛋白質是生命活動的物質基礎，它參與了幾乎所有的生命活動過程。Protein第一頁第二頁，共72頁。二、蛋白質的功能催化功能激素功能運動功能運輸功能免疫功能一、蛋白質的定義蛋白質是由氨基酸以肽鍵相連而成的生物大分子化合物。第二頁第三頁，共72頁。三、蛋白質的分類（23)1、根據(jù)分子形狀分類2、根據(jù)功能分類3、根據(jù)組成分類4、根據(jù)溶解度的不同分類5、根據(jù)營養(yǎng)價值不同分類第三頁第四頁，共72頁。根據(jù)組成分類

簡單蛋白(simpleprotein)

又稱為單純蛋白質，這類蛋白質只含由

-氨基酸組成的肽鏈,不含其他成分。結合蛋白(conjugatedprotein)由簡單蛋白質與其它非蛋白質成分結合而成。第四頁第五頁，共72頁。四、蛋白質的結構組成1蛋白質元素組成

蛋白質是一類含氮有機化合物，除含有碳、氫、氧外，還有氮和少量的硫。某些蛋白質還含有其他一些元素，主要是磷、鐵、碘、鋅和銅等。這些元素在蛋白質中的組成百分比約為：

碳50%

氫7%

氧23%

氮16%

硫0—3%

其他微量第五頁第六頁，共72頁。2蛋白質元素組成的特點生物體組織中所含的氮，絕大部分存在于蛋白質中。蛋白質中氮的百分含量比較恒定，一般平均為16%。

當測出樣品中氮的含量后，按照下式就可以計算出蛋白質的含量：蛋白質含量=蛋白氮量×6.25蛋白質系數(shù)第六頁第七頁，共72頁。第二節(jié)氨基酸一、氨基酸的結構氨基酸是蛋白質水解的最終產(chǎn)物，是組成蛋白質的基本單位。從蛋白質水解產(chǎn)物中分離出來的氨基酸有20種，這些天然氨基酸在結構上的共同特點為：1

除脯氨酸外，與羧基相鄰的

-碳原子上都有一個氨基，因而稱為

-氨基酸。第七頁第八頁，共72頁。20種a-氨基酸之間的差別在于它們特殊的側鏈結構，即所謂的R基團。結構通式

page23第八頁第九頁，共72頁。2除甘氨酸以外，所有這些氨基酸的α-碳原子上的四個基團都不相同。

A.

氨基酸都具有旋光性。

B.每一種氨基酸都具有D-型和L-型兩種立體異構體。目前已知的天然蛋白質中氨基酸都為L-型。第九頁第十頁，共72頁。氨基酸的簡寫符號第十頁第十一頁，共72頁。人體所需的八種必需氨基酸必需氨基酸（essentialaminoacid）：指的是人體自身不能合成或合成速度不能滿足人體需要，必須從食物中攝取的氨基酸。

賴氨酸(Lys)纈氨酸(Val)蛋氨酸(Met)

色氨酸(Trp)亮氨酸(Leu)異亮氨酸(Ile)

酪氨酸(Tyr)苯丙氨酸(Phe)

第十一頁第十二頁，共72頁。按側鏈R基團在生理pH（7.0左右）時的極性性質，20種氨基酸可以分為以下4組：二、氨基酸的分類1非極性R基氨基酸2不帶電荷的極性R基氨基酸3帶負電荷的R基氨基酸(酸性氨基酸)4帶正電荷的R基氨基酸(堿性氨基酸)第十二頁第十三頁，共72頁。1非極性R基氨基酸第十三頁第十四頁，共72頁。2不帶電荷的極性R基氨基酸第十四頁第十五頁，共72頁。3帶負電荷的R基氨基酸(酸性氨基酸)4帶正電荷的R基氨基酸(堿性氨基酸)第十五頁第十六頁，共72頁。三、氨基酸的光吸收

