生物化学课件：第三章 蛋白质化学

1、第三章第三章 蛋白质化学蛋白质化学蛋白质通论蛋白质通论 蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。本的结构物质和功能物质。 蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。生命活动过程。1.1. 元素组成元素组成 C 50% H 7% O 23% N 16% S 0-3% 蛋白质含量蛋白质含量= =蛋白氮蛋白氮6.25一、蛋白质的化学组成与分类一、蛋白质的化学组成与分类2.2.分类分类 按组分按组分 简单蛋白质，如核糖核酸酶，胰岛素，清蛋白等；简单蛋白质，如核糖核

2、酸酶，胰岛素，清蛋白等； 结合蛋白质，如血红蛋白，核蛋白，黄素蛋白等。结合蛋白质，如血红蛋白，核蛋白，黄素蛋白等。 按分子外形的对称程度可分为球状蛋白质和纤维状蛋按分子外形的对称程度可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。白质。3 蛋白质在生物体内的分布蛋白质在生物体内的分布 含量含量(干重干重) 微生物微生物 50-80% 人人 体体 45% 一般细胞一般细胞 50% 种类种类 大肠杆菌大肠杆菌 3000种种 人人 体体 10万种万种 生物界生物界 1010-1012二、蛋白质的大小与分子量二、蛋白质的大小与分子量第一节第一节 蛋白质的基本结构单位蛋白质的基本结构单位- -氨基酸氨基酸氨基酸是蛋白质

3、的基本结构单元。氨基酸是蛋白质的基本结构单元。组成人体蛋白质的氨基酸仅有组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属种，且均属L-氨基氨基酸（甘氨酸除外）。酸（甘氨酸除外）。1.- -氨基酸的一般结构氨基酸的一般结构 -氨基酸是一切蛋白质的组成单位。氨基酸是一切蛋白质的组成单位。 20种基本氨基酸除种基本氨基酸除Pro外，都是外，都是-氨基酸。氨基酸。 氨基酸有氨基酸有D-型及型及L-型型 氨基酸的氨基酸的D-型或型或L-型是以型是以L-甘油醛或甘油醛或L-乳酸为参考乳酸为参考的。的。CHOOHCH2OHHCHOCH2OHHOHD-甘油醛甘油醛L-甘油醛甘油醛COO-CH3HNH3D-丙氨酸丙氨酸

4、COO-CH3HH3N+L-丙氨酸丙氨酸2.20种基本氨基酸的结构与分类种基本氨基酸的结构与分类1 1、按、按R基团的化学结构分为脂肪族，芳香族和杂环族。基团的化学结构分为脂肪族，芳香族和杂环族。a. 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸b. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸c. 杂环氨基酸杂环氨基酸1.非极性非极性R基团氨基酸：基团氨基酸：8种种Ala，Val，Leu， Ile，Phe，Pro，Met，Trp2.极性不带电荷极性不带电荷R基团氨基酸：基团氨基酸：7种种Ser，Thr，Asn，Gln，Tyr，Cys，Gly3.pH 7时带负电荷时带负电荷R基团氨基酸：基团氨基酸：2种种Asp，Glu4.pH 7时

5、带正电荷时带正电荷R基团氨基酸：基团氨基酸：3种种Lys，Arg，His2、按、按R基极性分类基极性分类3.3. 氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质（一）物理性质（一）物理性质1.氨基酸的旋光性氨基酸的旋光性除除Gly外，外，19种氨基酸含有一个手性种氨基酸含有一个手性-碳原子，因碳原子，因此都具有旋光性。此都具有旋光性。2.氨基酸的光吸收氨基酸的光吸收 在近紫外区在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。吸收光的能力。 酪氨酸的酪氨酸的max275 nm，苯丙氨酸的，苯丙氨酸的max257 nm，色氨酸，色氨酸的的max280 n

6、m3.氨基酸都是白色晶体，熔点较高，氨基酸都是白色晶体，熔点较高，200以上。以上。4.除除Cys和和Tyr外，都溶于水，溶于酸、碱；不溶外，都溶于水，溶于酸、碱；不溶于乙醚。于乙醚。5.氨基酸一般有味。氨基酸一般有味。 1.氨基酸的兼性离子形式氨基酸的兼性离子形式 氨基酸的两个重要性质：氨基酸晶体的熔点高氨基酸的两个重要性质：氨基酸晶体的熔点高（200）；氨基酸使水的介电常数增高。）；氨基酸使水的介电常数增高。 H H3N-C-COO- R（二）氨基酸的两性性质和等电点（二）氨基酸的两性性质和等电点+2.氨基酸的两性解离氨基酸的两性解离在不同的在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化

