第一章蛋白质化学

1、第一章第一章 蛋白质化学蛋白质化学生物体作为不均一体系，有两个特征：生物体作为不均一体系，有两个特征：1 1、布局非常合理，变化协调，能自我更新。、布局非常合理，变化协调，能自我更新。2 2、含有大量的蛋白质，人体干重的、含有大量的蛋白质，人体干重的45%45%是是蛋白质。蛋白质。蛋白质：是由许多不同的蛋白质：是由许多不同的-氨基酸按一定序氨基酸按一定序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定构象并具有一定生物功能的生物大分子。定构象并具有一定生物功能的生物大分子。1 1、催化的功能、催化的功能酶酶2 2、调节作用、调节作用激素激素3 3、运输的功能贮

2、存的功能、运输的功能贮存的功能4 4、运动的功能、运动的功能5 5、自我保护和支撑的功能、自我保护和支撑的功能6 6、免疫的作用、免疫的作用7 7、接受和传递信息的作用、接受和传递信息的作用8 8、调节控制细胞生长和分化、调节控制细胞生长和分化一、蛋白质的生物学意义一、蛋白质的生物学意义二、蛋白质的化学组成二、蛋白质的化学组成4 4、蛋白系数：、蛋白系数：6.256.25（100/16= 6.25100/16= 6.25）1 1、一般组成：、一般组成： C C：50-55%50-55%；H H：6-8%6-8%；O O：20-23%20-23% N N：15-18%15-18%；S S：0-4

3、%0-4%2 2、微量组成：、微量组成：P P、FeFe、ZnZn、CuCu、MoMo、I I等元素等元素3 3、N N的平均含量：的平均含量：16%16%5 5、蛋白质的含量（、蛋白质的含量（g/%) =g/%) =每克样品中含每克样品中含N N克数克数* * 6.25 6.25三、蛋白质的基本组成单位三、蛋白质的基本组成单位氨基酸氨基酸蛋白质加酸、加碱、加酶水解，经过多步反应，最后蛋白质加酸、加碱、加酶水解，经过多步反应，最后成为其基本结构：成为其基本结构：氨基酸氨基酸。1 1、氨基酸的结构、氨基酸的结构 COOH |HCaNH2 | R 氨基酸为含有氨基的羧酸，简称为氨基酸。从蛋白质氨基

4、酸为含有氨基的羧酸，简称为氨基酸。从蛋白质中分离出来的氨基酸除脯氨酸外，它们有几个共同特点：中分离出来的氨基酸除脯氨酸外，它们有几个共同特点：（1 1）它们的氨基和羧基都是连在）它们的氨基和羧基都是连在a a碳原子上，故称为碳原子上，故称为a-a-氨基酸。氨基酸。为两性电解质，一切蛋白质都由为两性电解质，一切蛋白质都由a-a-氨基酸组成，现在发现组成氨基酸组成，现在发现组成蛋白质最基本的氨基酸有蛋白质最基本的氨基酸有2020种（表种（表3-23-2）。）。（2 2）从通式可以看出，只有连接在）从通式可以看出，只有连接在a-a-碳上的碳上的R R基团是一个可以基团是一个可以改变结构的侧链，因此，

5、除改变结构的侧链，因此，除R R基团为基团为H H的甘氨酸外，其它所有氨的甘氨酸外，其它所有氨基酸的碳原子都是不对称的，故有两种异构体：基酸的碳原子都是不对称的，故有两种异构体：L L和和D D型。凡型。凡- -NHNH2 2在左边的与在左边的与L L型乳酸（甘油醛）相同叫型乳酸（甘油醛）相同叫L L型型 ，-NH-NH2 2在右边与在右边与D D型乳酸（甘油醛）相同叫型乳酸（甘油醛）相同叫D D型。型。（3 3）由于）由于a-a-氨基酸（甘氨酸除外）都含有不对称氨基酸（甘氨酸除外）都含有不对称C C原子，故有原子，故有旋光性，能够使偏振光平面向左或右旋转，向右旋的叫右旋体旋光性，能够使偏振光

6、平面向左或右旋转，向右旋的叫右旋体“+”+”，向左旋的叫左旋体，向左旋的叫左旋体“-”-”。自然界中由蛋白质水解出的氨基酸都有是自然界中由蛋白质水解出的氨基酸都有是L L型的，故蛋白质型的，故蛋白质都由都由L L型氨基酸构成，称为天然氨基酸。型氨基酸构成，称为天然氨基酸。H2N CHCHOHO甘氨酸GlyH2N CHCCH3OHO丙氨酸AlaH2N CH CCHOHOCH3CH3H2N CH CCH2OHO缬氨酸Val苯丙氨酸PheH2N CHCCH2OHOCHCH3CH3H2N CHCCHOHOCH3CH2CH3亮氨酸Leu异亮氨酸IleH2N CHCCH2OHON色氨酸TrpHNCOHO脯

7、 氨 酸 ProH2N CHCCH2OHOOH丝氨酸SerH2N CHCCHOHOOHCH3苏氨酸ThrH2N CH CCH2OHOOH酪氨酸TyrH2N CHCCH2OHOSH半胱氨酸CysH2N CH CCH2OHOCH2SCH3甲 硫 氨 酸 M etH2N CHCCH2OHOCOHOH2N CHCCH2OHOCH2COHO天冬氨酸Asp谷氨酸GluH2N CHCCH2OHOCNH2OH2N CHCCH2OHOCH2CNH2O天冬酰胺Asn谷氨酰胺GlnH2N CHCCH2OHOCH2CH2NHCNH2NHH2N CHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2H2N CHCCH2OHONNH

