第三章蛋白质化学

1、2022-5-201第三章第三章 蛋白质化学蛋白质化学2022-5-202 早在早在18781878年，思格斯就在年，思格斯就在反杜林论反杜林论中指出：中指出：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。的自我更新。” ” 蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的物体最基本的结构物质结构物质和和功能物质功能物质。2022-5-203 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，除含有碳、氢、除含有碳、氢、氧、氮

2、和少量的硫外，某些蛋白质还含有磷、铁、氧、氮和少量的硫外，某些蛋白质还含有磷、铁、锌、铜、钼、碘等元素。锌、铜、钼、碘等元素。 碳碳 5055 氢氢 68 氧氧 2023 氮氮 1518% 硫硫 04第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成2022-5-204 由于由于大多数蛋白质的含氮量接近于大多数蛋白质的含氮量接近于16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：算蛋白质的大概含量：样品蛋白质含量样品蛋白质含量 = 样品含氮量样品含氮量 6.252022-5-205蛋白质水解蛋白质水解降解物降解物蛋白质蛋白质 眎眎(sh) 胨胨多肽

3、多肽二肽二肽氨基酸氨基酸分子质分子质量量(u)10751052103500 1000约约200约约100 随着水解条件的改变，肽以前的这些降解物最终随着水解条件的改变，肽以前的这些降解物最终都可以水解成氨基酸；而氨基酸则不能水解成更小都可以水解成氨基酸；而氨基酸则不能水解成更小的单位。的单位。 所以，所以，氨基酸氨基酸是蛋白质的基本结构单元。是蛋白质的基本结构单元。2022-5-206 组成生物体蛋白质的氨基酸常见的有组成生物体蛋白质的氨基酸常见的有20种。种。通式为：通式为：R CH NH2 COOH 其中其中19种为种为氨基酸，氨基酸， 脯氨酸脯氨酸 ( Pro )为亚氨基为亚氨基酸。酸。

4、 蛋白质水解得到的蛋白质水解得到的氨基酸都属于氨基酸都属于L构型构型。2022-5-207手性碳手性碳2022-5-2082022-5-209氨基酸的分类氨基酸的分类 根据根据R基团的极性分类：基团的极性分类：1. 非极性非极性氨基酸氨基酸：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp2. 极性极性不带电荷不带电荷氨基酸氨基酸：Gly、Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys3. 极性极性带负电荷带负电荷氨基酸氨基酸：Asp、Glu4. 极性极性带正电荷带正电荷氨基酸氨基酸：His、Lys、Arg2022-5-2010非非极极性性氨氨基基酸酸2022-5-2011极极性

5、性不不带带电电荷荷氨氨基基酸酸2022-5-2012极极性性带带负负电电荷荷氨氨基基酸酸2022-5-2013极极性性带带正正电电荷荷氨氨基基酸酸2022-5-2014硒代半胱氨酸硒代半胱氨酸（Selenocysteine ） is found in many enzymes (having been recognized as the 21st amino acid in ribosome-mediated protein synthesis!).2022-5-2015 根据根据R基团的结构分类：基团的结构分类：1. 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、

6、Cys、Ser、Thr、Glu、Asp、Lys、Arg、Gln、Asn2. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸：Phe、Tyr3. 杂环氨基酸杂环氨基酸：His、Trp4. 杂环亚氨基酸杂环亚氨基酸：Pro2022-5-2016 根据根据R基团的酸碱性分类：基团的酸碱性分类：1. 酸性氨基酸酸性氨基酸：Asp、Glu2. 碱性氨基酸碱性氨基酸：Lys、Arg、His3. 中性氨基酸中性氨基酸：其他：其他2022-5-2017必需氨基酸必需氨基酸：在人和反刍动物体内不能合成，需：在人和反刍动物体内不能合成，需从食物中摄取，以保证正常生命活动的需要，这从食物中摄取，以保证正常生命活动的需要，这类氨基酸称。如

7、：类氨基酸称。如： Val、 Ile、 Leu、 Phe、 Met、 Trp、 Thr、Lys半必需氨基酸半必需氨基酸：在人和反刍动物体内能合成，但在人和反刍动物体内能合成，但合成速度慢，不能满足人体需要，这类氨基酸合成速度慢，不能满足人体需要，这类氨基酸称。如：称。如： His、Arg2022-5-2018非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸：以游离态或结合态存在，不参与：以游离态或结合态存在，不参与蛋白质的组成。如茶氨酸。蛋白质的组成。如茶氨酸。稀有氨基酸稀有氨基酸：是一些氨基酸的衍生物，不参与蛋白：是一些氨基酸的衍生物，不参与蛋白质的合成。蛋白质合成以后通过酶的催化修饰而形质的合成。蛋白质合成以