參與蛋白質組成的20種氨基酸，在可見光區(qū)域都沒有光吸收，但在遠紫外區(qū)（小于220nm）均有光吸收。

在近紫外區(qū)域(220-300nm)，只有酪氨酸（275nm)、苯丙氨酸(257nm)和色氨酸(280nm)有吸收光的能力。第十六頁第十七頁，共72頁。

四、氨基酸的酸堿化學

氨基酸在結晶形態(tài)或在水溶液中，并不是以游離的羧基或氨基形式存在，而是離解成兩性離子。在兩性離子中，氨基是以質子化(-NH3+)形式存在，羧基是以離解狀態(tài)(-COO-)存在。1氨基酸的兼性離子形式第十七頁第十八頁，共72頁。2氨基酸的解離

pH=1710凈電荷+10-1

正離子兩性離子等電點PI

負離子

酸堿質子理論pH小大氨基酸解離情況第十八頁第十九頁，共72頁。3氨基酸的等電點氨基酸的等電點（pI）：在溶液的某一pH時，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-數(shù)目正好相等，凈電荷為零，該pH則為這個氨基酸的等電點。某一氨基酸凈電荷等于零時的溶液的pH為該氨基酸的等電點。氨基酸處于等電點時凈電荷為零，在電場中沒有電泳行為。等電點時氨基酸的水化能力最弱，因而溶解度最小，可以沉淀析出，以達到分離氨基酸的目的。第十九頁第二十頁，共72頁。2)

酸性氨基酸：pI=(pK1+pKR-COO-)/2

Glu（谷氨酸）中性氨基酸:pI=(pK1+pK2)/2等電點的計算第二十頁第二十一頁，共72頁。3)

堿性氨基酸：pI=(pK2+pKR-NH2)/2His在等電點以上的任一pH，氨基酸帶凈負電荷，在電場中向正極移動。在低于等電點的任一pH，氨基酸帶有凈正電荷，在電場中向負極移動。在一定pH范圍內，氨基酸溶液的pH離等電點越遠，氨基酸所攜帶的凈電荷越大。

第二十一頁第二十二頁，共72頁。自測題1有一氨基酸混合液，所含四種氨基酸的等電點分別為4.6、5.3、6.7、7.5，欲使其中三種在電泳中向陽極泳動。應選擇下列哪種pH值的緩沖溶液？A、5.0B、6.0C、7.0D、8.02已知谷氨酸的三個可解離基團，其pK1=2.6,pK2=4.6,pK3=9.6,它的等電點應當是多少？

A、3.6B、7.1C、6.1D、4.6第二十二頁第二十三頁，共72頁。第三節(jié)肽一、概念1肽：一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基之間失水形成的酰胺鍵稱肽鍵，所形成的化合物稱肽。第二十三頁第二十四頁，共72頁。二、肽的命名2二肽：兩分子氨基酸形成的肽3三肽:三個氨基酸縮合成的肽4寡肽：含有少于10個氨基酸的肽5多肽：由10個以上氨基酸組成的肽組成多肽的氨基酸單元稱為氨基酸殘基。肽單位：肽鏈中的酰胺基，也稱為肽基。第二十四頁第二十五頁，共72頁。在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸順序。通常在多肽鏈的一端含有一個游離的

-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個游離的

-羧基，稱為羧基端或C-端。氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點的排列順序。如上述五肽可表示為：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln。命名為：絲氨酰纈氨酰酪氨酰天冬氨酰谷氨酰胺。第二十五頁第二十六頁，共72頁。

氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共軛作用。組成肽鍵的原子處于同一平面。肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質，不能自由旋轉。在大多數(shù)情況下，以反式結構存在。三、肽鍵的特點第二十六頁第二十七頁，共72頁。第四節(jié)蛋白質的結構一、蛋白質的一級結構（一）定義：多肽鏈中的氨基酸序列，包括二硫鍵的位置。第二十七頁第二十八頁，共72頁。（二）蛋白質一級結構的測定測定蛋白質一級結構的樣品要求：A樣品必需是均一的，純度應在97%以上B知道蛋白質的相對分子質量，并且誤差在10%左右測定步驟：1測定蛋白質分子中多肽鏈的數(shù)目通過測定末端氨基酸殘基的摩爾數(shù)與蛋白質分子量之間的關系，即可確定多肽鏈的數(shù)目。如果蛋白質含一條多肽鏈，則蛋白質的摩爾數(shù)應與末端殘基的摩爾數(shù)相等；如果后者是前者的倍數(shù)，說明該蛋白質分子是由多條多肽鏈組成。