8、精氨酸Arg赖氨酸Lys组氨酸His氨基酸的构型 CHO CHO | |HOCaH HCaOH | | CH2OH CH2OHv L-甘油醛 D-甘油醛 COOH COOH | |NH2Ca H HCa NH2 | | R RvL-氨基酸 D-氨基酸2 2、氨基酸的分类、氨基酸的分类（1 1）按化学结构）按化学结构脂肪族氨其酸脂肪族氨其酸 ：一氨基一羧基氨基酸：一氨基一羧基氨基酸：9 9种种 一氨基二羧基氨基酸和酰胺：一氨基二羧基氨基酸和酰胺：4 4种种 二氨基一羧基氨基酸：二氨基一羧基氨基酸：2 2种种芳香族氨基酸：酪氨酸、苯丙氨酸芳香族氨基酸：酪氨酸、苯丙氨酸杂环氨基酸：组氨酸、色氨基杂环

9、氨基酸：组氨酸、色氨基杂环亚氨基酸：脯氨酸杂环亚氨基酸：脯氨酸（2）按）按R基团极性基团极性v极性氨基酸：中性溶液中不带电荷极性氨基酸：中性溶液中不带电荷6种种v 中性溶液中带负电荷中性溶液中带负电荷2种种v 中性溶液中带正电荷中性溶液中带正电荷3种种v非极性氨基酸：非极性氨基酸：8种种v甘氨酸：本为极性，但不显极性效应甘氨酸：本为极性，但不显极性效应3 3、氨基酸的物理性质、氨基酸的物理性质(1)a.a.纯纯aaaa 为无色晶体为无色晶体, ,熔点极高熔点极高, ,一般在一般在200 200 以上。以上。b.b.不同不同aaaa味道不同味道不同味精的主要成分味精的主要成分: :谷氨酸一钠谷氨

10、酸一钠HOOC-CH2-CH2-CH-COONa NH2味精的发现味精的发现味精的作用味精的作用c.c.溶解性溶解性一般物理性质一般物理性质（2 2）光吸收）光吸收v在可见光区无光吸收。在可见光区无光吸收。v在紫外光区在紫外光区TyrTyr、PhePhe、TrpTrp有吸收能力。有吸收能力。v这三种氨基酸分子结构中含有共轭双键，这三种氨基酸分子结构中含有共轭双键，最大光吸收在最大光吸收在280 nm280 nm附近。附近。vTrp Trp ：280 nm280 nm；TyrTyr：275nm Phe275nm Phe ：257nm 257nm v蛋白质含有上述三种氨基酸，故在蛋白质含有上述三种

11、氨基酸，故在280 nm280 nm也有紫外吸收。也有紫外吸收。v(1)1)两性离子：是指在同一个两性离子：是指在同一个aaaa分子上带有能分子上带有能放出质子的放出质子的NHNH3 3+ +正离子和能接受质子的正离子和能接受质子的COOCOO负负离子离子. .因此因此aaaa为两性电解质为两性电解质。v用用NHNH2 2-C-Ca a-COOH-COOH表示任何一个氨基酸，含有自由表示任何一个氨基酸，含有自由的的-NH-NH2 2和和-COOH-COOH。氨基酸的两性电离：。氨基酸的两性电离： NH2-Ca-COOHNH3+-Ca-COO-NH3+-Ca-COOHNH2-Ca-COO-pHp

12、IpH=pIpH.pI正电荷负电荷净电荷为零4.4.氨基酸的酸碱性质氨基酸的酸碱性质（2 2）等电点）等电点v调节调节aaaa溶液的溶液的pHpH，使，使aaaa分子上的分子上的NHNH3 3+ +基基和和COOCOO基的解离度完全相等，溶液中解基的解离度完全相等，溶液中解离出的正离子和负离子浓度相等，所带离出的正离子和负离子浓度相等，所带净电荷为零，在电场中净电荷为零，在电场中aaaa既不向正极也既不向正极也不向负极移动，这时不向负极移动，这时aaaa所处的所处的pHpH值叫做值叫做该该aaaa的等电点。用符号的等电点。用符号pIpI（puissance isoelectric）表示。）表示

13、。（3 3）等电点的计算）等电点的计算vaaaa的解离原则的解离原则vA A、-COOH-COOH解离度远大于解离度远大于-NH-NH3 3+ +，故先解离，故先解离-COOH-COOH基，基，再解离再解离-NH-NH3 3+ +。vB B、先解离、先解离 碳上的碳上的-COOH-COOH基，再解离其它碳上的基，再解离其它碳上的- -COOHCOOH基。基。-NH-NH3 3+ +的解离也是如此。的解离也是如此。vR R基不发生解离的中性基不发生解离的中性aaaa：AlaAla为例为例vR R基解离的酸性基解离的酸性aaaa：GluGlu为例为例vR R基解离的碱性基解离的碱性aaaa：Lys

14、Lys为例为例v各种氨基酸的等电点为两性离子两侧各种氨基酸的等电点为两性离子两侧pKpK的平均值的平均值。（4 4）等电点的应用）等电点的应用电泳分离鉴定不同氨基酸电泳分离鉴定不同氨基酸调节调节pH pH 值分离不同氨基酸值分离不同氨基酸5.5.氨基酸重要化学通性氨基酸重要化学通性vA A、由氨基参加的反应、由氨基参加的反应v（1 1）成盐反应）成盐反应v（2 2）与）与HNOHNO2 2的反应的反应：v（3 3）与甲醛的反应）与甲醛的反应v（4 4）酰基化反应）酰基化反应v（5 5）与）与2,42,4二硝基氟苯二硝基氟苯(DNFB )(DNFB )反应反应：v（6 6）与异硫氰酸苯酯）与异硫

