生物化学-3(蛋白质-1)-2011-9

第二章蛋白质化学〔教学目的与要求〕

1.了解蛋白质元素组成特点及功能。2.了解氨基酸的结构特点及基本性质。3.了解氨基酸的分类方法及理论依据。4.掌握蛋白质不同结构层次的概念、研究内容及相互关系。5.掌握蛋白质结构与功能的关系。6.掌握常见蛋白质分离、纯化、测定的方法及原理。

第一节蛋白质化学组成及生理功能从1864年Hoppe-seyler结晶出第一个天然蛋白质—血红蛋白质至今，已经有数千种蛋白质被分离提纯、并得到的结晶体。

一、蛋白质的元素组成

主要元素：CHONS

C：50%H：7%O：23%N：16%S：0－3%

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：

粗蛋白质含量＝蛋白质含N量×6.25微量:PFeZnCuMoIMgCl等

P：牛奶中的酪蛋白含磷

Fe:血中的血红蛋白含铁

I：甲状腺中甲状腺球蛋白含碘

三聚氰胺与假蛋白

三聚氰胺为重要的氮杂环有机化工原料,分子式C3N6H6、C3N3(NH2)3，分子量126.12。其含氮量为66.6%，是牛奶的151倍，是奶粉的23倍。每100g牛奶中添加0.1克三聚氰胺，就能提高0.4%蛋白质含量。由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷，三聚氰胺也常被不法商人用作食品添加剂，以提升食品检测中的蛋白质含量指标，因此三聚氰胺也被人称为“蛋白精”。

二、蛋白质的水解酸水解

条件：5～10倍的20%的盐酸煮沸回流16～24小时，或加压于120℃水解2小时。优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为L-α-氨基酸，产物单一，无消旋现象。缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解液呈黑色。碱水解条件：4mol/LBa(OH)2或6mol/LNaOH煮沸6小时。优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解液清亮。缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。酶水解条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温37～40℃，pH值5～8。优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。缺点：水解不完全，中间产物多。

蛋白质的酸、碱水解常用于蛋白质的氨基酸组成分析；而酶水解用于制备蛋白质部分水解产物及蛋白质一级结构测定。

◆

蛋白质（protein）存在于所有的生物细胞中，是含量最丰富、功能最复杂的生物大分子。是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。

◆蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。蛋白质的主要生理功能:催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能

三、蛋白质的生理功能2.催化作用：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。3.调节作用：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素；神经递质、钙调蛋白、阻遏蛋白。4.运输作用：如红细胞中运输O2、CO2要靠血红蛋白(Hb)、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白；膜转运蛋白。1.蛋白质顺序异构现象是蛋白质生物功能多样性和种属特异性的结构基础。

5.运动作用：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。6.有机体的结构成分：胶原蛋白、纤维蛋白等7.营养作用：用作有机体及其胚胎或幼体生长发育的原料。卵清蛋白、酪蛋白、种子贮藏蛋白8.防御功能：免疫球蛋白、病毒外壳蛋白、干扰素。免疫反应-（抗体;抗原）9.信息传递的作用：

如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白受体、生物膜上的受体蛋白10.其它：甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。结构蛋白构建生命体的材料（没有不含蛋白的生物体）如a-角蛋白、胶原蛋白催化作用高效专一地催化机体内几乎所有的生化反应酶调节作用通过体液，神经系统调节机体代谢活动有序进行如激素、神经递质、钙调蛋白、阻遏蛋白运输作用专一运输各种小分子和离子如血红蛋白、膜蛋白防御作用防御异体侵入机体，清除抗原，具高度专一性如免疫球蛋白、病毒外壳蛋白、干扰素营养作用氨基酸贮库，用于生长发育或某些物质与蛋白质结合而被贮存如卵清蛋白、酪蛋白、种子贮藏蛋白运动作用负责机体的运动如肌动蛋白、肌球蛋白第二节蛋白质的基本结构单位─-----氨基酸一、氨基酸的结构特点（一）氨基酸的结构通式不变部分可变部分（二）氨基酸的构型构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有α-碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L-构型与D-构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：1、所有的天然氨基酸都含有α-氨基。2、不同的氨基酸的主要差异是在R-侧链上。3、除甘氨酸外，所有天然氨基酸都含有不对称碳原子（手性碳原子），都具有旋光性(右旋（＋）和左旋（－）)

