第2章 蛋白質(zhì)化學(xué)課件

第2章蛋白質(zhì)化學(xué)教學(xué)目的：

1.熟悉蛋白質(zhì)的化學(xué)組成。

2.掌握常見氨基酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

3.掌握氨基酸和蛋白質(zhì)的一些重要理化性質(zhì)。

4.了解蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)象特點。教學(xué)重點：氨基酸和蛋白質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。1第2章蛋白質(zhì)化學(xué)一氨基酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1蛋白質(zhì)的元素組成

蛋白質(zhì)的元素組成主要有C、H、O、N、S。有些蛋白質(zhì)中還有P、Cu、Fe、Mn、Mo、Co、Zn、Mg、Ca等礦質(zhì)元素。蛋白質(zhì)元素組成的一個重要特征是，平均含N量為16%。其倒數(shù)：100/16=6.25，即蛋白質(zhì)換算系數(shù)，其含義為樣品中每存在1g元素N，說明含有6.25g蛋白質(zhì)。如果能測定出樣品中的含N量，就可計算出樣品中的蛋白質(zhì)含量：粗蛋白質(zhì)%=N%×6.252第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2蛋白質(zhì)的水解1)完全水解和不完全水解3第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

蛋白質(zhì)分子在水解過程中的變化依次為:蛋白質(zhì)分子→多肽→寡肽→二肽→α-氨基酸。將蛋白質(zhì)水解到不能再水解的程度，得到α-氨基酸混合液，這種水解作用稱完全水解。將蛋白質(zhì)進(jìn)行適度水解，得到各種水解中間產(chǎn)物與α-氨基酸的混合物，這種水解作用稱不完全水解。4第2章蛋白質(zhì)化學(xué)①酸水解常用6mol/L的鹽酸或4mol/L的硫酸在105℃~110℃條件下進(jìn)行水解,反應(yīng)時間約20小時,蛋白質(zhì)可完全水解。此法的優(yōu)點是不容易引起水解產(chǎn)物的消旋化。缺點是色氨酸被沸酸完全破壞。含有羥基的氨基酸如絲氨酸或蘇氨酸有一小部分被分解;門冬酰胺和谷氨酰胺側(cè)鏈的酰胺基被水解成了羧基。2)常用的蛋白質(zhì)水解方法5第2章蛋白質(zhì)化學(xué)②堿水解一般用5mol/LNaOH,2mol/LBa(OH)2煮沸10小時以上,可使肽鍵完全水解。由于水解過程中許多氨基酸都受到不同程度的破壞,產(chǎn)率不高。部分的水解產(chǎn)物發(fā)生消旋化。該法的優(yōu)點是色氨酸在水解中不受破壞。6第2章蛋白質(zhì)化學(xué)③酶水解目前用于蛋白質(zhì)肽鏈斷裂的蛋白水解酶(proteolyticenzyme)或稱蛋白酶(proteinase)已有十多種。應(yīng)用酶水解多肽,反應(yīng)條件比較溫和,不會破壞氨基酸,也不會發(fā)生消旋化。水解的產(chǎn)物為較小的肽段。有些蛋白酶具很強的專一性。最常見的蛋白水解酶有:胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、羧肽酶和氨肽酶等。7第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3氨基酸的結(jié)構(gòu)L-

-氨基酸不變部分可變部分

氨基酸分子結(jié)構(gòu)有兩個共同的特點:都是

-氨基酸;除甘氨酸外都是L-型氨基酸。各種氨基酸的區(qū)別在于側(cè)鏈R基的不同。參與蛋白質(zhì)組成的常見氨基酸有20種(見P17表2-2)。除甘氨酸和脯氨酸外，其他均具有如下結(jié)構(gòu)通式。8第2章蛋白質(zhì)化學(xué)4常見氨基酸的分類參與組成蛋白質(zhì)的常見氨基酸有20種。根據(jù)R基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)分為三類:脂肪族、芳香族和雜環(huán)族氨基酸。根據(jù)R基團(tuán)的酸堿性質(zhì)分為三類:中性、酸性和堿性氨基酸。根據(jù)R基團(tuán)的電性質(zhì)分為:疏水基團(tuán)氨基酸、不帶電荷極性R基團(tuán)的氨基酸和帶電荷R基團(tuán)的氨基酸。9第2章蛋白質(zhì)化學(xué)1)蛋白質(zhì)分子中的稀有氨基酸