8、后通过酶的催化修饰而形成的。如成的。如4-羟基脯氨酸。羟基脯氨酸。2022-5-2019 除除甘氨酸甘氨酸外，氨基酸外，氨基酸均含有一个均含有一个手性手性 -碳碳原子，因此都具有旋原子，因此都具有旋光性光性。比旋光度是氨比旋光度是氨基酸的重要物理常数基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据基酸的重要依据 氨基酸的旋光性氨基酸的旋光性氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质2022-5-2020 构成蛋白质的构成蛋白质的20种氨种氨基酸都不吸收可见光。基酸都不吸收可见光。酪氨酸酪氨酸(Tyr)、色氨酸色氨酸(Trp)、苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe)具有共轭双键结构，能具有共轭双键

9、结构，能够吸收紫外光。够吸收紫外光。 氨基酸的紫外吸收氨基酸的紫外吸收2022-5-20212022-5-2022 氨基酸在结晶形态或在水溶液中，以氨基酸在结晶形态或在水溶液中，以两性离子两性离子的形式存在。在不同的的形式存在。在不同的pH条件下，两性离子的状条件下，两性离子的状态也随之发生变化。态也随之发生变化。COO-CHH3N+R-pK1+H+H+COOHC HH3N+RH+H+pK2-COO-CHH2NR 氨基酸的两性解离氨基酸的两性解离pHpIpHpIpHpI2022-5-2023氨基酸的等电点氨基酸的等电点(Isoelectric point, pI )：在某一：在某一特定的特定的

10、pH条件下，氨基酸分子在溶液中离解成阳条件下，氨基酸分子在溶液中离解成阳离子和阴离子的数目和趋势相等，这时溶液的离子和阴离子的数目和趋势相等，这时溶液的pH即为该氨基酸的等电点。即为该氨基酸的等电点。当当 pH pI时，氨基酸带时，氨基酸带正正电荷电荷 pH pI时，氨基酸带时，氨基酸带负负电荷电荷2022-5-20242022-5-2025pI = (pK1+pK2)/22022-5-2026An acidic amino acid pI=(pK1+pKR)/22022-5-2027A basic amino acid pI=(pKR+pK2)/22022-5-20282022-5-2029

11、 名名 称称 底底 物物 (-AA(-AA) )条件条件产物产物特征特征 应用应用茚三酮反应茚三酮反应水合茚三酮水合茚三酮弱酸弱酸加热加热蓝紫蓝紫色色定性、定量测定性、定量测AA亚硝酸反应亚硝酸反应亚硝酸亚硝酸室温室温N2测蛋白质水解测蛋白质水解程度程度Sanger反应反应2,4-二硝基二硝基氟苯氟苯弱碱弱碱黄色黄色N-末端分析末端分析Edman反应反应异硫氰酸苯异硫氰酸苯酯酯弱碱弱碱N-末端分析末端分析 氨基酸的化学反应氨基酸的化学反应2022-5-2030茚三酮反应茚三酮反应 氨基酸与茚三酮（氨基酸与茚三酮（ninhydrin）的反应是一个检）的反应是一个检测和定量氨基酸和蛋白质的重要反应

12、。测和定量氨基酸和蛋白质的重要反应。2022-5-2031Sanger反应反应 2,4-二硝基氟苯（二硝基氟苯（2,4-dinitrofluorobenzene, DNFB）也叫做）也叫做Sanger试剂。试剂。DNFB在弱碱性在弱碱性溶液中与氨基酸发生取溶液中与氨基酸发生取代反应，生成黄色化合代反应，生成黄色化合物二硝基苯基氨基酸物二硝基苯基氨基酸（dinitro phenyl amino acid, DNP氨基酸）氨基酸）2022-5-2032Edman反应反应 苯异硫氰酸酯（苯异硫氰酸酯（PITC）在弱碱性条件下，与氨在弱碱性条件下，与氨基酸反应生成苯乙内酰基酸反应生成苯乙内酰硫脲衍生物

13、，即硫脲衍生物，即PTH-氨氨基酸，此反应又称之基酸，此反应又称之Edman反应，该反应是反应，该反应是蛋白质或多肽氨基酸序蛋白质或多肽氨基酸序列测定常用的反应。列测定常用的反应。2022-5-2033 一个氨基酸的一个氨基酸的氨基氨基与另与另一个氨基酸的一个氨基酸的羧基羧基之间失之间失水形成的水形成的酰胺键酰胺键称为称为肽键肽键(peptide bond)。 氨基酸通过肽键连接起氨基酸通过肽键连接起来的化合物称为来的化合物称为肽肽(peptide)。肽与肽键肽与肽键肽键肽键2022-5-2034 由两个氨基酸组成的肽称为由两个氨基酸组成的肽称为二肽二肽；依次称为依次称为三三肽、四肽、五肽肽、

