第二章 蛋白质化学

1、第二章 蛋白质化学蛋白质Proteinv 分布广泛v 具有高度多样性v 是信息途径最重要的终端产物，也是基因信息得以表达的工具v 显示着众多生物学功能第一节 蛋白质通论一、蛋白质的化学组成1. 蛋白质的N元素含量平均为162. 蛋白质由20种标准氨基酸构建二、蛋白质是生命功能的执行者三、蛋白质的分类3.1 按分子形状分类 球状蛋白质：分子对称性好，接近球形或椭圆形，溶解度好，能结晶，多为功能蛋白质，如酶，转运蛋白，蛋白激素，抗体等。 纤维状蛋白质：分子对称性差，类似于细棒状或纤维状，大都是结构蛋白，其溶解性不一，大多数不溶于水，如胶原、角蛋白等；有的溶于水，如肌球蛋白、血纤维蛋白原等。3.2

2、按照蛋白质组成分 简单蛋白质：分子中只含有氨基酸 按溶解度等理化性质：清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、 谷蛋白、精蛋白、组蛋白、硬蛋白 结合蛋白质：分子中含有非氨基酸成份，称为辅基 按辅基类型分类：核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白 磷蛋白3.2 按照蛋白质营养组成分类u 完全蛋白：所含必需氨基酸种类齐全、数量充足、比例适当，不但能维持成人的健 康，并能促进儿童生长发育，如乳类中的酪蛋白，蛋类中的卵白蛋白、卵磷蛋白，肉类中的白蛋白、肌蛋白，大豆蛋白，麦谷蛋白，玉米谷蛋白等。u 半完全蛋白所含必需氨基酸种类齐全，但有的数量不足，比例不适当，可以维持生命，但不能促进生长发育，如小麦中的麦胶蛋白等。u 不完全

3、蛋白所含必需氨基酸种类不全，既不能维持生命，也不能促进生长发育，如玉米中的玉米胶蛋白，动物结缔组织和肉皮中的胶质蛋白等。 第二节 蛋白质的分子组成一、蛋白质的构件氨基酸1. 生物体内的氨基酸2. 蛋白质氨基酸的结构通式氨基酸的立体异构与旋光性u 立体异构：每一种氨基酸（除甘氨酸外）均具有L-和D-两种立体异构，这取决与氨基酸的位置。蛋白质氨基酸除甘氨酸外均为L氨基酸。u 旋光性：除甘氨酸外，氨基酸均具有旋光性，能使偏振光平面向左或向右旋转，左旋用（）表示，右旋用（+）表示。u 立体异构与旋光性两者之间没有必然联系。 3. 氨基酸的分类4. 氨基酸重要理化性质 4.1 氨基酸的一般物理性质

4、16; 氨基酸一般为无色晶体，熔点极高，一般在200以上。每种氨基酸都具有特殊的结晶形状，可以用来鉴别各种氨基酸。Ø 氨基酸的味道有所不同，如大米的香味主要是由于胱氨酸的存在；而谷氨酸的单钠盐具有鲜味是味精的主要成分。Ø 溶解度：除胱氨酸、半胱氨酸以及酪氨酸外，氨基酸一般溶解于水，但在稀酸、稀碱溶液中溶解度最好。除脯氨酸能溶解于乙醇、乙醚外，绝大多数氨基酸不能溶解于有机溶剂中，故可以用有机溶剂沉淀法生产氨基酸。Ø 除Gly外，所有天然-氨基酸都有不对称碳原子，因此除Gly以外的天然氨基酸都具有旋光性，且均为L氨基酸。Ø 氨基酸在可见光区均无吸收；但在近紫