7、。条件下，两性离子的状态也随之发生变化。COO-CHH3N+R-pK1+H+H+COOHCHH3N+RH+H+pK2-COO-CHH2NR（理解）（理解）pH=-lgH+=-lgK1=pK1pH=-lgH+=-lgK2=pK2 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点，用用pI表示。表示。侧链不含离解基团的中侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是性氨基酸，其等电点是它的它的pK1和和pK2的的算术平

8、均值：算术平均值：pI = (pK1 + pK2)/2 同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值值也决定于两性离子两边的也决定于两性离子两边的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 + pK R-COO- )/2 碱性氨基酸：碱性氨基酸： pI= (pK2 + pKR-NH2 )/2pI = (pK1 + pKR-COOH)/2pI = (pK2 + pK R-NH2 )/2小小 结结1.某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的pK值值和的一半。和的一半。2.

9、pHpI，氨基酸带净的负电荷，在电场中向阳极移动；，氨基酸带净的负电荷，在电场中向阳极移动；pH pI ，氨基酸带净的正电荷，在电场中向阴极移，氨基酸带净的正电荷，在电场中向阴极移动。动。3.在一定在一定pH范围中，溶液的范围中，溶液的pH离氨基酸等电点愈远，氨离氨基酸等电点愈远，氨基酸带净电荷愈多。基酸带净电荷愈多。 必需氨基酸必需氨基酸 Ile Met Val Leu Trp Phe Thr Lys记忆记忆 一一 家家 写写 两两 三三 本本 书书 来来婴儿期：婴儿期：Arg和和His供给不足，属半必须氨基酸。供给不足，属半必须氨基酸。第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 肽与肽

10、键的结构肽与肽键的结构 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。肽键肽键 肽的命名：规定从肽链的肽的命名：规定从肽链的NH2末端氨基酸残基开始，末端氨基酸残基开始，称某氨基酰某氨基酰称某氨基酰某氨基酰某氨基酸。某氨基酸。 例如五肽：例如五肽：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln的命名是：的命名是： 丝氨酰缬氨酰酪氨酰天冬氨酰谷氨酰氨酸丝氨酰缬氨酰酪氨酰天冬氨酰谷氨酰氨酸1.肽键是一种酰胺键，具有部分双键性质，不能自由肽键是一种酰胺键，具有部分双键性质，不能自

11、由旋转。旋转。 肽键的性质肽键的性质2.肽链中的酰胺基（肽链中的酰胺基（ CO NH ）称为肽基或肽）称为肽基或肽单位。组成肽基的单位。组成肽基的4个原子和个原子和2个相邻的个相邻的C原子倾原子倾向于共平面，形成所谓多肽主链的酰胺平面也称向于共平面，形成所谓多肽主链的酰胺平面也称肽平面或肽基平面。肽平面或肽基平面。3.肽单位中，肽单位中，C=O与与N-H或两个或两个碳原子呈反式排碳原子呈反式排布。布。二面角二面角(了解）了解） 绕绕C-N键轴旋转的二面角称为键轴旋转的二面角称为，绕，绕C-C键轴旋转的二面角称键轴旋转的二面角称为为。 当当C-N两侧的两侧的N-C和和C-C呈顺式时，规定呈顺式时

12、，规定=0及及 =0。 从从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的沿键轴方向观察，顺时针旋转的和和角为正值，逆时针为角为正值，逆时针为负值。理论上负值。理论上和和可取可取-180 +180 之间的任一值。之间的任一值。 天然存在的重要多肽天然存在的重要多肽 抗生素：短杆菌肽抗生素：短杆菌肽S、多粘菌素、多粘菌素E和放线菌素和放线菌素D 脑啡肽，谷胱甘肽，脑啡肽，谷胱甘肽， -鹅膏蕈碱等。鹅膏蕈碱等。（了解）（了解） 蛋白质分子的构象与结构层次蛋白质分子的构象与结构层次 天然蛋白质分子不是一条走向随机的松散肽链，每种天然蛋白质分子不是一条走向随机的松散肽链，每种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，这种空间

