生物化学：第二章 蛋白质化学

1、第二章第二章 蛋白质（蛋白质（Protein) 蛋白质：蛋白质：是一条或多条是一条或多条由氨基酸通过肽键共价由氨基酸通过肽键共价 连接而成的连接而成的多肽链构成的生物大分子。多肽链构成的生物大分子。 蛋白质的化学元素组成：蛋白质的化学元素组成： 主要是主要是C、H、O、N、S， 还含有还含有P和和Fe、Cu、Mo、Zn、I和和Se等等 微量元素。微量元素。 蛋白质中氮元素的平均含量为蛋白质中氮元素的平均含量为16%，这，这 是是凯氏定氮法凯氏定氮法测定蛋白质含量的根据，测定蛋白质含量的根据， 蛋白质含量蛋白质含量%=氮含量氮含量6.25（100/16） C,H,O,N,S 氨基酸氨基酸 蛋白蛋

2、白 质质 多肽链多肽链 蛋白质分类蛋白质分类 按其所含成分按其所含成分- 简单蛋白质简单蛋白质-全部为氨基酸全部为氨基酸 结合蛋白质结合蛋白质-蛋白质蛋白质+非蛋白质非蛋白质 按分子外形，对称程度按分子外形，对称程度 球状蛋白球状蛋白-大多数蛋白大多数蛋白 纤维状蛋白纤维状蛋白 最重要的生物学功能：酶最重要的生物学功能：酶(enzyme) 有机体的结构成分：微管蛋白、胶原纤维有机体的结构成分：微管蛋白、胶原纤维 贮藏氨基酸：卵清蛋白贮藏氨基酸：卵清蛋白 运输功能：血红蛋白运输功能：血红蛋白 激素功能：代谢调节（胰岛素）激素功能：代谢调节（胰岛素） 防御功能：抗体（疫苗）防御功能：抗体（疫苗）

3、接受和传递信息的功能接受和传递信息的功能 调控生长、分化和遗传信息的表达调控生长、分化和遗传信息的表达 蛋白质功能蛋白质功能 第一节第一节 氨基酸氨基酸 氨基酸（氨基酸（amino acids）: 是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基 的有机化合物，氨基一般连接在-碳上。 氨基酸是肽和蛋白质的构件分子。 迄今为止在各种生物体内已发现了迄今为止在各种生物体内已发现了180180多多 种氨基酸，种氨基酸，蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸，非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸。 生物体内主要有生物体内主要有20种氨基酸，它们都是种氨基酸，它们都是 a a-氨基酸氨基酸，因为，因为a a-氨基酸分子中的氨基酸分子中的a

4、a-碳碳 （分子中第（分子中第2个碳，个碳，Ca a）结合着一个氨基结合着一个氨基 和一个酸性的羧基，此外和一个酸性的羧基，此外Ca a还结合着一还结合着一 个个H原子和一个侧链基团（用原子和一个侧链基团（用R表示）。表示）。 每一种氨基酸的每一种氨基酸的R都是不同的都是不同的。 1.1蛋白质氨基酸的一般结构特点及分类蛋白质氨基酸的一般结构特点及分类 l2020种基本氨基酸，除种基本氨基酸，除脯氨酸脯氨酸是一种是一种-亚亚 l氨基酸外，其余的都是氨基酸外，其余的都是-氨基酸。氨基酸。 l除除甘氨酸甘氨酸外，其它蛋白质氨基酸均为外，其它蛋白质氨基酸均为L-L-型型 l氨基酸（氨基酸（L-L-绝对

5、构型，不是指旋光方向）。绝对构型，不是指旋光方向）。 根据根据R基团性质：基团性质： 非极性氨基酸（非极性氨基酸（8种）种） 酸性氨基酸酸性氨基酸 2 极性氨基酸极性氨基酸 碱性氨基酸碱性氨基酸 3 非解离的极性氨基酸非解离的极性氨基酸 7 1.2 理化性质理化性质 l1.2.1 氨基酸的溶解性氨基酸的溶解性 l除除半胱氨酸和酪氨酸半胱氨酸和酪氨酸外一般均能溶于水；外一般均能溶于水； l-氨基酸均可形成白色结晶。氨基酸均可形成白色结晶。 l除除脯氨酸脯氨酸外的其它氨基酸通常不溶于外的其它氨基酸通常不溶于 l乙醇或乙醚乙醇或乙醚。 构成蛋白质的构成蛋白质的2020种氨基种氨基 酸在可见光区都没有