15、氰酸苯酯(PITC)(PITC)反应反应：v（7 7）脱氨反应）脱氨反应：与与HNOHNO2 2的反应的反应vR CH COOH + HNO2 R CH COOH + N 2+ H2Ov | | v NH2 OH v反应放出的氮气可以用气体分析仪器测定出，也反应放出的氮气可以用气体分析仪器测定出，也可计算出氨基酸的含量，这是（可计算出氨基酸的含量，这是（Van SlykeVan Slyke）文）文司菜克法或樊氏测氨基酸的方法。司菜克法或樊氏测氨基酸的方法。v适用范围：氨基酸的适用范围：氨基酸的-氨基；不适用于脯氨酸、氨基；不适用于脯氨酸、羟脯氨酸环中的亚氨基，精氨酸、组氨酸和色氨羟脯氨酸环中的

16、亚氨基，精氨酸、组氨酸和色氨酸酸R R基中的结合基中的结合N N皆不与亚硝酸作用皆不与亚硝酸作用。 与与2,42,4二硝基氟苯二硝基氟苯(DNFB )(DNFB )反应反应v多肽及蛋白质肽链多肽及蛋白质肽链N-N-端的端的-氨基也能与之反氨基也能与之反应，生成相应应，生成相应DNP-DNP-多肽或多肽或DNP-DNP-蛋白质。蛋白质。vDNP-DNP-多肽或多肽或DNP-DNP-蛋白质用酸水解时，因其硝蛋白质用酸水解时，因其硝基苯与氨基酸结合牢固不易分开，而多肽链基苯与氨基酸结合牢固不易分开，而多肽链中其它氨基酸可以水解，只有中其它氨基酸可以水解，只有N-N-端氨基酸与端氨基酸与DNPDNP结

17、合，这样便可以作为鉴定结合，这样便可以作为鉴定N-N-端氨基酸的端氨基酸的反应，称这种方法为反应，称这种方法为DNFBDNFB分析法，是由分析法，是由F FSangerSanger首次使用首次使用。 与异硫氰酸苯酯与异硫氰酸苯酯(PITC)(PITC)反应反应Edman反应反应B B、由羧基参加的反应、由羧基参加的反应v（1 1）成酯和成盐反应）成酯和成盐反应v（2 2）酰氯化反应）酰氯化反应v（3 3）成酰胺反应）成酰胺反应v（4 4）脱羧反应）脱羧反应v（5 5）叠氮反应）叠氮反应C C、氨基和羧基共同参加的反应、氨基和羧基共同参加的反应v（1）与茚三酮反应v（2）形成肽键氨基酸与茚三酮反

18、应氨基酸与茚三酮反应+3H20水合茚三酮水合茚三酮(无色无色)NH3CO2 RCHO+还原性茚三酮还原性茚三酮紫色化合物紫色化合物(弱酸弱酸)加热加热水合茚三酮水合茚三酮+ 2NH3 +还原性茚三酮还原性茚三酮v（1 1）在）在弱酸性弱酸性条件下，条件下， -氨基酸与水合茚氨基酸与水合茚三酮共热，经氧化脱氨、脱酸生成还原性茚三酮共热，经氧化脱氨、脱酸生成还原性茚三酮。三酮。v（2 2）还原性茚三酮再与氨和另一分子水合茚）还原性茚三酮再与氨和另一分子水合茚三酮缩合，生成一种三酮缩合，生成一种蓝紫色蓝紫色化合物。化合物。v（3 3）脯氨酸或羟脯氨酸与茚三酮反应生成）脯氨酸或羟脯氨酸与茚三酮反应生成

19、黄黄色色化合物。化合物。H2NCHCOOHR1+H2NCHCOOHR2H2NCHCONHCHR1R2COOH肽键H2O二肽形成肽键形成肽键四、肽四、肽v（一）肽的结构（一）肽的结构v肽腱：连接两个氨基酸间的酰胺键。肽腱：连接两个氨基酸间的酰胺键。v二肽：由两个氨基酸缩合形成的肽。二肽：由两个氨基酸缩合形成的肽。v多肽：由多个氨基酸缩合而形成的肽。多肽：由多个氨基酸缩合而形成的肽。v肽链：多个氨基酸以肽键相连形成的长链。肽链：多个氨基酸以肽键相连形成的长链。vaa残基：肽链中的残基：肽链中的aa因脱水、缩合而稍有不全。因脱水、缩合而稍有不全。v肽链主链骨架：在肽链中除去肽链主链骨架：在肽链中除去

20、 碳上的碳上的R基和基和H外，外，剩下的部分为肽链主链骨架。剩下的部分为肽链主链骨架。H2N CHCO NH CHR1R2CO NH CHR3CO NH CHR4COOH主链侧 链N末端C末端（一）肽的结构（一）肽的结构v肽单位：主链骨架的重复单位，由肽单位：主链骨架的重复单位，由6 6个原子组成，个原子组成，它们上：它们上：C Cn n,C,O,N,H,C,C,O,N,H,Cn+1 n+1 。vN N末端：肽链中凡含有自由末端：肽链中凡含有自由NHNH2 2的末端，也称氨的末端，也称氨基端或基端或N N端。端。vC C末端：肽链中凡含有自由末端：肽链中凡含有自由COOHCOOH的末端，也称的

21、末端，也称羧基端或羧基端或C C端。端。vaaaa顺序：多肽中顺序：多肽中aaaa残基的排列顺序。残基的排列顺序。v肽链的书与顺序：从肽链的书与顺序：从N N端写到端写到C C端。端。（二）肽（二）肽键键v肽键的特点是肽键的特点是N N原子上的孤对电子与羰基有明原子上的孤对电子与羰基有明显的共轭作用显的共轭作用, ,从而形成平面型杂化结构。从而形成平面型杂化结构。v肽键中肽键中C CN N键具有部分双键的性质键具有部分双键的性质, ,组成酰胺组成酰胺键的原子在同一平面上。键的原子在同一平面上。v由于由于C CN N键不能自由旋转键不能自由旋转, ,因此存在顺反两种因此存在顺反两种可能的构型。大

