第一章蛋白质化学

专业选修课《简明生物化学》主讲：杨汉培河海大学环境学院1个人简介河海大学环境学院教授博导日本国立山梨大学工学部研究员日本冈崎共同研究机构分子科学研究所博士后南京大学化学化工学院博士中国科学院成都有机化学研究所硕士研究方向：现代水处理科学与技术E-mail：yanghanpei@Telffice：水利馆4292生物化学

静态生物化学动态生物化学生物化学的概念生物化学是运用化学的原理和方法研究生物有机体的化学组成和生命过程中化学变化规律的科学---研究生命活动的化学本质（生命物质、生命物质的化学变化）;介于生物与化学的交叉，以化学的理论和方法研究生命现象，揭示生命的奥秘。[物质：组成、结构、性质与功能；变化：物质代谢（能量、信息变化等）;探索生命生长、发育、遗传、学习、记忆与思维等复杂生命现象的（化学）本质。]2.生物化学的研究对象一切生物体---包括动物、植物及微生物。3.生物化学的研究内容生命物质的化学本质和生命活动的化学变化规律化学、生物学－生物化学（基础学科）－相关学科（生命科学）3大分子化合物：

蛋白质核酸多糖脂类酶（特殊蛋白质）

小分子化合物：

氨基酸（20）核苷酸（核甘磷酸）可溶糖（核糖、单、双、寡）

脂肪酸有机酸天然肽生物碱低分子活性物质（维生素、激素）色素水无机盐静态生物化学研究生物体的化学物质的组成、结构、性质与功能（C、H、O、N、S、P及其它微量元素）430种基本生物分子生物大分子生物超分子细胞器细胞

20种氨基酸蛋白质膜结构成分细胞核5种含氮碱核酸核蛋白线粒体（嘌呤嘧啶）（染色体、核糖体）2种单糖多糖糖蛋白叶绿体（核糖、葡萄糖）内质网1种脂肪酸脂蛋白溶酶体（棕榈酸）脂类微粒体

(软脂酸,16酸)高尔基体1种多元醇（甘油）酶系统液泡1种胺（胆胺）收缩系统[HO-CH2-CH2-N(CH3)3]OH5动态生物化学研究组成生物体的化学物质在生物体内进行的分解与合成，相互转化与制约以及转化过程中伴随的能量转换、信息传递等。生物体的基本特征－繁殖和新陈代谢

生物小分子

大分子

合成代谢

同化作用(assimilation)

需要能量

新陈代谢

能量代谢

物质代谢

释放能量

分解代谢

异化作用(dissimilation)

生物大分子

小分子新陈代谢是生命活动的物质基础和推动力，所有生命现象（生长发育遗传变异）都是建立在生物不断进行的从不停止的新陈代谢基础之上。（太阳能－光合作用－化学能）64.生物化学的发展

静态生物化学时期（20世纪20年代）19世纪末20世纪初生化领域的三大发现:

酶维生素激素

动态生物化学时期（20世纪前半叶）机能生物化学时期（20世纪50年代）75.

生物化学与其他学科的关系与微生物学的联系

许多生物化学知识是用微生物为研究材料获得的，生物化学的理论又是研究微生物形态、分类和生理过程的基础。与新兴学科——生物工程的联系

基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程、生化工程、蛋白质工程、海洋生物工程、生物计算机及生物传感器工程。

8根据本学科的特点，联系先修课程；以核酸、蛋白质等生物大分子的组成、结构、性质、代谢及生物功能为重点，在理解的基础上加强记忆，在记忆的过程中加深理解；注意体内反应与体外反应的区别；要重视理论联系实际，理解科学、技术与社会间的相互关系，能运用所学知识去解释一些现象，解决一些问题，指导生产实践。6.生物化学的学习方法9

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具有特定空间构象的生物大分子。第一章蛋白质的化学10蛋白质生物学意义蛋白质的组成酰胺键－肽蛋白质的结构蛋白质的功能蛋白质的性质蛋白质的分类蛋白质化学111.生物体的组成成分（动物固体物质的50％，植物细胞原生质-种子）2.酶-生物催化剂（化学实质为蛋白质，控制化学转化类型、速率）3.运输-

运输生命活动必须的小分子物质（如O2）4.运动－肌肉主要成分（肌肉运动－肌球、肌动蛋白丝状滑动）5.抗体－免疫、保护的特殊蛋白质（专业识别、结合病毒）6.激素－很多激素为蛋白质（生理代谢水平的调节－胰岛素）7.遗传信息的控制（DNA-转录-mRNA-翻译-tRNA携带-rRNA基地-蛋白质）8.细胞膜的通透性（膜内外物质传递）9.高等动物记忆、识别机构（信息的传递、识别－味觉、视觉蛋白）一、蛋白质生物学意义生命即为蛋白质的存在方式－恩格斯储藏功能12二、蛋白质的组成

1、蛋白质的元素组成主要的：CHONS

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

微量的：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。

13二、蛋白质的分子组成

2、蛋白质的分子组成

蛋白质的组分简单蛋白质结合蛋白质

氨基酸部分非氨基酸部分糖脂核酸辅因子

色蛋白、磷蛋白14L-甘油醛1848巴斯德酒石酸1870布特列洛夫乳酸1874范霍夫勒贝尔C正四面体1926费歇尔甘油醛1951魏沃X射线1.

