第01章蛋白質(zhì)化學(xué)課件

第一篇

生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)：生命的物質(zhì)基礎(chǔ)核酸

：遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)酶：生物催化劑生物大分子是由某些基本結(jié)構(gòu)單位按一定順序和方式連接所形成的多聚體。MW＞104第一章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能Chapter1StructureandFunctionofProtein本章主要介紹：1.蛋白質(zhì)的分子組成2.蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)3.蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系4.蛋白質(zhì)的主要理化性質(zhì)什么是蛋白質(zhì)呢？蛋白質(zhì)(protein)：

是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物。種類繁多功能多樣生命的物質(zhì)基礎(chǔ)什么是蛋白質(zhì)?Theproteinkeratinisthechiefstructuralcomponentsofhair,horn,wool,nailsandfeathers.第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成Section1TheMolecularComponentsofProtein1．碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)

2．N,~16%；Pr標(biāo)志性元素故每克氮相當(dāng)與6.25克蛋白質(zhì)100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1003．少量的：磷、鐵、銅、鋅和碘等Pr的元素組成特點(diǎn)：CαRH2NHCOOH或CαRH3N+HCOO-L-

-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式L-

-氨基酸（19種）甘氨酸除外一、氨基酸(aminoacid，aa)

——蛋白質(zhì)的基本組成單位H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式Rα-碳原子為手性碳原子，因此具有旋光性

(甘氨酸除外）2.生物界有D-aa，L-aa,但構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的均為L-α氨基酸。3.α-碳原子上均連有一個(gè)氨基(脯氨酸除外)。4.在水溶液中以兩性離子存在。5.各種aa側(cè)鏈的大小、性狀和帶電情況不同。構(gòu)成人體Pr的20種AAs的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):GlyAlaPheGlu（一）氨基酸的分類根據(jù)氨基酸側(cè)鏈Ｒ基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，將其分為4類：1.非極性疏水性側(cè)鏈氨基酸：甘、丙、纈、亮、異亮、苯丙、脯2.極性中性側(cè)鏈氨基酸：絲、蘇、酪、半胱、蛋、色、天冬酰胺、谷氨酰胺3.酸性氨基酸：谷（Glu)、天冬(Asp)4.堿性氨基酸：賴(Lys)、精(Arg)、組(His)酸性氨基酸堿性氨基酸兩種特殊的氨基酸脯氨酸——羥脯氨酸HO羥脯氨酸2分子半胱氨酸——胱氨酸（一）肽鍵與肽一個(gè)氨基酸的α-羧基與另一個(gè)氨基酸的α-氨基脫去一分子水縮合形成的鍵稱肽鍵(peptidebond)氨基酸借肽鍵相連而形成的化合物稱肽(peptide)MetPhe二肽LysMetPhe三肽CysThrLysMetPhe五肽二、氨基酸與多肽苯丙氨酸二肽丙氨酰苯丙氨酸CCH2COOHHNHHOH丙氨酸COCNH2HCH3CCOCNH2HCH3CH2COOHHNH肽鍵H2O氨基末端(Ｎ－端)羧基末端(C－端)CysMetPheLysSerThrValNH2COOH寡肽(oligopeptide)：＜10aa多肽(polypeptide):許多aa。其形狀為一條沒有分支的長鏈，又稱多肽鏈或肽鏈，即蛋白質(zhì)。多肽鏈具有方向性，NC生物活性肽具有一定生物活性的小分子肽類物質(zhì)，稱生物活性肽。重要的生物活性肽有谷胱甘肽、神經(jīng)肽、肽類激素等。1.谷胱甘肽（glutathione,GSH）：是一種三肽化合物。種類較多，生理功能各異。如催產(chǎn)素（9肽）、加壓素（9肽）、促腎上腺皮質(zhì)激素（39肽）、促甲狀腺素釋放激素（3肽）。2.多肽類激素：神經(jīng)肽主要與神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用相關(guān)如腦啡肽（5肽）、

-內(nèi)啡肽（31肽）、強(qiáng)啡肽（17肽）等。3.神經(jīng)肽：第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)Section2MolecularStructureandFunctionofProtein蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)劃分為一、二、三、四級結(jié)構(gòu)四個(gè)結(jié)構(gòu)層次。除一級結(jié)構(gòu)外，蛋白質(zhì)的二、三、四級結(jié)構(gòu)均屬于空間結(jié)構(gòu)，即構(gòu)象（conformation）。構(gòu)象是由于有機(jī)分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)所形成的。蛋白質(zhì)的構(gòu)象通常由非共價(jià)鍵（次級鍵）來維系。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序。維系蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵為肽鍵。牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)胰島素的一級結(jié)構(gòu)各種蛋白質(zhì)的根本差異在于一級結(jié)構(gòu)的不同維系蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的非共價(jià)鍵1.氫鍵：氫鍵(hydrogenbond)的形成常見于連接在一電負(fù)性很強(qiáng)的原子上的氫原子，與另一電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間，如>C=O┅┅H-N<。氫鍵在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)上起著重要的作用。但氫鍵的鍵能較低(~12kJ/mol)，易被破壞。