22、多数情况下可能的构型。大多数情况下, ,反式构型在能量反式构型在能量上更有利。上更有利。( (三三) )多肽的性质多肽的性质v1.1.多肽的两性解离多肽的两性解离v等电点的高低主要取决于侧链上的碱性基团和酸性等电点的高低主要取决于侧链上的碱性基团和酸性基团的相对数目基团的相对数目v2.2.多肽的反应多肽的反应v(1)(1)多肽链的水解多肽链的水解A.A.酸水解酸水解6mol/L HCL6mol/L HCL或或4mol/L H4mol/L H2 2SOSO4 4，105-110105-110，20h20hv优点优点: :v不容易引起水解产物的消旋化不容易引起水解产物的消旋化v缺点缺点: :vTr

23、pTrp被沸酸完全破坏被沸酸完全破坏v含有羟基的含有羟基的SerSer和和ThrThr有一小部分被分解有一小部分被分解vAsnAsn和和GlnGln侧链的酰氨基被水解成了羧基侧链的酰氨基被水解成了羧基B.B.碱水解碱水解v5mol/LNaOH5mol/LNaOH煮沸煮沸10-20h10-20hv优点优点: :vTrpTrp在水解中不被破坏在水解中不被破坏v缺点缺点: :v水解过程中许多水解过程中许多aaaa受到不同程度破坏，部分水解产受到不同程度破坏，部分水解产物发生消旋化。物发生消旋化。C.C.酶水解酶水解v主要是用蛋白酶进行部分水解主要是用蛋白酶进行部分水解, ,常用的有胰蛋常用的有胰蛋白

24、酶和胰凝乳蛋白酶。白酶和胰凝乳蛋白酶。v胰蛋白酶胰蛋白酶: :只断裂只断裂LysLys或或ArgArg的羧基参与形成的肽键。的羧基参与形成的肽键。如如-Ala-Lys-Asp-Arg-Val-Ala-Lys-Asp-Arg-Val-，其水解位于，其水解位于? ?v胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶: :主要断裂主要断裂PhePhe、TrpTrp、 TyrTyr等疏水等疏水aaaa的羧基参与形成的肽键。如的羧基参与形成的肽键。如Ala-Phe-Asp-ArgAla-Phe-Asp-Arg- -v以上以上aaaa若与若与ProPro相连相连, ,则水解被抑制如则水解被抑制如-Arg-Arg- Pro- Pr

25、o-v优点优点: :不会破坏不会破坏aaaa, ,也不会发生消旋化也不会发生消旋化v缺点缺点: :水解产物为较小的肽段水解产物为较小的肽段, ,是部分水解是部分水解(2)(2)颜色反应颜色反应v双缩脲反应双缩脲反应: :v双缩脲是两分子尿素经过加热失去一分子的双缩脲是两分子尿素经过加热失去一分子的NHNH3 3而得到的产物。而得到的产物。v双缩脲与双缩脲与碱性碱性硫酸铜作用生成蓝色的铜硫酸铜作用生成蓝色的铜-双双缩脲络合物。称为双缩脲反应。缩脲络合物。称为双缩脲反应。v含有含有2 2个以上肽键的多肽，具有与双缩脲相似个以上肽键的多肽，具有与双缩脲相似的结构特点，也能发生双缩脲反应，生成紫的结构

26、特点，也能发生双缩脲反应，生成紫红色或蓝紫色络合物，此反应应用于多肽链红色或蓝紫色络合物，此反应应用于多肽链的定量测定。的定量测定。( (四四) )天然存在的重要多肽天然存在的重要多肽v活性肽活性肽: :以游离状态存在于生物体内的具有特殊生以游离状态存在于生物体内的具有特殊生理功能的一类分子质量比较小的多肽。理功能的一类分子质量比较小的多肽。v肌肽和鹅肌肽：二肽；抗氧化作用肌肽和鹅肌肽：二肽；抗氧化作用v谷胱甘肽谷胱甘肽(GSH)(GSH)：三肽；参与细胞氧化还原反应三肽；参与细胞氧化还原反应v脑啡肽：五肽；镇痛作用脑啡肽：五肽；镇痛作用v催产素和加压素：九肽催产素和加压素：九肽v促肾上腺皮质

27、激素：促肾上腺皮质激素：3939肽，刺激肾上腺皮质的发肽，刺激肾上腺皮质的发育和分泌育和分泌v多肽抗生素：抗细菌多肽抗生素：抗细菌v-鹅膏蕈碱：鹅膏蕈碱：8 8肽，抑制真核生物肽，抑制真核生物RNARNA聚合酶聚合酶IIII的的活性，使活性，使RNARNA的合成不能进行。的合成不能进行。谷谷氨酰氨酰- -半胱半胱氨酰氨酰甘甘氨酸氨酸三肽三肽谷胱甘肽谷胱甘肽 (glutathione,GSH(glutathione,GSH) )羧基羧基 H H2 2N N CH CH- -CHCH2 2 - - CH CH2 2 - - C C - - N - CH - CN - CH - C - - N -

28、CHN - CH2 2 -COOH-COOH COOH COOH H OH OSHSH CHCH2H HOO全称：-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸其巯基可氧化、还原，故有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。 Glu-Cys-Gly Glu-Cys-Gly SH S S Glu-Cys-Gly 谷胱甘肽的生理功用谷胱甘肽的生理功用v解毒作用解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性；：与毒物或药物结合，消除其毒性；v参与氧化还原反应参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；体内多种氧化还原反应；v保护巯基酶的活性保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团：使

