第三章-蛋白质化学(中职生物化学)

第三章

蛋白质化学

ProteinChemistry卫生技工学校王巧玲

认识蛋白质十八世纪，人们根据物质受热后的性质变化，将物质分为二类，一是受热后其性质保持不变的，称为无机物（如金属、盐类、水等）；另一类受热后发生质的变化，因其大部分直接或间接来自有机体，故称为有机物。1777年，法国化学家马凯（MacquerP.J.）将加热后能凝固的物质称为“蛋白性物质”。十九世纪三十年代，荷兰生理学家米勒（MüllerG.J.）用元素分析法对血清、蛋清、蚕丝等进行分析发现，它们的元素组成都很相似，可用化学式C40H62N10O12来表示。而且，他发现可用此化学式表示的物质在生物体中无所不在，认为这种物质对生物体是最重要的，于是命名为proteid。同时，瑞典化学家柏齐力乌斯（Berzelius）称之为protein，此词来自希腊语，意思是“最重要的”、“第一位的”。这就是我们中国人所称之为的蛋白质。蛋白质在生命中的重要性

恩格斯曾指出：“生命是蛋白体存在的一种形式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。”

第一，蛋白体是生命的物质基础；

第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式；

第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。Nat.CellBiol.：英国发现“饿死”癌细胞方法研究人员发现一种名为NF－kB的蛋白质控制着其能量供应方式的转换，如果抑制这种蛋白质的功能，癌细胞就不能按需转换能量供应方式，会进入能量供应不足的状态甚至“饿死”。Firefliesemitlightcatalyzedbyluciferase（荧光素酶）withATPErythrocytes（红细胞）containalargeamountofhemoglobins（血红蛋白）,theoxygen-transportingprotein.Theproteinkeratin（角蛋白）isthechiefstructuralcomponentsofhair,horn,wool,nailsandfeathers.什么是蛋白质？蛋白质是一切生物体中普遍存在的，由20种左右天然α-氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物；其种类繁多，具有一定的相对分子量、复杂分子结构和特定生物学功能；是表达生物遗传形状的一类主要物质。

一、蛋白质的元素组成

二、氨基酸—蛋白质的基本组成单位第一节、蛋白质的化学组成一、蛋白质的元素组成蛋白氮占生物组织所有含氮物质的绝大部分。蛋白质含氮量恒定，大多数蛋白质含氮量接近于16%蛋白质含量=每克样品中含氮的克数6.25凯氏定氮法——蛋白质的基本组成单位二、氨基酸AminoAcid(AA)*

氨基酸的结构

氨基酸的分类

稀有氨基酸

非蛋白质氨基酸氨基酸的性质蛋白质和多肽可被催化水解蛋白质——月示——胨——多肽——肽——AA1*1045*1032*1031000200100

酸/碱能将蛋白完全水解

得到各种AA的混合物酶水解一般是部分水解得到多肽片段和AA的混合物氨基酸是蛋白质的基本结构单位1、蛋白质的水解2、氨基酸的结构自然界氨基酸有300种，蛋白质氨基酸有20种，构成蛋白质的AA都是L-构型，天然AA都是α-AA。α-氨基酸结构通式什么是α-氨基酸？----C-C-C-C-COOH

γβα----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸氨基和羧基均与α碳原子相连3、氨基酸的分类（1）中性氨基酸（1—NH2，1—COOH）a.脂肪族氨基酸甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸b.含羟基或硫氨基酸丝氨酸半胱氨酸苏氨酸甲硫（蛋）氨酸巯基甲硫基胱氨酸半胱氨酸c.芳香族氨基酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸酚基吲哚基d.环状亚氨基酸脯氨酸吡咯环（2）酸性氨基酸及其酰胺（1—NH2，2—COOH）天冬氨酸谷氨酸天冬酰胺谷氨酰胺酰胺基（3）碱性氨基酸（2—NH2，1—COOH）赖氨酸精氨酸组氨酸呱基咪唑基

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(Trp)，亮氨酸(Leu)，异亮氨酸(Ile)