14、四肽、五肽等。等。含量小于含量小于10个氨基酸的肽称个氨基酸的肽称为为寡肽寡肽；超过；超过10个氨基酸的肽称为个氨基酸的肽称为多肽多肽。组成多。组成多肽的氨基酸单元称为肽的氨基酸单元称为氨基酸残基氨基酸残基(amino acid residue)。 通常在多肽链的一端含有一个游离的通常在多肽链的一端含有一个游离的 -氨基，称氨基，称为为氨基端氨基端或或N-端端；在另一端含有一个游离的；在另一端含有一个游离的 -羧羧基，称为基，称为羧基端羧基端或或C-端端。氨基酸的顺序是从。氨基酸的顺序是从N-端端的氨基酸残基开始，以的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的端氨基酸残基为终点的排列顺序。排列

15、顺序。2022-5-2035Ser-Gly-Try-Ala-Leu2022-5-2036 肽键中的肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自键具有部分双键性质，不能自由旋转。由旋转。已知已知C CN N单键的键长为单键的键长为0.147nm0.147nm，C=NC=N双键的键长是双键的键长是0.127nm0.127nm，而肽键中，而肽键中C CN N的的键长为键长为0.132nm0.132nm 2022-5-2037v肽键具有平面性，组成肽键的肽键具有平面性，组成肽键的4个原子和个原子和2个个C处在同一平面内，称处在同一平面内，称酰氨平面酰氨平面(amide plane) 。2022-5-203

16、8 多肽链可以看成由多肽链可以看成由C串联起来的无数个酰胺平串联起来的无数个酰胺平面组成。面组成。2022-5-2039 指蛋白质分子指蛋白质分子中氨基酸的中氨基酸的排排列顺序列顺序及二硫及二硫键的位置。键的位置。第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构 Primary structure2022-5-2040胰岛素2022-5-2041每一种蛋白质都具有唯一的氨基酸序列，实际上蛋白每一种蛋白质都具有唯一的氨基酸序列，实际上蛋白质的氨基酸序列是由质的氨基酸序列是由DNA决定的。决定的。蛋白质的氨基酸序列具有重要意义：蛋白质的氨基酸序列具有重要意义：

17、1. 蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋白质生物活性的分子基础；蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋白质生物活性的分子基础； 2. 蛋白质的一级结构决定它的空间结构；蛋白质的一级结构决定它的空间结构；3. 氨基酸序列的改变可以导致蛋白功能异常和疾病氨基酸序列的改变可以导致蛋白功能异常和疾病(图）；图）；4. 通过对一些蛋白质的氨基酸序列的比较可以反应出一些生通过对一些蛋白质的氨基酸序列的比较可以反应出一些生物亲缘关系物亲缘关系(图）图） 。2022-5-2042镰刀型贫血镰刀型贫血 .N.Val 6正常人血红蛋白，正常人血红蛋白，.N.Glu 6GAAGTA2022-5-20432022-5-2044二、构型与

18、构象二、构型与构象构型构型(configuration)：分：分D或或L型型构象构象(conformation)：单键的旋转：单键的旋转构型构型（configurationconfiguration）：立体异构体分）：立体异构体分子中取代原子或基团在空间的取向。如几子中取代原子或基团在空间的取向。如几何异构和光学异构体。两种构型之间如果何异构和光学异构体。两种构型之间如果没有共价键的断裂则不能互变。没有共价键的断裂则不能互变。2022-5-2045v构象构象（conformationconformation）取代基团当单键旋转）取代基团当单键旋转时形成不同的立体结构，这种空间位置的改时形成不同

19、的立体结构，这种空间位置的改变不涉及共价键的断裂。变不涉及共价键的断裂。v例如乙烷分子中例如乙烷分子中C CC C单键旋转时，它们所连单键旋转时，它们所连接的氢原子相对空间位置随之改变，产生无接的氢原子相对空间位置随之改变，产生无数种构象，其中交叉型构象最稳定，重叠型数种构象，其中交叉型构象最稳定，重叠型构象最不稳定构象最不稳定2022-5-20462022-5-2047 指多肽链指多肽链主链主链由于由于氢键氢键的作用而形成的空间排的作用而形成的空间排布。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形布。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。成的氢键。 主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -折