6、光酸在可见光区都没有光 吸收，但在远紫外区吸收，但在远紫外区 (220(220nm)nm)均有光吸收。均有光吸收。 在近紫外区在近紫外区(220-300(220-300nm)nm) 只有只有酪氨酸、苯丙氨酸酪氨酸、苯丙氨酸 和色氨酸和色氨酸有吸收光的能有吸收光的能 力。力。 酪氨酸的酪氨酸的 maxmax275nm275nm， 苯丙氨酸的苯丙氨酸的 maxmax257nm257nm 色氨酸的色氨酸的 maxmax280nm280nm 1.2.2 氨基酸的光学性质氨基酸的光学性质 1.2.3 氨基酸的两性解离与等电点氨基酸的两性解离与等电点 氨基酸在晶体或水中以兼性离子或偶极氨基酸在晶体或水中以

7、兼性离子或偶极 离子存在。离子存在。 K是表观解离常数。是表观解离常数。 K1, k2分别表示分别表示a a-C上上-COOH与与NH3+的表观的表观 解离常数。解离常数。 等电点等电点： 当溶液在某一特定的当溶液在某一特定的pH值时值时，氨基酸氨基酸 主要是以两性离子形式存在，在溶液中所主要是以两性离子形式存在，在溶液中所 带净电荷为零，这时虽在电场作用下，它带净电荷为零，这时虽在电场作用下，它 也不会向正极或负极移动，这时溶液的也不会向正极或负极移动，这时溶液的pH 值称为该氨基酸的等电点。值称为该氨基酸的等电点。 pI=(pK1+pK2)/2 酸性氨基酸：酸性氨基酸： pI=(pK1+p

8、Kr)/2 碱性氨基酸：碱性氨基酸： pI=(pK2+pKr)/2 第二节第二节 肽（肽（peptide) 2.1肽键肽键 肽键是蛋白质分子中基本的化学键，它肽键是蛋白质分子中基本的化学键，它 是由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基是由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基 缩水而形成的酰胺键。缩水而形成的酰胺键。 所形成的化合物称为肽。所形成的化合物称为肽。 有几个氨基酸就叫几肽。有几个氨基酸就叫几肽。 寡肽：寡肽： 少于少于10个氨基酸。个氨基酸。 多肽：多肽： 大于大于 10个氨基酸。个氨基酸。 蛋白质与多肽并无严格界线，通常是将分蛋白质与多肽并无严格界线，通常是将分 子量在子量在600

9、06000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。道尔顿以上的多肽称为蛋白质。 共价主链：由肽单位规则的重复排列而成。共价主链：由肽单位规则的重复排列而成。 2.2肽的写法与命名肽的写法与命名 ：一般规定肽链的氨基酸排列顺序从其一般规定肽链的氨基酸排列顺序从其 氨基末端（氨基末端（N末端）开始，到羧基末末端）开始，到羧基末 端（端（C末端）终止，末端）终止， ：命名也从命名也从N末端开始末端开始 ：氨基酸残基：氨基酸残基： 2.3 天然寡肽天然寡肽 谷胱甘肽谷胱甘肽 第三节第三节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 Linderstorm-Lang 1952 ： 一、二、三一、二、三 Bernal 1953

10、：四级结构：四级结构 近年：超二级结构和结构域近年：超二级结构和结构域 3.1 一级结构一级结构 蛋白质的一级结构是指蛋白质的一级结构是指即多肽链内氨基即多肽链内氨基 酸残基从酸残基从N末端到末端到C末端的排列顺序末端的排列顺序 是蛋白质最基本的结构。是蛋白质最基本的结构。 Primary structure (amino acid sequence) of Insulin 氨基酸顺序测定的步骤（了解）氨基酸顺序测定的步骤（了解） a,a,测序仪。测序仪。 b,b,由基因由基因(mRNA)(mRNA)序列确定序列确定 GGC ATT GTG GAA CAA TGC TGT ACC AGC AT

11、C TGC TCC CTC TAC CAG CTG GAG AAC TAC TGC AAC 构型与构象构型与构象 3.1 一级结构一级结构 3.2 二级结构二级结构 3.2.1 概念：指多肽链主链通过不同肽段自身概念：指多肽链主链通过不同肽段自身 的相互作用而形成的折叠和盘绕方式。的相互作用而形成的折叠和盘绕方式。 类型：类型：a a-螺旋螺旋 ， -折叠，折叠， -转角，无规转角，无规 则卷曲则卷曲 酰胺平面：由于肽键具有部分双键性质，酰胺平面：由于肽键具有部分双键性质， 因此不能自由旋转，氢原子和氧原因此不能自由旋转，氢原子和氧原 子分别位于肽键两侧，构成一个相子分别位于肽键两侧，构成一个

