基础生物化学

1、第二章第二章 蛋白质化学蛋白质化学Protein Chemistry蛋白质的蛋白质的生物学功能生物学功能蛋白质的蛋白质的元素组成元素组成氨基酸氨基酸肽肽蛋白质的蛋白质的结构结构蛋白质的蛋白质的结构与功能的关系结构与功能的关系蛋白质的蛋白质的性质性质蛋白质的蛋白质的分类分类第一节第一节 蛋白质的生物学功能蛋白质的生物学功能英文英文protein（蛋白质）来自希腊语（蛋白质）来自希腊语proteios，意思是，意思是“第一重要的第一重要的”。可以。可以看出，一开始给蛋白质定义时，就是指生看出，一开始给蛋白质定义时，就是指生命中第一重要的物质。命中第一重要的物质。没有蛋白质就没有没有蛋白质就没有生命

2、。生命。u 存在于所有的生物细胞中，是生物体最基本的结构物质和功能物质；u 参与了几乎所有的生命活动过程；u 种类繁多：不同物种、同一物种的不同个体、同一个体的不同器官或组织所含的蛋白质种类都不同。因此，生物界的多样性是由蛋白质的多样性来体现的。孟德尔通过豌豆实验孟德尔通过豌豆实验证明了生物的性状由证明了生物的性状由 遗传因子遗传因子控制控制摩尔根通果蝇实验证摩尔根通果蝇实验证明了基因位于明了基因位于染色体染色体后经实验证实：后经实验证实：染色体主要成分是染色体主要成分是蛋白质和蛋白质和DNADNA DNA蛋白质蛋白质遗传物质的本质之争遗传物质的本质之争DNADNA是主要的遗传物质是主要的遗传

3、物质 T T2 2噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验蛋白质外壳用蛋白质外壳用35S标记后侵染细菌标记后侵染细菌证实证实蛋白质不是遗传物质蛋白质不是遗传物质DNA用用32P标记后侵染细菌标记后侵染细菌证实证实DNA是遗传物质是遗传物质 u蛋白质是生物体内必不可少的重要成分蛋白质是生物体内必不可少的重要成分 u蛋白质是生物功能的主要体现者蛋白质是生物功能的主要体现者细菌 50% 80% 真菌 14% 52%人体 45% 蛋白质占生物干重蛋白质占生物干重 蛋白质在不同生物中的种类蛋白质在不同生物中的种类大肠杆菌3000多种人体约10万种生物界估计有1010 1012 种1. 1. 催化功能催化功能

4、-酶酶2. 2. 调控功能调控功能-激素、基因调控因子激素、基因调控因子3. 3. 贮存功能贮存功能-乳、蛋、谷蛋白乳、蛋、谷蛋白4. 4. 转运功能转运功能-膜转运蛋白、血红膜转运蛋白、血红/ /血清蛋白血清蛋白5. 5. 运动功能运动功能-鞭毛、肌肉蛋白鞭毛、肌肉蛋白6. 6. 结构成分结构成分-皮、毛、骨、牙、细胞骨架皮、毛、骨、牙、细胞骨架7. 7. 支架作用支架作用-接头蛋白接头蛋白8. 8. 防御功能防御功能-免疫球蛋白免疫球蛋白9. 9. 毒素蛋白毒素蛋白-蛇毒等蛇毒等第二节第二节 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成蛋白质是一类含氮有机化合物蛋白质是一类含氮有机化合物 元元素素组组

5、成成大量元素大量元素辅助微量元素辅助微量元素碳（碳（C C） 50 %50 % 55 % 55 % 氢（氢（H H） 6 %6 % 8 %8 %氧（氧（O O） 19 % 19 % 24 %24 %氮（氮（N N） 13 % 13 % 19 % 19 % 平均平均16%16%硫（硫（S S） 0 % 0 % 4 %4 %磷磷(P)(P)、铁、铁(Fe)(Fe)、铜、铜(Cu)(Cu)、锌、锌(Zn)(Zn)、碘、碘( I )( I )蛋白质含量的测定蛋白质含量的测定凯氏定氮法凯氏定氮法依据：依据：u蛋白氮占生物组织所有含氮物质的绝大部分u大多数蛋白质含氮量接近于16%u蛋白质含量 = 样品中氮