29、巯基酶的活性基团-SH-SH维持还原状态；维持还原状态；v维持红细胞膜结构的稳定维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。胞膜结构的破坏作用。五五. .蛋白质的结构蛋白质的结构在二级结构和三级结构之间还有另一些在二级结构和三级结构之间还有另一些层次，如层次，如超二级结构超二级结构和和结构域结构域。( (一一) ) 一级结构一级结构primaryprimary structurestructure化学结构化学结构v1.1.概念：是指蛋白质分子中概念：是指蛋白质分子中aaaa残基的排列顺序或连残基的排列顺序或连接方式。接方式。CCNCCNCCNCCNCCH2CH

30、CH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C-端肽键一级结构一级结构是蛋白质的是蛋白质的基本基本结构结构，决定决定着蛋白质的着蛋白质的空间空间结构结构。SSSS牛牛胰岛素胰岛素HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His- Leu-Val- Glu- Ala- Leu- Tyr Leu -Val-Cys-GlyGlu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOHB链157101519 20212530HGly-Ile-Val-Glu

31、-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH15102015A链711621SS第一个被确定一级结构的蛋白质： 1954 年 Sanger(英) 2.胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构将大化小，逐段分析，制成两套肽将大化小，逐段分析，制成两套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后确定蛋白质的完整序列。置，最后确定蛋白质的完整序列。 目前往往采用从待测蛋白质的基因目前往往采用从待测蛋白质的基因序列反推出蛋白质的一级结构。序列反推出蛋白质的一级结构。3.3.一级结构

32、确定的原则一级结构确定的原则( (二二) )蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构v蛋白质的空间结构通常称为蛋白质的构象，又蛋白质的空间结构通常称为蛋白质的构象，又称高级结构、立体结构等，是指蛋白质分子中称高级结构、立体结构等，是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的排布方式和肽链的走向。所有原子在三维空间的排布方式和肽链的走向。二级二级结构结构(secondary structure)三级三级结构结构(tertiary structure)四级四级结构结构(quaternary structure)v构象构象决定：决定：蛋白质的蛋白质的分子形状分子形状、理化性质理化性质和和生生物学活性物学活性。构型与

33、构象构型与构象v构型：构型：Configuration一个化合物分子中原子一个化合物分子中原子的空间排列，这种排列的改变会引起共价键的空间排列，这种排列的改变会引起共价键的形成和破坏，与的形成和破坏，与H H键无关。是小分子化合物键无关。是小分子化合物具有的结构。具有的结构。v构象：构象：Conformation表示多肽结构中一切原表示多肽结构中一切原子沿共价键转动而产生的不同空间排列，这子沿共价键转动而产生的不同空间排列，这种构象的改变会引起种构象的改变会引起H H键的形成和破坏，与共键的形成和破坏，与共价键无关。为多肽等大分子物质具有的结构。价键无关。为多肽等大分子物质具有的结构。多肽链折

34、叠的空间限制多肽链折叠的空间限制v1.1.酰胺酰胺平面平面amide planev2.2.二面角（二面角（和和）v一个一个 C C 原子相连的两个肽平面，由于原子相连的两个肽平面，由于 N N 1 1 C C 和和 CCC 2 C 2 （羧基碳）两个键为单键，肽平面可以（羧基碳）两个键为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。一个分别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。一个肽平面围绕肽平面围绕 N N 1 1 C C （氮原子与（氮原子与 碳原子）旋碳原子）旋转的角度，用转的角度，用 表示。另一个肽平面围绕表示。另一个肽平面围绕 CCC C 2 2 （ 碳原子与羧基碳）旋转

35、的角度，用碳原子与羧基碳）旋转的角度，用 表表示。这两个旋转角度叫二面角（示。这两个旋转角度叫二面角（ dihedral angle ）。）。v3.3.二面角（二面角（和和）大小的确定）大小的确定123.5120.5116122119.5118.5酰胺酰胺平面平面肽平面及其旋转C CC C22C C11C CNNNNH HH HH HOOOOR R肽平面肽平面 2 2肽平面肽平面 1 1C C33理论上和可取180至180之间的任一个角度，顺时针方向为正，反时针为负 。当包含a的两个肽键处于同一平面时，和都定义为0。二面角二面角（二面角（和和）蛋白质构象取决于肽单位绕蛋白质构象取决于肽单位绕N

36、-CaN-Ca键和键和Ca-CCa-C键的旋转。键的旋转。旋转受到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的旋转受到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的立体立体干扰的限制。干扰的限制。 1.1.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构secondary structurev(1)(1)定义：是蛋白质多肽链主链骨架中的若定义：是蛋白质多肽链主链骨架中的若干肽段各自沿着某一个轴盘旋或者折叠，并干肽段各自沿着某一个轴盘旋或者折叠，并以以H H键维系，从而形成的有规则的局部的空键维系，从而形成的有规则的局部的空间排列方式叫蛋白质的二级结构。间排列方式叫蛋白质的二级结构。v二级结构中二级结构中H H键由主链骨架中键由

37、主链骨架中-C=O-C=O和和-N-H-N-H形形成链内或链间成链内或链间H H键。在各种可能的构象中，键。在各种可能的构象中，能够形成能够形成H H键最多的构象最稳定。键最多的构象最稳定。v类型：类型：-螺旋螺旋 、-折叠、折叠、-转角、转角、环、环、无规卷曲等。无规卷曲等。(2) (2) 各种二级结构各种二级结构v-螺旋结构螺旋结构( (helix) )v：肽链主链骨架绕螺轴卷曲上升而形成的一：肽链主链骨架绕螺轴卷曲上升而形成的一种构象。大多为右手螺旋，是蛋白质最常见种构象。大多为右手螺旋，是蛋白质最常见的二级结构，在生物体中，肽链合成后自发的二级结构，在生物体中，肽链合成后自发形成形成-

