生物化学第二章蛋白质

1、第二章 蛋白质,3.1 氨基酸的两性解离性质及等电点 3.2 氨基酸的化学性质 3.3 蛋白质的分子结构 3.4 蛋白质测序的基本方法路线,2.1 氨基酸的两性解离性质及等电点,氨基酸分子既含有酸性的羧基(-COOH)，又含有碱性的氨基(-NH2)。其-COOH能放出质子(H)，而变成-COO；其-NH2 能接受质子，而变成-NH3+。因此，氨基酸是两性电解质(ampholyte)。,+, 通过改变溶液的pH，可使氨基酸分子的解离状态发生改变。 氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。,pH = pI 净电荷=0,pH pI 净电荷为正,pH pI 净

2、电荷为负,(pK1),(pK2),当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelctric point)。, 等电点是氨基酸的特征常数,氨基酸的两性解离符合Bronsted Lowry的酸碱质子理论，即氨基酸在水溶液中的偶极离子既起酸（质子供体），又起碱（质子受体）的作用。氨基酸完全质子化时，可以看成是多元酸.侧链不解离的中性氨基酸可看作二元酸，酸性氨基酸和碱性氨基酸可视为三元酸。,在这里同样可以利用Handerson Hasselbalch公式进行pH或氨基酸各种离子浓度比例

3、的计算： 质子受体 pH=pK+lg- 质子供体 pK为表观解离常数的负对数，可用测定滴定曲线的实验方法求得。其拐点处PH值即为PK,等电点计算公式的推导：在氨基酸完全质子化时，各种不同氨基酸的等电点可由下面的方法推导出来： 对于中性氨基酸（一氨基一羧基氨基酸）：以R表示带电情况，则： R+ R0 + H+ K1=R0H+/R+ 则 R+ = R0H+/ K1 R0 R- + H+ K2=R-H+/R0 则 R-= R0 K2/ H+ 当在等电点时， R+ = R- 则有： H+2 = K1 K2 即 H+= （K1 K2）1/2 等式两边取负对数得： pH=1/2（pK1+pK2） 也就是p

4、I= 1/2（pK1+pK2）,K1,K2,同样对于三个可解离的氨基酸例如天冬氨酸和赖氨酸来说，只要写出它的解离公式，然后取两性离子两边的pK值的平均值，则得其 等电点。如天冬氨酸的解离如下： R+ R0 R- R2- 则 pI= 1/2（pK1+pK2） 而赖氨酸的解离如下： R2+ R+ R0 R- 则 pI= 1/2（pK2+pK3）,pK1,pK2,pK3,pK1,pK2,pK3,怎么办,Asp Thr Gly LeuLys,小 结,1.某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的pK值和的一半。 2.在氨基酸等电点以上任何pH，AA带净的负电荷，在电场中向阳极移动；在氨基酸等电点以下任

5、何pH，AA带净的正电荷，在电场中向阴极移动。 3.在一定pH范围中，溶液的pH离AA等电点愈远，AA带净电荷愈多。,怎么办,怎么办,解.因Lys属于碱性氨基酸,所以,它的等电点为: pI=(pK2+pK3)/2=(8.59+10.53)/2=9.56 当pH为4.0时,pI大于pH,故是在酸性条件下,氨基酸本身带正电,在电场中向阴极移动. 当pH为11.5时,pI小于pH,故是在碱性条件下,氨基酸本身带负电,在电场中向阳极移动.,怎么办,2.2 氨基酸的化学性质,2.2.1 有氨基参与的反应 2.2.1.1 与亚硝酸的反应 R-CH-COOH+HO-ONN2+H2O+R-CHCOOH | |

6、 NH2 OH 此性质为Van Slyke氨基氮测定方法的原理.,2.2.1.3 与酰化试剂反应： 氨基酸的氨基与酰氯或酸酐在弱碱溶液中发生作用时，氨基即被酰基化。例如与苄氧（苯甲氧）甲酰氯（carbobenzyloxychlorride）反应： 这里-NH2中的一个H被苄氧甲酰基（可简写为Cbz）取代生成Cbz-氨基酸。除了苄氧甲酰氯外，酰化试剂还有叔丁氧甲酰氯，对-甲苯磺酰氯以及邻苯二甲酸酐等。这些酰化试剂在多肽的蛋白质的人工合成中被用作氨基的保护试剂。 另一个酰化试剂是丹磺酰氯（dansyl chloride），它是5-二甲基氨基萘-1-磺酰氯的简称，被用于多肽链NH2末端氨基酸的标记和

7、微量氨基酸的定量测定。,用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.,DNS +,AA 多肽 蛋白,弱碱,DNS-,AA 多肽 蛋白,酸,DNS-AA +游离AA,（乙醚抽提，有荧光）,与丹磺酰氯反应,2.2.1.4 氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应（sanger反应）,DNFB（dinitrofiuorobenzene）,DNP-AA(黄色),+,+ HF,氨基酸,作用：多肽及蛋白质的N-末端氨基酸上面的游离氨基也能与2,4-二硝基氟苯作用.所以此反应常用于蛋白质一级结构氨基末端的测定.,2.2.1.5 氨基酸与苯异硫氰酯（PITC）的反应（Edman反应）,PITC（phe