在天然蛋白質(zhì)分子組成的氨基酸中，除了上述20種常見的基本氨基酸外，在少數(shù)蛋白質(zhì)分子中有一些不常見的氨基酸，稱為稀有氨基酸。他們是在蛋白質(zhì)分子合成之后，由相應(yīng)的常見氨基酸分子經(jīng)酶促催化化學(xué)修飾而成的衍生物。10第2章蛋白質(zhì)化學(xué)稀有氨基酸11第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2)非蛋白質(zhì)氨基酸

除了參與蛋白質(zhì)組成的20種氨基酸外，在生物體內(nèi)還發(fā)現(xiàn)200多種其他氨基酸，這些氨基酸多數(shù)是常見氨基酸的衍生物，但有些是β-、γ-、δ-氨基酸，有少數(shù)是D-型氨基酸。

β-丙氨酸是維生素B3(泛酸)的組成成分。γ-氨基丁酸是傳遞神經(jīng)沖動的化學(xué)介質(zhì)。瓜氨酸和鳥氨酸是尿素循環(huán)的中間產(chǎn)物。12第2章蛋白質(zhì)化學(xué)各種常見氨基酸均為無色結(jié)晶，結(jié)晶形狀因氨基酸的結(jié)構(gòu)而異。氨基酸分子都以內(nèi)鹽形式存在，熔點比相應(yīng)羧酸或胺類高，一般在200℃~300℃。都能溶于水，但溶解度差別很大。均易溶于稀酸稀堿溶液中。除甘氨酸外，每種氨基酸都有旋光性和特定的比旋光度。5氨基酸的物理性質(zhì)13第2章蛋白質(zhì)化學(xué)氨基酸的光吸收

構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收，但在遠(yuǎn)紫外區(qū)(<220nm)均有光吸收。在近紫外區(qū)(220~300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力，其最大吸收峰(

max)和摩爾消光系數(shù)(

)分別為。14第2章蛋白質(zhì)化學(xué)酪氨酸(Tyr):

max=275nm，275=1.4×103苯丙氨酸(Phe):

max=257nm，257=2.0×102

色氨酸(Trp):

max=280nm，280=5.6×10315第2章蛋白質(zhì)化學(xué)6氨基酸兩性解離及等電點氨基酸在結(jié)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(zhì)子化(-NH3+)形式存在，羧基是以離解狀態(tài)(-COO-)存在。在不同pH下，兩性離子的狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。1)氨基酸的兩性解離16第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

pH1710凈電荷+10-1

正離子兩性離子(pI)負(fù)離子17第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2)氨基酸的等電點當(dāng)溶液為某一pH值時，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-數(shù)目正好相等，凈電荷為0。這一pH值即為氨基酸的等電點，簡稱pI。在等電點時，氨基酸處于兩性離子狀態(tài)。側(cè)鏈不含離解基團(tuán)的中性氨基酸，其等電點是它的pK'1和pK'2的算術(shù)平均值:pI=(pK'1+pK'2)/2側(cè)鏈含有可解離基團(tuán)的氨基酸，其pI值也決定于兩性離子兩邊的pK'值的算術(shù)平均值。酸性氨基酸:pI=(pK'1+pK'R-COO-

)/2

堿性氨基酸:pI=(pK'2+pK'R-NH2

)/218第2章蛋白質(zhì)化學(xué)pK'1pK'2pK'RpK'1=2.18pK'2=8.95pK'R=10.53pI=(pK'2+pK'R)/2=(8.95+10.53)/2=9.74賴氨酸的兩性離解及其等電點(P21表2-3)19第2章蛋白質(zhì)化學(xué)天冬氨酸的兩性離解及其等電點(P21表2-3)pK'1pK'2pK'RpK'1=2.09pK'2=9.82pK'R=3.86pI=(pK'1+pK'R)/2=(2.09+3.86)/2=2.98pH>pI時，氨基酸帶負(fù)電荷，在電場中向正極移動。pH<pI時，氨基酸帶正電荷，在電場中向負(fù)極移動。pH與pI的差值越大，氨基酸所帶的電荷數(shù)就越多，在電場中移動的速度就越快。20第2章蛋白質(zhì)化學(xué)7氨基酸的化學(xué)反應(yīng)1)α-羧基參與的反應(yīng)②形成酰鹵的反應(yīng)①形成酯的反應(yīng)③脫羧反應(yīng)④成酰胺的反應(yīng)21第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2)α-氨基參與的反應(yīng)②?；磻?yīng)①與亞硝酸的反應(yīng)③Sanger試劑22第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3)α-氨基和α-羧基共同參與的反應(yīng)用途：是多肽和蛋白質(zhì)生物合成的基本反應(yīng)

