第二章 蛋白质化学

1环境科学与工程系第二章蛋白质2环境科学与工程系主要内容2.1蛋白质的分类2.2蛋白质的组成单位-氨基酸2.3肽2.4蛋白质的结构2.5蛋白质结构与功能的关系2.6蛋白质的性质与分离、分析技术3环境科学与工程系需要掌握的内容蛋白质的元素组成和分类氨基酸的分类和性质肽的结构蛋白质的结构，以及结构与功能的关系蛋白质的性质4环境科学与工程系思考什么是蛋白质？蛋白质的生物学意义？下列物质中是否含有蛋白质？瘦肉、皮肤、软骨、骨骼、头发人体缺少蛋白质会怎么样？健康之路-蛋白质的作用/20121204/83946.shtml5环境科学与工程系蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质是生命活动的物质基础，是含量最丰富的生物大分子，具有多种生物学功能，称为功能大分子。6环境科学与工程系蛋白质的生物学重要性蛋白质是各组织的主要有机成分，干重45%，一般组织含17~20%。2.蛋白质具有重要的生物学功能

1）催化功能---酶

2）载运功能---膜蛋白、血红蛋白

3）运动功能---鞭毛、肌肉蛋白

4）防御功能---免疫球蛋白

5）调控功能---激素、生物活性肽

6）结构功能---皮、毛、骨、牙、细胞骨架

7）其他功能---动植物中有些蛋白质主要是营养贮藏物。谷蛋白、卵清蛋白、酪蛋白；特殊功能蛋白：南极鱼类血浆中抗冻蛋白

3.氧化供能7环境科学与工程系2.1★蛋白质的分类

元素分析发现蛋白质一般含碳50~55%，氢6~8%，氧20~23%，氮15~18%，硫0~4%。有些蛋白质还含有微量的磷、铁、铜、碘、锌和钼等元素。蛋白质的平均含氮量为16%，即每1g蛋白质中的氮相当于6.25g蛋白质。

样品中蛋白质含量=样品中的含氮量×6.258环境科学与工程系2.1.1根据分子形状分类球状蛋白质分子长轴：短轴<10，多数可溶于水。亲水基团位于分子表面，疏水基团位于分子内部。纤维状蛋白质分子长轴：短轴>10，难溶于水。（如胶原蛋白，多作为结构蛋白）膜蛋白质一般折叠成近球形，插入生物膜，也有一些通过非共价键或共价键结合在生物膜的表面。

细胞膜脂质双层上G蛋白偶联受体的计算机模拟图9环境科学与工程系2.1.2根据分子组成分类结合蛋白质（1）核蛋白（2）糖蛋白与蛋白聚糖（3）脂蛋白（4）色蛋白（5）磷蛋白*根据蛋白质组成成分简单蛋白质：氨基酸如清蛋白、球蛋白结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分（称为辅基）10环境科学与工程系2.1.3根据功能分类酶调节蛋白贮存蛋白质转运蛋白质运动蛋白防御蛋白和毒蛋白受体蛋白质支架蛋白结构蛋白异常蛋白11环境科学与工程系2.2★蛋白质的组成单位-氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，除脯氨酸外，其余19种都是氨基位于

-碳原子上的

-氨基酸。除甘氨酸外，所有α-氨基酸分子中的α-碳原子都为不对称碳原子。因此，除甘氨酸外的所有

-氨基酸均有旋光性。蛋白质水解得到的均为L--氨基酸。12环境科学与工程系H甘氨酸CH3丙氨酸2.2.1★氨基酸的结构通式R13环境科学与工程系什么是α-氨基酸，L-型氨基酸？—C—C—C—C—COOHαβγ—C—C—C—C(NH2)—COOHα-氨基酸—C—C—C(NH2)—C—COOHβ-氨基酸—C—C(NH2)—C—C—COOHγ-氨基酸COOHNH2—C—HRCOOHH—C—NH2RCOOHNH2—C—HRL-型AACOOHH—C—NH2RD-型AA14环境科学与工程系（1）蛋白质中常见的氨基酸（20种）根据R基的化学结构,可将氨基酸分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环氨基酸和杂环亚氨基酸四类。按照R基的极性，和在中性条件下带电荷的情况分为四类：非极性R基氨基酸、不带电荷的极性R基氨基酸、极性带负电荷的R基氨基酸、极性带正电荷的R基氨基酸

