蛋白质化学课件

第

一

章

蛋白质化学4蛋白质存在于所有的生物细胞中，

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。蛋白质是生命现象的物质基础之一蛋白质是机体内含量最丰富的高分子物质了解蛋白质的结构和功能，是探求生命奥秘过程中最基本的任务

收缩蛋白机体的运动酶催化作用贮存蛋白贮存功能调节蛋白调节代谢活动结构蛋白结构和支持作用转运蛋白转运功能几乎一切生命现象都要通过蛋白质的

结构与功能

而体现出来第

一

节

蛋

白

质

通

论一、蛋白质的化学组成除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。有些蛋

白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、铜、碘、

锌和钼等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：50%16%0-3%微

量碳氢

7%

氧

23%氮硫其他蛋白质的平均含氮量为16%,这是蛋白质元素组成的一个特点，也是凯氏定氮

法测定蛋白质含量的计算基础：蛋白质含量=蛋白氮

X6.256.25

为1克氮所代表的蛋白质量(克数)。二

分类按组成分类1

)

简

单

蛋

白

质

：(完全由氨基酸构成)(1)清蛋白(albumin):广泛存在于生物体内，如血清清蛋白、乳清蛋白等。(2)球蛋白(globulin):普遍存在于生物体内，如血清球蛋白、肌球蛋白和植物种

子球蛋白等。(3)谷蛋白(glutelin):如米谷蛋白和麦谷蛋白等。(4)醇溶谷蛋白(Prolamine):溶于70-80%乙醇中，含脯氨酸和酰胺较多，非极性侧链远较极性侧链多。这类蛋白质主要存在于植物种子中。如玉米

醇溶蛋白、麦醇溶蛋白等。(5)组蛋白(histone):分子中组氨酸、赖氨酸较多，分子呈碱性。如小牛胸腺组蛋

白等。(6)鱼精蛋白(Protamine):分子中碱性氨基酸特别多，因此呈碱性。如蛙精蛋白等。(7)硬蛋白(scleroprotein):这类蛋白是动物体内作为结缔及保护功能的蛋白质。例如角

蛋白、胶原、网硬蛋白和弹性蛋白等。2)、结合蛋白质(除蛋白质部分外，还有非蛋白质成分，如辅基或配基)(1)核蛋白(nucleoprotein):辅基是核酸，如脱氧核糖核蛋白、核糖体、烟草花叶病毒等。(2)脂蛋白(lipoprotein):与脂质结合的蛋白质，如血中的β脂蛋白、卵黄球蛋白等。(3)糖蛋白(glycoprotein)和粘蛋白(mucoprotein):辅基成分为半乳糖、甘露糖、己糖胺、已糖醛酸、唾液酸、硫酸或磷酸等。如卵清蛋白、y-

球蛋白，血清类粘蛋白等。(4)磷蛋白(Phosphoproteln):含磷酸基，如酪蛋白、胃蛋白酶等。(5)血红素蛋白(hemoprotein):辅基为血红素，含铁的如血红蛋白、细胞色素C,

含镁的有叶

绿蛋白，含铜的有血蓝蛋白等。(6)黄素蛋白(flavoprotein):辅基为黄素腺嘌呤二核苷酸。如琥珀酸脱氢酶、

D-氨基酸氧化

酶等。(7)金属蛋白(metalloprotein):与金属直接结合的蛋白质。如铁蛋白含铁，乙醇脱氢酶含锌，黄嘌呤氧化酶含钼和铁等。第二节

氨基酸氨基酸是一切蛋白质的组成单位。蛋白质的水解完

全

水解得到各种氨基酸的混合物，部

分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元

。大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成

。这20种氨基酸被称为基本氨基酸一

、氨基酸的一般结构且十H₂NH₂CC00HCH₂CH₂除脯氨酸外，20种氨基酸在结构上的共同点是与羧基相邻的a碳原子上都有一个氨基，因而称为α氨基酸。NH₈十除甘氨酸外，所有α-氨

基酸中的α碳原子是一

个不对称碳原子，具有

旋光性左旋与右旋氨基酸：在旋光计上使偏振光平面向左旋转[一],使

偏振光平面向右旋转

[+]。NH₃十且名

称分子量[a]p(H₂O)[a]p(5

mol/L

HCl)名

称分子量[a]p(H₂O)[α]ø(5

mol/L

HCl)甘氨酸75.05精氨酸174.4+12.5+27.6丙氦酸89.06+1.8+14.6赖氨酸146.13+13.5+26.0缴氨酸117.09+5.6+28.3组氨酸155.09-38.5+11.8亮氨酸131.11-11.0+16.0胱氨酸240.33-232异亮氨酸131.11+12.4+39.5半胱氨酸121.12-16.5+6.5丝氨酸105.06—7.5+15.1甲硫氨酸149.15-10.0+23.2苏氨酸119.18-28.5-15.0苯丙氨酸165.09-34.5-4.5天冬氨酸133.6+5.0+25.4酪氨酸181.09-10.0天冬酰胺132.6-5.3+33.2(3