13、结构天然蛋白质都有自己特有的空间结构，这种空间结构称为蛋白质的构象。称为蛋白质的构象。 蛋白质结构的不同组织层次：一级结构，二级结构，蛋白质结构的不同组织层次：一级结构，二级结构，三级结构和四级结构。三级结构和四级结构。1.蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸的蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置。排列顺序，包括二硫键的位置。 构型（构型（configuration）：指在立体异构体中取代原子）：指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。两种构型间的转变需要共价或基团在空间的取向。两种构型间的转变需要共价键的断裂和重组。键的断

14、裂和重组。蛋白质的构象与构型蛋白质的构象与构型CHOOHCH2OHHCHOCH2OHHOHD-甘油醛甘油醛L-甘油醛甘油醛COO-CH3HNH3D-丙氨酸丙氨酸COO-CH3HH3N+L-丙氨酸丙氨酸 构象构象（conformation）:指取代原子或基团当单键指取代原子或基团当单键旋转时可能形成的不同立体结构。这种空间位置的旋转时可能形成的不同立体结构。这种空间位置的改变不涉及共价键的断裂。改变不涉及共价键的断裂。2.2.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸

15、该段肽链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。残基侧链的构象。 主要有主要有-螺旋螺旋、-折叠、折叠、 -转角、无规则卷曲。转角、无规则卷曲。 氢键氢键是稳定二级结构的主要作用力。是稳定二级结构的主要作用力。 螺距为螺距为0.54nm,含含3.6个氨基酸个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距残基；两个氨基酸之间的距离为离为0.15nm; 天然天然蛋白质中的蛋白质中的 -螺旋几乎螺旋几乎都是右手螺旋。都是右手螺旋。 -螺旋（螺旋（ -helix）(了解了解)-折叠折叠（反向平行）（反向平行）（同向平行）（同向平行）小结小结1.1. 多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；多肽链充分伸展，肽

16、平面折叠成锯齿状；2.2. 侧链交错位于锯齿状结构的上下方；侧链交错位于锯齿状结构的上下方；3.3. 氢键维系；氢键维系；4.4. 可有顺平行片层和反平行片层结构。可有顺平行片层和反平行片层结构。 -转角转角(-turn) 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 和第四个残基的和第四个残基的 N-H 之间形成氢键之间形成氢键. 无规卷曲（无规卷曲（random coil）指无一定规律的松散盘曲的肽链结构。酶的功能部指无一定规律的松散盘曲的肽链结构。酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。位常包含此构象，灵活易变。泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺泛指那些不能被归入明确

17、的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。旋的多肽区段。蛋白质的二级结构与疾病蛋白质的二级结构与疾病（了解）（了解）英国自英国自1985年发现疯牛病到年发现疯牛病到1996年，已确诊有年，已确诊有16142头牛头牛患患病，数以万计的牛被扑杀、焚病，数以万计的牛被扑杀、焚烧、处理。烧、处理。英国连续出现英国连续出现12个青年患新个青年患新型克雅氏病（型克雅氏病（new variant creutzfeldt-Jakob Disease nvCJD）。人们怀疑该病是食用患疯牛人们怀疑该病是食用患疯牛病的牛肉引起的，在欧洲引起病的牛肉引起的，在欧洲引起了极大的恐慌，疯牛病已成为了极大的恐慌，疯牛病已成为欧

18、洲严重的经济和政治问题。欧洲严重的经济和政治问题。患疯牛病的牛脑切片1972年，由于年，由于Prusiner的一位的一位病人死于克雅氏病，促使他开病人死于克雅氏病，促使他开始研究这类疾病。经过始研究这类疾病。经过10年努年努力，力，Prusiner与其同事终于在与其同事终于在1982年从仓鼠脑中浓缩了羊搔年从仓鼠脑中浓缩了羊搔痒病病原成分。是一种其浓缩痒病病原成分。是一种其浓缩成分的活性可被蛋白酶成分的活性可被蛋白酶K，二二乙酰焦碳酸、尿素、酚和乙酰焦碳酸、尿素、酚和SDS等失活的蛋白质，但不能被核等失活的蛋白质，但不能被核酸酶酸酶E或紫外线照射破坏。所或紫外线照射破坏。所以以Prusiner

19、称之为称之为Prion,意为蛋意为蛋白性感染颗粒，这个成份中只白性感染颗粒，这个成份中只含一种蛋白质，称为朊病毒蛋含一种蛋白质，称为朊病毒蛋白（白（ prion protein, PrP），），并并命名为朊病毒（命名为朊病毒（Virino）。）。 亚急性海绵样脑病亚急性海绵样脑病朊病毒蛋白及其构型转变PrPcPrPsc二级结构出现 转换，PrPc 螺旋含量达到42%， 折叠仅占3%；PrPsc 螺旋含量降到30%， 折叠达到45%；PrP27-30 螺旋含量则仅为21%，而折叠达到54%。 折叠含量的增加可能是聚合成淀粉样原纤维的最直接原因。3.蛋白质的超二级结构蛋白质的超二级结构 基本类型：