38、螺旋结构。螺旋结构。v19511951年由年由Pauling和和Corey提出。提出。0.54 n m 3.6个残基0.15 n m-螺旋(- helix)C C5 5C C8 8NC C O： H：氢键C C99N 7 7N 6 6N 9 9N 1010C C9 9C C55C C6 6C C33N 3 3C C3 3C C2 2C C22N 2 2C C11N 1 1C C1 1N 4 4C C44C C66C C77C C88C C1010C C1010N 8 8C C7 7C C4 4N 5 5-螺旋结构的要点螺旋结构的要点vA.A.每隔每隔3.63.6个个aaaa残基螺旋上升一圈，螺

39、旋沿螺残基螺旋上升一圈，螺旋沿螺旋体的中心轴每上升一圈相当于向上平移旋体的中心轴每上升一圈相当于向上平移0.54nm0.54nm，即每个，即每个aaaa残基沿轴上升残基沿轴上升0.15nm0.15nm，螺，螺旋上升时每个残基沿轴旋转旋上升时每个残基沿轴旋转100100。vB. -B. -螺旋体中螺旋体中aaaa残基侧链伸向外侧，相邻残基侧链伸向外侧，相邻螺圈之间形成链内螺圈之间形成链内H H键，键，H H键的取向几乎与中键的取向几乎与中心轴平行。心轴平行。H H键由键由aaaa残基的残基的-N-H-N-H与前面隔与前面隔3 3个个aaaa残基的形成。链间原子数为残基的形成。链间原子数为1313

40、个。个。 第N个氨基酸残基的羰基氧与第N4个氨基酸残基的氨基氢形成氢键，走向平行于螺旋轴。C(NHCCO)3 NOHHR0.28nm氢键氢键（hydrogen bondhydrogen bond）几乎所有肽键都能参与链内氢键的形成。-螺旋结构的要点螺旋结构的要点v螺旋的表示方法：螺旋的表示方法：“n ns s”。n n表示螺旋上表示螺旋上升一圈的残基数；升一圈的残基数；s s 是形成一对是形成一对H H键的键的O O与与N N两两原子间参与共价结构的原子数。如原子间参与共价结构的原子数。如3.63.61313。v-螺旋结构有右手螺旋和左手螺旋两螺旋结构有右手螺旋和左手螺旋两种，天然蛋白质的种，

41、天然蛋白质的-螺旋绝大多数都是右螺旋绝大多数都是右手螺旋。手螺旋。（4.416）Nc右手螺旋左手螺旋vE E、蛋白质多肽链能否形成、蛋白质多肽链能否形成-螺旋结构以螺旋结构以及形成的螺旋体是否稳定与它的及形成的螺旋体是否稳定与它的aaaa组成和组成和排列顺序直接有关。排列顺序直接有关。v影响影响-螺旋形成的因素：螺旋形成的因素：vR R基团的电荷：在某一基团的电荷：在某一pHpH下不带电荷时易形成下不带电荷时易形成-螺旋结构。螺旋结构。vR R基团的大小：较大的基团的大小：较大的R R基团在基团在C C附近造成空间阻附近造成空间阻碍，不能形成碍，不能形成-螺旋结构。螺旋结构。vProPro或或

42、HypHyp由于没有酰胺由于没有酰胺H H因此不能形成因此不能形成-螺旋结螺旋结构。构。GlyGly由于由于R R是是H H太活泼不能形成太活泼不能形成-螺旋结构。螺旋结构。-螺旋结构的要点螺旋结构的要点折叠结构折叠结构pleated sheetv是一种肽链相当伸展的结构，它是由两条或是一种肽链相当伸展的结构，它是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的键交联而形成。肽链的主链呈锯齿状间的键交联而形成。肽链的主链呈锯齿状折叠构象，也是蛋白质常见的二级结构。折叠构象，也是蛋白质常见的二级结构。v折叠结构是纤维状蛋白质的基本构象，折叠结构是纤维状蛋白

43、质的基本构象，在这类蛋白质中，键既可以在不同的肽链在这类蛋白质中，键既可以在不同的肽链间形成，也可以在同一肽链的不同部分之间间形成，也可以在同一肽链的不同部分之间形成，由于形成，由于折叠中几乎所有的肽键都参折叠中几乎所有的肽键都参与了链间键交联，因此与了链间键交联，因此折叠结构一般折叠结构一般比较牢固。比较牢固。 折叠的主要特点折叠的主要特点v. .肽链是伸展的结构肽链是伸展的结构, ,周期距离为周期距离为0.7nm,0.7nm,完完全伸展为全伸展为0.72nm,0.72nm,每个每个aaaa残基平移残基平移0.35nm,0.35nm,而而完全伸展为完全伸展为0.36nm0.36nm。vB.B

44、.需要两条或两条以上肽链来形成，也可以需要两条或两条以上肽链来形成，也可以由一条多肽链回折而成，但它只能叫由一条多肽链回折而成，但它只能叫折折叠链，不能称为叠链，不能称为折叠结构。折叠结构。v. .键在链间形成，以键维持其结构的键在链间形成，以键维持其结构的稳定性。稳定性。v. .侧链基团位于侧链基团位于折叠结构平面上下两折叠结构平面上下两侧，且与平面垂直。侧，且与平面垂直。 折叠结构v 折叠结构有两种类型折叠结构有两种类型v平行式：所有肽链的端在同一边。平行式：所有肽链的端在同一边。v反平行式：相邻两条肽链的方向相反，反平行式：相邻两条肽链的方向相反，端间隔同向，是纤维状蛋白质主要存在方端间

45、隔同向，是纤维状蛋白质主要存在方式，而在球状蛋白质中两种方式几乎同样式，而在球状蛋白质中两种方式几乎同样广泛地存在。广泛地存在。平行平行(Parallel) 反平行反平行(Anti-parallel)Structure of a mixed sheet(3) 3) 转角转角turn或或bendvA. .概念：也称回折、概念：也称回折、 弯曲或发夹结构、弯曲或发夹结构、U U形结构，是肽链呈形结构，是肽链呈180180回折，它是球状蛋白质回折，它是球状蛋白质分子中发现的又一种二级结构。分子中发现的又一种二级结构。N4CHCCCHNHO=CCHNC1CHNRRHOHRROHO23B.B.特点：特点