蛋白質(zhì)分子中氫鍵的形成2.疏水鍵：非極性物質(zhì)在含水的極性環(huán)境中存在時(shí)，受到水分子是的排斥而相互聚集在一起的作用力，稱為疏水鍵或疏水作用力(hydrophobicinteraction)。蛋白質(zhì)分子中的許多aa殘基側(cè)鏈?zhǔn)欠菢O性的，這些非極性的基團(tuán)在水中也可相互聚集，形成疏水鍵，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的側(cè)鏈基團(tuán)。疏水作用示意圖3.離子鍵：離子鍵(saltbond)是由帶正電荷基團(tuán)與帶負(fù)電荷基團(tuán)之間相互吸引而形成的化學(xué)鍵。在近中性環(huán)境中，蛋白質(zhì)分子中的酸性氨基酸殘基側(cè)鏈電離后帶負(fù)電荷，而堿性氨基酸殘基側(cè)鏈電離后帶正電荷，二者之間可形成離子鍵。

蛋白質(zhì)分子中離子鍵的形成維系蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的非共價(jià)鍵（一）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈原子局部的空間結(jié)構(gòu)，但不包括與其他肽段的相互關(guān)系及側(cè)鏈構(gòu)象的內(nèi)容。維系蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵是氫鍵。二、蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)原則：1.

由于C=O雙鍵中的π電子云與N原子上的未共用電子對發(fā)生“電子共振”，使肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)（圖）。2.與肽鍵相連的六個(gè)原子構(gòu)成剛性平面結(jié)構(gòu)。但由于

-碳原子與其他原子之間均形成單鍵，因此兩相鄰的平面結(jié)構(gòu)可以作相對旋轉(zhuǎn)。肽單元的形成肽單元——由于肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，使參與肽鍵構(gòu)成的六個(gè)原子被束縛在同一平面上，這一平面稱為肽單元（酰胺平面，肽鍵平面）。肽單元示意圖蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)類型

-螺旋

-折疊

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲（1）α-螺旋(α-helix)最常見的二級結(jié)構(gòu)概念:由肽鍵平面沿一中心軸旋轉(zhuǎn)所形成的有規(guī)律的螺旋構(gòu)象。α－螺旋的結(jié)構(gòu)特征:(1)以肽鍵平面為單位,以α－碳原子為轉(zhuǎn)折盤旋形成右手螺旋。(2)每3.6個(gè)氨基酸殘基繞成一個(gè)螺圈(3600),螺距為0.54nm,每個(gè)氨基酸上升0.15nm,肽鍵平面與中心軸平行。(3)主鏈原子構(gòu)成螺旋的主體,側(cè)鏈在其外部。（4）螺旋以氫鍵維系。（2）

-折疊（-pleatedsheet）：

-折疊：肽鍵平面呈伸展的鋸齒狀排列形成的結(jié)構(gòu)。其特征為：⑴由若干條肽段或肽鏈平行或反平行排列組成片狀結(jié)構(gòu)；⑵主鏈骨架伸展呈鋸齒狀；⑶借相鄰主鏈之間的氫鍵維系。（3）

-轉(zhuǎn)角（

-turn）：

-轉(zhuǎn)角(

-turn)是多肽鏈出現(xiàn)180°回折的轉(zhuǎn)角處結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特征為：⑴主鏈骨架本身以大約180°回折;⑵回折部分通常由四個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成;⑶構(gòu)象依靠第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。（4）無規(guī)卷曲（randomcoil）：無規(guī)卷曲是指多肽鏈主鏈部分形成的沒有確定規(guī)律的卷曲構(gòu)象。常見于球狀蛋白質(zhì)分子中，在其它類型二級結(jié)構(gòu)肽段之間起活節(jié)作用，有利于整條肽鏈盤曲折疊。H2NCOOH模體：在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)特殊的空間構(gòu)象，被稱為模體。是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。已知的模體有：βαβ，βββ，α環(huán)α，αββ模體（motif)鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體

鋅指結(jié)構(gòu)核糖核酸酶分子中的二級結(jié)構(gòu)α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲（二）、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)是指整條多肽鏈中所有原子的空間排布，包含主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象。維系三級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵主要是非共價(jià)鍵（次級鍵），如疏水鍵、氫鍵、鹽鍵等。胰島素分子的三級結(jié)構(gòu)N端C端肌紅蛋白(Mb)為單肽蛋白質(zhì)，含有153個(gè)氨基酸，有8個(gè)螺旋區(qū)大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，?？煞指畛啥鄠€(gè)球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊的較為緊密，各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域再締合成具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子或亞基。結(jié)構(gòu)域（domain）：對那些較小的蛋白質(zhì)分子來說，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)往往是一個(gè)意思，也就是說是單結(jié)構(gòu)域的。一般來說，大的蛋白質(zhì)分子可以由2個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。纖連蛋白(fibronectin)分子的結(jié)構(gòu)域(部分序列)Ⅳ型膠原酶的結(jié)構(gòu)域分子伴侶(chaperon)：幫助新生的肽鏈形成正確的空間構(gòu)象的蛋白質(zhì)。（三）、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)亞基(subunit)就是指參與構(gòu)成蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的、每條具有的獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure)就是指蛋白質(zhì)分子中亞基的空間排布，亞基間接觸部位的布局和相互作用。不包括亞基本身的空間結(jié)構(gòu)。維系蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的是次級鍵，絕無共價(jià)鍵。亞基的立體排布方式蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)層次第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系Section3Relationbetweenstructureandfunctionofprotein一、一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)1.一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)2.一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能3.氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息4.重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病鐮刀狀紅細(xì)胞貧血Hb

