第二章第一节蛋白质的分子组成

1、第二章第二章 蛋白质的化学蛋白质的化学 学习目标蛋白质的元素组成与基本组成单位氨基酸的结构与分类必需氨基酸的概念与种类肽键、肽、寡肽、多肽概念氨基酸残基、生物活性肽的概念蛋白质的一级结构第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成 蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为： 碳 50 氢 7 氧 23 氮 16% 硫 03 其他 微 量 氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近

2、于16%，即1g氮相当于6.25g蛋白质。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： 1、100g样品中所含蛋白质克数=每克样品中含氮的克数1006.25 2、蛋白质含量=氮的量100/166.25二、蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位 1. 1.氨基酸的结构氨基酸的结构 氨基酸是蛋白质水解的最终产物，是组成蛋白质的基本单位。组成自然界的蛋白质的氨基酸有20种，根据其结构和性质的不同，可分为各种不同的类型。他们都有共同的结构通式： 与羧基相邻的-碳原子上都有一个氨基，因而称为-氨基酸 COOHH2N CH -碳原子基团 R R基团2.2.构成蛋白质的构成蛋白质的2020种氨

3、基酸种氨基酸3.3.人体所需的八种必需氨基酸人体所需的八种必需氨基酸赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 蛋氨酸(Met) 色氨酸(Try) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile)苏氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe)第二节 蛋白质的结构与功能一、蛋白质基本结构一、蛋白质基本结构 1.蛋白质的基本结构蛋白质的基本结构一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧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。由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。 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顺序通常在多肽链的一端含有一个游离的-

4、氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-GlnCCNCCNCCNCCNCC H2C HC H2C H2C H2C O O-O HC O2HC H2C O N H2O HC H3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnC H3N-端C-端肽键寡寡 肽肽 生物活性肽生物活性肽 人体内存在某些具有重要生理功能的低分子多肽称为生物活性肽。如：脑啡肽；缩宫素；生长素；谷胱甘肽。 脑啡肽 2.2.蛋白质的一级结构蛋白质

5、的一级结构 蛋白质的一级结构包括：蛋白质的一级结构包括： (1)组成蛋白质的多肽链数目. (2)多肽链的氨基酸顺序， (3)多肽链内或链间二硫键的数目和位置。 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。 蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。级结构。 结构与功能的关系蛋白质的一级结构由遗传信息所决定，一级结构是空间结构的基础。蛋白质一级结构一旦确立，其空间结构以及生理功能也基本确立。一级结构被破坏，其空间结构与生理功能也就发生改变。本节习题本节习题1 1、组成蛋白质的主要元素有、组成蛋白质的主要元素有_ _ 、_、 _

6、、_。不同蛋白质的含不同蛋白质的含_量颇为相近，平均含量为量颇为相近，平均含量为_%_%。2 2、组成蛋白质的基本单位是、组成蛋白质的基本单位是_，它的化学结构通式，它的化学结构通式是是_。3 3、维持蛋白质的一级结构稳定的主要化学键是、维持蛋白质的一级结构稳定的主要化学键是_。4 4、在蛋白质分子中，一个氨基酸的、在蛋白质分子中，一个氨基酸的 碳原子上的碳原子上的_与与另一个氨基酸另一个氨基酸 碳原子上的碳原子上的_脱去一分子水形成脱去一分子水形成的键叫的键叫_，它是蛋白质分子中的基本结构键。，它是蛋白质分子中的基本结构键。5 5、名词解释：必需氨基酸、肽键、肽、寡肽、多肽、氨、名词解释：必

7、需氨基酸、肽键、肽、寡肽、多肽、氨基酸残基、生物活性肽、蛋白质一级结构。基酸残基、生物活性肽、蛋白质一级结构。教学相长 蛋白质的元素组成 蛋白质的基本组成单位 氨基酸的结构通式 必需氨基酸？种类？ 肽键？肽？生物活性肽？ 蛋白质的一级结构？第二节 蛋白质的结构与功能二二. .蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构1.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺旋、-折叠、-转角。(1). -螺旋螺旋 在-螺旋中肽平面的键长和键角一定,肽键的原子排列呈反式构型,

8、相邻的肽平面构成两面角.多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离0.15nm.肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子为右手-螺旋。左手和右手螺旋左手和右手螺旋 （2） -折叠折叠 -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。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm.

