蛋白质的化学

蛋白质的化学蛋白质的化学1蛋白质的化学组成2蛋白质的分子结构3蛋白质的理化性质4蛋白质的营养作用5蛋白质类药物的工业生产【学习目标】

掌握蛋白质的元素组成、基本组成单位、一级结构、空间结构、结构与功能的关系以及蛋白质的理化性质。熟悉蛋白质的分类、生物学功能及蛋白质分离纯化方法。【重点难点】

蛋白质的元素组成及基本组成单位；蛋白质的一级结构、空间结构及其与生物学功能的关系；蛋白质理化性质。蛋白质是构成生物体的基本成分人体干重约45%细菌约50%~80%干酵母约46.6%黄豆约40%

蛋白质（Protein）由19种氨基酸和1种亚氨基酸组成的、具有复杂结构和特定功能的大分子物质。蛋白质具有多样性的生物学功能生物催化作用：酶代谢调节作用：激素免疫保护作用：免疫球蛋白物质的转运与储存功能：血红蛋白运输O2和CO2，运铁蛋白运输Fe，血浆脂蛋白运输脂类物质运动和支持功能：肌动蛋白和肌球蛋白完成肌肉的收缩与舒张，皮肤、骨骼和肌腱的胶原纤维主要含胶原蛋白生长、繁殖、遗传、变异功能：核蛋白生物膜的功能和受体：生物膜的基本成分为蛋白质和脂类，受体传递信息保护结缔组织的功能：作为结缔组织的主要成分等等一、蛋白质的元素组成第一节蛋白质的化学组成主要元素C50%~55%H6%~7%O20%~23%N15%~17%S0~2%微量元素P牛乳中的酪蛋白Fe血中的血红蛋白I甲状腺中的甲状腺球蛋白大多数蛋白质的含氮量比较接近且恒定，平均为16%。蛋白质定量（微量凯氏定氮法的基础）:

蛋白质的含量=蛋白质样品含氮量×6.25二、蛋白质的基本单位—氨基酸氨基酸(Aminoacid):

羧酸分子中α-C原子上的一个H原子被-NH2取代而生成的化合物,又称α-氨基酸(脯氨酸除外）。氨基酸的结构特点①除脯氨酸（α-亚氨基酸）外，其余都是α-氨基酸。②具有酸性-COOH和碱性-NH2，故氨基酸为两性电解质。③不同的α-氨基酸其R侧链不同，R侧链对蛋白质的空间结构和理化性质有重大影响。④除R为H的甘氨酸外，其它氨基酸的α-C原子都是手性碳原子，故具有旋光异构现象：D型和L型。氨基酸的构型构型：根据甘油醛构型确定D－型和L－型注意：①构型与旋光性方向并无直接对应关系。

②组成天然蛋白质的氨基酸大多数是L-α-氨基酸。非极性R基氨基酸：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Tre）、蛋氨酸（Met）共9种极性不解离R基氨基酸：、丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）、半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln）共6种酸性R基氨基酸：谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）共2种碱性R基氨基酸：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、组氨酸（His）共3种氨基酸分类*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:★必需氨基酸：维持生命活动必不可少，但体能不能合成或合成不足，必需从外界食物摄取的氨基酸。包括8类：赖、色、苯丙、蛋苏、亮、异亮、缬三、蛋白质的分类清蛋白和球蛋白：清蛋白易溶于水；球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。谷蛋白和醇溶谷蛋白：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于70～80％乙醇中。精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在于细胞核中。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。核蛋白：如细胞核中的核糖核蛋白等。糖蛋白：如细胞膜中的糖蛋白等。脂蛋白：如血清-，-脂蛋白等。色蛋白：如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。磷蛋白：如角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。金属蛋白：如钙结合蛋白等。单纯蛋白质结合蛋白质按组成分类外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，多为功能蛋白质。如血红蛋白、酶、免疫球蛋白等。球状蛋白质纤维状蛋白质按分子形状分类分子呈纤维状，多为结构蛋白质。可溶性纤维状蛋白质：肌肉的结构蛋白、血清蛋白等。不溶性纤维状蛋白质：胶原蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。第二节蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构肽键

一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间脱水缩合形成的酰胺键称为肽键（peptidebond），所形成的化合物称为肽。肽通常在多肽链的一端含有一个完整的-氨基，称为氨基端或N-末端；在另一端含有一个完整的-羧基，称为羧基端或C-末端。

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。肽单元参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元

(peptideunit)

。肽链结构

有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。如：脑啡肽、激素类多肽、抗生素类多肽、谷胱甘肽、蛇毒多肽等。蛋白质的一级结构1969年，国际纯化学与应用化学委员会（IUPAC）规定：

蛋白质的一级结构（Primarystructure）指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置。

一级结构的意义牛胰岛素的一级结构二、蛋白质的空间结构

蛋白质的二级结构（Secondarystructure）是指多肽链骨架中若干肽单位各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则的构象。主要形式有-螺旋、-折叠、-转角、无规则卷曲。蛋白质的二级结构