mol/L

HCl)色氨酸204.11-33.7+2.8(1mol/LHCI)谷氨酸147.08+12.0+31.8脯氨酸115.08-86.2-60.4谷氨酰胺146.08+6.3+31.8(1

mol/L

HCl)羟脯氨酸131.08-76.0-50.5比旋光度是α-氨基酸的物理常数之一，也是鉴别各种氨基酸的一种根据。下表示L型α-氨基酸的比旋光度。表3-6蛋白质中常见L型氨基酸的比旋光度CHOH

OHCH₂OHD-

甘油醛COO十

.H

NH3CH3D-

丙氨酸COO十H₃N

-HCH3L-丙氨酸CH₂OHL-甘油醛CHO-HHO—二、

氨基酸的分类20种常见氨基酸可以按极性大小分成三大类1、

非极性R

基(中性-非极性氨基酸)8种，包括5种脂肪族氨基酸、2种含芳香环氨基酸、1种含巯基氨基酸。它们的R基团具有疏水性，不易溶于水。一般说来其侧链越大，疏水作用也越强。Nonpolar,C0O十H₃N—C—HCH₂CHcH₃CH₃Leycine亮

氨

酸aliphatic

RCOO-+H₃N—C—HCH₃Alanine丙

氨

酸COO-十H₃N—C—HCH₂CH₂sCH₃Methionine蛋

氨

酸groupsCOOH₃N—C—HCHCH₃

CH₃Valine缬

氨

酸COO十H₃N—C—HH-C-CH₃CH₂CH₃Isoleucine异

亮

氨

酸C0O十H₃N-C-HCH₂Phenylalanine苯丙氨酸Aromatic

RgroupsC0O十H₃N-C—HCH₂C=CHNHTryptophan色氨酸常以胱氨酸的形式存在Hs

—CH₂-CH—ooHNH₃二硫键-

S—

S

CH₂—CH—OOC NH₃胱氨酸十半胱氨酸

(Cys)OOC-CH-CH₂—十NH₃0OC—CH-CH₂十NH₃Serine丝氨酸COOHM—C—HCH₂OHTyrosine酪氨

酸Cysteine半胱氨酸CoO-十H₃N—C—HCH₂

CH₂H₂NG谷luta酰min胺e甘氨酸的侧链介于极性与非

极性之间。Threonine苏氨酸COO-十H₃N—C—HCH₂H₂NPolar,

uncharged

R

groupsGlycine甘氨酸共7种氨基酸，易溶于水，Ser、Thr

和Tyr中侧链的极性是由羟基造成；Asn和Gln的极性是由酰胺基引起，半胱氨酸是由于含巯基。其中Cys和Tyr的极性最强。3、

带负电荷的R

基氨基酸(酸性氨基酸)AcidicL-Asparti

c

aci

d

(Asp

or

D)

[-Glutamic

acid

(Glu

or

E)2个氨基酸都含有两个羧基，并且第二个羧基在pH6-

7范围内也完全解离，因此分子带负电荷。L-Arginine

(Arg

or

R)BasicL-Lysine

(Lys

or

K)3个碱性氨基酸在pH7时携带净正电荷。

Lys

除α氨基

外，在脂肪链的ε位置上还有一个氨基；

Arg含有一个带

正电荷的胍基；

His有一个弱碱性的咪唑基。4

、带正电荷的R

基氨基酸(碱性氨基酸)L-Histidine

(His

or

H)按R基化学结构分类脂肪族氨基酸了芳香族氨基酸杂环族氨基酸三、

氨基酸的理化性质(一)氨基酸的一般物理性质1.氨基酸的旋光性除甘氨酸外，氨基酸含有一个手性

α-碳原子，因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。组成蛋白质的20多种氨基酸，在可见光

区域都没有光吸收。在远紫外区(<220nm)

均有光吸收。在近紫外光区域(220-300nm)

只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有光吸收。

因为它们含

有苯环共轭双键系统。10200

250Wavelength,nm10,00010001002

氨基酸的紫外吸收Molar

a

b

s

o

r

pt

i

v

ity,

M-13溶解度一般均溶于水，溶于强酸、强碱；不溶于乙醚(二)氢基酸的酸碱性质1氨基酸的兼性离子形式氨基酸的二种可能存在形式H

H十H2N-C-C₀OH

H₃N-C—C0O-R

R中性分子

兼性离子氨

基

酸

在

晶

体

或

水

中

主

要

是

以

兼

性

离

子

的

形

式

存

在2氨基酸的两性解离依照Bronsted-Lowry的酸碱质子理论，酸是质子(H+)

