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1、生 物 化 学BIOCHEMISTRY,欧树娣食品与应用化学系,第二章 生命的执行者蛋白质,蛋白质是细胞含量最高的组分之一。蛋白质结构上的多样性决定了其功能上的多样性。,蛋白质是生命功能的执行者和生命现象的体现者。（催化、运输、防御、调节等）,讨论: 1你能够说出多少种富含蛋白质的食品？ 2你知道蛋白质在生命活动中的主要作用有哪些？3为什么有些食品要添加某些氨基酸？,交流: 1.提示：富含蛋白质的食品有大豆制品，如豆 浆、豆腐、腐竹；奶类制品，如鲜牛奶、酸奶、奶酪；还有肉、蛋类食品，如肉、虾蟹、鱼、鸡蛋等,讨论: 1你能够说出多少种富含蛋白质的食品？ 2你知道蛋白质在生命活动中的主要作用有哪些
2、？3为什么有些食品要添加某些氨基酸？,蛋白质的功能,有机体的结构成分 微管蛋白、胶原纤维最重要的生物学功能-酶(enzyme)贮藏氨基酸 卵清蛋白运输功能 血红蛋白,蛋白质的功能,激素功能代谢调节 胰岛素抗体-防御功能 疫苗接受和传递信息的功能 受体蛋白 调控生长、分化和遗传信息的表达 组蛋白、阻遏蛋白,抗体攻击病毒,2.1 蛋白质的分子组成,一、蛋白质的元素组成,蛋白质是一类含氮有机化合物，各元素在蛋白质中的组成百分比约为： 碳 50-55 氢 6-8 氧 20-23 氮 15-18% 硫 0-4 其他 微 量,蛋白质氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看
3、作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近于16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量： 样品中蛋白质含量=样品中含氮量 6.25,二、氨基酸（amino acid）,氨基酸是蛋白质的基本组成单位。,（一）蛋白质中的氨基酸,1、氨基酸的结构,组成生物体蛋白质的氨基酸常见的有20种。其中19种为-氨基酸，仅有一种为亚氨基酸（脯氨酸 proline, Pro）。,除甘氨酸和脯氨酸外的结构通式,-氨基酸,可变部分,不变部分,各种氨基酸的区别在于侧链R基团的不同。,除甘氨酸外，其它氨基酸的碳原子都是手性碳原子，因此每一种氨基酸都有D型和L型立体异构体。但蛋白质水解得到的氨基酸都
4、是L构型。,甘氨酸 Glycine , Gly,半胱氨酸(Cys ),胱氨酸,2、氨基酸的分类,（1）根据R基团的结构分：,脂肪族氨基酸（15种）芳香族氨基酸（2种）杂环氨基酸（2种）杂环亚氨基酸（1种）,二、氨基酸（amino acid）,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine半胱氨酸 Cysteine甲硫氨酸 Methionine,脂肪族氨基酸,精氨酸 Arginine赖氨酸 Lysine,天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate,天冬酰胺 Aspar
5、agine谷酰胺 Glutamine,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine,酪氨酸Tyrosine,组氨酸 Histidine,色氨酸 Trytophan,杂环氨基酸,吲哚环,咪唑环,在生理pH范围内电离,亚杂环氨基酸,脯氨酸 Proline,（2）根据R基团的极性分, 非极性或疏水性氨基酸（8种） 极性不带电荷氨基酸（7种） 酸性氨基酸（极性，带正电荷，2种） 碱性氨基酸（极性，带负电荷，3种）,二、氨基酸（amino acid）,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 le
6、ucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非极性疏水性氨基酸（8种）,色氨酸(Trp),丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,探测蛋白质
7、结构的变化,极性中性氨基酸（7种）,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59, 酸性氨基酸（2种）, 碱性氨基酸（3种）,荷电氨基酸,3. 稀有氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为稀有氨基酸。衍生物 其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。,4. 必需氨基酸,有些氨基酸在人体和非反