5、外区280nm芳香族氨基酸均有吸收。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。 4.2 氨基酸的酸碱性质与等电点Lowry的酸碱质子理论1. 氨基酸在溶液中的移动方向：u 当pH>pI时，羧基解离度>氨基解离度，氨基酸带负电荷向阳极移动u 当pH=pI时，羧基解离度=氨基解离度，净电荷为零在电场中不移动u 当pH<pI时，羧基解离度<氨基解离度，氨基酸带正电荷向负极移动u 氨基酸等电点的pI值相当于该氨基酸的两性离子状态两侧基团的pK值之和的一半。u 由于羧基的平衡常数大于氨基的解离常数，所以含有一个氨基和一个羧基的等电点值在pH6.0

6、左右，而含有两个氨基一个羧基的等电点值就大，称为碱性氨基酸；而一氨基二羧基的氨基酸等电点就小。4.3 氨基酸的重要化学反应Ø 与茚三酮的反应：Ø 参与反应的基团：氨基，羧基Ø 参与反应的基团：氨基，羧基Ø 反应特点：脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质，其余所有氨基酸与茚三酮反应均产生蓝紫色物质。Ø 定量定性的分析氨基酸与甲醛的反应Ø 参与反应的基团： 氨基Ø 反应特点：与氨基酸的氨基反应生成二羟甲基氨基酸，促使氨基酸分子上的氨基解离释放出H，从而使溶液的酸性增加。Ø 可利用滴定法测氨基酸中氨基的含量。

7、6; 与2，4硝基氟苯（DNFB）的反应Ø 反应基团：氨基Ø 反应特点：氨基酸与DNFB反应生成稳定的黄色DNP氨基酸Ø 用于蛋白质末端氨基酸的分析Ø 用于多肽循序自动分析Ø 与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应Ø 反应基团：氨基Ø 反应特点：在弱碱的条件下生成PTC氨基酸，在无水酸中，PTC氨基酸环化成PTH氨基酸，并释放出比原来少了一个氨基酸的多肽链Ø 用于多肽循序自动分析Ø 与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应Ø 反应基团：氨基Ø 反应特点：在弱碱的条件下生成PTC氨基酸，在无水酸中，P

8、TC氨基酸环化成PTH氨基酸，并释放出比原来少了一个氨基酸的多肽链Ø 用于多肽循序自动分析Ø 与荧光胺反应Ø 反应基团：氨基Ø 反应特点：室温下反应，生成产物有荧光Ø 可定量分析氨基酸含量Ø 与2硝基苯甲酸（Ellman试剂）的反应Ø 反应基团：半胱氨酸R侧链上的巯基Ø 反应特点：反应产生一种含有巯基的硝基苯甲酸，这种产物在412nm处有最大吸收峰，可定量测定半胱氨酸含量。Ø 用于定量测定半胱氨酸含量。二、多肽链的构建三、肽与蛋白质l 肽的概念 氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合而的成的化合物称为肽

9、。氨基酸之间脱水形成的键称为肽键，又称酰胺键。l 肽的分类二肽：由两个氨基酸形成的肽；三肽：由三个氨基酸形成的肽；寡肽：含几个至几十个氨基酸残基的肽；多肽：含有更多氨基酸的肽l 蛋白质 蛋白质是由20种氨基酸按一定的序列通过肽键（酰胺键）缩合而成，具有较稳定的空间结构构象并具有一定的生物功能的生物大分子。第三节 蛋白质的结构与功能一、蛋白质分子中的化学键Ø 肽键的特点造成键的平均化 限制绕肽键的自由旋转 形成酰胺平面 获得永久偶极矩 肽键呈反式构型Ø 氢键是氢原子与两个电负性强的原子（如F、O、N）相结合形成的弱键。氢原子与一个电负性强的原子以共价键键结合后，还可以与第二个

10、电负性强的原子结合，所形成的第二个化学键即为氢键。蛋白质分子中含有较多的氢和氧，故可以形成较多的氢键，包括链内氢键，和链间氢键，对稳定蛋白质结构起着重要作用。Ø 范德华力 概念：原子、基团和分子之间的一种弱相互作用，任何两个原子（基团、分子）之间相距约0.30.4nm时，就存在一种非专一的吸引力，这种相互作用称为范德华力。 特点：其作用强度依赖两个分子之间德距离，其变化与距离的6次方成反比；其总趋势是相互吸引但不相碰。Ø 疏水作用 是非极性侧链在极性水中为避开水相而彼此靠近所产生的一种作用力，其本质也是范德华力，主要存在于蛋白质分子的内部结构中。Ø 盐键 具有相反