20、叠、折叠、 - -转角、转角、-转角、转角、无规则卷曲等。无规则卷曲等。三、蛋白质的二级结构三、蛋白质的二级结构 Secondary structure2022-5-2048 1. 多肽链主链环绕螺旋中多肽链主链环绕螺旋中心轴心轴螺旋式上升螺旋式上升。螺旋。螺旋一周，沿轴上升的距离一周，沿轴上升的距离即螺距为即螺距为0.54nm，含，含3.6个氨基酸残基；两个氨个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为基酸之间的距离为0.15nm。(1) -螺旋螺旋 ( -helix)1951年，年，Pauling and Corey 提出，提出，要点有：要点有：2022-5-20492.肽链内形成肽链内形成氢键氢

21、键，氢，氢键的取向几乎与轴平行，键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰第一个氨基酸残基的酰胺基团的胺基团的-CO基基的的O与与第四个氨基酸残基酰胺第四个氨基酸残基酰胺基团的基团的-NH基基的的H形成形成氢键。氢键。3. 蛋白质分子为右手蛋白质分子为右手 -螺旋。螺旋。2022-5-20502022-5-2051 - -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。的主链呈锯齿桩折叠构象。 - -折叠有两种类型：折叠有两种类型：平行式平行式和和反平行式。反平行

22、式。(2) - 折叠折叠 (- pleated sheet)2022-5-2052反平行式反平行式 - 折叠折叠NC2022-5-2053平行式平行式 - 折叠折叠N2022-5-2054 由由四个四个氨基酸残基组氨基酸残基组成，弯曲处的第一个氨成，弯曲处的第一个氨基酸残基的基酸残基的 -C=O 和第和第四个残基的四个残基的 N-H 之间之间形成氢键，形成一个不形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。很稳定的环状结构。(3) - 转角转角 (- turn)2022-5-2055四、蛋白质的超二级结构四、蛋白质的超二级结构 Super secondary structure 指相互邻近的二级结构在

23、空间折叠中靠近，彼指相互邻近的二级结构在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的此相互作用，形成规则的二级结构聚合体二级结构聚合体。 种类有：种类有：、 、 等。等。2022-5-20562022-5-2057五、蛋白质的结构域五、蛋白质的结构域 structural domain 在较大的蛋白质分子或亚基中，其三维结构往在较大的蛋白质分子或亚基中，其三维结构往往可以形成两个或多个往可以形成两个或多个空间上可以明显区别的区空间上可以明显区别的区域域。肌钙蛋白肌钙蛋白C2022-5-2058 是指在二级结构基础上，肽链进一步折叠卷是指在二级结构基础上，肽链进一步折叠卷曲形成的特定空间构象。包括侧

24、链基团在内的曲形成的特定空间构象。包括侧链基团在内的所有原子空间排列。所有原子空间排列。 维系蛋白质三级结构的主要作用力是维系蛋白质三级结构的主要作用力是次级键次级键。包括包括氢键、疏水力、离子键、范德华力、配位氢键、疏水力、离子键、范德华力、配位键、酯键键、酯键等。另外还可有等。另外还可有二硫键。二硫键。六、蛋白质的三级结构六、蛋白质的三级结构 Tertiary structure2022-5-20592022-5-2060肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构2022-5-2061Tertiary structure of sperm whale myoglobin. a) backbone

25、; b) ”mesh” image; c) surface contour image; d) ribbon; e) space-filling model.2022-5-2062 指寡聚蛋白中各亚基立体排布和各亚基间的相指寡聚蛋白中各亚基立体排布和各亚基间的相互作用。互作用。 由两条或两条以上的多肽链盘绕聚合而成的蛋由两条或两条以上的多肽链盘绕聚合而成的蛋白质，称为白质，称为寡聚蛋白质寡聚蛋白质，其每一条具有三维结，其每一条具有三维结构的多肽链称为构的多肽链称为亚基亚基(subunit)。 维持亚基之间的化学键主要是疏水力。维持亚基之间的化学键主要是疏水力。六、蛋白质的四级结构六、蛋白质的四

26、级结构 Quaternary structure2022-5-20632022-5-20642022-5-20652022-5-20662022-5-20672022-5-2068第四节第四节 蛋白质的重要理化性质蛋白质的重要理化性质一、蛋白质的两性解离及等电点一、蛋白质的两性解离及等电点 蛋白质也是两性电解质，蛋白质分子所带电荷蛋白质也是两性电解质，蛋白质分子所带电荷的性质与数量是由蛋白质中的性质与数量是由蛋白质中可解离基团的种类和可解离基团的种类和数目数目以及以及溶液的溶液的pH共同决定。共同决定。2022-5-2069 等电点等电点(pI)：蛋白质所带正电荷与负电荷相等：蛋白质所带正电荷与负电荷相等时溶液时溶液pH。 蛋白质在等电点蛋白质在等电点pH条