8、刍动物体内不能合成，需从食物中吸取，以保证正常生命活动的需要，这种氨基酸称为必需氨基酸。,成人的必需氨基酸有8种：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸。,半必需氨基酸：在人体内合成速度慢。组氨酸、精氨酸。半胱氨酸、酪氨酸。,5、非蛋白质氨基酸,植物体内发现的非蛋白质氨基酸超过200种。（衍生物或异构型）,杀虫剂：刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果；,5、非蛋白质氨基酸,杀菌剂：N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟病；-1，4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等；除草剂：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸
9、酯等；细菌细胞壁组分：D-谷氨酸，D-丙氨酸；,植物体内发现的非蛋白质氨基酸超过200种。,讨论题,蛋氨酸（Met）属于极性的氨基酸还是非极性的？请用已有的有机化学知识进行论证。,SC是极化键，CH3-带正电，CH3S C是极化键,极性较弱,性质：溶于水、稀碱和稀酸溶液，难溶于乙醇，不溶于醚、苯、丙酮,6、氨基酸的主要理化性质,-氨基酸为无色晶体，熔点很高。氨基酸的旋光性（除甘酸外）氨基酸的光吸收（都不吸收可见光）,(1) 物理性质,(2) 氨基酸的两性解离和等电点,氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形
10、式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。,HpI,在酸性中的状态,H=pI,在中性中的状态,HpI,在碱性中的状态,氨基酸的等电点：在某一特定的pH条件下，氨基酸分子在溶液中解离成阳离子和阴离子的数目和趋势相等，即氨基酸分子所带净电荷为零，这是氨基酸所处溶液的pH即为该氨基酸的等电点（isoelectric point）, 用pI表示。,中性氨基酸：pI = (pK1 + pK2 )/2 酸性氨基酸：pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 碱性氨基酸：pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2,(3) 化学性质, 茚三酮反应（定性或定量测定氨基酸）,蓝紫色物质（570nm）,
11、脯氨酸和羟基脯氨酸因含有-亚氨基,反应生成黄色物质(520nm)。,脱氨、脱羧,弱酸,水合茚三酮,加热,奶茶里究竟有没有“牛奶”？,加入茚三酮试剂后（左一牛奶，左八豆浆）,与亚硝酸反应,脯氨酸不能与亚硝酸反应。,此法可用来测定蛋白质的水解程度。,(3) 化学性质,Sanger法。2,4-二硝基氟苯在碱性条件下，能够与肽链N-端的游离氨基作用，生成二硝基苯衍生物（DNP）。在酸性条件下水解，得到黄色DNP-氨基酸。该产物能够用乙醚抽提分离。不同的DNP-氨基酸可以用色谱法进行鉴定。, Sanger反应（二硝基氟苯反应）,Edman （苯异硫氰酸酯法）氨基酸顺序分析法实际上也是一种N-端分析法。,
12、 Edman反应（苯异硫氰酸酯法）,此法的特点是能够不断重复循环，将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。,氨基酸在工业上的应用,其甜度为蔗糖200倍,属于低热能甜味剂,2.2 肽,2.2.1 肽键与多肽,1.肽键:由a氨基酸的a羧基与相邻的a氨基脱水缩合而形成的化学键为酰胺键，又称肽键 。,肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 组成肽键的原子处于同一平面。,由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构，称为肽单位(peptide unit)。有序连接的肽单位就是多肽链的主链。因此，从结构上看，肽单位和侧链基团是蛋白质分子的基本
13、建筑模块。,肽单位（阴影部分）连接形成的多肽链,早在20世纪30年代，Pauling和Corey就开始用X-射线衍射方法研究了氨基酸和肽的结构，他们得到了重要的结论:,酰胺平面和两面角,(1) 肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转。,(2) 肽键中的四个原子和它相邻的两个-碳原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也称肽键平面。,(3) 在酰胺平面中C=0与N-H呈反式。,酰胺平面和两面角,多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以碳原子相隔。而C-C键和C-N键是单键，可以自由旋转，其中C-C键旋转的角度称，C-N键旋转的角度称。和这一对两面角决定了相邻两个酰胺平面
