第二章蛋白质化学

第二章蛋白质化学第1页，课件共83页，创作于2023年2月第二章蛋白质化学主要内容：主要介绍蛋白质的构件单位——氨基酸的结构、分类、性质。了解肽的概念、结构。重点讨论蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系。第2页，课件共83页，创作于2023年2月目录第一节蛋白质的生物学功能及元素组成第二节蛋白质的基本组成单位──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的分离纯化技术第八节蛋白质的分类第3页，课件共83页，创作于2023年2月第一节蛋白质的生物学功能及元素组成第4页，课件共83页，创作于2023年2月一、蛋白质的生物学功能蛋白质是生命的物质基础分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％；某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。蛋白质几乎参与所有的生命活动与生命过程，是生命活动的体现者。生物个体间表现出的差异就是体内蛋白质不同造成的。第5页，课件共83页，创作于2023年2月抗体免疫功能5胰岛素、生长激素调节功能4血红蛋白运输功能3肌肉蛋白、胶原蛋白结构功能2酶催化功能1举例功能序号……蛋白质的生物学功能第6页，课件共83页，创作于2023年2月生物界蛋白质种类估计在1010-1012数量级，如此众多的蛋白质其元素组成是不是很复杂呢？二、蛋白质的化学组成第7页，课件共83页，创作于2023年2月（一）蛋白质的元素组成五种主要元素

C（50%-55%）H（6%-7%）O（19%-24%）N（15%-18%）S（0-4%）其它元素：P、Fe、Cu、Zn、I、Mo等第8页，课件共83页，创作于2023年2月凯氏定氮法测蛋白质含量：蛋白质含量＝蛋白质含N量×100/16

＝蛋白质含N量×6.25氮在绝大多数蛋白质中含量相当接近，一般为15%-18%，平均值为16%左右。丹麦化学家约翰·凯达尔很巧妙的想到，既然氮含量相对稳定，只要准确测量出氮的含量，便能推算出蛋白质的含量。发表于1883年的这一方法，为蛋白质的检测做出了巨大贡献。第9页，课件共83页，创作于2023年2月含氮量：66.7%C3H6N6第10页，课件共83页，创作于2023年2月

自然界任何蛋白质纯品经酸、碱、酶彻底水解后，所得的最终产物都是氨基酸（aminoacid，aa），因此氨基酸是蛋白质的基本单位。（二）蛋白质的基本单位第11页，课件共83页，创作于2023年2月一、蛋白质中常见的氨基酸二、二十种常见的蛋白质氨基酸分类及结构三、蛋白质中的稀有氨基酸四、非蛋白质氨基酸五、氨基酸的酸碱性质六、氨基酸的立体化学七、氨基酸的吸收光谱八、氨基酸的化学反应第二节蛋白质的基本组成单位——氨基酸第12页，课件共83页，创作于2023年2月一、生物体内的氨基酸类别蛋白质氨基酸：参与蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸，只有20种。它们都有遗传密码。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。非蛋白质氨基酸：生物体内呈游离或结合态的氨基酸。不构成蛋白质，目前发现的已超过300种。第13页，课件共83页，创作于2023年2月-氨基酸的通式每个氨基酸分子至少都含有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH)，并连在同一个碳原子上。R基不同、氨基酸不同。最简单的氨基酸的R？第14页，课件共83页，创作于2023年2月判断以下哪些是组成蛋白质的氨基酸？CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2OHCHNH2HCH2COOH√√××第15页，课件共83页，创作于2023年2月国际理论和应用化学联合会(IUPAC)习惯用希腊字母C原子编号的方式第16页，课件共83页，创作于2023年2月据营养学分类