苏氨酸(Thr)，苯丙氨酸(Phe)必需氨基酸赖色苯丙蛋，苏缬异亮亮第二节蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构指组成蛋白质分子的多肽链中AA的排列顺序。从左到右：N端→C端。AA-NH2与另一AA-COOH间失水形成的酰胺键称肽键，所形成的化合物称肽。酰胺键—肽键稳定一级结构的主要化学键由两个AA组成的肽称为二肽。由多个AA组成的肽则称为多肽。组成多肽的AA单元称为氨基酸残基。N-端C-端N末端C末端牛核糖核酸酶谷胱甘肽(glutathione,GSH)结构:三肽谷氨酸的-羧基形成肽键－SH为活性基团为酸性肽是体内重要的还原剂GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+主要功能:一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。二、蛋白质的空间结构肽键的空间结构肽键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽键具有平面性，组成肽键的4个原子和2个Cα（—Cα—CO—NH—Cα）几乎处在同一平面内（酰胺平面、肽平面）。1、蛋白质的二级结构指组成蛋白质的多肽链的主链骨架以肽键平面为单位进行卷曲、折叠而形成的特定的空间结构。主要次级键：氢键。主要有-螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲。（一）-螺旋（-helix）-螺旋的结构要点★1、顺时针方向，为右手螺旋2、肽平面键长键角一定3、肽键的原子排列呈反式构型4、相邻肽平面构成二面角5、螺旋参数每圈含3.6个AA残基，螺距5.4nm，每个AA残基占1.5nm，绕轴旋转100°。6、肽链内形成氢键每个肽键的羰基氧和第四个肽键的亚氨氢形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。①R基大小②R基的电荷性质③Pro影响-螺旋形成的因素由两/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,也可以在同一肽链的不同部分之间形成。★

（二）-折叠

①C总是处于折叠的角上。②AA的R基团处于折叠的棱角上（上方或下方）并与之垂直。③肽链相当伸展，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110。角。④有平行和反平行之分，氢键主要在链间/同一肽链不同部分间形成，氢键与链的长轴接近垂直。⑤肽链从N-端到C-端走向。-折叠结构特点-角蛋白丝蛋白的结构（三）-转角1、β转角（βturn/bend/hairpinstructure）肽链主链骨架180°的回折结构特点：由4个连续的AA残基组成第一个AA残基C=O第四个AA残基N—H形成氢键主要存在于球状蛋白分子中多数处在蛋白质分子的表面-转角处常为脯氨酸，脯氨酸的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺旋的端头，改变多肽链的方向并终止螺旋没有确定规律性部分的肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲（四）无规卷曲——指多肽链在一级、二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用再进行三维多向性盘曲形成近似球状的构象。

维系力:氢键/疏水键/离子键/范德华力，主要是疏水键只有一条肽链的蛋白质最高结构形式是三级结构，必须具备三级结构才有生物学功能。2、蛋白质的三级结构虾红素

木瓜蛋白酶

组织蛋白酶★球状蛋白质三级结构主要特征：1、含多个二级结构单元2、紧密的球状或椭球状实体3、疏水基团在内；亲水基团在外4、分子表面内陷形成凹穴3、蛋白质的四级结构——指由两条或两条以上的具有三维结构的多肽链相互缔合而成的特定的空间构象。

亚基：球状蛋白质分子中具有一、二、三级结构的多肽链。寡聚蛋白质：由两个及以上亚基构成的蛋白质。亚基数目及排布、亚基之间的作用维系力：非共价键（疏水键、离子键、氢键、范德华力等）血红蛋白四级结构示意图总结蛋白质的分子结构一级结构二级结构三级结构四级结构定义指蛋白质多肽链中的AA排列顺序组成蛋白质的多肽链盘绕和折叠的方式多肽链在一级、二级结构基础上，再进行三维多向性盘曲形成近似球状的构象。两条或两条以上的具有三级结构的多肽链相互缔合而成的特定的空间构象表现形式多肽α-螺旋，β-折叠，β-转角等球状蛋白质结构特征亚基，寡聚蛋白化学键肽键（主要）二硫键氢键疏水键、离子键、范德华力、氢键疏水键（主要）、离子键、氢键第三节蛋白质结构与功能的关系同源蛋白质：来自不同生物体、执行同一/相似功能的蛋白质