14、的相对位置，也就决定了肽链的构象。,寡肽：含有少于10个氨基酸的肽。多肽：超过10个氨基酸的肽。,2. 氨基酸通过肽键连接起来的化合物称为肽（peptide）,线性的肽链一端有一个游离的氨基（-NH2），称为氨基末端（或称N末端）；另一端有一个游离的羧基（-COOH）称为羧基末端（或称为C末端）。,肽链书写时，习惯将N端写在左边，C端写在右边。,3. 氨基酸残基,4. 多肽主链及其它名词有序连接的肽单位就是多肽链的主链。,氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,信号肽
15、,4. 多肽的性质,5. 多肽的化学合成液相合成法、固相合成法。,人工合成牛胰岛素,碳二亚胺，DCC,6. 生物活性肽,小分子活性多肽统称为“生物活性肽”（activated peptide）是指那些有特殊生理功能的肽。科学家已在人体中发现了100多种生物活性多肽，这些多肽具有传递生理信息，调节生理功能的作用，对于人体的神经、消化、生殖、生长、运动、代谢、循环等系统的正常生理活动的维持非常重要，所有疾病的发生、发展、治疗、康复都与多肽有关。,天蚕素：作用于微生物的细胞膜，在膜上形成跨膜的离子通道，破坏了膜的完整性，造成细胞内容物泄漏，从而杀死细胞,水蛭（俗称蚂蝗）水蛭素：抗凝血,可以代替肝素,
16、2.3 蛋白质,一、蛋白质的结构,蛋白质的各级结构,丹麦生物化学家 Kai Linderstram,英国化学家 Bernal,随着大量天然蛋白质的结构测定及以此为基础的综合分析，在二级结构与三级结构之间又发现了结构模体(超二级结构)和结构域，从而揭示了蛋白质结构的丰富层次体系(structure hirarchy)。,1、蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(Primary structure)组成蛋白质的氨基酸的排列顺序及二硫键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,1一级结构(primary structure), 一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基
17、酸沿线性多肽链的排列。 在有二硫键的蛋白质中，一级结构的内容也常包含二硫键的数量和配对方式。 一级结构是蛋白质结构层次体系的基础，它是决定更高层次结构的主要因素。 一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理(Anfinsen ,1957)。,蛋白质的一级结构决定高级结构,Anfinsen的实验,unfold,refold,- 巯基乙醇处理,牛胰核糖核酸酶实验,1一级结构(primary structure), 两个不同蛋白质的一级结构如果具有显著相似性，则称它们彼此同源(homology)。由于同源蛋白的编码DNA序列也有显著的相似性，因此一般认为它们在进化上是相关的，是从一个共同的始
18、祖基因(ancestral gene)进化而来。 氨基酸是构成一级结构的基本元素，存在于天然蛋白质中的常见氨基酸共有20种，它们彼此通过肽链相连。, 概念：在一段连续的肽单位中具有同一相对取向，可以用相同的构象角(，)来表征，构成一种特征的多肽链线性组合，称为蛋白质的二级结构。二级结构是多肽主链局部区域的规则结构，它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系。, 二级结构主要包括：螺旋、平行层、反平行层，转折、310螺旋、无规则卷曲等。 二级结构的规则构象主要被其内部形成的主链氢键所稳定，因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征。,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠
19、( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),(1) -螺旋,1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时，提出了-螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在-螺旋。,从羧基端看一个螺旋,基本结构参数,四种不同的螺旋,除了上面这种典型的-螺旋外，还有一些不典型的-螺旋，所以规定了有关螺旋的写法，用“nS”来表示，n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数。S为氢键封闭环内的原子数，典型的-螺旋用3.613表示，非典型的-螺旋有3.010， 4.416（螺旋）等。,倾向于形成螺旋的氨基酸,Ala、Glu、Leu、Met,Pro、Gly、Tyr