第二十八頁第二十九頁，共72頁。

3二硫鍵的斷裂：幾條多肽鏈通過二硫鍵交聯(lián)在一起?？稍?mol/L尿素或6mol/L鹽酸胍存在下，用過量的

-巰基乙醇處理，使二硫鍵還原為巰基，然后用烷基化試劑保護生成的巰基，以防止它重新被氧化?？梢詰眠^甲酸氧化法或巰基還原法拆分多肽鏈間的二硫鍵。2多肽鏈的拆分：由多條多肽鏈組成的蛋白質分子，必須先進行拆分。幾條多肽鏈借助非共價鍵連接在一起，稱為寡聚蛋白質。如，血紅蛋白為四聚體，烯醇化酶為二聚體；可用8mol/L尿素或6mol/L鹽酸胍處理，即可分開多肽鏈(亞基)。第二十九頁第三十頁，共72頁。4測定每條多肽鏈的氨基酸組成，并計算出氨基酸成分的分子比。酸水解和堿水解，氨基酸分析儀5分析多肽鏈的N-末端和C-末端★末端氨基酸的測定：多肽鏈端基氨基酸分為兩類，N-端氨基酸和C-端氨基酸。在肽鏈氨基酸順序分析中，最重要的是N-端氨基酸分析法。N-末端分析方法二硝基氟苯（DNFB或FDNB）法:

即著名的Sanger反應(page34)。DNFB也稱Sanger試劑。丹磺酰氯（DNS）法:

丹磺酰氯是二甲氨基萘磺酰氯的簡稱，縮寫為DNS。此方法原理與DNFB法相同，只是用DNS代替了DNFB試劑。由于丹磺?；哂袕娏业臒晒?，靈敏度比DNFB法高100倍。第三十頁第三十一頁，共72頁。黃色二硝基氟苯（DNFB或FDNB）法第三十一頁第三十二頁，共72頁。肼解法：多肽與肼在無水條件下加熱，C-端氨基酸即從肽鏈上解離出來，其余的氨基酸則變成肼化物。肼化物能夠與苯甲醛縮合成不溶于水的物質而與C-端氨基酸分離。C-末端分析方法第三十二頁第三十三頁，共72頁。6多肽鏈斷裂成多個肽段，并將其分離開化學法(page37)溴化氰水解法：它能選擇性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽鍵。第三十三頁第三十四頁，共72頁。水解位點①胰蛋白酶R1=賴氨酸（Lys）或精氨酸（Arg）側鏈酶解法R2=Pro(抑制水解)第三十四頁第三十五頁，共72頁。水解位點②糜蛋白酶(胰凝乳蛋白酶)R1=苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Trp）、酪氨酸（Tyr）R2=Pro(抑制水解)第三十五頁第三十六頁，共72頁。水解位點

③胃蛋白酶斷裂點兩側的殘基都是疏水性氨基酸special苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)

酪氨酸（Tyr）、亮氨酸(Leu）R1=Pro(不水解)第三十六頁第三十七頁，共72頁。7測定每個肽段的氨基酸順序Edman（苯異硫氰酸酯，PITC）法++偶聯(lián)反應環(huán)化斷裂反應轉化反應PTC-肽ATZPTH-氨基酸268nm減少一個殘基的肽PTC-肽（苯氨基硫甲酰肽）ATZ（噻唑啉酮苯胺）PTH-氨基酸（苯乙內酰硫脲氨基酸）第三十七頁第三十八頁，共72頁。8確定肽段在多肽鏈中的次序第三十八頁第三十九頁，共72頁。根據(jù)下面給出的信息，確定肽鏈中氨基酸的序列：1.酸水解得Val，Phe，Gly，Arg，Ile，Met，Thr。2.Sanger試劑處理得DNP-Gly。3.胰蛋白酶處理得Gly、Arg、Thr和Ile、Met、Phe、Val；當以Sanger試劑處理時分別得到DNP-Gly和DNP-Val。4.溴化氰處理得Gly、Arg、高絲氨酸內酯、Thr、Val和Ile、Phe；當用Sanger試劑處理時，分別得DNP-Gly和DNP-Ile。自測題答案：Gly-Thr-Arg-Val-Met-Ile-Phe第三十九頁第四十頁，共72頁。（三）蛋白質一級結構與生物學功能1蛋白質的一級結構決定其高級結構一級結構與分子病鐮刀狀貧血是由遺傳基因的突變導致血紅蛋白分子一級結構突變引起的。血紅蛋白分子β-鏈上的第六位谷氨酸被纈氨酸所替代，使血紅蛋白分子空間結構發(fā)生一些變化。同源蛋白質：不同種屬中執(zhí)行同一功能的蛋白質。如牛、兔等的血紅蛋白都有運輸氧的功能。2蛋白質的一級結構差異越小，其功能的相似性越大。3一級結構上的細微變化可直接影響其功能第四十頁第四十一頁，共72頁。定義：蛋白質主鏈的折疊產(chǎn)生由氫鍵維系的有規(guī)則的構象。主要有

