第一章 蛋白质化学

1、本章主要内容本章主要内容4 蛋白质蛋白质功能概述功能概述4 蛋白质的蛋白质的分子组成分子组成4 蛋白质的蛋白质的分子分子结构结构4 蛋白质的理化性质和分蛋白质的理化性质和分类类 第一节第一节 蛋白质蛋白质功能概述功能概述 F 生物催化作用：生物催化作用： 酶酶F 运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白F 调节作用：如胰岛素、生长激素调节作用：如胰岛素、生长激素F 运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白F 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子F 营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白F 结构蛋白：如胶原蛋白

2、、角蛋白结构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白F 能量转换蛋白：如细胞色素能量转换蛋白：如细胞色素F 基因调节蛋白：如阻遏蛋白基因调节蛋白：如阻遏蛋白 蛋白质在机体内的生物学功能蛋白质在机体内的生物学功能第二节第二节 蛋白质的蛋白质的分子分子组成组成一、蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成 所有蛋白质均含有所有蛋白质均含有 ： C 50%-55% H 6%-8% O 20%-23% N 15%-17%某些蛋白质含有：某些蛋白质含有： S 0.3%-2.5% 以及以及P少数蛋白质含有：少数蛋白质含有：Fe, Cu，Zn，Mo和和I等元素等元素蛋白质中蛋白质中N的平均含量约的平均含量约16%，因此食物与饲料中蛋

3、白质的含，因此食物与饲料中蛋白质的含量可以通过凯氏定量可以通过凯氏定N（Kjeldahl法）进行大致估计。法）进行大致估计。二、二、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 1 1 氨基酸的基本结构和构型氨基酸的基本结构和构型 存在于自然界的氨基酸有存在于自然界的氨基酸有300种。动物机体的蛋白质经强酸水解种。动物机体的蛋白质经强酸水解之后可以得到之后可以得到20种氨基酸，并且均为种氨基酸，并且均为L-氨基酸（除了甘氨酸），含氨基酸（除了甘氨酸），含不对称的不对称的-碳原子。它们之间的差别在于有不同的侧链基团碳原子。它们之间的差别在于有不同的侧链基团 R。NH2CCOOHRH氨基酸

4、的结构通式氨基酸的结构通式CCOOCH2OHHH3NCCOHCH2OHHHOCCOOCH2OHHNH3CCOHCH2OHHOH镜面L-丝氨酸 D-丝氨酸L-甘油醛 D-甘油醛镜面氨基酸与甘油醛的构型氨基酸与甘油醛的构型2 2 氨基酸的分类氨基酸的分类 在中性在中性pH条件下条件下按其按其R侧链极性和所带电荷的不同，分为四大类侧链极性和所带电荷的不同，分为四大类, 不带电荷极性氨基酸不带电荷极性氨基酸 ：Gly, Ser, Thr, Cys,Thr,Asn,Gln 带负电荷极性氨基酸带负电荷极性氨基酸 ： Asp, Glu 带正电荷极性氨基酸带正电荷极性氨基酸 ： His, Arg, Lys 非

5、极性氨基酸：非极性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Trp, Met 含非极性侧链基团含非极性侧链基团含极性侧链基团含极性侧链基团Ser, S Thr, T Cys, CPro, P Asn, N Gln, QGly, G Ala, A Val, VLeu, L Met, M Ile, I含芳香基团含芳香基团 含碱性侧链基团（带正电荷）含碱性侧链基团（带正电荷） Phe, F; Tyr, Y; Trp, WLys, K; Arg, R; His, H含酸性侧链基团（带负电荷）含酸性侧链基团（带负电荷） Asp, D; Glu, E3 3 氨基酸的主要理化性质氨

6、基酸的主要理化性质 各种氨基酸在可见区都没有各种氨基酸在可见区都没有光吸收。光吸收。 在紫外光区在紫外光区芳香族氨基酸在芳香族氨基酸在280nm处有最大吸收峰处有最大吸收峰（色氨（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收波长分别为吸收波长分别为279、278、259nm ） 光吸收特性光吸收特性 氨基酸的两性解离氨基酸的两性解离 实验证明，氨基酸在水溶液中或晶体状态时主要是以两性离子的实验证明，氨基酸在水溶液中或晶体状态时主要是以两性离子的形式存在，在同一氨基酸分子上既有能放出质子的形式存在，在同一氨基酸分子上既有能放出质子的-NH3+正离子，又有正离子，又有能接受质子的能

