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1、第一章 蛋白质化学,蛋白质的生物学意义,蛋白质的元素组成,蛋白质的氨基酸组成,肽,蛋白质的结构,蛋白质分子结构与功能的关系,蛋白质的性质,蛋白质的分类,提要,蛋白质 是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子。,一、蛋白质的生物学意义,1.生物体的组成成分,2.酶,3.运输,4.运动,5.抗体,6.干扰素,7.遗传信息的控制,8.细胞膜的通透性,9.高等动物的记忆、识别机构,二、蛋白质的元素组成,C（5055%）、H（68%）、O（2023%）、N（1518%）、S（04%）、,N的含量平均为16%凯氏（Kjadehl）定氮法的理
2、论基础,三、蛋白质的氨基酸组成,氨基酸 是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基酸（20 standard amino acids)组成。,（一）氨基酸的结构通式：19种氨基酸具有一级氨基（-NH3+）和羧基（-COOH）结合到碳原子（C），同时结合到（C）上的是H原子和各种侧链（R）；Pro具有二级氨基（-亚氨基酸）,C如是不对称C（除Gly），则：具有两种立体异构体 D-型和L-型2.具有旋光性 左旋（-）或右旋（+）,（二）氨基酸的分类,根据R的化学结构（1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Ly
3、s、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr（2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr（3）杂环氨基酸：Trp、His（4）杂环亚氨基酸：Pro,根据R的极性（1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电：Asp、Glu（2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp,（三）氨基酸的重要理化性质,一般物理性质 无色晶体，熔点极高（200以上），不同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。,两性解离和等电点 氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一
4、个氨基酸分子上带有能放出质子的NH3+正离子和能接受质子的COO-负离子，为两性电解质。,3.化学性质,（1）与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几g）。,调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的+NH3基和COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。,（当氨基酸相互连接成蛋白质时，只有其侧链基团和末端的-氨基，-羧基是可以离子化的。,氨基酸等电点的确定：,1）酸碱滴定（滴定曲线）,2）根据pK值（该基团在此pH一半解离）计算：等电点等于两性离子两侧pK值的算术平均数。
5、,等电点的推导,移项：,根据等电点的定义:,Ala+=Ala-,整理：K1 K2 Ala=Ala H+H+K1 K2=H+2两端取对数：-lg H+2=-lg K1-lg K2-lg K1=pk1-lg K2=pk2 2（-lg H+）=pk1+pk2 根据pH 的定义得：pH=lg 1/H+=-lg H+2 pH=pk1+pk2pI=1/2(pk1+pk2),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 pK 1指-羧基离解常数的负对数值；pK 2指-氨基离解常数的负对数值 pK R指侧链R基离
6、解常数的负对数值。,（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法,OH-,中和滴定,（3）与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应,弱碱性,DNP-氨基酸,取代DNFB测定蛋白质N端氨基酸，灵敏度高,（4）与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应,pH8.3,无水HF,重复测定多肽链N端氨基酸排列顺序，设计出“多肽顺序自动分析仪”,（5）与荧光胺反应：根据荧光强度测定氨基酸含量（ng级）。激发波长x=390nm，发射波长m=475nm。,（6）与5,5-双硫基-双（2-硝基苯甲酸）反应：,硫代硝基苯甲酸,测定Cys含量（pH8.0412nm的摩尔消光系数=13600）,四、肽,一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸
7、的-氨基脱水缩合而成的化合物。氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）。,当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽，在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧基，每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽键相互连接形成长的、不带支链的寡肽（25个氨基酸残基以下）和多肽（多于25个氨基酸残基）。多肽仍然有游离的-氨基和-羧基。,肽链写法：游离-氨基在左，游离-羧基在右，氨基酸之间用“-”表示肽键。,H2N-丝氨酸-亮氨酸-苯丙氨酸-COOH,Ser-Leu-Phe,（S-L-F）,（一）谷光甘肽（GSH）,2GSH,GSSG,（二）催产素和升压素,均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌
8、收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。,（三）促肾上腺皮质激素（ACTH）,39肽，活性部位为第410位的7肽片段：Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。,（四）脑肽,脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾。,Met-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu,-内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。,（五）胆囊收缩素,（六）胰高血糖素,由胰岛-细胞分泌（-细胞分泌胰岛素），29肽。胰高血糖素调节 维持血糖浓度。,五、蛋白质的结构,蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的