11、电荷的两个基团之间的相互作用，其作用力的大小取决于两个基团之间的距离。二、蛋白质的一级结构 多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构(primary structure)。这是蛋白质最基本的结构，它内含着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。一级结构中最重要的是氨基酸残基的排列顺序。Ø 氨基酸的种类与数目Ø 氨基酸的连接方式Ø 氨基酸的顺序一级结构体现生物信息：20n .多样一级结构是空间结构及生物活性的基础.特异蛋白质测序 (1) 测定蛋白质分子中多肽链数目； (2)拆分蛋白质的多肽链，断开多肽链内二硫键； (3)分析每一条多肽链的氨基酸个数

12、； (4)鉴定多肽链N末端、C末端氨基酸残基； (5)裂解多肽链成较小的片段； (6)测定各肽段的氨基酸顺序； (7)片段重叠法重建完整多肽链一级结构； (8)确定半胱氨酸残基间形成二硫键交联桥的位置。 蛋白质一级结构与功能的关系Ø 同源蛋白质具有共同的进化起源Ø 同源蛋白质具有共同的进化起源Ø 蛋白质分子序列的改变会导致功能的改变，如分子病分子病：指某种蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常蛋白质不同所引发的一种遗传病。突出的例子是血红蛋白分子。Ø 同源蛋白质具有共同的进化起源Ø 蛋白质分子序列的改变会导致功能的改变，如分子病Ø

13、蛋白质的一级结构会影响高级结构三、 蛋白质的空间结构3.1 概述 蛋白质的空间结构通常称为蛋白质的构象（又称高级结构），是指蛋白质分子中所有原子在三维空间排列分布和肽链走向。一个蛋白质的可能构象包括任何可以通过不打开共价键就能发生的构象的改变。 对于蛋白质的三维结构的认识要把握三点： 蛋白质的三维结构是由它们的氨基酸序列决定的，一级结构决定空间结构。当然氨基酸序列不是唯一的决定因素。 蛋白质的功能依赖于其稳定的空间构象。 特定的蛋白质具有唯一的或近似唯一的结构，但其结构不是静态的无变化的三维结构，蛋白质经常是通过两种或更多种构象间的转换来实现其功能。 蛋白质保持稳定特定的最主要作用力是非共价键

14、的相互作用。3.1 概述Ø 天然蛋白质：在生物学条件下一种蛋白质占优势的构象只有一种或少数几种，它（们）是热力学上最稳定的，并具有生物学活性，这种构象称为天然蛋白质。3.2 蛋白质的结构层次3.2蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构主要是指蛋白质多肽链主链通过氢键折叠和缠绕形成的有规则的重复的构象。天然蛋白质的折叠缠绕主要包括Ø 螺旋Ø 折叠Ø 转角以Ø 无规则卷曲螺旋的特征1、 螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，天然蛋白质的螺旋大多数是右手螺旋，即从RCH-NH（羧基端）端作起点，围绕螺旋轴心向右盘旋，每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈，螺距0.54

15、nm。2、 螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部>C=0 和>N-H几乎都平行于螺旋轴。 3、每个氨基酸残基的>N-H与前面第四个氨基酸残基的>C=0形成链内氢键，链内氢键是螺旋形成的主要非共价键。由于螺旋的旋体结构允许肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，因此， 螺旋的构象是相当稳定的。氨基酸序列对螺旋形成的影响Ø 不带电荷的氨基酸更容易形成螺旋，多聚赖氨酸由于在pH7.0条件下带有电荷，因而不易形成螺旋Ø 测链R基团大的氨基酸不易形成螺旋，如多聚亮氨酸由于R基团较大，不易形成赖氨酸v 侧链R基团的电荷以及大小均影响螺旋的稳定， 螺旋的扭