。4、存在着L-型和D-型两种立体异构体。构成蛋白质的所有天然氨基酸都属于L-型。

从氨基酸的结构通式和构型可以看出：

二、氨基酸的分类自然界中游离存在的AA有300多种，生物体中发现的AA已有180多种，但构成蛋白质的AA只有20种名称（三句半口诀）甘丙缬亮异苏丝半蛋天谷精赖苯酪组色脯AA的名称常使用三字母的简写符号表达，也使用单字母的简写符号表示--主要用于表达长多肽链的AA顺序标准AA的区别在于R基团，所以按R基的结构和极性不同进行分类二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号

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AA非极性R基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（15种）一氨基二羧基ＡＡ(Glu、Asp)二氨基一羧基ＡＡ(Lys、Arg、His)（一）按氨基酸分子中羧基与氨基的数目1.酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、2.碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸3.中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。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）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）中性脂肪族氨基酸杂环氨基酸

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（Trp,W）（二）据营养学价值分类1.必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。2.半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。

3.非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。LysTrpPheValMetLeuIleThr

Arg、His物理性质1、溶解度2、熔点及旋光度3、味感4、光吸收特性化学性质1、两性解离性质及等电点。2、与金属离子的反应3、与甲醛的反应4、与茚三酮的反应三、氨基酸的理化性质（一）物理性质1.形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。2.溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。3.熔点：氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200℃，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。4..旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。5.光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收。（二）化学性质1.氨基酸的两性电离及等电点：

氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，在水中既起酸（质子供体）的作用,又起碱（质子受体）的作用，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：

实验证明在等电点时，氨基酸主要以两性离子形式存在，但也有少量的而且数量相等的正、负离子形式，还有极少量的中性分子。当溶液的pH=pI时，氨基酸主要从两性离子形式存在。

pH<pI时，氨基酸主要以正离子形式存在。pH>pI时，氨基酸主要以负离子形式存在。

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)

从上图可知：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。在某一pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。

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)。所以氨基酸的等电点可以定义为：氨基酸所带正负电荷相等时的溶液pH。二十种氨基酸的pK，及等电点：

PI的用途：分离、纯化和鉴定蛋白质、AA制剂；在药物使用上可用改变PI的方法延长疗效。当PH＝PI时：（1）带净电＝0，电场上不移动，导电性最小。（2）溶解度最小，最易沉淀，粘度最小。2.由α-氨基参加的反应：

(1)与亚硝酸反应：室温下，HNO2可以与游离α-NH2的AA反应，定量地释放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，在通常情况下测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。意义：（1）释放的N2中的N，1/2来自AA，故可以通过测释放的N2的体积定量计算AA的量。（2）可以用来测定蛋白质的水解程度（因只与游离α-NH2反应，所以水解越完全，释放的N2越多）。(2)与甲醛的反应：用过量的中性甲醛与氨基酸反应，可游离出氢离子，然后用NaOH滴定，从消耗的碱量可以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定法。意义：（1）甲醛过量时，用酚酞作指示剂，用NaOH滴定可以依NaOH用量判断出游离AA的量。（2）可以用来检测蛋白质的水解程度。

(3)与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应（sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)++HF弱硷中氨基酸意义：