6、的含量6.25凯氏定氮法：凯氏定氮法：该法是测定化合物或混合物中总氮量的一种方法。该法是测定化合物或混合物中总氮量的一种方法。即在有催化剂的条件下，用浓硫酸消化样品将有机氮都转变成无机即在有催化剂的条件下，用浓硫酸消化样品将有机氮都转变成无机铵盐，然后在碱性条件下将铵盐转化为氨，随水蒸气蒸馏出来并为过铵盐，然后在碱性条件下将铵盐转化为氨，随水蒸气蒸馏出来并为过量的硼酸液吸收，再以标准盐酸滴定，就可计算出样品中的氮量。量的硼酸液吸收，再以标准盐酸滴定，就可计算出样品中的氮量。由于蛋白质含氮量比较恒定，可由其氮量计算蛋白质含量，由于蛋白质含氮量比较恒定，可由其氮量计算蛋白质含量，故此法故此法是经典

7、的蛋白质定量方法是经典的蛋白质定量方法。蛋白质含量的骗局蛋白质含量的骗局 三聚氰胺事件三聚氰胺事件三聚氰胺三聚氰胺尿素尿素u 含氮量含氮量46.6%46.6%u 溶解在水中会发出刺鼻的氨味，容易被觉察溶解在水中会发出刺鼻的氨味，容易被觉察u 用一种简单的检测方法（格里斯试剂法）就用一种简单的检测方法（格里斯试剂法）就可以查出牛奶中是否加了尿素可以查出牛奶中是否加了尿素u 含氮量高达含氮量高达66.6%66.6%u 白色无味白色无味u 没有简单的检测方法没有简单的检测方法第三节第三节 蛋白质的基本结构单位蛋白质的基本结构单位氨基酸氨基酸P6-氨基酸(amino acid)的结构通式什么是什么是-

8、氨基酸氨基酸?与羧基相邻的与羧基相邻的-碳原子上连有一个氨基，碳原子上连有一个氨基，称为称为-氨基酸氨基酸n-C-C-C(NH2)-COOH -氨基酸 n-C-C(NH2)-C-COOH -氨基酸 n-C(NH2)-C-C-COOH -氨基酸 n-C-C-C-COOH 构成蛋白质的构成蛋白质的20种常见氨基酸都是种常见氨基酸都是-氨基酸氨基酸20种常见的蛋白质氨基酸种常见的蛋白质氨基酸中文名英文名三字母缩写单字母缩写中文名英文名三字母缩写单字母缩写丙氨酸AlanineAlaA甲硫氨酸Methionine MetM半胱氨酸CysteineCysC天冬酰胺Asparagine AsnN天冬氨酸As

9、partic acidAspD脯氨酸ProlineProP谷氨酸Glutamic acidGluE谷氨酰胺GlutamineGlnQ苯丙氨酸PhenylalaninePheF精氨酸ArginineArgR甘氨酸GlycineGlyG丝氨酸SerineSerS组氨酸HistidineHisH苏氨酸ThreonineThrT异亮氨酸IsoleucineIleI缬氨酸ValineValV赖氨酸LysineLysK色氨酸Tryptophan TrpW亮氨酸LeucineLeuL酪氨酸TyrosineTyrYP8氨基酸的分类（氨基酸的分类（1）蛋白质氨基酸：蛋白质氨基酸：u能够参入蛋白质分子内，成为蛋白