-螺旋、-折疊、-轉角和無規(guī)則卷曲。1無規(guī)則卷曲：是無一定規(guī)律的結構，但這些部位往往是蛋白質功能或構象變化的重要區(qū)域。二、蛋白質的二級結構第四十一頁第四十二頁，共72頁。2

-螺旋左手和右手螺旋Page42第四十二頁第四十三頁，共72頁。每圈螺旋占3.6個氨基酸殘基，沿螺旋方向上升0.54nm。每個殘基繞軸旋轉100°，沿軸上升0.15nm。

-螺旋結構的穩(wěn)定主要靠鏈內的氫鍵。大多數(shù)蛋白質中存在的

-螺旋均為右手螺旋。第四十三頁第四十四頁，共72頁。3

-折疊（

-折疊片）由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象。平行反平行

Page43第四十四頁第四十五頁，共72頁。第四十五頁第四十六頁，共72頁。4

-轉角彎曲處的第1個氨基酸殘基的C=O和第4個殘基的N–H之間形成氫鍵，產(chǎn)生一種很不穩(wěn)定的環(huán)形結構。第四十六頁第四十七頁，共72頁。在蛋白質中由若干相鄰的二級結構組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則、在空間上能辨認的二級結構組合體。主要有三種:

、

、。超二級結構第四十七頁第四十八頁，共72頁。第四十八頁第四十九頁，共72頁。超二級結構在結構層次上高于二級結構，但沒有聚集成具有功能的結構域。

結構域：多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體。第四十九頁第五十頁，共72頁。定義：在二級結構基礎上，肽鏈的不同區(qū)段的側鏈基團相互作用在空間進一步盤繞、折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在內的特征三維結構。

三、蛋白質的三級結構肌紅蛋白第五十頁第五十一頁，共72頁。四、蛋白質的四級結構

四級結構：自然界中很多蛋白質是以獨立折疊的球狀蛋白質的聚集體形式存在的。這些球狀蛋白質通過非共價鍵彼此締合在一起。締合形成聚集體的方式構成蛋白質的四級結構。亞基：四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白稱為亞基，亞基一般是一條多肽鏈。二聚體蛋白:由兩個亞基組成的蛋白。寡聚蛋白質：由兩個或兩個以上亞基組成的蛋白質。寡聚蛋白包括許多很重要的酶和轉運蛋白。第五十一頁第五十二頁，共72頁。兩個亞基的結構第五十二頁第五十三頁，共72頁。血紅蛋白含有四條肽鏈，每一條肽鏈各與一個血紅素相連接。血紅素同肽鏈的連接是血紅素的Fe原子以配價鍵與肽鏈分子中的組氨酸咪唑基的氮原子相連。血紅蛋白第五十三頁第五十四頁，共72頁。五、維系蛋白質結構的作用力