DNP-AA呈黄色，多肽和蛋白质N’末端的AA也可以与之形成DNP-多肽或DNP-Pr，之后使该多肽或蛋白质水解，酰胺键断裂，而DNP-AA键不断裂，可以用乙醚将其抽提出来（DNP-AA与其它AA在有机溶剂中溶解度不同），进行纸层析，根据在纸上黄色斑点的位置可鉴定N’末端的AA的种类,常用于蛋白质的N-末端的测定。

(4)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）弱硷中(400C)(硝基甲烷400C)H+NH2少1个AA的多肽多肽PTC-多肽意义在多肽和蛋白质的AA顺序分析方面占有重要作用。肽链N-末端的AA可以形成PTC-多肽，在无水酸中可以释放出PTH-AA和比原来少一个AA的多肽段，PTH-AA可用乙酸乙酯抽提，纸层析，可确定N-末端AA的种类，余下的多肽段可利用此方法进行反复测定，从而测出该多肽段的顺序

3.α-羧基参加的反应：(1)与碱反应成盐(2)与醇反应成酯(3)与酰化试剂反应成酰氯

4.α-羧基和α-氨基共同参与的反应

（1）、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+还原性茚三酮应用：1、可以作为颜色反应，用来定性鉴定AA，（除Pro呈黄色）。2、用分光光度法根据蓝色深浅定量测定AA。3、测定CO2的量，从而可计算参加反应的AA的量。4、在AA纸层析中用茚三酮作呈色剂。5、可根据此反应的灵敏度分析出肽链长短（越长则反应越不灵敏）。图1-10纸层析示意图

Rf

=

溶质层析点中心到原点中心的距离----------------------溶剂前沿到原点中心的距离（2）成肽反应

5.侧链反应（颜色反应）(1)

Millon反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。

Millon试剂：汞的硝酸盐与亚硝酸盐溶液。

产物：红色的化合物。(2)

Folin反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。Folin试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。

产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。(3)

坂口反应：检测Arg或含Arg的蛋白质的反应。

坂口试剂：α—萘酚的碱性次溴酸钠溶液。

产物：砖红色的沉淀。(4)

Pauly反应：检测His、Tyr及含His、Tyr蛋白质的反应。试剂：对氨基苯磺酸盐酸溶液、亚硝酸钠、碳酸钠混合溶液产物：橘红色的化合物。(5)乙醛酸的反应：检测Trp或含Trp蛋白质的反应。当Trp与乙醛酸和浓硫酸在试管中叠加时，产生分层现象，界面出现紫色环。(6)Cys的反应：Cys或含Cys蛋白质与亚硝基亚铁氰酸钠在稀氨的溶液中，产生一种红色的化合物。第三节肽一、肽和肽键

肽

一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的化合物称为肽。

肽键失水形成的酰胺键称为肽键。肽键的形成及肽的主链结构

由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。

构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基。

通常在多肽链的一端含有一个游离的

-氨基，称为氨基末端或N-末端（“H”），而另一端含有一个游离的

-羧基，称为羧基末端或C-末端（“OH”）。

肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH2端开始，由N端（左）→C端（右），即多肽链有方向性，N端为头，C端为尾。

肽链书写方式：N端（左）→C端（右）二肽三肽四肽二肽→+肽称寡肽（oligopeptide）多肽（Polypeptide）二、天然存在的某些活性肽

（一）谷胱甘肽（GSH）

三肽（Glu-Cys-Gly），广泛存在于生物细胞中，含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。

谷胱甘肽的作用：

1、破坏内源性过氧化物和自由基（抗氧化）防止过氧化物积累。2、去除外源性化合物的毒性，维护蛋白质活性中心中的巯基的稳定（解毒）。3、参与AA的跨膜运输。4、参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子。（二）脑啡肽（神经肽）Met-脑啡肽Tyr-Gly-Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

现已发现的有几十种，有：5肽化合物－－脑啡肽；31肽化合物－－β内啡肽；11肽－－P物质。其中脑啡肽的镇痛作用比吗啡还强，同时是生物体自身合成的“鸦片剂”，所以不具成瘾性，目前已被人工合成β内啡肽的镇痛作用比脑啡肽还强，可用于晚期癌症的解痛，同时其对精神分裂症及忧郁症病人的症状有明显的改善作用；短杆菌肽S（三）抗菌素肽（四）多肽激素