结构基本相同，差异可能仅表现其种数特异性

例：胰岛素一、一级结构与功能的关系（一）同源蛋白质一级结构中AA顺序的变化反映了种数差异与物种进化胰岛素来源氨基酸顺序的部分差异A8A9A10B30人苏丝异亮苏猪苏丝异亮丙狗苏丝异亮丙兔苏丝异亮丝牛丙丝缬丙羊丙甘缬丙马苏甘异亮丙抹香鲸苏丝异亮丙同源蛋白质的氨基酸顺序的部分差异，表现其种属特异性生物名称与人不同的氨基酸数目黑猩猩0猕猴1兔9袋鼠10小蝇25小麦35酵母44不同生物细胞色素C的氨基酸差异亲缘关系越近，其结构越相似；亲缘关系越远，在结构上的差异越大（二）一级结构变异导致分子病一级结构发生改变，一般来说，功能也会发生变化。分子病由于遗传基因的突变导致蛋白质分子结构的改变或某种蛋白质缺乏引起的疾病。例：镰刀形细胞贫血病N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)（三）蛋白质激活（蛋白质与其前体一级结构的关系）蛋白质分子的部分肽链必须先按特定方式断裂，然后才呈现出活性。是蛋白质分子的结构与功能具有高度统一性的表现例：胰岛素原的激活二、空间结构与功能的关系（一）变构作用有一些蛋白质可以通过改变其构象来改变其生物活性例：血红蛋白(R)relaxedstate(T)tensestate血中氧分子的运送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle静脉动脉环境氧高时Hb快速吸收氧分子环境氧低时Hb迅速释放氧分子释放氧分子后Hb变回

Tstate任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力两种不同的构象当第一个亚基和氧结合后，血红蛋白整个分子的空间结构发生改变，增加了其他亚基对氧的亲和力，有利于血红蛋白分子同氧的结合；氧的释放也具有这种效应。——变构作用（二）蛋白质的变性与复性

在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。

天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性疯牛病疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。PrPcα-螺旋正常PrPscβ-折叠疯牛病第四节蛋白质的理化性质和分类1、蛋白质的两性电离

蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。一、理化性质2、蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点.鱼精蛋白（12~12.4）；胃蛋白酶（1~2.5）；血红蛋白（~7）利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。3、蛋白质的胶体性质胶体溶液的特点：分子直径在1-100nm内丁达尔效应布朗运动半通透性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——透析天然蛋白质保持稳定的亲水胶体状态的因素由于蛋白质分子表面分布着极性R基，分子表面会结合一层水分子。——水化膜蛋白质颗粒表面有可解离的基团，在一定pH值时，同种蛋白质分子总是带相同的电荷。——电荷排斥作用+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用破坏蛋白质稳定的亲水胶体状态，就会使蛋白质从溶液中沉淀出来——蛋白质的沉淀作用。蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中——蛋白质凝固。（1）等电点沉淀蛋白质在等电点时静电荷为0，电荷排斥作用减弱，此时溶解度最小，容易聚集而沉淀。4、蛋白质的沉淀与凝固（2）盐析法（高浓度中性盐沉淀）加入中性盐脱去蛋白质的水化层，盐的解离增加了离子强度，中和了蛋白质的表面电荷。（3）有机溶剂沉淀在蛋白质溶液中，加入一定量与水相溶的有机溶剂（乙醇、丙酮等），脱去水化层，使蛋白质的溶解度降低而沉淀。低温下操作（4）重金属盐沉淀在碱性条件下，蛋白质带负电荷，可以与重金属离子结合，形成不溶性重金属蛋白盐沉淀，如醋酸铅、硫酸铜等。（5）有机酸沉淀在酸性条件下，蛋白质带正电荷，与生物碱试剂结合形成溶解度极小的盐类，如三氯乙酸、单宁酸等。（6）加热沉淀当天然蛋白质受到某些物理因素或化学因素的影响后，由氢键、盐键等次级键维系的高级结构遭到破坏，分子内部结构发生改变，致使其生物学性质、理化性质改变，但原有的一级结构仍保持不变的现象。——蛋白质的变性作用5、蛋白质的变性作用造成变性的因素如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

变性的本质破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。变性后蛋白质的特征处