7、接受质子的-COO-负离子。负离子。 氨基酸的等电点氨基酸的等电点 对某一种氨基酸而言，当溶液在某一个特定的对某一种氨基酸而言，当溶液在某一个特定的pHpH，氨基酸以，氨基酸以两性离子的形式存在，并且其所带的正电荷数与负电荷数相等，两性离子的形式存在，并且其所带的正电荷数与负电荷数相等，即净电荷为零。在直流电场中，它既不向正极，也不向负极移动。即净电荷为零。在直流电场中，它既不向正极，也不向负极移动。此时溶液的此时溶液的pHpH称为这种氨基酸的等电点（称为这种氨基酸的等电点（pIpI）。）。 由于静电作用，在等电点时，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀，由于静电作用，在等电点时，氨基酸的溶解度最小，

8、容易沉淀，因而利用调节等电点的方法，可以制备某些氨基酸。因而利用调节等电点的方法，可以制备某些氨基酸。 氨基酸的氨基酸的化学反应化学反应 氨基酸能与某些化学试剂发生反应，如氨基酸能与某些化学试剂发生反应，如-氨基酸与水合茚三氨基酸与水合茚三酮溶液一起加热，生成蓝紫色物质，此反应非常灵敏，可定量和酮溶液一起加热，生成蓝紫色物质，此反应非常灵敏，可定量和定性测定氨基酸定性测定氨基酸。三、肽三、肽1 肽键（肽键（peptide bond）和肽（）和肽（peptide ） 肽键：指蛋白质分子中，由一个氨基酸的肽键：指蛋白质分子中，由一个氨基酸的-COOH和另一个氨基酸的和另一个氨基酸的-NH2之间脱水

9、缩合而成的酰胺键，它是蛋白质结构中的主要共价键。之间脱水缩合而成的酰胺键，它是蛋白质结构中的主要共价键。由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）2 多肽（多肽（polypeptide）和多肽链（）和多肽链（polypeptide chain） 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序列，多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸序列，多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基氨基酸残基(amino acid residue) 上图为：上图为： 丝氨酰丝氨酰-甘氨酰甘氨酰-酪氨酰酪

10、氨酰-丙氨酰丙氨酰-异亮氨酸异亮氨酸（N-端）端）（C-端）端）一、一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 一级结构一级结构（primary structure）：即蛋白质的化学结构，是指多肽链）：即蛋白质的化学结构，是指多肽链上各种氨基酸残基的种类和排列顺序，也包括二硫键的数目。上各种氨基酸残基的种类和排列顺序，也包括二硫键的数目。 第三节第三节 蛋白质的蛋白质的分子结构分子结构 1.主链主链 在多肽链的分子结构中，肽键与在多肽链的分子结构中，肽键与-碳原子形成多肽链碳原子形成多肽链的骨架，称为主链。的骨架，称为主链。 2.侧链侧链 在多肽链的分子结构中，氨基酸的在多肽链的分子结构中，氨基酸的

11、R基团则称为基团则称为R侧侧链。链。 3.氨基末端氨基末端 蛋白质多肽链末端有自由氨基的末端叫氨基末端蛋白质多肽链末端有自由氨基的末端叫氨基末端或或N-端，书写时通常写在左边。端，书写时通常写在左边。 4.羧基末端羧基末端 蛋白质多肽链末端有自由羧基的末端叫羧基末端蛋白质多肽链末端有自由羧基的末端叫羧基末端或或C-端，书写时通常写在右边。端，书写时通常写在右边。 维持蛋白质一级结构的化学键是肽键。有些蛋白质分子中还含维持蛋白质一级结构的化学键是肽键。有些蛋白质分子中还含有二硫键。有二硫键。Gly Ile Val Glu Gln Cys Cys Ala Ser Val Cys Ser Leu T

12、yr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys AsnPheVal Asn Gln His Leu Cys Gly Ser His Leu Val Glu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly Glu Arg Gly Phe Phe Tyr Thr Pro Lys AlaSSSSSS510152151015202530AB 牛胰岛素牛胰岛素一级结构由一级结构由51个氨基酸残基组成，分为个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。两条链。A链是由链是由21个氨基酸残基组成的个氨基酸残基组成的21肽，肽，B链是由链是由30个氨基酸残基组成的三个氨基酸残基组成的三十肽。十肽。A、B两

13、条链之间通过两个二硫键联结在一起，两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链中另有一个链链中另有一个链内二硫键。一般二硫键的数目越多，蛋白质结构的稳定性也越强，生物内二硫键。一般二硫键的数目越多，蛋白质结构的稳定性也越强，生物体内起着保护作用的皮、角、毛、发的蛋白质中二硫键最多。体内起着保护作用的皮、角、毛、发的蛋白质中二硫键最多。二、二、蛋白质的蛋白质的空间空间结构结构 指一条或数条多肽链上所有原子和基团在三维空间上的排布，指一条或数条多肽链上所有原子和基团在三维空间上的排布，即构象即构象（conformation）或空间结构。或空间结构。 构象构象由单键旋转产生的各种立体结构，而由单键旋转产