維系蛋白質分子一級結構：肽鍵、二硫鍵維系蛋白質分子二級結構：氫鍵維系蛋白質分子三級結構：疏水相互作用力、氫鍵、范德華力、鹽鍵維系蛋白質分子四級結構：范德華力、鹽鍵a鹽鍵（離子鍵）b氫鍵c疏水相互作用力

d范德華力e二硫鍵f酯鍵一級結構→二級結構→超二級結構→結構域→三級結構→亞基→四級結構第五十四頁第五十五頁，共72頁。第五節(jié)蛋白質的性質一、蛋白質的兩性解離和電泳現(xiàn)象二、蛋白質的膠體性質三、蛋白質的沉淀作用四、蛋白質的變性五、蛋白質的紫外吸收六、蛋白質的顏色反應第五十五頁第五十六頁，共72頁。一、蛋白質的兩性解離和電泳現(xiàn)象當溶液在某一pH時，使蛋白質所帶的正電荷與負電荷恰好相等，即總凈電荷為零，這時溶液的pH稱為該蛋白質的等電點（pI）在pH大于等電點的溶液中，蛋白質粒子帶負電荷，在電場中向正極移動；在pH小于等電點的溶液中，蛋白質粒子帶正電荷，在電場中向負極移動。在外加電場下，不處于等電點的蛋白質分子向與其電性相反的電極移動，這種現(xiàn)象稱為蛋白質電泳。蛋白質在等電點pH條件下，不發(fā)生電泳現(xiàn)象。第五十六頁第五十七頁，共72頁。第五十七頁第五十八頁，共72頁。二、蛋白質的膠體性質蛋白質的分子量很大，在水中能夠形成膠體溶液。蛋白質溶液具有膠體溶液的特征，如丁達爾現(xiàn)象，布郎運動，不能透過半透膜以及具有吸附能力等。透析：透析膜是半透膜，蛋白質是大分子物質，它不能透過透析膜，而小分子物質（無機鹽、單糖等）可以自由通過透析膜與周圍的緩沖溶液進行溶質交換，進入到透析液中。在實驗室分離純化蛋白質的過程中，常利用透析的方法除去蛋白質溶液中的小分子物質。

第五十八頁第五十九頁，共72頁。1可逆沉淀三、蛋白質的沉淀作用2不可逆沉淀在沉淀過程中，蛋白質的結構和性質都沒有發(fā)生變化，在適當?shù)臈l件下，可以重新溶解形成溶液，所以又稱為非變性沉淀。由于在沉淀過程中，蛋白質的結構和性質發(fā)生了變化，所以又稱為變性沉淀。如加熱沉淀、強酸堿沉淀、重金屬鹽沉淀和生物堿沉淀等。第五十九頁第六十頁，共72頁。四、蛋白質的變性蛋白質的變性：某些物理或化學因素，能夠破壞蛋白質的結構狀態(tài)，引起蛋白質理化性質改變并導致其生理活性喪失。這種現(xiàn)象稱為蛋白質的變性。引起變性的主要因素：熱、紫外光、激烈的攪拌以及強酸和強堿等。蛋白質變性后，二、三級以上的高級結構發(fā)生改變或破壞，但是一級結構沒有破壞。第六十頁第六十一頁，共72頁。蛋白質的變性都伴隨著不可逆沉淀第六十一頁第六十二頁，共72頁。大多數(shù)蛋白質在280nm附近顯示強的吸收。五、蛋白質的紫外吸收六、蛋白質的顏色反應大部分蛋白質均含有帶芳香環(huán)的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。這三種氨基酸在280nm附近有最大吸收。利用這個性質，可以對蛋白質進行定性鑒定。1

蛋白質黃色反應：含有芳香族氨基酸特別是含有酪氨酸和色氨酸的蛋白質所特有的呈色反應。蛋白質溶液遇硝酸后，先產(chǎn)生白色沉淀，加熱則白色沉淀變黃色，再加堿，顏色加深呈橙黃色。第六十二頁第六十三頁，共72頁。

2雙縮脲反應

雙縮脲是由兩分子尿素縮合而成的化合物。雙縮脲在堿性溶液中與硫酸銅反應，生成粉紅色的復合物，稱為雙縮脲反應。蛋白質分子中含有許多和雙縮脲結構相似的肽鍵（含有兩個或兩個以上肽鍵），因此也能起雙縮脲反應。肽鍵的反應，肽鍵越多顏色越深。受蛋白質特異性影響小蛋白質定量測定；測定蛋白質水解程度第六十三頁第六十四頁，共72頁。第六節(jié)蛋白質的分離和純化一、蛋白質的分離步驟二、蛋白質的純化方法三、蛋白質含量的測定第六