9、-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。（3） -转角转角在-转角部分，由四个氨基酸残基组成.四个形成转角的残基中，第三个一般均为甘氨酸残基弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。（）自由回转（）自由回转没有一定规律的松散肽链结构，但仍是紧密有序的稳定结构，通过主链间及主链与侧链间氢键维持其构象不

10、同的蛋白质，自由回转的数量和形式各不相同分两类： 紧密环 连接条带超二级结构和结构域超二级结构和结构域（）超二级结构（）超二级结构在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元组合在一起，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体。几种类型的超二级结构： ；超二级结构在结构超二级结构在结构层次上高于二级结构，但层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结没有聚集成具有功能的结构域构域 （）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就称结构域。结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，

11、结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。结构域一般由100200 个氨基酸残基组成，但大小范围可达 40400 个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。 在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性结构域与功能域的关系：结构域与功能域的关系：有时一个结构域就是蛋白质的功能域，但不总是包含一个但通常是多个结构域蛋白质的三

12、级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上进一步盘旋、折叠，从而生成特定的空间结构。包括主链和侧链的所有原子的空间排布一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构许多蛋白质是由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每个独立三级结构单元称为亚基。蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用。如，血红蛋白的四级结构得测定由佩鲁茨1958年完成，其结构要点为：球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基两条链，两条链，22 链：141个残基； 链：146个

13、残基分子量65 000含四个血红素辅基亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部三蛋白质分子中的共价键与次级键三蛋白质分子中的共价键与次级键一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构亚基四级结构 维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键 维系蛋白质分子的二级结构：氢键 维系蛋白质分子的三级结构：疏水相互作用力、氢键、范德华力、盐键 维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键 a盐键（离子键 ） b氢键 c疏水相互作用力 d 范德华力 e二硫键 f 酯键氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要盐键数量小二硫键对稳定蛋白质

14、构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定离子键离子键氢键氢键范德华力范德华力疏水相互作用力疏水相互作用力第四节第四节 蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子结构与功能的关系一一.蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系 研究蛋白质一级结构与功能的关系主要是：研究多肽链中不同部位的残基与生物功能的关系。 进行这方面的研究常用的方法有：同源蛋白质氨基酸顺序相似性分析、氨基酸残基的化学修饰及切割实验等。 例例1 镰刀形贫血病镰刀形贫血病l患者血红细胞合成了一种不正常的血红蛋白（Hb-S）l它与正常的血红蛋白（Hb-A）的差别：仅仅在于链的N-末端第6位残基发生了变化l（Hb-A）第6位

15、残基是极性谷氨酸残基，（Hb-S）中换成了非极性的缬氨酸残基l使血红蛋白细胞收缩成镰刀形，输氧能力下降，易发生溶血l这说明了蛋白质分子结构与功能关系的高度统一性例例2 一级结构的局部断裂与蛋白质的激一级结构的局部断裂与蛋白质的激活活 体内的某些蛋白质分子初合成时，常带有抑制肽，呈无活性状态，称为蛋白质原.蛋白质原的部分肽链以特定的方式断裂后，才变为活性分子.例：胰岛素，在刚合成时，是一个比成熟的胰岛素分子大一倍多的单链多肽，称为前胰岛素原前胰岛素原的N-末端有一段肽链，称为信号肽.信号肽被切去，剩下的是胰岛素原。胰岛素原比胰岛素分子多一段C肽，只有当C肽被切除后才成为有51个残基，分A、B两条