一個氨基酸的a-氨基與另一個氨基酸的a-羧基脫水縮合，生成酰胺化合物(肽)，其酰胺鍵稱為肽鍵。①成肽反應(yīng)23第2章蛋白質(zhì)化學(xué)4)茚三酮反應(yīng)用途：常用于氨基酸的定性或定量分析24第2章蛋白質(zhì)化學(xué)8氨基酸的分離與測定

從蛋白質(zhì)水解液中分離制備氨基酸或者分離分析氨基酸組成，需要分辯力很強的分離技術(shù)。層析法是近代生化中非常有用效的分離方法。層析技術(shù)由三個基本條件構(gòu)成：①水不溶性惰性支持物。②流動相能攜帶溶質(zhì)沿支柱物流動。③固定相是附著在支持物上的水或離子基團(tuán)，能對各種溶質(zhì)的流動產(chǎn)生不同的阻滯作用。25第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

根據(jù)分離機(jī)理，可將層析法分為吸附層析、離子交換層析、分配層析、分子篩過濾層析及離子交換與分子篩效應(yīng)兩種機(jī)理相結(jié)合的層析等。對于分子大小不等的化合物，宜用分子篩過濾分離；對于能溶于有機(jī)溶劑，難溶于水的化合物，常用吸附層析法分離；對于既溶于水也溶于有機(jī)溶劑的化合物，宜用分配層析分離；電解質(zhì)混合物則宜用離子交換層析分離。對于混合液中氨基酸的分離，分配層析和離子交換層析都能得到很好的分離效果。26第2章蛋白質(zhì)化學(xué)二蛋白質(zhì)的性質(zhì)

蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的，氨基酸的許多理化性質(zhì)在蛋白質(zhì)上都有所表現(xiàn)，如兩性解離、等電點、成酯反應(yīng)、成鹽反應(yīng)、顯色反應(yīng)、光吸收性質(zhì)等。但蛋白質(zhì)具有氨基酸所不具備的許多性質(zhì)。主要有:膠體性質(zhì)、沉淀作用、變性作用等。27第2章蛋白質(zhì)化學(xué)1蛋白質(zhì)的兩性解離和等電點

蛋白質(zhì)分子中有很多酸性解離基團(tuán)和堿性解離基團(tuán)，為具有兩性解離性質(zhì)的化合物。各種解離基團(tuán)的解離度與溶液的pH有關(guān)，pH越低，堿性基團(tuán)解離度越大，蛋白質(zhì)帶正電荷越多，pH升高則解離情況相反。1)兩性解離28第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2)等電點

調(diào)節(jié)溶液的pH可改變蛋白質(zhì)分子的帶電狀況，在特定pH條件下，某種蛋白質(zhì)分子所帶正負(fù)電荷數(shù)相等，凈電荷為零，這一pH稱為該蛋白質(zhì)的等電點(pI)。每種蛋白質(zhì)都有特定的等電點，等電點并非常數(shù)，因溶液中鹽的種類和離子強度而有所不同。等電點與蛋白質(zhì)分子中的氨基酸組成有關(guān)。29第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3)等電沉淀和蛋白電泳

在等電點pH時，蛋白質(zhì)為電中性，比較穩(wěn)定。其物理性質(zhì)，如導(dǎo)電性、溶解度、粘度、滲透壓等都表現(xiàn)為最低值，易發(fā)生絮結(jié)沉淀。等電點性質(zhì)常被用于蛋白質(zhì)的分離制備。溶液的pH值不等于等電點時，蛋白質(zhì)分子顯電性，在電場中向其所帶電荷相反的電極泳動。不同的蛋白質(zhì)分子因其大小、形狀、所帶電荷的性質(zhì)和數(shù)量各不相同，在電場中的泳動方向、速率也各不相同。可用電泳技術(shù)進(jìn)行蛋白質(zhì)的分離。30第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)

蛋白質(zhì)是生物大分子，相對分子質(zhì)量在1萬~100萬之間，其顆粒大小屬于膠體粒子的范圍。在蛋白質(zhì)分子表面有許多極性基團(tuán)，親水性很強，容易與水成為穩(wěn)定的親水膠體溶液。1)蛋白質(zhì)膠體溶液的穩(wěn)定性31第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