氨基酸的结构通式氨基酸（肽酰胺键氨基酸）手性－实体和镜像不能重叠不对称C中心、丙二烯类分子、联苯类分子Malus偏光－Biot结构不对称15L．Pasteus

15２.氨基酸的分类（1）按化学结构分：

脂肪族、芳香族、杂环氨基酸(N、S、O)（2）按极性分：

非极性氨基酸极性氨基酸

（3）按酸碱性分：

中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸

（4）按营养状况分

必需氨基酸(8,须由食物提供）非必需氨基酸（12，体内合成，精、组，儿童合成不足,半必需氨基酸）163.氨基酸的重要性质一般物理性质

晶形

（通常为无色晶体）

熔点（较高-离子晶体）

味道（谷氨酸）

溶解度（水、酸碱、有机溶剂）

（光活性）旋光性

（有特征吸收）吸收光谱17280nm275nm257nm18氨基酸的两性（水溶液中呈酸（NH3+）、碱（COO-）两性）氨基酸的两性解离及等电点19

当溶液处于某一特定pH时，氨基酸以两性离子存在，且其净电荷为零，在电场中既不向正极也不向负极移动，这时溶液的pH值叫该氨基酸的等电点，用pI表示。氨基酸的等电点(pI)的概念20氨基酸的等电点（pI）的推导21移项：[Ala+]=[Ala±][H+]K1[Ala-]=[Ala±]

K2[H+]根据等电点的定义[Ala+]=[Ala-]即:[Ala±][H+]K1=[Ala±]

K2[H+]整理：K1K2[Ala±]=

[Ala±][H+][H+]

K1K2=[H+]2两端取负对数：-lg

[H+]2

=-（lg

K1+lgK2）

∵pH=-lg[H+]-lgK1=pＫ1-lg

K2=

pＫ2

∴2

pH=pＫ1+pＫ2

∴pI=1/2(pＫ1+pＫ2)22中性氨基酸的等电点：pI=5.6~6.3

酸性氨基酸的等电点：pI=2.8~3.2

碱性氨基酸的等电点：pI=7.6~10.823氨基酸的化学反应

与茚三酮反应

与甲醛的反应

与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应

与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应24与茚三酮反应（氨基酸的紫色反应）定性鉴别-氨基酸、定量分析茚茚三酮水合茚三酮水合茚三酮氧化脱氨脱羧酸,一分子水合茚三酮、一分子氨、一分子还原茚三酮（少OH）紫色物质25与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法R—CH—COO-NH3+R—CH—COO-NH2+H+OH-中和滴定HCHOR—CH—COO-NHCH2OHHCHOR—CH—COO-N(CH2OH)2极弱酸滴定的系氨基离子的酸性；酱油中氨基酸态N的测定：NaOH预滴定，酸度指示26与2,4-二硝基氟苯（DNFB）的反应DNP-氨基酸（黄色），定性鉴别、N端氨基酸测定+H2N—CH—COOHRNO2FO2N+HFNO2O2NHN—CH—COOHRDNFB乙醚抽提，纸上层析。27与异硫氰酸苯酯的反应S—N—CHRNCCOPTH-氨基酸—N=C=S+N—CH—COOHHHRPITCpH=8.3H2OHR—N—C—N—CH—C=OHS无水HFOH苯氨基硫甲酰氨基酸苯硫乙内酰脲PTC-氨基酸PTC-蛋白质：:SCN-硫氰根，:NCS-异硫氰根28

三、肽（一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水

缩合产物叫做肽（二肽）二肽以酰氨键相连，称为肽键）29氨基酸残基及肽单位30肽键的特点1.一般的C-N单键>肽键C-N

>一般的C=N双键（键长1.49Å)

（键长1.32Å）

（键长1.27Å)因此具有部分双键的性质，不能沿C-N自由旋转。2.C=O和NH中的H原子成反式排列。3.与C-N键相连的N-Cα和C-Cα可以“自由旋转”，多肽有很多可能构象。

4.肽键中的四个原子和它相邻的两个Cα处于同一平面，形成酰胺平面。31辅酶

谷胱甘肽（G－SH）g32构象－是指蛋白质分子中所有原子在空间的排列分布和肽链走向蛋白质是由几十到几千个氨基酸借助肽键形成的一条或多条肽链，肽链非线形伸展，按特定方式折叠盘绕形成特定空间构象。