#属蛋白质类，由基因工程法生产大多是数十年研究的多肽激素一、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、蛋白质的四级结构第四节蛋白质的分子结构

蛋白质分子是由一条或多条多肽链按照各自的特殊方式组合成的具有完整生物活性的生物大分子。

蛋白质与多肽无严格的界线，通常将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。蛋白质分子量变化范围很大,从大约6000到1000000道尔顿甚至更大。蛋白质的结构有不同的层次，人为地分为1－4级结构。一、蛋白质结构层次的划分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蛋白质不同结构层次的相互关系二、蛋白质的一级结构

定义：蛋白质的一级结构（Primarystructure）又称为共价结构或化学结构。1969年，国际纯化学与应用化学委员会（IUPAC）规定蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中AA的排列顺序，包括二硫键的位置。

是蛋白质最基本的结构，其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础，它包含着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。牛胰岛素的一级结构

结构：1、由51个AA组成，分子量5734。2、由A、B两条链组成，A链21个AA,B链30个AA。3、两链间有两对二硫键（7－7）（20－19）A链具有链内环（6－11）。

蛋白质的一级结构研究

一级结构的研究包括：蛋白质的氨基酸组成测定，肽链数目的确定，末端氨基酸种类测定，氨基酸的排列顺序测定，二硫键位置的测定，酰胺位置的确定。大致步骤如下：1.获取一定量纯的蛋白质样品，测其分子量，然后将样品完全水解，确定该蛋白质的氨基酸种类、数目及每种氨基酸的含量。2.进行末端测定，确定该蛋白质的肽链数目，N-端和C-端是什么氨基酸。

N-末端测定法：常采用2，4—二硝基氟苯法、Edman降解法、丹磺酰氯法。

C-末端测定法：常采用肼解法、羧肽酶法。3.肽链的拆分:经末端的分析，若该蛋白质含有两条以上的肽链，而且肽链之间是通过非共价键连接，使用蛋白质变性剂将其变性后分开；若蛋白质肽链之间通过共价键相连，则可采取过甲酸氧化法或巯基乙醇还原法将其分开。4.各肽链中氨基酸排列顺序的测定:使用两种以上的方法将肽链部分水解成肽段，测各肽段的氨基酸顺序，然后使用片段重叠法推测出完整肽链的氨基酸顺序。5.确定二硫键和酰胺的位置

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

定义：

称为蛋白质的高级结构或构象，是以一级结构为基础，蛋白质分子中原子或基团在三维空间上的排列、分布和走向。包括2－4级结构。

三、蛋白质的空间结构蛋白质的一、二、三、四级结构构型：是指在立体异构体之间，原子或基团在空间的取向（不同排布方式）。特点：是一种二维变化；构型之间的相互转变涉及到共价键的形成与破坏，与氢键无关。构象：是表示一个分子结构中（多肽）各原子或基团之间相互立体关系（一切原子或基团沿共价键转动而产生的不同空间排列）。特点：是一种三维空间的变化；构象之间的转变是通过键的旋转或扭曲来完成的，涉及到氢键等次级键的形成和破坏。但不改变共价键。

构型与构象

共价键

a.盐键b.氢键c.疏水键d.范得华力e.二硫键维持蛋白质分子构象的作用力肽键二硫键盐键氢键疏水键非共价键范德华力定义：指多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式有规律的折叠和盘绕形成的特定空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。特点：只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键，氢键是稳定二级结构的主要作用力。类型：天然蛋白质二级结构一般有-螺旋、-折叠、-转角、自由回转四、蛋白质的二级结构特征：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。4、在多肽链内形成氢键。5、α-螺旋在许多蛋白中