46、：va.a.在在 转角部分由转角部分由4 4个连续的个连续的aaaa残基组成。残基组成。vb.b.靠靠H H键维持构象，弯曲处的第一个键维持构象，弯曲处的第一个aaaa残基上残基上的的-C=O-C=O和第和第4 4个残基上的个残基上的-NH-NH之间形成之间形成H H键，从键，从而形成一个不稳定的环状结构，而形成一个不稳定的环状结构，H H键间封闭的键间封闭的原子数为原子数为1010个。个。vc.c.肽链主链骨架成大约肽链主链骨架成大约180 180 回折。回折。vd.d.第一个第一个 碳和第四个碳和第四个 碳的距离为碳的距离为0.7nm0.7nm。ve.有两种类型：有两种类型：I和和II型，

47、其中型，其中I型更常见。型更常见。(4)其它的二级结构v自由回转自由回转random coil：它是一种没有一定：它是一种没有一定规律的松散肽链结构，酶的功能部位常处在规律的松散肽链结构，酶的功能部位常处在这种构象区域里，所以受到人们的重视。这种构象区域里，所以受到人们的重视。v不同蛋白质二级结构不同，如肌红蛋白分子不同蛋白质二级结构不同，如肌红蛋白分子的肽链是约的肽链是约75%是是 螺旋，角蛋白几乎全螺旋，角蛋白几乎全是是 螺旋，蚕丝丝心蛋白几乎全是螺旋，蚕丝丝心蛋白几乎全是 折折叠。叠。2.2.超二级结构和结构域超二级结构和结构域v(1)超二级结构超二级结构supersecondary s

48、tructure：1973年年Rossman提出，指若干相邻的二提出，指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合有规则的在空间上能辨认的二级结构组合体。如：体。如：、等等。等等。v超二级结构在结构层次上高于二级结构，超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。但没有聚集成具有功能的结构域。 (2)结构域结构域structure domainv概念：概念：20世纪世纪60年代末年代末70年代初免疫化学家年代初免疫化学家Porter提出，是球状蛋白质的折叠单位，是多肽提出，是球状蛋白质的折叠单位，

49、是多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠成紧密的链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球状的结构。在空间上彼此分隔，各自具有近似球状的结构。在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。部分生物功能的结构。v对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或多个相对独立的结构域缔合而成三级结构，个或多个相对独立的结构域缔合而成三级结构，结构域通常含结构域通常含100-200aa残基。对于较小的蛋白残基。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质分子或亚基，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。思，即这些蛋白质是单

50、结构域的。 肌红蛋白的三级结构和丙糖磷酸异构酶的三级结构图肌红蛋白的三级结构和丙糖磷酸异构酶的三级结构图3.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构tertiary structurev(1)定义：是指多肽链上的所有原子（包括主链骨架和定义：是指多肽链上的所有原子（包括主链骨架和侧链）在三维空间的分布。不涉及肽链间的相互作用。侧链）在三维空间的分布。不涉及肽链间的相互作用。v(2)特点：特点：vA.从整个分子的三级结构的外形看是球形或者是椭球形，从整个分子的三级结构的外形看是球形或者是椭球形，分子紧密。分子紧密。vB.在分子内部形成一个疏水的核，它是大部分非极性基在分子内部形成一个疏水的核，它是大部分

51、非极性基团卷入分子内部形成。团卷入分子内部形成。vC.分子表面是极性的，形成一个亲水的外壳，这是由于分子表面是极性的，形成一个亲水的外壳，这是由于极性基团位于分子表面形成，它们在分子的表面分布不极性基团位于分子表面形成，它们在分子的表面分布不均匀，形成了很多性质不同的小区均匀，形成了很多性质不同的小区微环境。微环境。vD.在分子表面上有一条深陷的裂隙，其中分布的基团不在分子表面上有一条深陷的裂隙，其中分布的基团不同。同。(3)肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构v(1)由一条多肽链构成，上有由一条多肽链构成，上有153aa残基和一个血红残基和一个血红素辅基，相对分子质量素辅基，相对分子质量16

52、700。v(2)全链共折叠成全链共折叠成8段段螺旋体，形成一个外圆中空螺旋体，形成一个外圆中空的不对称结构，外形看是球形或椭球形。的不对称结构，外形看是球形或椭球形。v(3)分子内部形成一个疏水的核，它是大部分非极性分子内部形成一个疏水的核，它是大部分非极性基团卷入分子内部形成。基团卷入分子内部形成。v(4)分子表面是球形的，形成一个亲水的外壳，这是分子表面是球形的，形成一个亲水的外壳，这是由于极性基团位于分子表面所致。由于极性基团位于分子表面所致。v(5)C端是由端是由5aa残基组成的松散肽链，段间拐角处残基组成的松散肽链，段间拐角处是由是由Pro、Ile、Ser等难以形成等难以形成螺旋体的

53、螺旋体的aa残基残基形成松散肽链。形成松散肽链。4. 蛋白质的四级结构quarternary structurev定义：两条或两条以上具有三级结构的多肽链定义：两条或两条以上具有三级结构的多肽链按照一定的空间排列方式，通过非共价键缔合按照一定的空间排列方式，通过非共价键缔合在一起形成蛋白质大分子，这种结构称为蛋白在一起形成蛋白质大分子，这种结构称为蛋白质的质的四级结构四级结构。v特点：特点：vA.构成蛋白质分子四级结构的单位称为亚单位构成蛋白质分子四级结构的单位称为亚单位或或亚基亚基。vB.亚基之间以非共价键相连接。亚基之间以非共价键相连接。vC.具有实际结构的蛋白质分子只有构成四级结具有实际