8、nylisothiocyanate）,+,苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA) （phenylisothiohydantion-AA）,用途：是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法。,2.2.1.6 烃基化反应,2.2.1.7 形成西佛碱反应：氨基酸的-氨基能与醛类化合物反应生成弱碱，即所谓西佛碱（Schiffs base）。 R R R R | | -H2O | | C=O + H2N-C-COOH- C=N-C-COOH | | | | H H H H 醛 氨基酸 西佛碱 西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应例如转氨基反应的中间物。 2.2.1.8 与荧光胺反应：荧光胺可与-氨基酸中的氨基反应生成

9、产荧光的化合物，且反应非常灵敏。它具有特定的激发波长（390纳米）和发射波长（475纳米），读取发射光的荧光强度即可测定氨基酸的含量。 2.2.1.9 脱氨基反应：见氨基酸代谢。,氨基酸与碱作用生成相应的盐。氨基酸的碱金属盐能溶于水,而重金属盐则不溶于水。,2.2.2 -羧基参与的反应,（1）成盐反应,（2）形成酯的反应,用途：是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体。,2.2.2 -羧基参与的反应,（3）形成酰卤的反应,用途：这是使氨基酸羧基活化的一个重要反应。,2.2.2 -羧基参与的反应,（4）叠氮化反应,用途：常作为多肽合成活性中间体。,2.2.2 -羧基参与的反应,（5）脱羧反应,用途：酶

10、催化的反应。,2.2.2 -羧基参与的反应,(1)与茚三酮反应,用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。,2.2.3 -氨基和羧基共同参与的反应,茚三酮,水合茚三酮,（2）成肽反应,用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。,2.2.3 -氨基和羧基共同参与的反应,(1) 巯基（-SH）的性质,作用：这些反应可用于巯基的保护。,2.2.4 侧链基团的化学性质,作用：与金属离子的螯合性质可用于体内解毒。,(1) 巯基（-SH）的性质,2.2.4 侧链基团的化学性质,作用：氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或端裂。,胱氨酸,(1) 巯基（-SH）的性质,2.2.4 侧链基团的化学性质,作用：可用于比

11、色法定量测定半胱氨酸的含量。,硝基苯甲酸二硫化合物(DTNB),(1) 巯基（-SH）的性质,2.2.4 侧链基团的化学性质,作用：可用于修饰蛋白质。,二异丙基氟磷酸酯,(2) 羟基的性质,2.2.4 侧链基团的化学性质,组氨酸含有咪唑基，它的pK2值为6.0，在生理条件下具有缓冲作用。 组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应，形成磷酸组氨酸，从而使酶活化。 组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷基咪唑衍生物，并引起酶活性的降低或丧失,(3)咪唑基的性质,2.2.4 侧链基团的化学性质,2.2.5 氨基酸的化学合成,目前氨基酸的合成方法有5种： （1）直接发酵法；

12、（2）添加前体发酵法； （3）酶法； （4）化学合成法； （5）蛋白质水解提取法。 通常将直接发酵法和添加前体发酵法统称为发酵法。,合成方法,3.2.6 氨基酸的应用,1、医药工业 （1）氨基酸输液 必需氨基酸：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸 半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。,治疗药剂,（1）精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果； （2）天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。 （3）半胱氨酸：能促进毛发的生长，可用于治疗秃发症；甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等； （4）组氨酸：可扩张血管，降低血压，用于心绞痛

13、，心功能不全等疾病的治疗。,2、化学工业,（1）维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。 （2）叶酸：需要用谷氨酸为原料合成。 （3）氨基酸表面活性剂：酰基谷氨酸钠、十六烷基-L-赖氨酰-L-赖氨酸甲酯二盐酸、月桂酰-L-精氨酸乙酯盐酸等具有较强的抗菌杀菌活性，且无刺激性。 （4）聚合氨基酸：聚谷氨酸甲酯可用于作为合成皮革的表面处理剂；聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基酯与磷酸高级烷基酯结合得到化合物可作为可塑剂，稳定剂等。,3、食品工业,营养强化剂； 谷氨酸钠味精； 天冬氨酸钠：可用于清凉饮料，能增加清凉感并使香味浓厚爽口； 天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：甜味素APM,4，农业,（1）杀虫剂：刀豆氨

14、酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死；半胱氨酸可杀死黄瓜蝇；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果； （2）杀菌剂：N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟病；-1，4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等； （3）除草剂：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等；,5、化妆品工业,氨基酸能调节皮肤pH的变动，对细菌的防护作用，也可作为皮肤、毛发的营养成分，增加皮肤、毛发的光泽。 防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。 在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素，可防止皮肤老化。,2.3 蛋白质的分子结构,蛋白质（protein