9、线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）（conformation）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种结构层次：一级结构（primary），二级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。,（一）蛋白质的一级结构（化学结构）,一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键（covalent bonds）主要指肽键（peptide bond）和二硫键（disulfide bond）,牛
10、胰岛素的化学结构,一级结构确定的原则：将大化小，逐段分析，制成两套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后确定蛋白质的完整序列。,目前往往采用从待测蛋白质的基因序列反推出蛋白质的一级结构。,（二）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）,蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。,由于羰基碳-氧双键的靠拢，允许存在共振结构（resonance structure），碳与氮之间的肽键有部分双键性质，由CO-NH构成的肽单元呈现相对的刚性和平面化，肽键中的4个原子和它相邻的两个-碳原子多处于同一个平面上。,氨基的H与羰基的O几乎总是呈反式（trans）而不是顺式（cis）。,蛋白质构象稳
11、定的原因：1）酰胺平面；2）R的影响。,1.蛋白质的二级结构,指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式,（1）-螺旋（-helix）,Pauling和Corey于1965年提出。,结构要点：1）螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100。,2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键（hydrogen bond），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。,3.613(ns),3)R侧链基团伸向螺旋的外侧。,4）Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。,（2）-折叠结构（-pleated sh
12、eet）,是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。,-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。,（3）-转角（-turn）,为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。,-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。,（4）自由回转,没有一定规律的松散肽链结构。酶的活性部位。,2.超二级结构和结构域,超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。
13、是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。,结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构，具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。,3.蛋白质的三级结构,指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的分布。,肌红蛋白,4.蛋白质的四级结构,多肽亚基（subunit）的空间排布和相互作用。亚基间以非共价键连接。,血红蛋白,共价键,次级键,化学键,肽键,一级结构,氢键,二硫键,二、三、四级结构,疏水键,盐键,范德华力,三、四级结构,（三）蛋白质分子中的共价键与次级键,肌红蛋白是1957年
14、由John Kendrew 用X射线晶体分析法测定的有三维结构的第一个蛋白质。它是典型的球形蛋白质，高度折叠成紧密结构，疏水氨基酸残基大部分埋藏在分子内部，极性残基在表面。肌红蛋白中有8条-螺旋。由多肽的折叠形成的疏水空隙内是血红素辅基，通过肽链上的His残基与肌红蛋白分子内部相连，它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与O2结合）。,六、蛋白质分子结构与功能的关系,蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学结构，还需要一定的空间构象。,（一）蛋白质一级结构与功能的关系,1.种属差异,蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定它们
15、在亲缘关系上的远近。,2.分子病,蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。,镰状细胞贫血（sick-cell anemia）从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。,-链 1 2 3 4 5 6 7Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-LysHb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys,Val 取代Glu,O2,O2,（二）蛋白质构象与功能的关系,别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变的作用。因别构而产生的效应称别构效应。,血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，
16、影响与其它亚基的相互作用。,Gly的滴定曲线,Gly解离作用,七、蛋白质的性质,（一）蛋白质的相对分子量,蛋白质相对分子量在10 0001 000 000之间。测定分子量的主要方法有渗透压法、超离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。,最准确可靠的方法是超离心法（Svedberg于1940年设计）：蛋白质颗粒在2550*104 g离心力作用下从溶液中沉降下来。,沉降系数（s）：单位（cm）离心场里的沉降速度。,v=沉降速度（dx/dt）=离心机转子角速度（弧度/s）x=蛋白质界面中点与转子中心的距离（cm）,沉降系数的单位常用S，1S=110-13（s）,蛋白质分子量（M）与沉降系数（s）的