20、基本类型： 、 、 由两股或三股平行或反平行排列的右手螺旋彼此缠绕由两股或三股平行或反平行排列的右手螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋。而成的左手超螺旋。 由两段平行由两段平行折叠股和一段作为连接链的折叠股和一段作为连接链的 螺旋螺旋组成。组成。 Rossman-折叠折叠 a. -曲折曲折b.希腊钥匙拓扑结构希腊钥匙拓扑结构 纤维状蛋白质（了解）纤维状蛋白质（了解） 不溶性：角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；不溶性：角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等； 角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等。角蛋白中主要的是发、甲、角、鳞和羽等。角蛋白

21、中主要的是 - -角蛋白。角蛋白。 - -角蛋白的伸缩性能很好，当角蛋白的伸缩性能很好，当 - -角蛋白被过度拉伸时，角蛋白被过度拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时则氢键被破坏而不能复原。此时 - -角蛋白转变成角蛋白转变成 - -折折叠结构，称为叠结构，称为 - -角蛋白。角蛋白。 毛发的结构毛发的结构 三股右手三股右手-helix -helix 向左缠绕向左缠绕初原纤维初原纤维( (组合的超二级结构组合的超二级结构) )再排列成再排列成“9+2”“9+2”电缆式结构电缆式结构“微原纤维微原纤维”几百根微原纤维结合成几百根微原纤维结合成-不规则不规则角角蛋蛋白白分分子子中中的的二二硫硫键键

22、卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础4.蛋白质的结构域蛋白质的结构域 多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域。称为结构域。 最常见的结构域含序列上连续的最常见的结构域含序列上连续的100-200个氨基酸残个氨基酸残基，少至基，少至40个左右，多至个左右，多至400个以上。个以上。 结构域有时也指功能域。结构域有时也指功能域。 功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位，它可功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位，它可以是一个

23、结构域，也可以是由两个结构域或两个以上以是一个结构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组成。结构域组成。5.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 指由二级结构元件指由二级结构元件构建成的总三维结构。构建成的总三维结构。 包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。侧链在三维空间中彼此间的相互关系。6.蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 四级结构是指由两个或两个以上具有三级结构的亚基四级结构是指由两个或两个以上具有三级结构的亚基按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。 亚基

24、：寡聚蛋白中的单条独立的多肽链，具有独立的亚基：寡聚蛋白中的单条独立的多肽链，具有独立的一、二、三级结构，单独存在时一般无生物学活性。一、二、三级结构，单独存在时一般无生物学活性。 亚基之间以非共价键联系，包括疏水键（主要）、盐亚基之间以非共价键联系，包括疏水键（主要）、盐键、氢键、范德华力；亚基可以相同或不同。键、氢键、范德华力；亚基可以相同或不同。由由2个至多个三级结构的亚基缔合形成四级结个至多个三级结构的亚基缔合形成四级结构的蛋白质。构的蛋白质。 单体蛋白：只有一个亚基（三级结构）；单体蛋白：只有一个亚基（三级结构）； 寡聚蛋白：由少量的亚基聚合而成的蛋白质，寡聚蛋白：由少量的亚基聚合而

25、成的蛋白质， 如四聚体血红蛋白；如四聚体血红蛋白； 多聚蛋白：由很多的亚基聚合成的蛋白质，多聚蛋白：由很多的亚基聚合成的蛋白质， 如病毒蛋白外壳。如病毒蛋白外壳。维持蛋白质三维结构的作用力维持蛋白质三维结构的作用力 氢键氢键 范德华力范德华力 疏水相互作用疏水相互作用 水介质中蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏水介质中蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子内部，这一现象称为疏水相互作用。在分子内部，这一现象称为疏水相互作用。 盐键盐键 即离子键，正负电荷之间的静电吸引力。即离子键，正负电荷之间的静电吸引力。 二硫键二硫键氨基酸顺序决定蛋白质的三维结构（了解）氨基酸顺序决定蛋白质的三维结构（了解） 球状蛋白质的三维结构决定于氨基酸的顺序，由氨基球状蛋白质的三维结构决定于氨基酸的顺序，由氨基酸的长程顺序决定。