15、）：由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链，是一类高分子化合物； 是生物体的主要组成物质之一，是生命活动的基础，是生命的体现者。,蛋白质是具有特定分子结构的高分子化合物。 蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即构象。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。,蛋白质结构的主要层次,一级结构,四级结构,二级结构,三级结构,primary structure,secondary structure,Tertiary structure,quariernary structure,2.3.1 蛋

16、白质的一级结构,蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的线状结构。 维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。,胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。,肽键的一些特性： 1）显示部分双键的性质； 2）不能旋转;肽单位呈刚性平面结构； 3）呈反式构型;(有Pro参与时例外)。 它在多肽和蛋白质折叠形成特定的构象过程中起着非常重要的作用。,肽平面（peptide plane）即酰胺平面（amide plane）由于肽键具有部分

17、双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。,2.3.2 蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。,2.3.2.1 蛋白质立体结构原则：,1.由于C=O双键中的电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。 2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，即肽单元或肽键平面。但由于-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。,2.3.2.2 蛋白质二级结构的类型：,蛋白质的二

18、级结构主要包括-螺旋，-折迭，-转角及无规卷曲等几种类型。,1. -螺旋：,-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为： 为一右手螺旋； 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基， 螺距为5.44埃；每个残基偏转100; 螺旋以氢键维系。一个残基的C=O氧与后面第四个(隔3个)残基的NH的氢之间形成氢键。氢键与螺旋轴近乎平行;,影响-螺旋稳定的因素有： 极大的侧链基团（存在空间位阻）如多个侧链较大的氨基酸(Ile,Trp,Phe等) ； 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）； 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键,且- C原子参与吡咯环的形成,环

19、内C-N和C-N键不能旋转）。,2 -折迭：,-折迭是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象，其结构特征为： 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构； 主链骨架伸展呈锯齿状； 借相邻主链之间的氢键维系。,-折迭包括平行式和反平行式两种类型,3. -转角：,-转角（ U形转折,发夹结构）：是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为： 主链骨架本身以大约180回折; 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; 构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 (4) 主要有两种类型：I 型和II型；二者主要差别是中央肽基旋转了1800， (5) 一些氨基酸如

20、Pro、Gly经常出现在-转角中； II型-转角中的第三个氨基酸残基总是Gly。,3.3.2.5 无规卷曲：,无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。 约占球蛋白分子结构的一半；蛋白质（酶）的功能部位常常位于这种构象之中。,RNase的分子结构,-螺旋,-折迭,-转角,无规卷曲,在蛋白质分子中，若干具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成具有特殊功能的结构区域，称模序（motif)或超二级结构。 主要有以下三种基本形式：,测定蛋白质的一级结构的主要意义： 一级结构是研究高级结构的基础。 可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。 可以为生物进化理论提供依据 可以为人工合成蛋白质提供

21、参考顺序。,3.4 蛋白质测序,在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。,测多肽链数,拆分多肽链,断开链内二硫键,氨基酸组成分析,鉴定N末端和C末端残基,裂解多肽链,测各肽段氨基酸序列,“片段重叠”法推出一级结构,二硫键定位,基本步骤,3.4.1 蛋白质测序的基本方法路线,氨基酸顺序分析,蛋白质多肽链的氨基酸顺序分析，即蛋白质一级结构的测定，主要包括以下几个步骤： 1. 分离纯化蛋白质，得到一定量的蛋白质纯品。 2. 取一定量的样品进行完全水解，再用氨基酸自动分析仪，测定蛋白质的氨基

22、酸组成。 基本步骤：纯化蛋白质密封真空管内水解（6 N HCl，1100C，24 h） 离子交换分离得到的氨基酸用茚三酮（ninhydrin）或荧光胺（fluorescamine）等试剂显色定性和定量（与同样处理的标准氨基酸比较）。,3. 采用特异性的酶（如胰蛋白酶）或化学试剂（如溴化氰）将蛋白质裂解成为长短不一的若干条肽段（必须作两套）。,BrCN的裂解作用,多肽裂解专一试剂：,胰蛋白酶,糜蛋白酶,胃蛋白酶,溴化氰,胰蛋白酶（trypsin)的裂解作用,4. 分离纯化单一肽段。5. 使用氨基酸顺序测定仪，测定各条肽段的氨基酸顺序。一般采用Edman降解法，用异硫氰酸苯酯进行反应，将氨基酸降解后，逐一进行测定。寡肽的N-端游离-NH2与异硫氰酸苯酯(PTC)反应生成苯氨基硫甲酰-肽(PTC多肽)温和酸水解断裂第一个肽键(剩下的肽链保持完整) 鉴定切下的PTH-氨基酸。,蛋白质的氨基酸组成分析,氨基酸自动测序仪,6. 分析蛋白质的N-端和C-端氨基酸。