第四章 蛋白质化学

第四章蛋白质化学

主要内容：介绍氨基酸的结构、分类、性质及肽的概念，重点讨论蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系。思考目录第一节概述第二节蛋白质的基本结构单位──氨基酸第三节肽第四节蛋白质的分子结构第五节蛋白质的分子结构与功能的关系第六节蛋白质的重要性质第七节蛋白质与氨基酸分离纯化与测定

第一节概述一.什么是蛋白质？

蛋白质(Protein)是由许多不同的氨基酸，按照一定的顺序，通过肽键连接而成的一条或多条肽链构成的生物大分子。1.蛋白质是生物体的重要组成成分，是生物体形态结构的物质基础。2.蛋白质是生命活动的物质基础。二.蛋白质的重要性

蛋白质是生命活动的重要物质基础，没有蛋白质就没有生命。三.蛋白质的元素组成

主要元素：

CHONS

50~55%6~8%20~23%15~18%0~4%

微量元素：PFeCuZnMoISe

大多数蛋白质含氮量较恒定，平均16%，即1g氮相当于6.25g蛋白质。6.25称为蛋白质系数。

×

蛋白质平均含N量为16％,这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据：蛋白质含量＝蛋白质含N量×6.25四.蛋白质的分类（一）按分子形状分

球状蛋白质:如血红蛋白和豆类的球蛋白。纤维状蛋白质:

1.α-角蛋白

毛发、指甲、羽毛等。2.β-角蛋白蚕丝、蜘蛛丝等。3.胶原蛋白皮肤、软骨等。（二）按溶解度分1.清蛋白:溶于水,如乳清白蛋白;2.精蛋白:溶于水及酸性溶液,含碱性氨基酸多,如鲑精蛋白;3.组蛋白:溶于水及稀酸溶液,含碱性氨基酸较多,常是细胞核染色质组成成分;4.球蛋白:微溶于水而溶于稀的中性盐溶液,如血清球蛋白;5.谷蛋白:不溶于水、醇及中性盐溶液,但溶于稀酸稀碱,如麦蛋白;6.醇溶蛋白:不溶于水,溶于70-80%乙醇,如玉米蛋白;7.硬蛋白:不溶于水、盐、稀酸、稀碱溶液，如角蛋白和胶原蛋白。（三）按化学组成分1.单纯蛋白质仅有氨基酸组成的蛋白质，水解后产物只有氨基酸。2.结合蛋白质除含有氨基酸外，还含有糖、脂肪、核酸等非蛋白成分。结合蛋白由两部分组成：一是蛋白质部分；二是非蛋白部分，称为辅基。如糖蛋白、核蛋白、脂蛋白。五.蛋白质的主要生理功能

蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；免疫功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能第二节蛋白质的基本结构单位─氨基酸一、蛋白质水解二、氨基酸的通式三、生物体内氨基酸的类别四、氨基酸的结构与分类五、氨基酸的性质一、蛋白质的水解（详见P43）1.酸水解优点:水解彻底,水解产物为L-氨基酸,没有旋光异构体产生;缺点:营养价值较高的色氨酸几乎全部被破坏。2.碱水解优点：色氨酸不被破坏，水解液清亮；缺点：水解产生的氨基酸发生旋光异构作用，产物有D-型和L-型两类氨基酸。D-型氨基酸不能被人体分解利用，营养价值减半。3.酶水解优点：条件温和，氨基酸完全不被破坏，也不发生旋光异构现象；缺点：水解不彻底，中间产物（短肽等）较多。

-氨基酸的通式

二、氨基酸的结构特征生物体内的氨基酸类别蛋白质氨基酸：蛋白质中常见的20种氨基酸稀有的蛋白质氨基酸：蛋白质组成中，除上述20种常见氨基酸外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸，它们都是相应常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等。非蛋白质氨基酸：生物体内呈游离或结合态的氨基酸。三、氨基酸的分类、结构及三字符号