12、相 对刚性的平面，叫对刚性的平面，叫. 3.2.2酰胺平面酰胺平面： 3.2.3 二级结构二级结构- （1 1）a a- -螺旋螺旋 多肽链中的各个肽平面围绕多肽链中的各个肽平面围绕 同一轴旋转，形成螺旋结构，同一轴旋转，形成螺旋结构， 螺旋一周，沿轴上升的距离螺旋一周，沿轴上升的距离 即螺距为即螺距为0.540.54nmnm, ,含含3.63.6个氨个氨 基酸残基；两个氨基酸之间基酸残基；两个氨基酸之间 的距离为的距离为0.150.15nm;nm; 肽链内形成肽链内形成氢键氢键，氢键的取，氢键的取 向几乎与轴平行，第一个氨向几乎与轴平行，第一个氨 基酸残基的酰胺基团的基酸残基的酰胺基团的-

13、-COCO 基与第四个氨基酸残基酰胺基与第四个氨基酸残基酰胺 基团的基团的- -NHNH基形成氢键。基形成氢键。 蛋白质分子为蛋白质分子为右手右手a a- -螺旋。螺旋。 a a- -螺旋螺旋 a a- -螺旋稳定性靠链内氢键维持螺旋稳定性靠链内氢键维持 The A chain is shown in blue, the B chain is shown in red. Insulin （2 2） - -折叠折叠 - -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的折叠是由两条或多条几乎完全伸展的 肽链平行排列，通过链间的氢键交联而肽链平行排列，通过链间的氢键交联而 形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象形成的

14、。肽链的主链呈锯齿状折叠构象 在在 - -折叠中，折叠中，a a- -碳原子总是处于折叠的碳原子总是处于折叠的 角上，氨基酸的角上，氨基酸的R R基团处于折叠的棱角上基团处于折叠的棱角上 并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心 距为距为0.350.35nmnm； （2 2） - -折叠折叠 - -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也 可以在同一肽链的不同部分之间形成。可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键几乎所有肽键 都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂

15、直。 - -折叠有两种类型。一种为折叠有两种类型。一种为平行式平行式，即所有肽链的，即所有肽链的N-N- 端都在同一边。另一种为端都在同一边。另一种为反平行式反平行式，即相邻两条肽链，即相邻两条肽链 的方向相反。的方向相反。 （3 3） - -转角转角 - -turnturn 在在 - -转角部分，由四个氨基酸残基组转角部分，由四个氨基酸残基组 成成; ; 弯曲处的第一个氨基酸残基的弯曲处的第一个氨基酸残基的 - -C=O C=O 和第四个残基的和第四个残基的 N-H N-H 之间形成氢之间形成氢 键，形成一个不很稳定的环状结构。键，形成一个不很稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球状蛋白分子

16、中。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。 (4) 无规则卷曲无规则卷曲/自由回转自由回转 指多肽链主链没有一定规则的松散结构指多肽链主链没有一定规则的松散结构 往往与蛋白质活性有关往往与蛋白质活性有关 3.2.4 超二级结构超二级结构 在蛋白质中，若干相邻的二级结构单元（如在蛋白质中，若干相邻的二级结构单元（如） 组合在一起，彼此相互作用，形成有规则，在组合在一起，彼此相互作用，形成有规则，在 空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结 构的组件，称为构的组件，称为 基本组合形式：基本组合形式： aaaa，aa， aaaa-Rossman 3.2.5 结构域

17、结构域 对于较大的蛋白质分子或亚基：对于较大的蛋白质分子或亚基： 多肽链往往由两个或两个以上的相对独多肽链往往由两个或两个以上的相对独 立的，在空间上可以明显区分的三维实体立的，在空间上可以明显区分的三维实体 缔合而成三级结构，这种三维实体缔合而成三级结构，这种三维实体 对于较小的蛋白质分子或亚基：对于较小的蛋白质分子或亚基： 结构域和三级结构往往是一个意思，即结构域和三级结构往往是一个意思，即 这些蛋白质是单结构域的。这些蛋白质是单结构域的。 结构域是多肽链在超二级结构基础上组装成结构域是多肽链在超二级结构基础上组装成 Each domain forms a compact three- d

18、imensional structure and often can be independently stable and folded. Many proteins consist of several structural domains An appropriate example is pyruvate kinase, a glycolytic enzyme that plays an important role in regulating the flux from fructose-1,6-biphosphate to pyruvate. It contains an all-