10、质分子的组成原件u2020种常见种常见 + 2种不常见（硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸）=22种非蛋白质氨基酸：非蛋白质氨基酸：u不能参入蛋白质分子内，具有特殊的生理功能，或作为代谢中间物和物质合成的前体物质u150多种，主要是蛋白质中-氨基酸衍生物，少量是-，-和-氨基酸u举例：4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸、甲酰甲硫氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸、 -丙氨酸等功功能能区区分分非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸（6种）种）R基团的化学基团的化学结构结构pH为为7时氨基时氨基酸的带点状况酸的带点状况不带电荷的极性氨基酸不带电荷的极性氨基酸（6种）种）芳香族氨基酸芳香族氨基酸（3种）种）带电荷的极性氨基酸带电荷的

11、极性氨基酸（5种）种）极性氨基酸极性氨基酸（11种）种）氨基酸的分类（氨基酸的分类（2）P8甘氨酸(Gly, G)丙氨酸(Ala, A)脯氨酸(Pro, P)缬氨酸(Val, V)亮氨酸(Leu, L)异亮氨酸(Ile, I)6 6种非极性脂肪族氨基酸的结构式种非极性脂肪族氨基酸的结构式H+赖氨酸(Lys, L)精氨酸(Arg, R)组氨酸(His, H)谷氨酸(Glu, E)天冬氨酸(Asp, D)带正电极性氨基酸带正电极性氨基酸（碱性氨基酸碱性氨基酸）带负电极性氨基酸带负电极性氨基酸（酸性氨基酸酸性氨基酸）5 5种带电荷的极性氨基酸的结构式种带电荷的极性氨基酸的结构式丝氨酸(Ser, S)

12、苏氨酸(Thr, T)天冬酰胺(Asn, N)谷氨酰胺(Gln, Q)甲硫氨酸(Met, M)半胱氨酸(Cys, C)6 6种不带电荷的极性氨基酸的结构式种不带电荷的极性氨基酸的结构式2种含硫氨基酸种含硫氨基酸两分子带有两分子带有巯基巯基的的半胱氨酸半胱氨酸，反应后产生带有，反应后产生带有二硫键二硫键的的胱氨酸胱氨酸苯丙氨酸(Phe, F)酪氨酸(Tyr, Y)色氨酸(Trp, W)3 3种芳香族氨基酸的结构式种芳香族氨基酸的结构式R基团对水分基团对水分子的亲和性子的亲和性亲水氨基酸：亲水氨基酸：（11种）种）疏水氨基酸（疏水氨基酸（9种）种）一般来讲，极性氨基酸大部分都是亲水一般来讲，极性氨

13、基酸大部分都是亲水氨基酸，但甲硫氨酸是极性氨基酸而不氨基酸，但甲硫氨酸是极性氨基酸而不是亲水氨基酸是亲水氨基酸氨基酸的分类（氨基酸的分类（3）上述11种极性氨基酸 - 甲硫氨酸 + 酪氨酸甲硫氨酸(Met, M)苯丙氨酸(Phe, F)酪氨酸(Tyr, Y)色氨酸(Trp, W)氨基酸的分类（氨基酸的分类（4）人体是否能合成人体是否能合成人体必需氨基酸：人体必需氨基酸：（8种）种）人体非必需氨基酸：人体非必需氨基酸：（12种）种）甲硫氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸辅助记忆：甲来携一本亮色书辅助记忆：甲来携一本亮色书 （甲赖缬异苯亮色苏甲赖缬异苯亮色苏）通过体内

14、的生化反应可以合成人体不能合成，只能通过食物获取人体不能合成，只能通过食物获取氨基酸的重要理化性质氨基酸的重要理化性质1、缩合反应、缩合反应P9一个氨基酸的一个氨基酸的羧基羧基和另外一个氨基酸的和另外一个氨基酸的氨基氨基发生缩合反应，发生缩合反应，形成形成酰胺键（肽键）酰胺键（肽键）。该反应是蛋白质或者多肽合成的分子基础。该反应是蛋白质或者多肽合成的分子基础2、旋光性（手性）、旋光性（手性）手性碳（不对称碳原子）手性碳（不对称碳原子）：将连有四个不同基团的碳原子形象地称为手性碳原子将连有四个不同基团的碳原子形象地称为手性碳原子以甘油醛的结构为比较标准，并根据费歇尔投影式中最下面一个不对称碳原子