①表面電荷在非等電點條件下，蛋白質(zhì)分子表面帶有同性電荷，因吸附溶液中的異性電荷而形成雙電層，將分子顆粒包住，彼此相互排斥，不致發(fā)生聚集絮凝。

②水化膜蛋白質(zhì)分子表面的親水基團(tuán)吸附大量水分子而形成一層厚厚的水化膜，水化膜將蛋白質(zhì)分子隔離開，彼此不再發(fā)生碰撞絮結(jié)。32第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2)蛋白質(zhì)的膜過濾分離純化

半透膜是指允許溶液中小分子物質(zhì)透過，大分子物質(zhì)不能透過的一種薄膜，如羊皮紙、火棉紙、玻璃紙、腸衣等。蛋白質(zhì)具有半透膜不透過性，可用透析法進(jìn)行蛋白質(zhì)的分離提純。分離提純蛋白質(zhì)時，將含有小分子雜質(zhì)的蛋白質(zhì)溶液裝在半透膜袋內(nèi)，流水沖洗，小分子物質(zhì)透過膜被沖走，大分子蛋白質(zhì)留在袋內(nèi)。33第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3蛋白質(zhì)的沉淀作用

破壞蛋白質(zhì)的水化膜和表面電荷，蛋白質(zhì)親水膠體便失去穩(wěn)定性而發(fā)生沉淀，稱為蛋白質(zhì)的沉淀作用。實踐中進(jìn)行蛋白質(zhì)沉淀，一是為了分離制備有活性的天然蛋白質(zhì)制品，如酶制劑、抗體蛋白、細(xì)胞色素類蛋白等，這類沉淀的方法，為天然蛋白質(zhì)沉淀，或稱不變性沉淀。二是為了從生物制品中除去雜蛋白或者制備失去活性的蛋白質(zhì)制品，這類沉淀方法要使蛋白質(zhì)變性失活，或生成不溶性鹽，沉淀的蛋白質(zhì)不能再恢復(fù)天然狀態(tài)和生物活性，屬于變性沉淀。34第2章蛋白質(zhì)化學(xué)沉淀蛋白質(zhì)的方法①鹽析法②有機(jī)溶劑沉淀法③重金屬鹽沉淀法④生物堿試劑沉淀法⑤熱凝固沉淀法35第2章蛋白質(zhì)化學(xué)①鹽析法

在蛋白質(zhì)溶液中加入中性鹽，如NaCl、KCl、(NH4)2SO4、Na2SO4

等，可產(chǎn)生鹽溶或鹽析現(xiàn)象。①在鹽濃度很稀的范圍內(nèi)，隨著鹽濃度的增加，蛋白質(zhì)的溶解度亦隨之增加，這種現(xiàn)象稱鹽溶。鹽溶作用是由于蛋白質(zhì)表面電荷吸附鹽離子后，增加了蛋白質(zhì)與水的親和力而促進(jìn)蛋白質(zhì)的溶解。②當(dāng)鹽濃度提高到一定的飽和度時，蛋白質(zhì)溶解度降低，分子發(fā)生絮結(jié)而沉淀析出，這種現(xiàn)象稱之為鹽析。(NH4)2SO4是鹽析法中常用的中性鹽。36第2章蛋白質(zhì)化學(xué)②有機(jī)溶劑沉淀法

水溶性有機(jī)溶劑如丙酮、乙醇等，具有介電常數(shù)比較小，與水的親和力大，能以任何比例與水相溶等特點。向水中加入適量這類溶劑時，能奪取蛋白質(zhì)顆粒表面的水化膜，還能降低水的介電常數(shù)，增加蛋白質(zhì)顆粒間的靜電相互作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子聚集絮結(jié)沉淀。乙醇為有機(jī)溶劑沉淀法最常用的沉淀劑。有機(jī)溶劑長時間作用于蛋白質(zhì)會引起蛋白質(zhì)變性，此法操作時要注意：①低溫操作，②有機(jī)溶劑與蛋白質(zhì)接觸時間不能過長。37第2章蛋白質(zhì)化學(xué)③重金屬鹽沉淀法

當(dāng)溶液pH大于等電點時，蛋白質(zhì)顆粒帶負(fù)電荷，易與重金屬離子如Hg2+、Cu2+、Ag+等結(jié)合，生成不溶性鹽類，沉淀析出。誤服重金屬鹽的病人，大量口服牛奶、豆?jié){或蛋清能夠排毒，就是因為這些食物中的民重金屬離子形成了不溶性鹽，后者經(jīng)催吐劑嘔吐排出體外，達(dá)到解毒的目的。38第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