的

供体，碱是质子的受体。酸碱的相互关系如下：HA

>A-+H+酸

碱

质子这里原始的酸(HA)和生成的碱(A-)被称为共轭酸-碱

对。酸和碱有同一性：互为存在的条件，在一定条件下，又各向着和自己相反的方面转化。且

HR—C—C00-+

H++→

R-C—COOH质子受体xH₃

NH;根据这上述理论，氨基酸在水中的偶极离子既起酸(质子供体)的作用，也起碱

(质子受体)的作用，因此是两性电解质。HR-C—COO-

之NH₃R—C--C0O-+NH₂质子供体正*氨基酸完全质子化时，可以看成是多元酸，侧链不解离的中性氨基酸可看作二元酸，酸性氨基酸和碱性氨基酸可视为三元酸。以甘氨酸为例说明氨基酸的解离情况(1)(2)兼性离子(R⁰)兼性离子

(RO)阳离子(R+)阴

离

子

(R-)+3氨基酸的等电点在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化-H+

COOpK2H₂N-C-H+H+

R10-1负离子70两性离子等电点PIPH

1净电荷+1正离子氨基酸的等电点：氨基酸分子中所含的-NH₃*和-C00-数

目正好相等，净电荷为0时的环境pH值

即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。氨基酸等电点的计算：侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK'1

和pK'2的算术平均值：pI=(pK'1+pK'2)/2对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK

'值的算术平均值。酸性氨基酸：

pI=(pK'1+pK'R-COO-)/

2碱性氨基酸：

pI=(pK'2+pK'R-NH2)/2COOFH₂N-C—H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

三

氢基酸的化学反应成盐成酯反应

成酰氯反应脱羧基反应

叠氮反应侧链反应NH

OHB-CH-NOH+HNO;→B-CH-COOH+N↑+HO在标准条件下测定生成的氮气体积，即可计算出氨基酸

的量。α-氨基参加的反应1、与亚硝酸反应：氨基酸的氨基也和其他的伯胺一样，在室温下与亚硝酸作用生成氮气，其反应式如下：苄氧酰氨基酸除苄氧甲酰氯外，酰化试剂还有叔丁氧甲酰氯、对-

甲

苯磺酰氯以及邻苯二甲酸酐等。这些酰化试剂在多肽和蛋白

质的人工合成中被用作氨基的保护试剂。2、与酰化试剂反应：氨基酸的氨基与酰氯或酸酐在弱碱溶液中发生作用时，氨基即被酰基化。如与苄氧甲酰氯反应：苄氧酰氯R弱碱中-F+H₂N—CH—COOENO₂RH

|-N—CH—CO0H+HFNO₂氨基酸(黄色)3、烃基化反应：氨基酸氨基的一个H

原子可被烃基取代，如与2,4-二硝基氟苯(Sanger试剂)在弱碱性溶液中发生亲核芳环

取代反应而生成二硝基苯基氨基酸。这个反应被用来

鉴定多肽或蛋白质的NH2末端氨基酸。O₂N-DNPO₂N—苯异硫氰酸酯(PITC)(Edman

反应)苯氨基硫甲酰衍生物(PTC-

氨基酸)苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-

氨基酸)苯异硫氰酸酯COO

COOpK'2CH₂

H+

+

CH₂NHa+

NH2C0OHCHOCH₂NHCH₂OH用途：可以用来直接测定氨基酸的浓度。羟甲基衍生物4

氨基酸的甲醛滴定N=CH₂α-氢基和α-羧基共同参加的反应1、

与茚三酮反应：茚三酮在弱酸性溶液中与a-氨基酸共热，引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应，最后茚三酮与反应产物--氨和还

原茚三酮作用，生成紫色物质(570nm)。—0—用茚三酮显色可以定性或定量测定各种氨基酸水合茚三酮还原茚三酮水合茚三酮还原茚三酮紫色物质两个亚氨基酸—脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应并不释放NH3,

而直接生成黄色化合物(440nm)。2、

成肽反应：一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基可以缩合成肽，形成的键称肽键。肽键第

三

节

蛋

白

质

的

结

构一

、肽和肽键肽

(

peptide)AA

的a-COOH

和AA

的a-NH3

脱水后形成的化合物称为肽。肽键

(peptide

bond)蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是肽键H₂O

H₂OR¹

H

R²H₃N-CH-C-N-CH-COO0H

R²OH

+

H

-N-CH-COOR1+H₃N-CH-C-1

肽键的结构：0已知：C-N

单键的键长是0.148nm,C=N

双