四、蛋白质的结构空间上形成能够明显区分的球状区域331.蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是蛋白质的基本结构，包含了决定蛋白质高级结构的因素蛋白质的一级结构研究1.氨基酸（纸层析、柱层析、薄层层析）2.顺序（N端DNFB，PITC,

C端肼解法，全自动分析仪)-NH-CH-C-NH-CH-C-OHO=O=R1-R2-+2HN-NH2（肼化物+苯甲醛沉淀分离）34蛋白质的空间结构层次2.蛋白质的二级结构

α-螺旋

β-折叠

β-转角（U形转折/回折)

3.

超二级结构

(1)αα(2)βαβ(3)βββ

4.

结构域

5.三级结构6.四级结构35蛋白质的二级结构之a-螺旋a-螺旋结构是Corey&Pauling1951年研究a-角蛋白（纤维蛋白，毛发中）提出的蛋白质主链的一种典型的二级结构方式36左手/右手α-螺旋CN

蛋白质的α-螺旋37右

手

型

α

螺

旋CN38

蛋白质α-螺旋结构特点：是蛋白质的一种典型二级结构之一其骨架：以-C-N-C=-（双键C）为重复单位构成的一条右旋的肽链；直径：5Ǻ（0.5nm)；螺圈：每3.6个氨基酸螺旋上升一圈；螺距：5.4Ǻ（0.54nm)；氨基酸间相距5.4Ǻ/3.6=1.5Ǻ，且沿中轴旋转100º；螺旋依靠主链内氢键维持其结构稳定性，氢键由与N相连的H和“前面”隔3个氨基酸的C=O的O形成。（前面是指螺旋方向上，C端－N端）这种典型的结构可以记为ns=3.613(n为螺旋上升一圈的氨基酸数，s为形成一对氢键的O和H间的原子数）。39反平行β折叠平行β折叠CNCNCN反平行能量上相对有利

二级结构之b-折叠a

Pauling，天然蛋白质二级结构之一，一定条件下a－b；b

b结构肽链按层排列，稳定因素氢键；c平行反平行40是蛋白质的一种二级结构肽链伸展，且按层排列，相邻肽链的长轴相互平行，链间氢键与长轴接近垂直，靠相邻肽链间氢键维持结构稳定，氨基酸残基的轴心距为3.5Ǻ链间距离约15Ǻa螺旋1.5A（0.15nm）41第一个氨基酸的C=O与第四个氨基酸的N-HⅡ型：双键O为近面（a2、a3间）Ⅰ型：双键O为远面（a2、a3间）二级结构之b-转角180o回折－发夹结构421973,M.RossmannSupersecondarystructure

连续反平行的b-折叠＋b-转角由相邻的二级结构单位组合形成的有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。超二级结构平行的b间以松散链连接以14nm周期形成左手超螺旋平行的b间以a连接最为常见称Rossmannn折叠疏水侧链的疏水作用结合43结构域：超二级结构进一步卷曲折叠成的相对独立、近似球形的组装体，具有部分生物功能。1970,EdelmanC,球蛋白;较小的蛋白质结构域即三级结构(单结构域);动力学合理,功能有利。在大的蛋白质多肽链中外往往形成几个球状的紧密构象，彼此分开，以松散肽链相连，称为结构域免疫球蛋白（IgG）44肌红蛋白的三级结构在大的球状蛋白中，多肽链形成几个紧密的球状构象（结构域），彼此分开以松散肽链相连，成为大的球状蛋白肽链折叠的单位，折叠的最后一般是结构域的缔合，组装成三级结构。两个或两个以上的结构域组装成三级结构纤维蛋白分子中的三级结构一般为平行排列，如角蛋白、丝心蛋白、胶原蛋白等。45血红蛋白的四级结构具有三级结构的蛋白质分子亚基通过非共价键对称地组合成蛋白质四级结构，亚基个数一般为偶数，亚基的排列对称，构成四级结构的对称性特征。四级结构的蛋白质才具完整生物活性。对称性为四级结构的重要特征46稳定蛋白质构象的力47一级结构与功能的关系

1.

一级结构反映种属特异性和亲缘关系2.