必需aa非必需aa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）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）带电荷：正电荷（３种）负电荷（２种）二、20种常见蛋白质氨基酸的分类第17页，课件共83页，创作于2023年2月1、按照R基团的极性分类（1）R为非极性或疏水性的aa（8种）Ala、Val、Leu、Ile、Met、Pro、Phe、Trp由于侧链基团都是非极性或疏水的，因此这类aa不易溶于水。一般位于蛋白质的疏水核心，在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用。第18页，课件共83页，创作于2023年2月丙氨酸Ala,A缬氨酸Val，V亮氨酸Leu，L异亮氨酸Ile，I非极性R基团氨基酸第19页，课件共83页，创作于2023年2月苯丙氨酸Phe，F色氨酸Trp，W吲哚环甲硫氨酸Met，M脯氨酸Pro，P吡咯环第20页，课件共83页，创作于2023年2月（2）R为极性不带电荷的aa（7种）Ser、The、Tyr、Cys、Asn、Gln、Gly侧链都能与水形成氢键，易溶于水。第21页，课件共83页，创作于2023年2月甘氨酸Gly,G丝氨酸Ser，S苏氨酸Thr，T半胱氨酸Cys，C天冬酰胺Asn，N谷氨酰胺Gln，Q酪氨酸Tyr，Y第22页，课件共83页，创作于2023年2月（3）R为带电荷的aa（5种）带正电荷（3种）Lys、Arg、His（碱性氨基酸）带负电荷（2种）Asp、Glu（酸性氨基酸）带电荷的aa和极性aa一般位于蛋白质表面。第23页，课件共83页，创作于2023年2月天冬氨酸Asp，D谷氨酸Glu，ER基团带负电荷的氨基酸第24页，课件共83页，创作于2023年2月组氨酸His，H咪唑基赖氨酸Lys，K精氨酸Arg，RR基团带正电荷的氨基酸第25页，课件共83页，创作于2023年2月2、根据R基团化学结构分类（1）脂肪族aa中性(Gly、Ala、Val、Leu、Ile)含羟基或硫(Ser、Thr、Cys、Met)酸性及其酰胺(Asp、Glu、Asn、Gln)碱性(Lys、Arg、His)（2）杂环aa

(His、Pro)（3）芳香族aa(Phe、Tyr、Trp)第26页，课件共83页，创作于2023年2月丙氨酸Ala,A缬氨酸Val，V亮氨酸Leu，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甘氨酸Gly,G第27页，课件共83页，创作于2023年2月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第28页，课件共83页，创作于2023年2月碱性氨基酸

赖氨酸Lys，K精氨酸Arg，R组氨酸His，H咪唑基第29页，课件共83页，创作于2023年2月杂环氨基酸

组氨酸His，H脯氨酸Pro，P吡咯环第30页，课件共83页，创作于2023年2月芳香族氨基酸

苯丙氨酸Phe，F酪氨酸Tyr，Y色氨酸Trp，W吲哚环第31页，课件共83页，创作于2023年2月3、按人类自身能否合成分类（1）必需aa（8种）必需氨基酸：人体自身不能合成或合成速度不能满足人体需要，必须从食物中摄取的氨基酸。Met、Val、Lys、Ile、Phe、Leu、Trp、Thr（2）非必需aa（12种）第32页，课件共83页，创作于2023年2月甲硫氨酸、缬氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸甲

携来一本亮色书必需氨基酸：Met

Val

Lys

Ile

Phe

Leu

Trp

Thr甲硫氨酸、缬氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸携一两本淡色书来第33页，课件共83页，创作于2023年2月4、按氨基、羧基数分类（1）一氨基一羧基aa（2）二氨基一羧基aaLys、His、Arg（3）一氨基二羧基aaGlu、Asp第34页，课件共83页，创作于2023年2月第35页，课件共83页，创作于2023年2月三、蛋白质中的稀有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。