20、、Ser,影响-螺旋结构形成的因素 P34,肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也难以形成-螺旋。 Gly的R基太小，难以形成-螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者。,纤维状蛋白质的构象（一）,（1）角蛋白（keratin）,-角蛋白,-角蛋白中可能存在由螺旋互相缠绕而形成卷曲螺旋,高硫硬角蛋白低硫软角蛋白永久性烫发、直发,胶原蛋白 P34-35,myohemeyrthrin,肌红蛋白,（2）层, 链 平行层和反平行层 混合型层和扭转层,折叠结构要点, 多肽链是一种相当伸展的结构，相邻肽键平面之间折叠成锯齿状。两平面间夹角为110，R基团交错伸向锯齿状结构
21、的上下方。 两段或两段以上的折叠结构平行排布，它们之间靠链间的CO与NH形成氢键相连，形成折叠结构。氢键是维持构象稳定的主要次级键。,-折叠又称为-片层（-pleated sheet）,折叠结构要点, 相邻的肽链可以是同向平行（即N、C端的方向一致），也可以是反向平行，反向平行结构更为稳定。 反平行折叠中，链间氢键与肽链走向相互垂直，平行的则不相垂直。,-折叠又称为-片层（-pleated sheet）,在平行（A）和反平行（B）折叠片中氢键的排列,反向折叠,C,扭转层,右手扭转,（2）丝心蛋白（也称丝蛋白，fibroin） (P35),范德华力,纤维状蛋白质的构象（二）,（3）-转角 (-t
22、urn),-转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出现180的回折，在回折角上的结构就称-转角，也称发夹结构，或称U形转折。由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的NH之间形成氢键。,两种主要类型的转角,Gly,(4) 无规卷曲,无规卷曲是指没有规律性的肽链结构，但许多蛋白质的功能部位常常埋伏在这里。,(5) 环,这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级结构，这种结构的形状象希腊字，所以称环。环这种结构总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，这种结构与生物功能有关，另外在分子识别中可能起重要作用。,环可看作是-转角的延伸。多肽链也呈180回折，但回折部分较长，通常由616个残基
23、构成,其它的二级结构,无序结构 带电荷长链的残基如Lys、Arg、Ile等常常是无序的，肽链末端的几个残基如果没有较大的疏水性氨基酸，也常表现为无序结构。 凸起, 凸起(bugle),凸起是一种小片的非重复结构，能单独存在，但大多数经常作为反平行折叠片中的一种不规则情况而存在。凸起可认为是折叠股中额外插入的一个残基，它使得在两个正常氢键之间的在凸起折叠股上是两个残基，而另一侧的正常股上是一个残基。,该图显示一种典型的凸起。造成凸起股主链额外残基之所以被规则的氢键网所容纳，部分原因是凸起股产生微小的弯曲。因此凸起引起多肽链方向的改变。,RNase的某些二级结构,RNase的某些二级结构,小 结,
24、3结构模体(motif，structural motif）,概念： 在蛋白质中常常发现，一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中也靠近，彼此按特定的几何排布形成简单地组合，可以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合单位称为结构模体。,超二级结构是1973年Rossmann提出的,（supersecondary structure ）,特征：结构模体是一类超二级结构(super-secondary structure)。它们是三级结构的建筑模块。有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分。,蛋白质中的几种超二级结构（C: 螺旋处于折叠
25、片上侧）,单元,Rossman折叠,发夹,曲折,希腊钥匙拓扑结构,3结构模体(motif，structural motif）,（1）：是两个-螺旋互相缠绕，形成一个左手超螺旋。,细胞色素C的结构,卷曲螺旋是纤维状蛋白质如角蛋白肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件,也存在于球状蛋白质中。,在钙结合蛋白家族、DNA结合蛋白、转录因子中可见此种模体结构。癌基因蛋白中常见的亮氨酸拉链结构也属于这一类型,图1 钙调素中的EF 手型模体Fig 1 EF-hand Motif in Calmodulin,图2 转录因子MyoD的螺旋-环-螺旋模体 Fig 2 Helix-loop-helix Motif in