54、结构的蛋白质分子只有构成四级结构以后生物学功能才构以后生物学功能才完整完整。 血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构模式图模式图亚基亚基v构成蛋白质的多肽链，每条肽链都具有独立构成蛋白质的多肽链，每条肽链都具有独立的三级结构，且都以非共价键相连，我们把的三级结构，且都以非共价键相连，我们把这样的每条肽链叫做一个亚基或亚单位。这样的每条肽链叫做一个亚基或亚单位。v每个亚基一般由一条多肽链构成，有时也可每个亚基一般由一条多肽链构成，有时也可由两条多肽链构成，如肽链间通过由两条多肽链构成，如肽链间通过-S-S-S-S-相连相连成为一个成为一个亚基亚基。（三）蛋白质分子中的共价键与次级键v1.1.共价键：肽

55、键、二硫键等。主要是形成蛋共价键：肽键、二硫键等。主要是形成蛋白质一级结构。白质一级结构。v2.2.次级键：次级键：H H键、盐键、疏水键、范德华力等。键、盐键、疏水键、范德华力等。主要用于维持蛋白质空间结构的稳定性。主要用于维持蛋白质空间结构的稳定性。 蛋白质分子中的化学键蛋白质分子中的化学键六六. .蛋白质的性质蛋白质的性质v（一）蛋白质的相对分子量一）蛋白质的相对分子量v1.1.根据蛋白质的化学组分来测定根据蛋白质的化学组分来测定v蛋白质最低分子量的计算蛋白质最低分子量的计算v最低分子量最低分子量= =元素或元素或aaaa残基原子量残基原子量/ /百分含量百分含量* *100100v例：

56、在血红蛋白中铁的含量为例：在血红蛋白中铁的含量为0.335%0.335%，则其最低分子量，则其最低分子量为：铁的原子量为：铁的原子量/ /铁的百分含量铁的百分含量* *100100等于等于1670016700。v血红蛋白实际分子量为血红蛋白实际分子量为6800068000，为，为4 4个铁原子，由个铁原子，由4 4条肽链条肽链组成。组成。v真实分子量真实分子量= =最低分子量最低分子量* *n(nn(n为元素或为元素或aaaa在蛋白质分子中在蛋白质分子中的个数的个数) )（一）蛋白质的相对分子量（一）蛋白质的相对分子量v2.利用蛋白质的物理、化学性质来测定v最准确而可靠的方法是超速离心法v基本

57、原理：将蛋白质溶液放在25-50万倍重力场的离心力作用下，使蛋白质颗粒从溶液中沉淀下来，在沉淀的过程中应用光学方法观察旋离过程中蛋白质颗粒的沉降行为，从而判断出蛋白质的沉降速度，根据沉降速度再计算出蛋白质的相对分子量。v超速离心机是Svedberg于1940年设计制造的，一般把单位离心场里的沉降速度称为沉降系数，用S表示，一个S单位表示110-13 s，故8S为8 10-13 s。蛋白质的Mr 可直接用S表示。（二）蛋白质的两性电离及等电点（二）蛋白质的两性电离及等电点v用“P”表示蛋白质，它含有自由的-NH2和-COOH。蛋白质的两性电离： NH2-P-COOHNH3+-P-COO-NH3+

58、-P-COOHNH2-P-COO-pHpIpH=pIpH.pI正电荷负电荷净电荷为零（三）蛋白质的胶体性质（三）蛋白质的胶体性质v胶体必须具备的三个特点：胶体必须具备的三个特点：v分子大小在分子大小在10-10010-100 ; ;有相同的电荷；形成水膜有相同的电荷；形成水膜v蛋白质为大分子物质，分子大小几十蛋白质为大分子物质，分子大小几十 ；是两性；是两性电解质，在一定的电解质，在一定的pHpH溶液中呈阴（阳）离子状态；溶液中呈阴（阳）离子状态；蛋白质分子中有许多亲水性基团进行水合作用，蛋白质分子中有许多亲水性基团进行水合作用，定向排列形成水膜，水膜将各个蛋白质分子分开。定向排列形成水膜，水

59、膜将各个蛋白质分子分开。故蛋白质为胶体。故蛋白质为胶体。v利用胶体不能透过半透膜的性质利用半透膜将蛋利用胶体不能透过半透膜的性质利用半透膜将蛋白质中的非蛋白小分子除去。白质中的非蛋白小分子除去。（四）蛋白质的沉淀反应（四）蛋白质的沉淀反应v蛋白质分子从溶液中离析出来叫做沉淀反应。蛋白质分子从溶液中离析出来叫做沉淀反应。v沉淀蛋白质方法：中和电荷和破坏水化层。沉淀蛋白质方法：中和电荷和破坏水化层。v1.1.可逆沉淀可逆沉淀v在在温和温和条件下，通过改变溶液的条件下，通过改变溶液的pHpH或或电荷状电荷状况况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。蛋白，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。蛋白质在沉淀过程中，结

60、构和性质都质在沉淀过程中，结构和性质都没有没有发生变发生变化，在适当的条件下，可以化，在适当的条件下，可以重新溶解重新溶解形成溶形成溶液，这种沉淀又叫液，这种沉淀又叫非变性沉淀非变性沉淀。可逆沉淀是。可逆沉淀是分离纯化蛋白质的基本方法，如分离纯化蛋白质的基本方法，如pIpI沉淀法、沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法。盐析法和有机溶剂沉淀法。2.2.不可逆沉淀不可逆沉淀v在在强烈强烈沉淀的条件下，不仅破坏蛋白质胶体沉淀的条件下，不仅破坏蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也溶液的稳定性，而且也破坏破坏了蛋白质的了蛋白质的结构结构和性质，和性质，产生的蛋白质沉淀产生的蛋白质沉淀不不可能重新可能重新溶解溶解于水