19、 regulatory domain, an /-substrate binding domain and an /-nucleotide binding domain, connected by several polypeptide linkers 3.3 三级结构（三级结构（tertiary structure) 蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构，超蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构，超 二级结构乃至结构域的基础上进一步折叠卷曲二级结构乃至结构域的基础上进一步折叠卷曲 形成复杂的球状分子结构形成复杂的球状分子结构 肽键和二硫键是共价键。氢键、盐键、疏水键肽键和二硫键是共价键。氢键、

20、盐键、疏水键 和范德华力统称为非共价键或次级键，这些次和范德华力统称为非共价键或次级键，这些次 级键是维持三级结构的主要作用力级键是维持三级结构的主要作用力 蛋白质的三维构象归根结底是由一级顺序决定蛋白质的三维构象归根结底是由一级顺序决定 的的 The 3 disulphide bridges (yellow) above, between pairs of cysteine residues (projecting from the ribbons): One within the A chain can be seen at the top, and two between the A a

21、nd B chains, are at either side. 3.4 四级结构（四级结构（quaternary structure) 具有三级结构的球状蛋白质通过非共价键具有三级结构的球状蛋白质通过非共价键 彼此缔合在一起形成的聚集体，称为彼此缔合在一起形成的聚集体，称为 四级结构中每个球状蛋白称为亚基四级结构中每个球状蛋白称为亚基/亚单位亚单位 四级结构并不是每个蛋白质都具有的四级结构并不是每个蛋白质都具有的 一般来说：一般来说： 纤维状蛋白纤维状蛋白-二级结构二级结构 球状蛋白球状蛋白-三级结构三级结构 四级结构的注意问题四级结构的注意问题 亚基一般只有一条多肽链亚基一般只有一条多肽链

22、 组成蛋白质的亚基可以是相同的也可以是组成蛋白质的亚基可以是相同的也可以是 不同的不同的 有两个或多个亚基组成的蛋白质有两个或多个亚基组成的蛋白质-寡聚寡聚 蛋白质，无四级结构的蛋白质蛋白质，无四级结构的蛋白质-单体蛋白单体蛋白 质质 维持四级结构的作用力与维持三级结构的维持四级结构的作用力与维持三级结构的 力是相同的力是相同的 4. 蛋白质的性质蛋白质的性质（1）两性解离与等电点）两性解离与等电点 蛋白质与氨基酸一样，能够发生两性解离蛋白质与氨基酸一样，能够发生两性解离 也有等电点。在也有等电点。在等电点等电点时时( (IsoelectricIsoelectric point point p

23、IpI) )，蛋白质的溶解度最小，同时蛋白质的溶解度最小，同时 粘度、渗透压、导电能力也最小，在电场粘度、渗透压、导电能力也最小，在电场 中不移动。中不移动。 当溶液达到某一当溶液达到某一pHpH值时，蛋白质所带的正值时，蛋白质所带的正 负电荷恰好相等，即总净电荷为零，在电负电荷恰好相等，即总净电荷为零，在电 场中既不向正极移动，也不向负极移动，场中既不向正极移动，也不向负极移动， 这是溶液中的这是溶液中的pHpH值即为该值即为该蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。 （2）蛋白质的胶体性质）蛋白质的胶体性质 由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够 形成胶体溶液。蛋

24、白质溶液具有胶体溶液形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液 的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜半透膜， 因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂 质除去。质除去。 稳定存在的原因：稳定存在的原因： 表面的极性基团，对水亲和，可形成表面的极性基团，对水亲和，可形成水膜水膜 蛋白质颗粒在非等电状态，带有蛋白质颗粒在非等电状态，带有相同电荷相同电荷 （3）蛋白质的沉淀作用）蛋白质的沉淀作用 蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量 大

25、小、所带的电荷和水化作用有关。大小、所带的电荷和水化作用有关。 改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解 性质性质 在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中 沉淀出来。沉淀出来。 （3）蛋白质的沉淀作用）蛋白质的沉淀作用可逆沉淀可逆沉淀 在温和条件下，通过改变溶液的在温和条件下，通过改变溶液的pHpH或电荷状况或电荷状况 及破坏水化层，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分及破坏水化层，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分 离。离。 在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化， 在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所在适当

26、的条件下，可以重新溶解形成溶液，所 以这种沉淀又称为非变性沉淀。以这种沉淀又称为非变性沉淀。 可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如 等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。 （3）蛋白质的沉淀作用）蛋白质的沉淀作用不可逆沉淀不可逆沉淀 在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质 胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白 质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不 可能再重新溶解于水。可能再重新溶解于水。 由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性 质的变化，所以又称为变性沉淀。质的变化，所以又称为变性沉淀。 如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉 淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。 （4）蛋白质的变性）蛋白质的变性 蛋白质蛋白质 变性作用变性作用 (denaturation) : 当天然蛋