维持和稳定蛋白质分子构象的作用力：

氢键：

X—H······Y

疏水键：是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而群集在一起的集合力。

范德华力：在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一种较弱的作用力。

离子键：由带相反电荷的两个基团间的静电吸引所形成的。离子键氢键范德华力疏水作用力蛋白质的二级结构-螺旋的特点：①绝大多数天然蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋。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，每个氨基酸残基的高度为0.15nm;②肽链内相邻两个螺旋之间形成一个氢键，是稳定-螺旋的主要次级键。氢键的取向几乎与轴平行，每个氨基酸残基的C=O氧与其后第四个氨基酸残基的N-H氢形成氢键。③肽键中的氨基酸残基的R基侧链分布在螺旋的外侧，其形状、大小及电荷均影响-螺旋的形成和稳定。多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成-螺旋结构。1、α－螺旋（α-helix）螺距0.54nm每残基的轴向高度0.15nm每残基绕轴旋转100o2、β－折叠（β-pleatedsheet）β－折叠的特点：①肽链充分伸展使肽键平面之间折叠呈锯齿状结构，侧链R基团交替分布于锯齿状结构的上下方。②肽链平行排列，相邻肽链间的肽键交替形成氢键，是稳定β－折叠的主要次级键。③相邻排列的两条β－折叠结构的走向相同称为顺向平行。反之，称为逆向平行。逆向平行的β－折叠更为稳定。β－折叠走向3、β－转角（β-turn）主链形成180°的回折结构。由四个连续氨基酸残基构成。（或发夹结构）★目前发现的-转角多数都存在蛋白质分子表面，它们的含量相当丰富，约占全部氨基酸残基的1/4。4、无规则卷曲

多肽链由于肽键平面在空间的不规则排布形成的松散结构称为无规则卷曲。

在一般球蛋白分子中，往往含有大量的无规则卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。

虾红素二级－－三级

蛋白质的三级结构

整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。二级的基础上进一步折叠，即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。蛋白质的三级结构疏水键是维持三级结构（Tertiarystructure）稳定的主要作用力。磷酸丙糖异构酶丙酮酸激酶蛋白质的四级结构两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链以非共价键缔合形成的复杂空间结构四聚体二聚体亚基

疏水键是稳定四级结构（Quarternarystructure）的主要作用力。一级结构→二级结构→三级结构→四级结构→发挥功能三、蛋白质分子结构与功能的关系一级结构与功能一级结构是空间结构的基础，也是蛋白质功能的基础。①一级结构不同，生物学功能不同。②一级结构中的“关键”部分相同，其功能也相同。关键”部分变化，功能随之改变。例一：细胞色素C多种生物的细胞色素C一级结构的研究结果表明：①亲缘关系越近，氨基酸顺序的同源性越大。②尽管不同生物间亲缘关系差别很大，但与细胞色素C功能密切相关的氨基酸顺序却有共同之处，即保守顺序不变。不同生物与人的细胞色素C相比较氨基酸数目差异

黑猩猩0鸡、火鸡13

牛猪羊10海龟15

狗驴11小麦35

粗糙链孢霉43酵母菌44一级结构与功能例二：镰刀形红细胞贫血病病因：血红蛋白氨基酸顺序的细微变化谷氨酸缬氨酸红细胞变形成镰刀状,输氧功能下降,细胞脆弱易溶血。空间构象与功能①空间构象是实现蛋白质功能的基础，构象改变功能随之改变。②有时蛋白质的构象发生轻微改变，但其生物学活性会有显著变化。例一：RNase（核糖核酸酶）的变性与复性例二：血红蛋白的变构有些蛋白质分子在表现其生物功能时，构象必须发生一定的变化。

CO也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红素的结合能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制肌红蛋白或血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。一、蛋白质的两性解离性质

蛋白质分子在溶液中解离成正、负离子的数目正好相等，即净电荷为0，这时溶液的pH值即为蛋白质的等电点，简称pI（isoelectricpoint）。第三节蛋白质的理化性质

带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象称为电泳(electrophoresis).不同带电粒子因所带电荷不同，或虽所带电荷相同但荷质比不同，在同一电场中电泳，经一定时间后，由于移动距离不同而相互分离。分开的距离与外加电场的电压与电泳时间成正比。电泳

蛋白质在有洗涤剂，如：十二烷基硫酸钠，SDS/十二烷基磷酸钠，SDP)出现时会变性。洗涤剂会以负电荷覆盖蛋白质。通常SDS键结的量跟蛋白质的大小有关系，所以键结后变质的蛋白质带有负电荷，而且所有蛋白质有相似的“荷质比”（电荷和质量的比值）。

和SDS结合的蛋白质在凝胶内移动的速率只和它的大小有关，跟它的带电量或形状无关。

二、蛋白质的变性

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（denaturation）。若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)。变性因素：加热、紫外线、剧烈搅拌、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。变性本质：破坏了维持蛋白质空间构象的次级键，不改变蛋白质的一级结构。生物活性丧失三、蛋白质的高分子性质质点直径1～100nm