15、的构型决定。若有机物的该手性碳原子与D-甘油醛相同，羟基位于右端，则标记为D-型；若与L-甘油醛相同，羟基位于左端，则标记为L-型D-甘油醛甘油醛L-甘油醛甘油醛旋光性（手性）旋光性（手性）：含有不对称碳原子的物质具有旋光性，并有立体异构体含有不对称碳原子的物质具有旋光性，并有立体异构体氨基酸的旋光性（手性）氨基酸的旋光性（手性）u除甘氨酸外，其余氨基酸的除甘氨酸外，其余氨基酸的碳原子都是不对称碳原子碳原子都是不对称碳原子，因此都具有手性，因此都具有手性u蛋白质中所含的氨基酸都是蛋白质中所含的氨基酸都是L型氨基酸型氨基酸CHOHCOHCH2OHCHOHOCHCH2OHCOOHHCNH2RCOO

16、HH2NCHRD型型L型型甘甘油油醛醛氨氨基基酸酸3、氨基酸的等电点、氨基酸的等电点氨基酸是一类两性电解质，在水溶液中以兼性离子的形式存在氨基酸是一类两性电解质，在水溶液中以兼性离子的形式存在在强酸性溶液中，带正电在强酸性溶液中，带正电H3NCHCOO- H+R+在强碱性溶液中，带负电在强碱性溶液中，带负电H2NCHCOO-RH+ H+ H+OH- OH- OH-H3NCHCOOHR+H3NCHCOO-R+H2NCHCOO-R（pH = pI）（pHpI）（pHpI）氨基酸的等电点（氨基酸的等电点（Isoelectric point, pI）当氨基酸的净电荷为零时的溶液当氨基酸的净电荷为零时的

17、溶液pH值值 （注意：净电荷应考虑（注意：净电荷应考虑R基团的电荷情况）基团的电荷情况）氨基酸在氨基酸在pH=pI的溶液中溶解度最低，容易发生沉淀的溶液中溶解度最低，容易发生沉淀在在pH=pI时，氨基酸在电场中既不向正极也不向负极时，氨基酸在电场中既不向正极也不向负极移动，即处于两性离子状态移动，即处于两性离子状态氨基酸的等电点的计算氨基酸的等电点的计算l HA H HA H+ + + A + A- -l K K平衡平衡= H= H+ + * * A A- -/HA/HAl pK pK平衡平衡 = pH - lgA= pH - lgA- -/HA/HAl pH = pK pH = pK平衡平衡

18、 + lgA+ lgA- -/HA /HA 根据根据Handerson-Hasselbalch方程方程：当氨基酸处于等电点时当氨基酸处于等电点时 pH=pI，lpH = pK1 + lg R0 / R+lpH = pK2 + lg R- / R0l2 pI = pK1 + pK2 侧链不能解离的氨基酸等电点计算：侧链不能解离的氨基酸等电点计算：pI = (pK1 + pK2 )/2 氨基酸的等电点的计算氨基酸的等电点的计算 R+ R0R- -H+ -H+ k1k2侧链不能解离的氨侧链不能解离的氨基酸等电点计算举基酸等电点计算举例：例：甘氨酸甘氨酸PI=(pK1 + pK2 )/2 =5.97

19、对于侧链可解离的氨基酸对于侧链可解离的氨基酸，pI值取决于兼性离子两值取决于兼性离子两边边pK值的算术平均值值的算术平均值 酸性氨基酸：酸性氨基酸：pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 碱性氨基酸：碱性氨基酸：pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2 谷氨酸的解离谷氨酸的解离组氨酸的解离组氨酸的解离侧链可解离的氨基酸等电点计算举例：侧链可解离的氨基酸等电点计算举例：谷氨酸，谷氨酸，PI=(pK1 + pKR )/2 =3.22 组氨酸，组氨酸，PI=(pK2 + pKR )/2 =7.59记忆诀窍：氨基酸处于电荷为零时的环境记忆诀窍：氨基酸处于电荷为零时的环境pHpH4、氨基