當(dāng)溶液pH低于等電點時，蛋白質(zhì)顆粒帶正電荷，易與生物堿試劑如苦味酸、鞣酸，磷鎢酸、磷鉬酸及三氯醋酸等作用，生成不溶性鹽沉淀，并伴隨發(fā)生蛋白質(zhì)分子變性。實驗室中常用這些試劑定性檢驗蛋白質(zhì)及去除雜蛋白。在啤酒生產(chǎn)工藝中將麥芽汁加啤酒花煮沸，目的是借酒花中的單寧類物質(zhì)與變性蛋白成鹽沉淀，以澄清麥汁，防止成品啤酒產(chǎn)生蛋白混濁。生物堿是生物特別是植物產(chǎn)生的一種復(fù)雜含N化合物。凡是能生物堿成沉淀反應(yīng)或顯色反應(yīng)的試劑稱為生物堿試劑。④生物堿試劑沉淀法39第2章蛋白質(zhì)化學(xué)⑤熱凝固沉淀法

蛋白質(zhì)受熱變性后，在有少量鹽類存在或?qū)H調(diào)至等電點，則很容易發(fā)生凝固沉淀。其原因可能由于變性蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)解體，疏水基團(tuán)外露，水化膜破壞，同時由于破壞了帶電狀態(tài)等發(fā)生絮結(jié)沉淀。我國傳統(tǒng)的做豆腐工藝是將豆?jié){煮沸，點入少量鹽鹵(MgCl2)或石膏(CaSO4)，或者點入酸漿或葡萄糖酸內(nèi)酯將pH調(diào)至等電點，熱變性的大豆蛋白便很快絮結(jié)沉淀，經(jīng)過濾成型則成為豆腐。40第2章蛋白質(zhì)化學(xué)4蛋白質(zhì)的變性作用天然蛋白質(zhì)分子受到某些理化因素的作用，其有序的空間結(jié)構(gòu)被破壞而喪失生物活性，并伴隨一些理化性質(zhì)的變化，但其一級結(jié)構(gòu)沒改變，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性作用。能破壞次級鍵的理化因素都可導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性。變性蛋白質(zhì)的主要表現(xiàn)為：①理化性質(zhì)發(fā)生變化，如旋光性改變、粘度增加、光吸收增強、溶解度降低、易沉淀，顏色反應(yīng)增強等。②生化性質(zhì)發(fā)生改變，變性蛋白比天然蛋白質(zhì)易被蛋白酶水解。③生物活性喪失。41第2章蛋白質(zhì)化學(xué)5蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)

蛋白質(zhì)分子能與多種化合物發(fā)生特異的化學(xué)反應(yīng)。蛋白質(zhì)除具備氨基酸所具備的化學(xué)性質(zhì)之外，最常用的還有雙縮脲反應(yīng)。雙縮脲能夠與堿性硫酸銅作用，產(chǎn)生蘭色的銅－雙縮脲絡(luò)合物，稱為雙縮脲反應(yīng)。含有兩個以上肽鍵的多肽，具有與雙縮脲相似的結(jié)構(gòu)特點，也能發(fā)生雙縮脲反應(yīng)，生成紫紅色或藍(lán)紫色絡(luò)合物。可對多肽進(jìn)行定量測定。42第2章蛋白質(zhì)化學(xué)三蛋白質(zhì)的共價結(jié)構(gòu)1肽的結(jié)構(gòu)

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為肽鍵，所形成的化合物稱為肽。由兩個氨基酸組成的肽稱為二肽，由多個氨基酸組成的肽則稱為多肽。組成多肽的氨基酸單元稱為氨基酸殘基。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。43第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

肽鍵的特點是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。

44第2章蛋白質(zhì)化學(xué)下述五肽可表示為：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln45第2章蛋白質(zhì)化學(xué)46第2章蛋白質(zhì)化學(xué)在生物體中，多肽最重要的存在形式是作為蛋白質(zhì)的亞單位。有許多分子量比較小的多肽以游離狀態(tài)存在。這類多肽通常都具有特殊的生理功能，常稱為活性肽。常見的活性多肽有：腦啡肽，激素類多肽，抗生素類多肽，谷胱甘肽，蛇毒多肽等。2天然活性肽47第2章蛋白質(zhì)化學(xué)1)谷胱甘肽

動植物、微生物細(xì)胞中都含有一種還原型三肽：γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，稱為谷胱甘肽(GSH)。其巰基能發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，在細(xì)胞中是某些蛋白質(zhì)和巰基酶的緩沖劑，其還原型的巰基可作為供氫體使酶活中心必需基團(tuán)-SH保持還原狀態(tài)。48第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-