→→→蛋白质溶液具有胶体性质。胶体稳定因素：①蛋白质颗粒表面具有水化膜②蛋白质分子表面带有同种电荷←←←阻隔←←排斥四、蛋白质的沉淀

蛋白质在溶液中靠水化层和电荷保持其稳定性，一旦除去水化层和电荷，蛋白质溶液的稳定性就被破坏，蛋白质就会从溶液中聚集析出，此现象即为蛋白质的沉淀作用(precipitation)。沉淀过程大量中性盐NaCl等盐析法蛋白质不变性。常用于活性蛋白质的分级沉淀。有机溶剂沉淀法有机溶剂乙醇等

易引起蛋白质变性，宜低温进行操作。可用于混合蛋白质的分级沉淀。加热法加热常在等电点

可使蛋白质变性，尤其在等电点时最易变性。重金属盐沉淀法重金属离子Hg2+、Pb2+等

pH＞pI时，蛋白质带负电荷，可与重金属阳离子结合沉淀。生物碱试剂沉淀法生物碱试剂TCA等

pH＜pI时，蛋白质带正电荷，可与生物碱阴离子结合沉淀。五、蛋白质的颜色反应茚三酮反应双缩脲反应酚试剂反应蛋白质＋茚三酮————————→蓝紫色物质弱酸性溶液，加热蛋白质＋Cu2+——————→紫红色物质碱性溶液蛋白质＋酚（福林试剂）试剂————→蓝色物质碱性条件含酪氨酸、色氨酸含磷钨酸－磷钼酸蛋白质定性、定量的常用方法六、蛋白质的紫外吸收

这三种氨基酸在280nm附近有最大吸收，因此大多数蛋白质在280nm附近显示强吸收。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。第四节蛋白质的营养作用一、食物蛋白质的生理功能维持组织器官的生长、发育和修补作为体内重要物质合成和更新的原料维持体内环境平衡、传递遗传信息氧化供能二、氮平衡氮平衡指摄入蛋白质的含氮量与排泄物的含氮量之间的关系。氮总平衡摄入＝排出氮正平衡摄入＞排出氮负平衡摄入＜排出三、食物蛋白质的营养价值

必需氨基酸（essentialaminoacid）是指机体需要但自身不能合成，必须由外界摄入的氨基酸。8种必需氨基酸赖氨酸(Lys)、缬氨酸(Val)、蛋氨酸(Met)、色氨酸(Trp)亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、苏氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe)婴儿时期所需:精氨酸(Arg)、组氨酸(His)早产儿所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)蛋白质的营养价值评价①食物的蛋白质含量②食物蛋白质的消化率③蛋白质的利用率蛋白质消化率校正氨基酸计分（PDCAAS）食物蛋白质动物性蛋白质：肉类、蛋类、奶类等。植物性蛋白质：米面类、豆类等。四、蛋白质的生理需要量成年人：1~1.5g/天/kg儿童、青少年、孕妇等：

1.5~3g/天/kg第五节蛋白质类药物的工业生产一、材料的选取来源：动植物组织、微生物等。选取原则：富含蛋白质、容易获得和提取、无害二、蛋白质的提取胞外蛋白质溶媒提取胞内蛋白质破碎细胞溶媒提取超声波、匀浆器等三、蛋白质的分离纯化最常用方法常用NaCl、硫酸铵等盐析法

加入不同浓度的中性盐进行蛋白质的分级沉淀。蛋白质一般不变性。有机溶剂沉淀法常用乙醇、丙酮

易引起蛋白质变性，宜低温进行操作。可用于混合蛋白质的分级沉淀。等电点沉淀法选择在pI不变性的蛋白质

常联合其它方法使用。根据溶解度分离根据分子大小和形状分离半透膜常用玻璃纸等透析法

加入不同浓度的中性盐进行蛋白质的分级沉淀。

大分子不可透过半透膜。超滤法超滤膜不同孔径膜

易引起蛋白质变性，宜低温进行操作。

大分子截留小分子滤过。凝胶过滤法分子筛凝胶葡聚糖凝胶等

常联合其它方法使用。大分子受阻小，小分子受阻大。DialysisDialysis透析法凝胶过滤法Gel-FiltrationChromatographyGel-FiltrationChromatography目录根据电离性质分离蛋白质所带电荷种类、数量及分子大小差异电泳法

蛋白质分离和分析的常用方法。醋酸纤维素薄膜电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、等电聚焦电泳等。离子交换层析法不同蛋白质与离子交换剂结合力大小不同

可通过改变溶液pH和盐离子强度分离蛋白质。

离子交换纤维素、离子交换凝胶、大孔离子交换树脂等。聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）PolyacrylamideGelElectrophoresis离子交换层析法Ion-ExchangeChromatography根据配基特异性分离

亲和层析法：根据生物分子间亲和吸附和解离的原理而建立的层析法。AffinityChromatography原理：不溶性载体－特异配基＋目的蛋白质，其他蛋白被洗脱掉四、蛋白质的分析鉴定Folin-酚试剂法凯氏定氮法双缩脲法紫外分光光度法蛋白质含量测定蛋白质的纯度鉴定

方法：层析法、电泳法、免疫化学法、结晶法、等电聚焦法、溶解度分析法等等。

常用方法：凝胶层析法、高效液相层析法、聚丙烯酰