14、生的各种立体结构，而构型构型（configuration ）是通过改变共价键形成的结构。是通过改变共价键形成的结构。 蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构有有明显的结构层次。明显的结构层次。 一级结构是空间结构的基础。一级结构是空间结构的基础。 蛋白质结构层次蛋白质结构层次 蛋白质结构极其复杂，但具有明显的结构层次蛋白质结构极其复杂，但具有明显的结构层次一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序）一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序）二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构）二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构）三级结构（多肽链上所有原子和基团的空间排布）三级结构（多肽链上所有原子和基团的空间排布）四级结构

15、（由球状亚基或分子缔合而成的集合体）四级结构（由球状亚基或分子缔合而成的集合体） （一）（一） 二级结构二级结构 二级结构二级结构（secondary structure）：指多肽链主链在一级结构的基础上）：指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。 二级结构主要形式二级结构主要形式：-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、无规卷曲转角、无规卷曲 肽平面（肽平面（peptide plane）：）：肽链主链的肽键肽链主链的肽键C-N具有双键的性质，具有双键的性质， 因因而不能自由的旋转，使

16、连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。 6 -螺旋（螺旋（ -helix） 多肽链的主链围绕一个中心多肽链的主链围绕一个中心轴螺旋上升，上升一圈包含轴螺旋上升，上升一圈包含3.63.6个个氨基酸残基，螺距氨基酸残基，螺距0.54nm0.54nm，每个氨，每个氨基酸残基上升基酸残基上升0.15nm0.15nm，每个氨基酸，每个氨基酸残基旋转残基旋转100100。 R R侧链在侧链在-螺旋的外侧。螺旋的外侧。 氢键是维系氢键是维系-螺旋的主要螺旋的主要作用力。作用力

17、。 天然蛋白质中的天然蛋白质中的-螺旋大螺旋大多数是右手螺旋。多数是右手螺旋。6 -折叠（折叠（ -sheet）平平行行结结构构反反平平行行结结构构存在于丝心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比较伸展的构象。主链之间存在于丝心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比较伸展的构象。主链之间形成形成H H键，侧链基团键，侧链基团R R交替地位于片层的上、下。交替地位于片层的上、下。6 -转角（转角（ -turn）肽链肽链1800的回折的回折6 无规卷曲（无规卷曲（random coil）两种主要类型的两种主要类型的-转角转角 指蛋白质的肽链中没有确指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构定规律性的那部

18、分肽段构象。象。 （二）（二） 三级结构三级结构 三级结构三级结构（tertiary structure）：指一条多肽链在二级结构的基础）：指一条多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构, 或者说三级结构是指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。或者说三级结构是指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。 肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构三级结构的稳定主要靠非三级结构的稳定主要靠非共价相互作用共价相互作用氨基酸亲水的基团倾向于氨基酸亲水的基团倾向于分布在分子的表面，疏水分布在分子的表面，疏水的基团

19、在分子的内部。的基团在分子的内部。 （三）（三） 四级结构四级结构 四级结构四级结构（quaternary structure）：多个具有三级结构的多肽链）：多个具有三级结构的多肽链（称（称亚基亚基，Subunit）的聚合。或者说四级结构指亚基的种类、数）的聚合。或者说四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。 血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 四级结构的稳定主要靠是疏水作四级结构的稳定主要靠是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德用力，另外还有离子键、氢键、范德华引力等华引力等 。 血红蛋白由血

20、红蛋白由4 4个亚基组成（个亚基组成（22），每个亚基都与肌红蛋白非常相似。每个亚基都与肌红蛋白非常相似。（1 1）非共价键）非共价键 氢键氢键 离子键离子键 范德瓦尔力范德瓦尔力 疏水作用疏水作用（2 2） S-SS-S键键 维持蛋白质空间结构中重要的化学键维持蛋白质空间结构中重要的化学键三、三、蛋白蛋白质质结构与功能的关系结构与功能的关系 1 1 一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系 F 氨基酸组成变化改变其功能氨基酸组成变化改变其功能 Cys Tyr Ile Gln Asn Cys Pro Leu GlyCys Tyr Phe Gln Asn Cys Pro Arg GlySSSS牛