亞基一級結(jié)構(gòu)的改變N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ亞基HbAβ亞基N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)6在鐮刀狀紅細(xì)胞貧血患者中，由于基因突變導(dǎo)致Hb

亞基第六位氨基酸殘基由谷氨酸改變?yōu)槔i氨酸，血紅蛋白的親水性明顯下降，從而發(fā)生聚集，使紅細(xì)胞變?yōu)殓牭稜?。這種由遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致某一蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)變化而引起的疾病，稱為“分子病”。

二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病構(gòu)象病PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病PrPc：33-35kD，對蛋白酶敏感，溶于水。PrPsc抗蛋白水解酶，水溶性差，熱穩(wěn)定，無論紫外線及離于輻射、羥胺或Zn2+均不能使其喪失侵染能力。第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)Section3ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)。在溶液中的帶電狀況主要取決于溶液的pH值。等電點(diǎn)（pI）：在某一pH值溶液中，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。一、蛋白質(zhì)的兩性解離：（一）等電點(diǎn)++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)-+---+++凈電荷為零的蛋白質(zhì)COO-NH3+PrCOO-NH2PrCOOHNH3+PrOH-H+pH<pIpH=pIpH>pICOOHNH2PrpH<pI，Pr

+

；pH>pI，Pr-二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)及應(yīng)用：蛋白質(zhì)分子的顆粒直徑已達(dá)1~100nm，處于膠體顆粒的范圍。因此，蛋白質(zhì)具有親水溶膠的性質(zhì)。蛋白質(zhì)分子表面的水化膜和表面電荷是穩(wěn)定蛋白質(zhì)親水溶膠的兩個(gè)重要因素。（一）蛋白質(zhì)親水膠體的穩(wěn)定因素蛋白質(zhì)顆粒的表面電荷和水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用水化膜在某些理化因素的作用下，蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變和生物學(xué)活性的喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性。引起蛋白質(zhì)變性的因素有：①物理因素：高溫、高壓、紫外線、電離輻射、超聲波等；②化學(xué)因素：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽等。三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固二硫鍵和非共價(jià)鍵的破壞，肽鍵不被破壞。變性蛋白質(zhì)的性質(zhì)改變：①物理性質(zhì)：溶解度下降，結(jié)晶能力消失，粘度升高，光吸收度增加等；②化學(xué)性質(zhì)：官能團(tuán)反應(yīng)性增加，易被蛋白酶水解。③生物學(xué)性質(zhì)：原有生物學(xué)活性喪失，抗原性改變。蛋白質(zhì)變性的實(shí)際意義：消毒、殺菌低溫保存疫苗變性蛋白質(zhì)易消化蛋白質(zhì)沉淀：蛋白質(zhì)從溶液中析出的現(xiàn)象。方法：鹽析：中性鹽，中和蛋白質(zhì)表面電荷+破壞水化膜被。重金屬鹽：與負(fù)離子結(jié)合形成不溶物。如Mg+、Hg2+等。生物堿試劑或某些酸：與正離子結(jié)合形成不溶物。有機(jī)溶劑：如乙醇、丙酮等。蛋白質(zhì)變性的可逆性：蛋白質(zhì)在體外變性后，絕大多數(shù)情況下是不能復(fù)性的；如變性程度淺，蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象未被嚴(yán)重破壞；或者蛋白質(zhì)具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，并經(jīng)特殊處理則可以復(fù)性。核糖核酸酶的變性與復(fù)性去除變性劑并緩慢氧化天然構(gòu)象尿素，

-巰基乙醇變性狀態(tài)加熱使蛋白質(zhì)變性并凝聚成塊狀稱為凝固。因此，凡凝固的蛋白質(zhì)一定發(fā)生變性。（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收：280nm

（酪氨酸、色氨酸）（五）蛋白質(zhì)的成色反應(yīng)

雙縮脲反應(yīng)Thanks！透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。超濾法

（二）透析及超濾法分離純化蛋白質(zhì)透析工作圖半透膜原理分類Ⅰ單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)（如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、金屬蛋白等）分類Ⅱ纖維狀蛋白質(zhì)（一般不溶于水。如膠原蛋白)球狀蛋白質(zhì)（可溶