一级结构的变化导致功能的变化构象与功能的关系1、特定的功能来自于特定的构象2、构象的改变导致功能的改变五、蛋白质结构与功能的关系48细胞色素C进化树一级结构反映种属特异性和亲缘关系各种群胰岛素比较相同处表明功能相同，不同处表明种属差异。49谷因6位差异，病人红细胞呈镰刀型，易涨破溶血，失去携氧功能，导致贫血病分子病：镰刀型贫血病血红蛋白分子

β链N端顺序12345678

HbA（正常）

Val.His.Leu.Thr.Pro.Glu.Glu.Lys

HbS（病人）

Val.His.Leu.Thr.Pro.Val.Glu.Lys

缬组量苏脯缬谷赖一级结构的变化导致功能的变化50构象与功能的关系1、特定的功能来自于特定的构象（如酶）2、构象的改变导致功能的改变（血红蛋白）构象改变又叫别构作用或变构作用含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变引起其余亚基和整个蛋白质分子构象、性质和功能的改变因别构而产生的效应叫别构效应蛋白质性质因别构而加强称正别构，而减弱称负别构51

六、蛋白质的性质胶体性质

1、具胶体光学性质（布朗运动）电学性质（电泳）

2、较强吸附力（电荷）3、渗透现象，具有渗透压（测量蛋白质分子量，分离提纯蛋白质）

4.其水溶液是稳定的亲水胶体

蛋白质表面存在极性亲水层，隔开蛋白质颗粒，防止聚沉

蛋白质颗粒带同号电荷，存在静电斥力防止聚沉

分子量-超速离心法v=dx/dtS=v/w2dS1×10-13-200×10-13(sec.)为纪念Swedberg记为一个sM=RTS/D(1-Vr)52两性及等电点作用：选择适当pH缓冲溶液，加上电泳装置，将不同的蛋白质分离。53沉淀反应（水膜、电荷）

1.中性盐沉淀（盐析，破坏水膜、中和电荷）

2.有机溶剂沉淀（酒精、丙酮等极性溶剂，破坏水膜）

3.加重金属盐（Hg、Ag、Pb、Fe离子，与负电的蛋白质作用形成不溶解盐而沉淀）4.生物碱试剂沉淀（单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、三氯乙酸，这类有机酸因能沉淀生物碱，故称为生物碱试剂）54

变性作用（概念特征影响因素复性）生物学功能丧失，溶解度降低，易被水解，易形成沉淀，分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被酶消化。有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。物理因素：干燥、加热、高压、振荡或搅拌、紫外线、X射线、超声作用等化学因素：强酸、强碱、尿素、重金属盐、生物碱试剂等利用：①消毒、杀菌、点豆腐等；②排毒（重金属盐中毒的急救）；③肿瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）；蛋白质受物理、化学的因素作用后，分子内部原有的高度规律性的二级、超二、结构域、三、四级结构发生变化，变为无规律和松散，从而导致蛋白质理化、生物学性质发生改变的现象。55

颜色反应

试剂颜色有关基团反应范围紫色或粉红色所有蛋白质米伦反应HgNO3、Hg(NO3)2及HNO3混合物红色Tyr酪黄色反应浓HNO3及NH3黄色、橘色Tyr、Phe酪、苯丙乙醛酸反应乙醛酸试剂及浓H2SO4紫

色Trp色坂口反应(Sakaguch反应)红色胍基Arg精酚试剂反应碱性CuSO4及磷钨酸-钼酸蓝色酚基Tyr酪茚三酮反应茚三酮蓝色自由氨基及羧基α-氨基酸—OHN二个以上肽键NaOH、CuSO4双缩脲反应反应名称α-萘酚NaClO吲哚H2N-C-NH-NH(gua)56七、蛋白质的分类

按分子形状分按化学组成分按溶解度分按功能分57按分子形状分：

球状蛋白质球状，易溶于水。酶、抗体、多肽激素和运载蛋白

纤维状蛋白质

形似纤维，不溶于水。按存在的部位分为

α-角蛋白

毛发、指甲、羽毛等

β-角蛋白

蚕丝、蜘蛛丝等

胶原蛋白

皮肤、软骨等

弹性蛋白

血管壁中

肌球蛋白

肌肉中

血纤维蛋白原

血液中58分子组成

简单蛋白（按溶解度）

结合蛋白（按辅基）清蛋白（溶于水）球蛋白（微溶于水、溶于中性盐）谷蛋白（稀酸、碱）醇溶蛋白（乙醇）精蛋白（水、酸，呈碱性）组蛋白（水、稀酸，含精、赖氨酸多)硬蛋白(不溶于水、酸碱）核蛋白糖蛋白与蛋白聚糖脂蛋白色蛋白磷蛋白59按功能分（活性、非活性蛋白）结构蛋白如硬蛋白（胶原角弹性丝心蛋白）

酶（催化活性）

收缩蛋白（运动蛋白）

运输蛋白（携带活性）贮存蛋白

免疫蛋白（保护或防御蛋白）调节蛋白（激素蛋白）毒蛋白、生长分化蛋白、膜蛋白非活性蛋白：活性蛋白60蛋白质的透析61胰岛素的激活62第一章蛋白质化学练习题一、是非题1．