Met-腦啡肽+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-

Leu-腦啡肽牛催產(chǎn)素牛加壓素2)激素肽和神經(jīng)肽49第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)分子的化學(xué)組成分為單純蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)。根據(jù)蛋白質(zhì)分子的形狀分為球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)。根據(jù)生理功能將蛋白質(zhì)分為生理活性蛋白質(zhì)和非生理活性蛋白質(zhì)。50第2章蛋白質(zhì)化學(xué)1)形態(tài)學(xué)功能

生物體的各種組織結(jié)構(gòu)都有蛋白質(zhì)參加構(gòu)成，如動物的角、毛、蹄、肉等形態(tài)結(jié)構(gòu)的干物質(zhì)主要成分都是蛋白質(zhì)。4蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能2)生理活性功能

生物體的各種代謝活動和生理現(xiàn)象都有不同功能的蛋白質(zhì)參與，如酶的催化作用，蛋白類激素對代謝的調(diào)節(jié)作用，運載蛋白的輸導(dǎo)作用，細(xì)胞色素蛋白的傳遞電子作用，糖蛋白的細(xì)胞識別作用，免疫球蛋白的抗感染作用等。51第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3)外源蛋白質(zhì)具有營養(yǎng)功能

蛋白質(zhì)是人和動物的重要營養(yǎng)物質(zhì)，也是許多微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。外源蛋白質(zhì)經(jīng)消化分解生成氨基酸，被細(xì)胞吸收主要作為合成自身蛋白質(zhì)或其他含N化合物的原料。有一部分氨基酸被細(xì)胞氧化分解作為能源。合理的營養(yǎng)要求有10%左右的能量由蛋白質(zhì)氧化分解供應(yīng)。52第2章蛋白質(zhì)化學(xué)5蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)又稱初級結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)或共價結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)即肽鏈中的氨基酸排列順序。一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)的化學(xué)基礎(chǔ)；也是認(rèn)識蛋白質(zhì)分子生物功能，結(jié)構(gòu)與生物進(jìn)化的關(guān)系，結(jié)構(gòu)變異與分子病的關(guān)系等許多復(fù)雜問題的重要基礎(chǔ)。一級結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容包括：多肽數(shù)目，肽鏈末端殘基種類，肽鏈的氨基酸組成及排列順序，鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的配置等。1)蛋白質(zhì)的氨基酸組成53第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

第一個被闡明一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是牛胰島素。牛胰島素分子(單體)由51個殘基分A、B兩條鏈組成，分子量5734，A鏈有21個殘基，N端為甘氨酸(Gly)，C端為天冬酰胺(Asn)，鏈內(nèi)有A6與A11間形成的鏈內(nèi)二硫鍵。B鏈有30個殘基，N端為苯丙氨酸(Phe)，C端為丙氨酸(Ala)。A、B兩鏈間有A7與B7，A20與B19間分別形成的兩個鏈間二硫鍵，將兩條鏈連接在一起，構(gòu)成完整的一級結(jié)構(gòu)。54第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

胰島素是哺乳動物胰臟中的β-細(xì)胞分泌的一種蛋白質(zhì)激素，對糖代謝起調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)血糖的利用和糖原的合成，還有調(diào)節(jié)脂肪和蛋白質(zhì)代謝的功能。55第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

研究蛋白質(zhì)分子一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系主要是研究多肽鏈中不同部位的殘基與生物功能的關(guān)系。在蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)中，有的部位保守性很強，既不能缺失，也不能更換，否則就會喪失活性；有的部位則可以改變，切除或更換別的殘基都不會影響生物活性；還有的部位必須切除后才能顯活性。不同部位的殘基對功能的影響，實質(zhì)上是影響了蛋白質(zhì)分子特定的空間構(gòu)象的形成。2)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能56第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

血紅蛋白是由2個α-亞基各141個殘基，和2個β-亞基各146個殘基組成的四聚體。鐮刀型貧血癥是β-鏈的N端第6位殘基由谷氨酸(Glu)殘基換成了纈氨①鐮刀型貧血癥酸(Val)殘基。Glu與Val的差異很大，在生理pH條件下，Glu的R基團(tuán)帶負(fù)電荷，而Val的顯電中性。57第2章蛋白質(zhì)化學(xué)②細(xì)胞色素C(Cytc)