20、酸的、氨基酸的-氨基和氨基和-羧基参与的化学反应羧基参与的化学反应（1） -氨基与甲醛的反应氨基与甲醛的反应氨基酸的甲醛滴定氨基酸的甲醛滴定不加甲醛不加甲醛加入甲醛加入甲醛甲醛与甲醛与- NH2很快反应，生成羟甲基衍生物很快反应，生成羟甲基衍生物COO-CH2HNCH2OHCOO-CH2N(CH2OH)2HCHOCOO-CH2 NH2HCHO 若直接滴定，终点若直接滴定，终点pHpH高达高达1212，没有适当指示剂，没有适当指示剂；若与甲醛反应，滴定终点在；若与甲醛反应，滴定终点在9 9左右，可用酚左右，可用酚酞作指示剂。酞作指示剂。 简单快速，与简单快速，与- NH- NH2 2专一性反应，

21、释放一个专一性反应，释放一个氢离子（摩尔比氢离子（摩尔比1 1：1 1），可以精确定量氨基酸），可以精确定量氨基酸的含量的含量（2） -氨基与氨基与2, 4二硝基氟苯（二硝基氟苯（DNFB）的反应）的反应Sanger反应反应NO2FO2N+ H2NCHCOOHRNO2O2NHNCHCOOHR+ HF弱碱性弱碱性DNP- -氨基酸氨基酸 （黄色）（黄色）DNFB该反应首先被英国的该反应首先被英国的Sanger用来鉴定多肽用来鉴定多肽或蛋白质的或蛋白质的N末端氨末端氨基酸基酸，所以该反应又，所以该反应又叫叫Sanger反应反应反应产物反应产物DNP-氨基酸氨基酸容易被分离和鉴定容易被分离和鉴定（3

22、） -氨基与氨基与苯异硫氰酸酯苯异硫氰酸酯（PITC）的反应）的反应Edman反应反应 为- NH2的烃基化反应，由Edman于1950年首先提出用于N末端氨基酸的分析，又称Edman降解法（反应）NCSNHCHCOR2NCHCOR1HHNHS:CCHCOR1HNNHCHCOR2SNHCNHOCR1CHNH2CHCOR2NCOCHNHSCR1苯乙内酰硫脲衍生物（PTH氨基酸）苯氨基硫甲酰衍生物（PTC肽）此法的特点是能够不断重复循环此法的特点是能够不断重复循环，将肽链，将肽链N-N-端氨基酸残基逐一进端氨基酸残基逐一进行标记和解离行标记和解离（4） -氨基、氨基、 -羧基与茚三酮的反应羧基与茚

23、三酮的反应所有氨基酸及具有游离所有氨基酸及具有游离-氨基和氨基和-羧基的肽与茚三酮反应都产生蓝紫色羧基的肽与茚三酮反应都产生蓝紫色物质，只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生（亮）黄色物质物质，只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生（亮）黄色物质该反应非常灵敏，可在该反应非常灵敏，可在570nm测定吸光值，测定范围：测定吸光值，测定范围：0.550g/ml 。可。可用于氨基酸的定量分析用于氨基酸的定量分析570 nm处有处有最大吸收峰最大吸收峰5、氨基酸的光吸收、氨基酸的光吸收Trp 279nmTrp 279nmTyr 278nmTyr 278nmPhe 259nmPhe 259nm因此，可用在2