17、关系,（二）蛋白质的两性电离及等电点,蛋白质在其等电点偏酸溶液中带正电荷，在偏碱溶液中带负电荷，在等电点pH时为两性离子。,电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率即异，在电泳时可以分开。,1.自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳。,2.区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进行电泳，不同组分形成带状区域。,（1）纸上电泳：用滤纸作支持物。,（2）凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作支持物。,1）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。,2）平板电泳：铺有凝胶的玻板上进行的电泳。,等电聚焦电泳：当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不
18、再移动。,通电,（三）蛋白质的胶体性质,布郎运动、丁道尔现象、电泳现象，不能透过半透膜，具有吸附能力,蛋白质溶液稳定的原因：1）表面形成水膜（水化层）；2）带相同电荷。,（四）蛋白质的沉淀反应,1.加高浓度盐类（盐析）：加盐使蛋白质沉淀析出。,分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中的几种蛋白质分段析出。血清球蛋白（50%(NH4)2SO4饱和度），清蛋白（饱和(NH4)2SO4)。,2.加有机溶剂,3.加重金属盐,4.加生物碱试剂,单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、三氯乙酸能沉淀生物碱，称生物碱试剂。,（五）蛋白质的变性,天然蛋白质受物理或化学因素的影响，其共价键不变，但分子内部原有的高度规律性
19、的空间排列发生变化，致使其原有性质发生部分或全部丧失，称为蛋白质的变性。,变性蛋白质主要标志是生物学功能的丧失。溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被酶消化。,变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称凝固。,有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。,（六）蛋白质的颜色反应,OH,N,六、蛋白质的分类,1.蛋白质形状,球状蛋白,纤维状蛋白,2.分子组成,简单蛋白（按溶解度）,结合蛋白（按辅基）,核蛋白,糖蛋白与蛋白聚糖,脂蛋白,色蛋白,磷蛋白,（7）成盐反应,（8）酰基化和烃基化反应,（9）成酯反应,HC
20、l气,当羧基变成乙酯后，羧基的化学性质就被掩蔽了，而氨基的化学性质就突出地显示出来。,（10）酰氯化反应,使氨基酸的羧基活化，易于另一氨基酸的氨基结合，在合成肽的工作上常用。,（11）成酰胺反应,H2NCHRCOOC2H5+HNH2,体外,无水,有机体内：,Asp（Glu）+NH4+,Asn（Gln）,Asn（Gln）合成酶,ATP,（12）脱羧反应,H2NCHRCOOH,脱羧酶,（13）迭氮反应,H2N-CHR-COOH,NH2NH2,（-CH3OH）,HNO2,本章较全面地介绍了蛋白质化学的基本知识，重点阐述了氨基酸和蛋白质的结构、性质和功能间的依存关系。在学习氨基酸的结构时应联系有机化学
21、的羧酸结构，在学习氨基酸的化学性质时应联系氨基酸的结构，再将氨基酸的结构和特性与蛋白质的结构和特性联系起来。认识蛋白质的重要生物学意义。,提要,构成蛋白质的结构单元分子,20种基本氨基酸,蛋白质一级结构的测定,测定多肽链的数目,蛋白质测序的步骤,拆分多肽链,断开多肽链内的二硫键,测定每一肽链的氨基酸组成,鉴定多肽链的N-末端和C-末端,裂解多肽链为较小的肽段,测定各肽段的氨基酸序列,利用重叠肽重建完整多肽链的一级结构,确定二硫键的位置,蛋白质测序的重要方法,N-末端测定,二硝基氟苯（DNFB）法：肽游离末端NH2与DNFB反应生成DNP-肽，最后水解生成黄色DNP-氨基酸,丹磺酰氯（DNS）法
22、：用DNS取代DNFB，生成DNS-氨基酸,苯异硫氰酸（PITC）法：生成PTH-氨基酸，从肽上断裂下来,氨肽酶法：外切酶，但效果不好,C-末端测定,肼解法：测定C-末端的最重要的化学方法，肽与肼反应，除C-末端氨基酸游离外，其他氨基酸转变为氨基酸酰肼化物,还原法：C-末端氨基酸用硼氢化锂还原成相应的-氨基醇,羧肽酶法：最有效、最常用,羧肽酶A,羧肽酶B,羧肽酶C,羧肽酶Y,二硫键的断裂,过甲酸氧化法：将二硫键氧化成磺酸基,巯基化合物还原法：将二硫键还原成巯基，然后用烷基化试剂如碘乙酸保护巯基，防止其重新被氧化,氨基酸组成的测定：,酸水解：是主要方法，多用HCl，同时辅以碱水解；所得氨基酸不消
23、旋，但Trp全部被破坏，Ser，Thr，Tyr部分破坏，Asn和Gln的酰氨基被水解，生成Asp和Glu；,多肽链的裂解,酶裂解：,胰蛋白酶：专一性强，断裂Lys或Arg的羧基参与形成的肽键,糜蛋白酶：断裂Phe，Trp，Tyr，Leu等疏水氨基酸的羧基端肽键,嗜热菌蛋白酶：专一性差，断裂Val，Leu，Phe，Tyr，Trp等氨基参与形成的肽键,胃蛋白酶：在酸性条件稳定，肽键 两侧均为疏水氨基酸。在确定二硫键位置时，常用到此酶。,其它酶：略,化学裂解：,溴化氰（CNBr）：只断裂Met的羧基形成的肽键,羟氨（NH2OH）：在pH9时，专一性断裂Asn-Gly之间的肽键，其它条件下不专一,肽段
24、的氨基酸测序,Edman化学降解法：用Edman试剂PITC与游离氨基作用生成PTH-氨基酸，并可用各种层析技术分离；用此法降解，一次可连续测出60-70个氨基酸残基的序列；工作量大，操作麻烦；现改用蛋白质测序仪。,酶解法：利用氨肽酶和羧肽酶，局限性大，有困难,质谱法：质谱仪,由核苷酸序列推定法：mRNA cDNA，推出 cDNA的核苷酸序列，然后推测出蛋白质的氨基酸序列,肽段在肽链中次序的确定：需借助重叠肽。重叠肽：由于不同的断裂方法即断裂的专一性不同，产生的切口彼此错位，使两套肽段正好跨过切口而重叠的肽段；获得重叠肽需要两种或两种以上的不同方法断裂同一多肽样品，得到两套或多套肽段。,二硫键位置的确定：一般采用胃蛋白酶水解原来的含二硫键的蛋白质。一是胃蛋白酶专一低，切点多，得到含有二硫键的肽段较小，易分离鉴定；二是在酸性条件下，有利于防止二硫键发生交换反应。,