細(xì)胞色素C是普遍存在于各種細(xì)胞中的一種結(jié)合蛋白。由104個殘基組成的多肽鏈分子，每分子含一個血紅素輔基，是呼吸鏈的主要成員，起電子遞體的作用。象細(xì)胞色素C這樣在不同生物體中行使同一種功能的蛋白質(zhì)稱為同源蛋白質(zhì)。不同生物的同源蛋白質(zhì)具有相同的或近似的多肽鏈結(jié)構(gòu)。也有些同源蛋白質(zhì)隨物種不同氨基酸組成變化很大，同源蛋白質(zhì)氨基酸順序的相似性稱為順序同源現(xiàn)象。比較分析順序同源現(xiàn)象，可了解一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，也可了解物種間的進(jìn)化關(guān)系。58第2章蛋白質(zhì)化學(xué)不同生物細(xì)胞色素C的氨基酸差異數(shù)(以人的Cytc為基數(shù))生物殘基差異數(shù)生物殘基差異數(shù)黑猩猩0響尾蛇14猴子1海龜15免1金槍魚21豬牛羊10小蠅25狗11蛾31驢11小麥35馬12鏈孢霉43雞13酵母4459第2章蛋白質(zhì)化學(xué)1蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)四蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)1)二級結(jié)構(gòu)的概念

蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)是指肽鏈的主鏈有規(guī)則的盤曲折疊形成的構(gòu)象，或規(guī)則的幾何走向、旋轉(zhuǎn)及折疊。只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵，不討論側(cè)鏈基團(tuán)的空間排布。主要有

-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲。維系二級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵主要是氫鍵。60第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)是指分子的構(gòu)象而言。構(gòu)象與構(gòu)型都是立體化學(xué)結(jié)構(gòu)概念，但含義不同。構(gòu)型是由于化合物分子中某一不對稱碳原子上四種不同的取代基團(tuán)的空間排列所形成的一種光學(xué)活性立體結(jié)構(gòu)。一個不對稱碳原子只能形成兩種不同的構(gòu)型。分子從一種構(gòu)型變?yōu)橐环N構(gòu)型必須發(fā)生共價鍵的斷裂。2)構(gòu)型與構(gòu)象61第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

構(gòu)象是分子內(nèi)部所有原子或原子團(tuán)的空間所有排布而形成的一種立體結(jié)構(gòu)，這類立體結(jié)構(gòu)不需要共價鍵的斷開，只要分子中發(fā)生C-C單鍵的轉(zhuǎn)動就能從一種構(gòu)象變?yōu)榱硪环N構(gòu)象。天然蛋白質(zhì)分子都有與其生物活性相關(guān)的一種或少數(shù)幾種特定的構(gòu)象，這種天然構(gòu)象相當(dāng)穩(wěn)定。62第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3)維系蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的化學(xué)鍵

蛋白質(zhì)分子三維構(gòu)象的穩(wěn)定性要靠大量的化學(xué)鍵來維系，主要有氫鍵、離子鍵、二硫鍵、配位健等，另外還有疏水相互作用力、范德華力等。63第2章蛋白質(zhì)化學(xué)4)酰胺平面X-衍射研究表明，肽鍵的鍵長大于C=N雙鍵，小于C-N單鍵，具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由轉(zhuǎn)動。所以每個肽鍵的6個原子都被酰鍵固定在同一個平面上，這個平面稱為肽平面，也叫肽面。64第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

酰胺平面是剛性平面，6個碳原子的相對位置都是固定不變的，其羰基氧原子與亞氨基氫原子總是呈反式排列。在主鏈的成鏈共價鍵中，肽鍵占1/3，且不能自由轉(zhuǎn)動，這對肽鏈形成三維構(gòu)象有很大約束作用，只能靠α-碳原子兩邊的單鍵，Cα-C和N-Cα鍵的轉(zhuǎn)動，使酰胺平面的相對位置發(fā)生變化，形成有限的幾種主鏈構(gòu)象。65第2章蛋白質(zhì)化學(xué)5)二級結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)象α-螺旋是蛋白質(zhì)分子中最常見的很穩(wěn)定的一種構(gòu)象，是由多肽主鏈環(huán)繞一個中心軸有規(guī)則地一圈一圈盤旋前進(jìn)形成的螺旋狀構(gòu)象。這是Pauling等在1951年通過X光衍射對纖維蛋白質(zhì)α-角蛋白(如毛、發(fā)、角、甲、爪等)進(jìn)行構(gòu)象分析證實的一種主鏈，故稱α-螺旋。天然蛋白質(zhì)分子中存在的主要是右手螺旋，左手螺旋只在少數(shù)幾種蛋白質(zhì)中被發(fā)現(xiàn)。左手α-螺旋結(jié)構(gòu)有如下特點。(1)α-螺旋66第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