第36页，课件共83页，创作于2023年2月（胶原蛋白的组成成分）（肌球蛋白）（凝血酶原及某些具有结合Ca2+离子功能的蛋白质）

第37页，课件共83页，创作于2023年2月第21和22种氨基酸硒代半胱氨酸（Sec或SeCys，U）UGA存在于少数一些酶中，如谷胱甘肽过氧化酶、甲状腺素5'-脱碘酶、硫氧还蛋白还原酶、甲酸脱氢酶、甘氨酸还原酶和一些氢化酶等。SeCys的结构和Cys类似，只是其中的S被Se取代。吡咯赖氨酸（Pyl，O）UAG在产甲烷菌的甲胺甲基转移酶中发现，与标准氨基酸不同的是，它由终止密码子UAG的有义编码形成。也可以参与蛋白质的合成第38页，课件共83页，创作于2023年2月四、非蛋白质氨基酸生物体内各种组织和细胞中还存在着许多不参与蛋白质组成的氨基酸，称为非蛋白质氨基酸。第39页，课件共83页，创作于2023年2月重要的中间代谢物神经递质维生素泛酸的组成成分第40页，课件共83页，创作于2023年2月在晶体和水溶液中，aa主要以解离的形式存在。羧基带上一个负电荷，氨基带上一个正电荷。偶极离子（兼性离子、两性离子）非解离形式五、氨基酸的酸碱性质第41页，课件共83页，创作于2023年2月

氨基酸的解离两性离子形式的氨基酸既可以作为碱接受H+

，又可以作为酸电离出H+

，因而它具有酸碱两性性质。pH低时pH高时第42页，课件共83页，创作于2023年2月酸碱质子理论阳离子（A+）两性离子（Ao）阴离子（A-）质子供体质子受体第一步解离第二步解离Ka1=[Ao][H+][A+]Ka2=[A-][H+][Ao]第43页，课件共83页，创作于2023年2月甘氨酸滴定曲线（解离曲线）第44页，课件共83页，创作于2023年2月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-(pK1)(pK2)当氨基酸溶液在某一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(isoelctricpoint)。氨基酸的等电点（pI）第45页，课件共83页，创作于2023年2月甘氨酸滴定曲线一氨基一羧基aa的等电点计算：pI=2pK1+pK2第46页，课件共83页，创作于2023年2月一氨基一羧基aa的等电点计算推导相乘在等电点时，=[A+][A-]=Ka1Ka2[A-][A+][H+]2则=Ka1Ka2[H+]2得到Ka1=[Ao][H+][A+]Ka2=[A-][H+][Ao]第47页，课件共83页，创作于2023年2月以I代表等电点时的氢离子浓度，则：=Ka1Ka2I2进一步得到：=pKa1+

pKa22pI等式两边取负对数，得到：12=(pKa1+

pKa2)pIpI值与离子浓度无关，只取决于两性离子两侧的pKa值。第48页，课件共83页，创作于2023年2月

侧链可解离的氨基酸呢？第49页，课件共83页，创作于2023年2月

组氨酸是pI值唯一在7附近的氨基酸，血红蛋白中含有较多His残基，这使得它具有显著的缓冲能力。第50页，课件共83页，创作于2023年2月第51页，课件共83页，创作于2023年2月第52页，课件共83页，创作于2023年2月第53页，课件共83页，创作于2023年2月要点:（1）氨基酸pI的计算（2）不同pH时的电泳行为

pH>pI时，带负电荷，向正极移动

pH=pI时，净电荷为零

pH<pI时，带正电荷，向负极移动（3）pI时，氨基酸的溶解度最大？最小？最小

氨基酸的等电点（pI）第54页，课件共83页，创作于2023年2月等电点的用途氨基酸（蛋白质）在等电点时，溶解度最小。根据等电点的大小判断氨基酸（蛋白质）的酸碱性。根据等电点差别分离纯化氨基酸（蛋白质）沉淀法、电泳法第55页，课件共83页，创作于2023年2月六、氨基酸的立体化学第56页，课件共83页，创作于2023年2月-氨基酸的立体异构体第57页，课件共83页，创作于2023年2月连接了4个不同原子或基团的碳原子称为不对称碳原子，又称手性碳原子。不对称碳原子都具有旋光性，又称为手性。具有一个手性碳原子的化学物，存在一对互为镜像对称的立体异构体，称为对映体。一对对映体具有相同的分子式但构型不同。第58页，课件共83页，创作于2023年2月构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有手性α-碳原子，与该α-碳原子相连的四个原子或基团在空间可以有两种排列方式：L-构型与D-构型。给定氨基酸的一种异构体溶液在旋光计上使偏振光平面右旋，它的另一个异构体就使偏振光平面左旋。这种能使偏振光的偏振面发生旋转的性质称作旋光性。右旋体：偏振面顺时针旋转，用（+）或d表示左旋体：偏振面逆时针旋转，用（–）或l表示构型与旋光方向无直接对应关系第59页，课件共83页，创作于2023年2月各氨基酸的构型是与甘油醛比较而确定的。甘油醛的构型由X-射线结构分析确立。