据R基团化学结构分类

脂肪族ＡA（中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）芳香族ＡA(Phe、Tyr、Trp)杂环ＡＡ(His、Pro)据R基团极性分类极性R基团AA非极性R基团AA（８种）不带电荷（７种）带电荷：正电荷（３种）负电荷（２种）据氨基、羧基数分类一氨基一羧基ＡＡ一氨基二羧基ＡＡ(Glu、Asp)二氨基一羧基ＡＡ(Lys、His、Arg)非极性R基团氨基酸不带电荷极性R基团氨基酸带电荷极性R基团氨基酸甘氨酸（Gly,G）丙氨酸（Ala,A）缬氨酸（Val,V）亮氨酸（Lue,L）异亮氨酸（Ile,I）中性脂肪族氨基酸含羟基或硫脂肪族氨基酸丝氨酸（Ser,S）苏氨酸（Thr,T）半胱氨酸（Cys,C）甲硫氨酸（Met,M）酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸（Asp,D）谷氨酸（Glu,E）天冬酰胺（Asn,N）谷氨酰胺（Gln,Q）碱性氨基酸

赖氨酸（Lys,K）精氨酸（Arg,R）组氨酸（His,H）杂环杂环氨基酸

组氨酸（His,H）脯氨酸（Pro,P）芳香族氨基酸

苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸（Trg,W）氨基酸的光学性质

1、除甘氨酸外，所有天然α-氨基酸都有不对称碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性。2、参与蛋白质组成的20种氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区（220-300nm）显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为279、278、和259nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。

氨基酸的性质

（1）两性解离和等电点（2）光学性质（3）重要化学反应

a.与茚三酮反应:用于氨基酸定量定性测定.

b.与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应（sanger反应）:鉴定氨基酸,也可用于蛋白质的结构测定.

c.与苯异硫氰酯（PITC）的反应（Edman反应），用于蛋白N-端测定，蛋白质顺序测定仪设计原理的依据。3.氨基酸的两性解离性质及等电点

pH=pI

净电荷=0

pH<pI净电荷为正pH>pI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++

OH-+H++

OH-(pK´1)(pK´2)

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(isoelectricpoint，pI)。TrpTyrPhe的紫外吸收光谱

摩尔吸收系数波长氨基酸与茚三酮反应+3H20水合茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加热水合茚三酮+2NH3+还原性茚三酮氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应

（sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)++HF弱碱中氨基酸氨基酸与苯异硫氰酯（PITC）的反应

（Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱碱中(400

C)(硝基甲烷400

C)H+第三节肽一、肽(peptide)和肽键(peptidebend)的概念二、肽的重要性质

酸碱性质、重要化学反应类似于氨基酸性质三、天然存在的活性肽生理活性肽的功能类别：激素、抗菌素、辅助因子实例：谷胱甘肽(glutathione,GSH)

短杆菌肽

促甲状腺素释放因子（TRH）

-天冬氨酸-苯丙氨酸甲酯（甜味剂）肽和肽键的形成肽单位肽键肽平面肽单位谷胱甘肽

谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。促甲状腺素释放因子（TRH）短杆菌肽S-天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯CH2NH2

CHC

NH

CHCOOCH2COOHOCH3第四节蛋白质的分子结构

一、蛋白质的结构层次的划分二、蛋白质的一级结构三、多肽主链折叠的空间限制和

维持蛋白质构象的作用力四、蛋白质的二级结构五、蛋白质的超二级结构和结构域六、蛋白质的三级结构七、蛋白质的四级结构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primarystructuresecondarystructureTertiarystructurequariernarystructure超二级结构结构域

supersecondarystructureStructuredoman二、蛋白质的一级结构

多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构(primarystructure)。这是蛋白质最基本的结构，它决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。一级结构测定例：牛胰岛素的一级结构一级结构测定

基本战略：片段重叠法＋氨基酸顺序直测法要点：a.测定蛋白质的分子量及其氨基酸组分

b.