①多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成左手螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm，含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm。②肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團(tuán)的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團(tuán)的-NH基形成氫鍵。每個殘基的R基團(tuán)都在α-螺旋的外側(cè)，不影響螺旋的穩(wěn)定性。67第2章蛋白質(zhì)化學(xué)

③α-螺旋的結(jié)構(gòu)常用SN表示，S代表每圈螺旋的殘基個數(shù)，N表示氫鍵封閉環(huán)本身的原子數(shù)。典型的左手-螺旋的S為3.6，N為13，可表示為3.613。68第2章蛋白質(zhì)化學(xué)(2)β-折疊β-折疊是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)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象。在β-折疊中，α-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團(tuán)處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個氨基酸之間的軸心距為0.35nm。69第2章蛋白質(zhì)化學(xué)β-折疊結(jié)構(gòu)的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈間氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與主鏈的長軸接近垂直。β-折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。70第2章蛋白質(zhì)化學(xué)β-折疊71第2章蛋白質(zhì)化學(xué)(3)

β-轉(zhuǎn)角β-轉(zhuǎn)角是由四個氨基酸殘基組成。彎曲處的第一個氨基酸殘基的-C=O和第四個殘基的-NH之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)主要存在于球蛋白分子中。72第2章蛋白質(zhì)化學(xué)73第2章蛋白質(zhì)化學(xué)球狀蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的多元構(gòu)象74第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子在一、二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行三維空間的多向性盤曲折疊，形成特定的近似球狀的構(gòu)象，稱為蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)包括蛋白質(zhì)分子主鏈和側(cè)鏈所有原子或原子團(tuán)的空間排布關(guān)系。1)三級結(jié)構(gòu)的涵義75第2章蛋白質(zhì)化學(xué)2)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象特點三級構(gòu)象近似球形。分子中親水基團(tuán)相對集中在分子表面，疏水基團(tuán)相對集中在分子內(nèi)部。疏水鍵在蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)中起著重要作用。氫鍵、疏水鍵、離子鍵和范德華力等次級鍵對三級結(jié)構(gòu)構(gòu)象的穩(wěn)定也有一定的作用。三級結(jié)構(gòu)形成之后，蛋白質(zhì)分子的生物活性部位就形成了。在球形分子的表面往往有一個很深的裂隙，活性部位就在其中。76第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3)活性部位

球蛋白分子的活性部位，又稱活性中心，是在三級構(gòu)象中由少數(shù)必需基團(tuán)組成的負(fù)責(zé)完成生物功能的一個空間小區(qū)域。三級結(jié)構(gòu)是球狀蛋白質(zhì)分子生物活性所必須具備的結(jié)構(gòu)形式。胰島素分子與受體分子的結(jié)合主要發(fā)生在一個表面部位，這個部位由B24、B25、B26、B28、A19等殘基構(gòu)成的面積相當(dāng)大的疏水及分散在疏水區(qū)周圍的表面電荷和極性基團(tuán)組成。其中的Phe非常保守，被Leu或Ser取代后，活性嚴(yán)重喪失，僅剩1%左右。77第2章蛋白質(zhì)化學(xué)胰島素分子中與受體結(jié)合的表面部位78第2章蛋白質(zhì)化學(xué)4)結(jié)構(gòu)域

較大的球狀蛋白質(zhì)分子或亞基，常先由幾個二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起形成超二級結(jié)構(gòu)，以此作為形成三級結(jié)構(gòu)的實體，這些二級結(jié)構(gòu)實體稱為結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域進(jìn)一步締合形成近似球形的三級結(jié)構(gòu)。如卵清溶菌酶的三級結(jié)構(gòu)是由兩個結(jié)構(gòu)域締合而成的。這兩個結(jié)構(gòu)域通過共價鍵轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)相互之間的位置，形成大的裂隙，酶活性中心即在這一部位，這種結(jié)構(gòu)有利于酶與底物發(fā)生誘導(dǎo)楔合作用或進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)作用。79第2章蛋白質(zhì)化學(xué)80第2章蛋白質(zhì)化學(xué)3亞基締合與四級結(jié)構(gòu)

有些球狀蛋白質(zhì)分子由兩個或兩個以上的三級結(jié)構(gòu)單位締合而成，稱寡聚蛋白。其中每個三級結(jié)構(gòu)單位稱為亞基。四級結(jié)構(gòu)就是寡聚蛋白質(zhì)分子中亞基與亞基