第60页，课件共83页，创作于2023年2月第61页，课件共83页，创作于2023年2月有些氨基酸除α-碳原子外，还有第二个手性碳原子。如苏氨酸、异亮氨酸、羟脯氨酸、羟赖氨酸等。苏氨酸的光学异构体第62页，课件共83页，创作于2023年2月Gly无旋光性，一种构型；Thr和Ile有四种光学异构体；其余17种氨基酸有两种光学异构体：L-型、D-型。自然界中，组成蛋白质的氨基酸都是L-型；也存在一些D-型氨基酸，但仅存在于少数几种小肽中。同一种L-型AA在不同溶剂中测定时，其比旋光值和旋光方向也会不同；在实验室有机合成的氨基酸为D-型和L-型的混合物，长时间放置，L-型会转变为D-型。第63页，课件共83页，创作于2023年2月含有手性碳原子的化合物都有旋光异构体，但不一定有旋光性。（不对称碳原子都具有旋光性，又称为手性）胱氨酸第64页，课件共83页，创作于2023年2月七、氨基酸的吸收光谱

参与蛋白质组成的20种氨基酸中，只有色氨酸(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，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为280、275和257nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，最大吸收波长一般是280nm，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。第65页，课件共83页，创作于2023年2月芳香族氨基酸的吸收光谱第66页，课件共83页，创作于2023年2月八、氨基酸的化学反应亚硝酸盐反应烃基化反应酰化反应脱氨基反应西佛碱反应侧链反应成盐成酯反应成酰氯反应脱羧基反应叠氮反应第67页，课件共83页，创作于2023年2月+HNO2+N2↑收集反应放出的氮气，可用来测定氨基酸的含量，这种测定氨基酸含量的方法称为范斯莱克（Vanslyke）氨基测定法。氮气一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，通常情况下测定生成的氮气的体积量即可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。1、与亚硝酸反应（一）α-NH2参加的反应第68页，课件共83页，创作于2023年2月酰化试剂：苄氧酰氯、叔丁氧甲酰氯、苯二甲酸酐、对-甲苯磺酰氯等。这些酰化试剂在多肽和蛋白质合成中被用作氨基的保护试剂。

丹磺酰氯（5-二甲基氨基萘-1-磺酰氯）DNS-Cl2、酰化反应第69页，课件共83页，创作于2023年2月

与丹磺酰氯反应，生成DNS-氨基酸第70页，课件共83页，创作于2023年2月

Gly－Ala－Ser－Leu－PheDNS－Gly－Ala－Ser－Leu－Phe水解产物：DNS－Gly、Ala、Ser、Leu、PheDNS-氨基酸被紫外光激发后发黄绿色荧光，可以用于多肽N端aa的标记和微量aa的测定。DNS-Cl可用于多肽链—NH2末端氨基酸的标记第71页，课件共83页，创作于2023年2月氨基酸氨基中一个H原子可被烃基（包括环烃及其衍生物）取代。

X3、烃基化反应第72页，课件共83页，创作于2023年2月DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-aa(黄色)++HF弱碱中氨基酸（1）氨基酸与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应

（Sanger反应）第73页，课件共83页，创作于2023年2月二硝基苯基氨基酸（DNP-氨基酸）呈黄色，可以用层析法鉴定。Sanger用此反应来测定蛋白质的N末端氨基酸。第74页，课件共83页