测定肽键的N－末端和C－末端

c.

应用两种或两种以上的肽键内切酶分别在多肽键的专一位点上断裂肽键；也可用溴化氰法专一性地断裂甲硫氨酸位点，从而得到一系列大小不等的肽段。

d.

分离提纯所产生的肽段，并分别测定它们的氨基酸顺序

e.

将这些肽段的顺序进行跨切口重叠，进行比较分析，推断出蛋白质分子的全部氨基酸序列。蛋白质顺序测定基本策略

将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序将肽段分离并测出顺序专一性裂解末端氨基酸测定二硫键拆开纯蛋白质酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ）

二面角

两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称构象角。完全伸展的多肽主链构象α-碳原子酰胺平面Φ=1800，ψ=1800Φ=00，ψ=00的多肽主链构象酰胺平面Φ=00，ψ=00侧链非键合原子接触半径维持蛋白质分子构象的作用力

a.盐键b.氢键c.疏水键d.范德华力e.二硫键多肽链四、蛋白质的二级结构

(１)α－螺旋（α－helix）(２)β－折叠（β-pleatedsheet）(３)β－转角（β-turn）(４)无规则卷曲（nonregularcoil）蛋白质的二级结构（secondarystructure）指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元．主要有以下类型：特征：1、每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm;2、螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部>C=0和>N-H几乎都平行于螺旋轴;3、每个氨基酸残基的>N-H与前面第四个氨基酸残基的>C=0形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。

α－螺旋（α－helix）形成因素：与ＡＡ组成和排列顺序直接相关。多态性：多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定）；存在尺寸不同的螺旋。β－折叠（β-pleatedsheet）

特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即β－折叠片。类别：平行反平行

β－转角（β-turn）

特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800。无规则卷曲示意图无规则卷曲细胞色素C的三级结构五、蛋白质的超二级结构和结构域

(2)结构域（structuredomain）

蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个α－螺旋或β－折叠或β－转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构

基本组合方式：αα；β×β；βββ

在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。

形成意义：

动力学上更为合理

蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性(１)超二级结构（supersecondarystructure

）超二级结构类型βββααβ×β12345

52341

Β-链βαββ-迂回回形拓扑结构回形拓扑结构β-迂回卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋-转角-折叠二硫键结构域1结构域2

丙酮酸激酶结构域4羧肽酶

腺苷酸激酶

(a)(b)

丙糖磷酸异构酶乳酸脱氢酶结构域1黄素蛋白平行-折叠的结构比较（a）-园桶形排布，（b）马蹄形排布

六、蛋白质的三级结构

多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α－螺旋、β－折叠片、β－转角等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。

实例：肌红蛋白

核糖核酸酶肌红蛋白三级结构核糖核酸酶三级结构示意图

N

His12CHis119Lys41七、蛋白质的四级结构

四级结构是指由相同或不同的称作亚基（subunit）的亚单位按照一定排布方式通过非共价键聚合而成的蛋白质结构，维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键、范德华力。亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。实例：血红蛋白

血红蛋白四级结构

烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装

第五节蛋白质的分子结构与功能的关系

一、蛋白质一级结构与功能二、蛋白质高级构象与功能蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。

一级结构决定高级结构，

也决定蛋白质的功能1、蛋白质一级结构的种属差异与同源性

实例：细胞色素Ｃ2、蛋白质一级结构的变异与分子病

实例：血红蛋白质异常病变镰刀型贫血病3、蛋白质前体的激活与一级结构

实例：胰岛素原的激活

高级构象决定蛋白质的功能

1、蛋白质高级构象破坏，功能丧失

实例：核糖核酸酶的变性与复性2、蛋白质在表现生物功能时，构象发生一定变化（变构效应）

实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能不同生物与人的Cytc的AA差异数目生物与人不同的AA数目黑猩猩0恒河猴1兔9袋鼠10牛、猪、羊、狗11马12鸡、火鸡13响尾蛇14海龟15金枪鱼21角饺23小蝇25蛾31小麦35粗早链孢霉43酵母44