16、链的胰岛素分子单体.例例3 同源蛋白同源蛋白 同源蛋白：是指在不同有机体中实现同一功能的蛋白质.同源蛋白中的一级结构中有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称为不变残基；其他位置的氨基酸称可变残基.不同种属的可变残基有很大变化.可用于判断生物体间亲缘关系的远近.例：细胞色素Cl60 个物种中，有 27 个位置上的氨基酸残基完全不变，是维持其构象中发挥特有功能所必要的部位，属于不变残基.l可变残基可能随着进化而变异，而且不同种属的细胞色素 C氨基酸差异数与种属之间的亲缘关系相关。亲缘关系相近者，氨基酸差异少，反之则多（进化树）.黄色： 不变残基（invariable residues）蓝色

17、 ： 保守氨基酸（conservative residues）未标记：可变残基（variable residues）二二.蛋白质的构象与功能的关系蛋白质的构象与功能的关系 别构效应：又称变构效应，是指寡聚蛋白与配基结合，改变蛋白质构象，导致蛋白质生物活性改变的现象.它是细胞内最简单的调节方式.例：血红蛋白的别构效应一个亚基与氧结合后，引起该亚基构象改变进而引起另三个亚基的构象改变整个分子构象改变与氧的结合能力增加 第五节第五节 蛋白质的性质蛋白质的性质一一.蛋白质的分子大小蛋白质的分子大小蛋白质是分子量很大的生物分子，相对分子质量大于10 000.最高可达40 000 000（烟草花叶病毒）

18、蛋白质相对分子质量的测定方法蛋白质相对分子质量的测定方法1.根据化学成分测定最小相对分子质量根据化学成分测定最小相对分子质量 此法首先利用化学分析方法测定蛋白质分子中某一特殊成分的百分含量然后，假定蛋白质分子中该成分只有一个，据其百分含量可计算出最低相对分子质量：最小相对分子质量（已知成分的相对分子、原子质量）/已知成分的百分含量如果蛋白质分子中所含已知成分不是一个单位，则真实相对分子质量等于最小相对分子质量的倍数。2. 超离心法超离心法在60 00080 000r/min的高速离心力作用下，蛋白质分子会沿旋转中心向外周方向移动用光学方法测定界面移动的速度即为蛋白质的离心沉降速度蛋白质的沉降速

19、度与分子大小和形状有关沉降系数是溶质颗粒在单位离心场中的沉降速度，用S表示。一个S单位，为110-13秒相对分子质量越大，S值越大蛋白质的沉降系数：1200S 由沉降系数S可根据斯维得贝格Svedberg方程计算蛋白质分子的相对分子质量： M=RST/D1i R：气体常数 T：绝对温度 D：扩散系数 ：溶剂的密度3.凝胶过滤法凝胶过滤法凝胶过滤所用介质为凝胶珠，其内部为多孔网状结构一定型号的凝胶网孔大小一定，只允许相应大小的分子进入凝胶颗粒内部，大分子则被排阻在外洗脱时大分子随洗脱液从颗粒间隙流下来，洗脱液体积小；小分子在颗粒网状结构中穿来穿去，历程长，后洗脱下来，洗脱体积大测定蛋白质分子量一

20、般用葡聚糖，商品名：Sephadex测得几种标准蛋白质的洗脱体积Ve以相对分子质量对数（logM）对Ve作图，得标准曲线再测出未知样品洗脱体积Ve从标准曲线上可查出样品蛋白质的相对分子质量4.SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法聚丙烯酰胺凝胶电泳法SDS:十二烷基硫酸钠，变性剂普通蛋白质电泳的泳动速率取决于荷质比（净电荷、大小、形状）用SDS和巯基乙醇（打开二硫键）处理蛋白质变性（肽链伸展）并与SDS结合，形成SDS-蛋白质复合物不同蛋白质分子的均带负电（SDS带负电）；且荷质比相同（蛋白质分子大，结合SDS多；分子小，结合SDS少）不同蛋白质分子具有相似的构象用几种标准蛋白质相对分子质量的对数值对它