26、 Transcription Factor MyoD,图3 癌基因蛋白Fos中的亮氨酸拉链模体Fig 3 Leucine Zipper Motif in Oncoprotein Fos,（2）x：是两段平行的-折叠通过一段连接链x连接而形成的结构。如x为- 螺旋则为；最常见的为两个聚集体连在一起形成 结构，称Rossmann折叠。,Rossmann折叠,细胞核抗原的结构,如为-折叠，则为。,如x为无规卷曲，则为c。,纤溶酶原的结构,（3）-曲折（-meander）：,是三条或三条以上反平行的-折叠通过短链，如-转角相连。,（4）-折叠筒（-sheat barrel）：,由多条-折叠链所构成的-
27、折叠片，再卷成一个园筒状的结构。,锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模序),转录因子MyoD的螺旋-环-螺旋模序,（5）HTH模体,4结构域,概念： 二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体，称为结构域(domain)。,结构域是 1970年Edelman提出的，它是指在较大的球状蛋白质分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象就是结构域。,最常见的结构域约含100200个氨基酸残基，少至40个左右，多至400个以上。,结构域是球状蛋白质的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。,对那些较小的蛋
28、白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。一般来说，大的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。,结构域有时也称功能域，功能域是指有功能的部分。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域组成。,从动力学的角度耒看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。,从功能的角度耒看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。,结构域的基本类型有全平行螺旋结构域，平行或混合型折叠片结构域，反平行折叠片结构域和富含金属或二硫键结构
29、域等4种。,5. 蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，多肽链再进一步折叠盘绕成更复杂的空间结构，三级结构主要靠非共价键来维持。,下面以鲸肌红蛋白为例，说明蛋白质的三级结构，1963年Kendrew等通过鲸肌红蛋白的x-射线衍射分析，测得了它的空间结构。,肌红蛋白是由一条多肽链折叠盘绕成近似球状的构象。,(2) 主链的80%左右是右手螺旋，其余为无规卷曲，一条多肽链共有8个螺旋区（A、B、C、D、E、F、G、H），7个非螺旋区（二个在末端，中间有五个）。,(3) 氨基酸残基的亲水基团几乎全部分布在分子的表面，而疏水基团几乎全部在分子的内部。,(4) 血红素辅基垂直地伸出分子表
30、面，通过一个His残基和分子内部相连。,从目前对球状蛋白质二、三级结构研究的资料来看，它们有一些共同的特点：,(1) 在球状蛋白质分子中,一条多肽链往往通过一部分-螺旋，一部分-折叠，一部分-转角和无规卷曲等使肽链折叠盘绕成近似球状的构象。,(2) 球状蛋白质的大多数极性侧链总是暴露在分子表面形成亲水面，而大多数非极性侧链总是埋在分子内部形成疏水核。,(3) 球状蛋白质的表面往往有内陷的空穴，空穴周围有许多疏 水侧链，是疏水区，这空穴往往是酶的活性部位或蛋白质 的功能部位。,维持蛋白质三级结构稳定的化学键,胰岛素的三级结构,溶菌酶分子的三级结构,磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构,6.蛋白质
31、的四级结构,四级结构是指蛋白质的亚基聚合成大分子蛋白质的方式（亚基是指一条多肽链或以共价链连接在一起的几条多肽链组成的蛋白质分子的最小共价结构单位）。,亚基与肽链,亚基的立体排布,亚基与生物活性,血红蛋白四级结构的确定要归功于英国科学家Max.Perutz,下面以血红蛋白（hemoglobin）为例，说明蛋白质的四级结构，血红蛋白是由四个亚基组成，2个-亚基，2个-亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组成 。个亚基以正四面体的方式排列，彼此之间以非共价键相连（主要是离子键、氢键） 。,2022/11/13,115,维持蛋白质四级结构稳定的化学键,2022/11/13,116,7.维持蛋白质构象的化学键,维持蛋白质 构象的化学键,氢键、离子键、疏水键、范德华引力,二硫键、配位键,思 考 题,亚基与结构域的区别？,