16、曲可以解决这个问题Ø 脯氨酸和甘氨酸的出现限制螺旋的稳定性。Ø 多聚脯氨酸由于没有多余的酰氨氢，不能形成链内氢键，所以多肽链中只要有脯氨酸存在， 螺旋即被中断，并产生结点。Ø 甘氨酸由于很小，它比其它氨基酸具有更高的构象柔性，因而，甘氨酸聚合物往往形成其它的螺旋结构。Ø 螺旋片段两端的氨基酸残基的相互作用以及螺旋固有的电偶可以影响螺旋的稳定性螺旋的多态性nsn表示螺旋每上升以圈的残基数目s是形成一对氢键的氧与氮两个原子间参与共价结构的原子数目典型螺旋往往表示为3.613非典型的螺旋尚有3.010，4.416折叠的特征v 两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽

17、链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即折叠片。Ø 折叠的种类Ø 平行：所有肽链的N端处于同一端，是同方向Ø 反平行：即相邻肽链的排列是方向的，链内氢键肽键互相垂直，从能量角度考虑，反平行式折叠片更加稳定。Ø 在纤维状蛋白质中折叠片主要是反式的，而在球状蛋白质中反平行和平行两种折叠片几乎同样广泛的存在。氨基酸序列对折叠形成的影响 有些蛋白质的结构限制了可能出现在折叠中的氨基酸种类，当有两个活更多的折叠在一个蛋白质中相互排列接近时，在接触面上的氨基酸残基的侧链R基团必需相对较小，在丝蛋白中，甘氨酸和

18、丙氨酸大部分交替出现。 Ø 转角 多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折180°。氢键示意图如右：Ø 转角与氨基酸组成的关系 甘氨酸残基的侧链为氢原子，适合于充当多肽链大幅度转向的成员；脯氨酸残基的环状侧链的固定取向有利于转角的形成，它往往出现在转角部位。 是指没有一定规律的松散肽链结构，主要是指那些不能归入明确的二级结构，其本身也具有一定的稳定性。这些部位往往是蛋白质分子中功能实现和构象变化的重要区域，必须指出不能将其与蛋白质发生变性后所形成的无规线型结构相混淆，变性后的蛋白质完全处于一种无序而且快速变动的构象状态。二

19、级结构举例： 角蛋白实例：胶原蛋白3.3 蛋白质的超二级结构 在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即螺旋、折叠片和转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。其结构类型包括，等。 超二级结构在结构层次上高于二级结构，但是没有聚集成具有功能的结构域。结构域 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相对独立的三维实体缔合而成三级结构，这种相对独立的三维实体称结构域。现在,结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义:即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。3.4 蛋白质的三级结构 三

20、级结构是指球状蛋白质的多肽键在二级结构、超二级结构以及结构域的基础上，进一步盘绕折叠所形成的有一定空间构象的分子结构，其研究的主要内容是指蛋白质分子中所有原子的三维空间排列以及它们的侧链在空间上的相互关系。蛋白质三级结构具有以下特征：Ø 含多种二级结构单元；Ø 有明显的折叠层次；Ø 是紧密的球状或椭球状实体；Ø 分子表面有一空穴(活性部位)；Ø 疏水侧链埋藏在分子内部，Ø 亲水侧链暴露在分子表面。Ø 实例：肌红蛋白3.5 蛋白质的四级结构 生物体内很多大分子蛋白质是以具有三级结构的多条多肽链的非共价聚集体形式存在，这些具有三级结构的多肽链称为亚基或亚单位。亚基一般只有一个多肽链，但有的亚基由两条或多条多肽链组成，这些多肽链相互间以二硫键相连接。亚基单独存在时无活性或活性很弱，只有通过非共价键聚合而成的特定构象。3.5 蛋白质的四级结构 由两个或多个亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质，在寡聚蛋白质中，亚基可以相同，也可以不相同。无四级结构的蛋白质如溶菌酶、肌红蛋