24、80nm下的紫外吸收来测定蛋白质的含量在近紫外区 (220300nm) 三种芳香族氨基酸均有特征光吸收峰第四节第四节 肽（肽（peptide）肽键肽键：一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成的酰胺键；肽肽：由多个氨基酸通过肽键连接而形成的化合物；组成多肽的氨基酸单元，因缩合时失去了一分子水，称为氨基酸残基；氨基酸残基；由多少个氨基酸缩合而成的肽就称几肽。如由三个氨基酸形成的肽就叫三肽。&l在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序l通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-N-端端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-C-端端；

25、l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 肽的大小肽的大小 一般情况下，少于10个氨基酸残基的肽称为寡肽寡肽； 超过10个氨基酸残基的肽统称为多肽多肽； 多肽和蛋白质没有严格界限，通常，40个氨基酸残基以上的多肽就叫蛋白质蛋白质肽也是两性电解质肽也是两性电解质 肽链两端的游离氨基和羧基 以及 肽链内部某些氨基酸残基的侧链构成了多肽的可解离基团； 由于静电作用力减弱，多肽末端游离氨基和羧基的电离比氨基酸要困难些； 等电点的计算，与氨基酸一样，为两性离子两边的pK值的算术平均值； 滴定曲线随着可电离基

26、团的增加而变得复杂。常见的天然活性肽常见的天然活性肽 在生物体内，存在许多分子量比较小的游离多肽，这些多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽活性肽。 举例：谷胱甘肽、脑啡肽（镇痛作用）、激素类多肽、抗生素类多肽、蛇毒多肽等。鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱鬼笔鹅膏鬼笔鹅膏鹅膏蕈碱（环状八肽结构）对动物的致死作用鹅膏蕈碱（环状八肽结构）对动物的致死作用在真核细胞核内抑制在真核细胞核内抑制mRNAmRNA链合成的起始和延长链合成的起始和延长1. 抗氧化作用和整合解毒作用，保护蛋白质和酶分子处于活性状态；抗氧化作用和整合解毒作用，保护蛋白质和酶分子处于活性状态；2. 易与某些药物（如扑热息痛）、毒素（如自由基、

27、碘乙酸、芥子气、重易与某些药物（如扑热息痛）、毒素（如自由基、碘乙酸、芥子气、重金属）等结合，而具有整合解毒作用。金属）等结合，而具有整合解毒作用。加压素加压素 （九肽）（九肽） 能增加肾脏集合管对水分的再吸收，使尿量明显减少，发挥抗利尿作用，可用于治疗尿崩症； 加压素还能收缩血管（特别是毛细血管和小动脉），在肺出血时可用来收缩小动脉止血； 还有升高血压和兴奋胃肠道平滑肌的作用催产素催产素 （九肽）（九肽） 刺激子宫收缩，有助于分娩； 使乳腺腺泡周围的肌上皮细胞收缩，促进排乳牛催产素牛催产素牛加压素牛加压素 +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO- +H3N-Tyr-Gly-

28、Gly-Phe-Leu-COO- Met-脑啡肽脑啡肽 （五肽）（五肽） Leu-脑啡肽脑啡肽 （五肽）（五肽）l 有两种天然脑啡肽存在于脑、脊髓和肠，两者的区别仅在于C-端分别是亮氨酸和甲硫氨酸l 神经递质的一种。能改变神经元对经典神经递质的反应，起修饰经典神经递质的作用，故称为神经调质，又被称为“脑内吗啡”。l 糖基化脑啡肽并不会造成吗啡使用后的欣快感和成瘾，但是它的镇痛效果却是吗啡的两到三倍第五节第五节 蛋白质的结构蛋白质的结构P11蛋白质最多具有四个结构层次：即一级结构、二级结构、三级结构和四级结构并非所有的蛋白质都具有三级结构或四级结构蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(Primary structure)，也叫蛋白质的化学结构，也叫蛋白质的化学结构，是指蛋白质的共价键连接的全部情况。包括：是指蛋白质的共价键连接的全部情况。包括：(1) 组成蛋白质的多肽链数目。(2) 多肽链的氨基酸顺序。(3) 多肽链内或链间二硫键的数目和位置。牛