不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基

14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素细胞色素c分子的空间结构不变的AA残基

35个不变的AA残基，是CytC的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图镰刀形红细胞正常红细胞-链N端氨基酸排列顺序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图

核糖核酸酶变性与复性作用NativeribonucleaseDenativereducedribonucleaseNativeribonuclease8Mureaand-mercapotoethanolDialysis变性复性血红蛋白输氧功能和构象变化O2HbHb-O2O2血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线活动肌肉毛细血管中的PO2020406080100肺泡中的PO2MyoglobinHemoglobin第六节蛋白质的重要性质

一、两性解离性质及等电点二、蛋白质胶体性质三、蛋白质的沉淀四、蛋白质的变性与复性五、蛋白质的紫外吸收特性六、蛋白质呈色反应

蛋白质两性解离性质和等电点

pH=pI

净电荷=0

pH<pI净电荷为正pH>pI净电荷为负PrCOOHNH3++H++

OH-+H++

OH-PrCOO-NH2PrCOO-NH3+

当蛋白质溶液在某一定pH值时，使某特定蛋白质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值即为该蛋白质的等电点（isoelectricpoint，pI）。

蛋白质胶体性质

由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层，同时这些颗粒带有电荷，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体。

蛋白质胶体性质的应用透析法:利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析（dialysis）。

盐析法:在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现象称为盐析（saltingout）。蛋白质的沉淀

如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层（消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。沉淀方法类别:

1、高浓度中性盐（盐析、盐溶）2、酸碱（等电点沉淀）3、有机溶剂沉淀4、重金属盐类沉淀5、生物碱试剂和某些酸类沉淀6、加热变性沉淀

蛋白质变性与复性

●蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性作用（denaturation）。

表征：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改变

应用：变性灭菌、消毒；变性制食品……

●蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为复性（renaturation）。蛋白质主要呈色反应

双缩脲反应酚试剂反应→蛋白质定量、定性

茚三酮反应测定常用方法

双缩脲反应

蛋白质在碱性溶液中也能与硫酸铜发生相同反应，产生红紫色络合物红紫色络合物(碱性溶液)Cu2+蛋白质的紫外吸收光谱

蛋白质在远紫外光区（200-230nm）有较大的吸收，在280nm有一特征吸收峰，可利用这一特性对蛋白质进行定性定量鉴定。蛋白质质量浓度/（mg/ml）=1.55A1cm-0.76A1cm280260测定范围：0.1～0.5mg/ml蛋白质的分离纯化基本方法一、盐析与等电点沉淀：根据溶解度不同分离；二、离子交换色谱：根据电荷性质不同分离；三、凝胶过滤：根据相对分子量不同分离；四、亲和色谱：根据特异亲和力不同分离；五、高效液相色谱氨基酸的分离一、滤纸色谱：根据溶解度不同进行的分配色谱；二、离子交换色谱：根据电荷性质不同分离(P74)；三、薄层色谱：根据吸附性的不同分离(P75)；四、纸电泳与薄膜电泳：在电场下的快速分离；五、薄层电泳：可用于氨基酸制备的分离(P76)。蛋白质及氨基酸的分析测定一、蛋白质含量测定：常用定氮法、比色法(双缩尿法和Lowry法)和紫外吸收法(P77)；二、电泳技术：凝胶电泳常用于纯度鉴定及相对分子质量测定；三、氨基酸的显色测定(P78)；四、免疫印迹：高精度的蛋白质分析鉴定技术。

问答题和计算题1、为什么说蛋白质是生命活动最重要的物质基础？2、试比较Gly、Pro与其它常见氨基酸结构的异同，它们对多肽链二级结构的形成有何影响？3、试举例说明蛋白质结构与功能的关系（包括一级结构、高级结构