21、催产素牛加压素F 一级结构改变引起分子病一级结构改变引起分子病 基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病（分子病（molecular disease）。 最早从分子水平证最早从分子水平证明的先天性遗传病明的先天性遗传病镰刀形红细胞贫血症镰刀形红细胞贫血症( (sickle-cell anemia) )。镰刀形红细胞镰刀形红细胞正常血细胞正常血细胞hemoglobin 6: GAA(Glu) - GTA(Val) 疯牛病病牛的海绵样脑组织疯牛病病牛的海

22、绵样脑组织疯牛病疯牛病(BSE)可可能是由于朊蛋白能是由于朊蛋白（Pron protein，PrP）的错误折叠引起的错误折叠引起的的2 2 空间空间结构与功能的关系结构与功能的关系 蛋白质的空间结构决定蛋白质的功能，空间结构发生变化，其功蛋白质的空间结构决定蛋白质的功能，空间结构发生变化，其功能也随之改变，蛋白质的结构与功能是高度统一的。能也随之改变，蛋白质的结构与功能是高度统一的。 第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质和分类和分类 一、一、蛋白质的蛋白质的两性解离和等电点两性解离和等电点 蛋白质分子既含有氨基等碱性基团，又含有羧基等酸性基团，所蛋白质分子既含有氨基等碱性基团，又含有

23、羧基等酸性基团，所以蛋白质是两性电解质。以蛋白质是两性电解质。 调节蛋白质水溶液的调节蛋白质水溶液的pHpH，使蛋白质以两性离子的形式存在，所带，使蛋白质以两性离子的形式存在，所带净电荷为零，这时溶液的净电荷为零，这时溶液的pHpH叫做该蛋白质的等电点（用叫做该蛋白质的等电点（用pIpI表示）。表示）。 在等电点时，蛋白质的溶解度最小，极易借静电引力而结合成沉在等电点时，蛋白质的溶解度最小，极易借静电引力而结合成沉淀析出。淀析出。二、二、蛋白质的蛋白质的胶体性质胶体性质 三、三、蛋白质的蛋白质的沉淀沉淀 蛋白质蛋白质胶体溶液是比较稳定的，原因有两个：一是球状大分子表面的水胶体溶液是比较稳定的，

24、原因有两个：一是球状大分子表面的水膜将各个大分子分隔开来；二是各个球状大分子带有相同的电荷，由于同性膜将各个大分子分隔开来；二是各个球状大分子带有相同的电荷，由于同性电荷的相互排斥，使大分子不能互相合成较大的颗粒。电荷的相互排斥，使大分子不能互相合成较大的颗粒。 如果在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏了蛋白质的水膜或中和了蛋如果在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏了蛋白质的水膜或中和了蛋白质的电荷，则蛋白质就会凝聚下沉，这种现象叫做蛋白质的沉淀。白质的电荷，则蛋白质就会凝聚下沉，这种现象叫做蛋白质的沉淀。 盐析盐析：在蛋白质溶液中加大量中性盐使蛋白质沉淀的方法在蛋白质溶液中加大量中性盐使蛋白质沉

25、淀的方法。 重金属盐沉淀重金属盐沉淀：当溶液当溶液pHpH值大于等电点时，蛋白质电离成阴离子，可与值大于等电点时，蛋白质电离成阴离子，可与重金属离子结合，形成不溶性蛋白质盐沉淀。重金属离子结合，形成不溶性蛋白质盐沉淀。 生物碱试剂与某些酸沉淀生物碱试剂与某些酸沉淀：当溶液当溶液pHpH值小于等电点时，蛋白质电离成阳值小于等电点时，蛋白质电离成阳离子，可与生物碱试剂以及某些酸等结合，形成不溶性的蛋白盐沉淀离子，可与生物碱试剂以及某些酸等结合，形成不溶性的蛋白盐沉淀。 有机溶剂沉淀有机溶剂沉淀：可与水混溶的有机溶剂如乙醇、甲醇、丙酮等高浓度能可与水混溶的有机溶剂如乙醇、甲醇、丙酮等高浓度能使蛋白质

26、沉淀析出。使蛋白质沉淀析出。四、四、蛋白质的变性与复性蛋白质的变性与复性 变性变性（denaturation）是指一些理化因素，如热、光、机械力、）是指一些理化因素，如热、光、机械力、酸碱、有机溶剂、重金属离子、变性剂（如尿素等），破坏了维持酸碱、有机溶剂、重金属离子、变性剂（如尿素等），破坏了维持蛋白质空间构象的非共价作用力，使其空间结构发生改变，结果导蛋白质空间构象的非共价作用力，使其空间结构发生改变，结果导致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但蛋白质的致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但蛋白质的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。 变性有时是可逆的。消除变性的因素，有些蛋白质的生物活性可变性有时是可逆的。消除变性的因素，有些蛋白质的生物活性可能