21、们的迁移率作图测出待测样品的迁移率从标准曲线上查出样品的相对分子质量 影响迁移率的主要因素影响迁移率的主要因素凝胶的分子筛效应对长短不同的棒形分子会 产 生不同的阻力主要因素凝胶的浓度和交联度同一电泳条件下，分子小，受阻小，游动快，迁移率大。相对分子质量大者，迁移率小 优点：优点：快速，样品用量少，可同时测几个样品 缺点：缺点：误差大，约为10（误差主要来源于迁移距离的测量误差） 此方法只能测得此方法只能测得 亚基肽链的相对分子质量亚基肽链的相对分子质量二. 蛋白质的两性离解和电泳现象蛋白质的两性离解和电泳现象蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时(Isoelectric

22、point pI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。三三.蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。

23、四四.蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。 1.(1)在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。(2) 在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。(3)可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。(1)在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。(2)由于沉淀过程发生了蛋白质

24、的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。(3)如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。 蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性. 变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。这三种氨基酸的在280nm 附近有最大吸收。因此，大多数蛋白质在280nm 附近显示强的

25、吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。七七.蛋白质的颜色反应蛋白质的颜色反应1.双缩脲反应：双缩脲反应： 两分子双缩脲与碱性硫酸铜作用，生成粉红色的复合物含有两个或两个以上肽键的化合物，能发生同样的反应肽键的反应，肽键越多颜色越深受蛋白质特异性影响小蛋白质定量测定；测定蛋白质水解程度 2.米伦氏反应米伦氏反应酪氨酸的显色反应（酚羟基反应）米伦试剂为硝酸、亚硝酸、硝酸汞、亚硝酸汞的混合物蛋白溶液中，加入米伦试剂，产生白色沉淀，加热后变成红色3.乙醛酸反应乙醛酸反应在蛋白质溶液中加入HCOCOOH，将浓硫酸沿管壁缓慢加入，不使相混，在液面交界处，即有紫色环形成色氨酸的反应（吲哚环的反应）鉴

26、定蛋白质中是否含有色氨酸明胶中不含色氨酸4.坂口反应坂口反应精氨酸的反应（胍基的反应）精氨酸与-萘酚在碱性次氯酸钠（或次溴酸钠）溶液中发生反应，产生红色产物鉴定蛋白质中是否含有精氨酸定量测定精氨酸5.福林试剂反应福林试剂反应酪氨酸、色氨酸的反应（还原反应）福林试剂：磷钼酸-磷钨酸 与双缩脲法结合-Lowry法在碱性条件下，蛋白质与硫酸铜发生反应蛋白质-铜络合物，将福林试剂还原，产生磷钼蓝和磷钨蓝混合物灵敏度提高100倍6.茚三酮反应茚三酮反应灵敏度差7.黄蛋白反应黄蛋白反应浓硝酸与酪氨酸、色氨酸的反应生成黄色化合物指甲、皮肤、毛发8.考马斯亮蓝考马斯亮蓝G-250本身为红色，与蛋白质反应呈蓝色

27、与蛋白的亲和力强，灵敏度高1-1000微克/毫升 第六节第六节 蛋白质的分类蛋白质的分类一一. 依据蛋白质的外形分类依据蛋白质的外形分类 按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。1.球状蛋白质：（球状蛋白质：（globular protein）外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。2.纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous protein)分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。二二. 按照蛋白质的组成，可以分为1.简单蛋白简单蛋白(simple protein) ：又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由-氨基酸组成的肽链，不含其它成分。（1）清蛋白和球蛋白：albumin and globulin广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。（2）谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin)：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于7080乙醇中。（3）精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。（4）硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。2.结合蛋白结合蛋白(conjugated protein)：由简单蛋白与其它非