2.2.2★氨基酸的分类15环境科学与工程系非极性R基氨基酸促进了与水的作用，有时被认为为临界氨基酸16环境科学与工程系不带电荷的极性R基氨基酸介于极性和非极性之间，有时也归入非极性17环境科学与工程系★极性带负电荷的R基氨基酸★极性带正电荷的R基氨基酸18环境科学与工程系

（2）蛋白质中不常见的氨基酸：

有些氨基酸存在于某些蛋白质中，但不常见。它们都是由相应的常见氨基酸修饰生成的。5-羟赖氨酸；4-羟脯氨酸（3）非蛋白质氨基酸：

一些氨基酸及其衍生物不参与构建蛋白质，但却具有重要的作用。如：瓜氨酸、鸟氨酸、精氨琥珀酸等是氨基酸代谢过程中重要的中间体。

19环境科学与工程系2.2.3氨基酸的理化性质

(1)两性解离和等电点(2)氨基酸的化学性质与水合茚三酮反应:用于氨基酸定量定性测定与甲醛反应

与2,4一二硝基氟苯(DNFB)反应:用于蛋白质N-端测定

与异硫氰酸苯酯反应：用于蛋白N-端测定及氨基酸排序。与亚硝酸反应与荧光胺反应与5，5-双硫基-双（2-硝基苯甲酸）反应20环境科学与工程系★氨基酸的两性解离性质及等电点（pI）

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)

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，主要以两性离子存在时，在电场中，不向任何一极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelctricpoint，PI)。21环境科学与工程系甘氨酸滴定曲线甘氨酸盐酸盐（A+）等电点甘氨酸（A

）甘氨酸钠（A-）一氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´222环境科学与工程系谷氨酸（A）和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´2二氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´2+pK´3BApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的OH-mL数加入的OH-mL数pHpH23环境科学与工程系氨基酸与茚三酮反应+3H20茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加热+2NH3+还原性茚三酮水合茚三酮24环境科学与工程系与2,4一二硝基氟苯(DNFB)反应

（sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)++HF弱碱中氨基酸25环境科学与工程系与异硫氰酸苯酯（PITC）反应

（Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱碱中(400

C)(硝基甲烷400C)H+26环境科学与工程系2.3★肽*一个氨基酸的

-羧基与另一个氨基酸的

-氨基脱水缩合而形成的共价键肽键，由此形成的化合物称肽。2.3.1肽的结构27环境科学与工程系多肽链(polypeptidechain)多个AAs通过肽键相连而成的多聚体。二肽（dipeptide）三肽(tripeptide)寡肽(oligopeptide)<10AAs多肽(polypeptide)>10AAs28环境科学与工程系氨基酸残基(aminoacidresidue)肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而稍有残缺，称为氨基酸残基。氨基末端（aminoterminal）和羧基末端（carboxylterminal）通常在多肽链的一端含有一个游离的

-氨基，称为氨基端或N-端(H)；在另一端含有一个游离的

-羧基，称为羧基端或C-端(OH)。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：

Ser-Val-Tyr-Asp-Gln主链（C-C-N-C）和侧链(R)29环境科学与工程系多肽链30环境科学与工程系

多肽链31环境科学与工程系生物活性肽（biologicalactivepeptide，BAP）是能够调节生物机体的生命活动或具有某些生理活性的寡肽和多肽的总称。生物活性肽大多以非活性状态存在于蛋白质长链中，被酶解成适当的长度时，其生理活性才会表现出来。已在生物体内发现了几百种活性肽，参与调解物质代谢、激素分泌、神经活动、细胞生长及繁殖等几乎所有的生命活动。2.3.2生物活性肽的功能32环境科学与工程系2.3.2生物活性肽的功能

（1）谷胱甘肽(glutathione,GSH)结构:33环境科学与工程系谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸的

-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34环境科学与工程系GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+主要功能:（1）作为还原剂，保护蛋白质或酶的巯基免遭氧化。（2）作为还原剂，清除体内的H2O2。（3）保护核酸和蛋白质免遭毒物损害。35环境科学与工程系（2）催产素和加压素（九肽）（3）促肾上腺皮质激素（4）脑肽—神经肽（5）胰高血糖素（6）胃肠道活性肽36环境科学与工程系神经肽(neuropeptide)：在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。脑啡肽（5肽）镇痛作用，不上瘾强啡肽（17肽）内啡肽（31肽）抗精神分裂的作用37环境科学与工程系2.4★蛋白质的结构为研究方便，将蛋白质分为四个层次进行探讨。一级结构(primarystructure)

二级结构(secondarystructure)

三级结构(tertiarystructure)

四级结构(quaternarystructure)高级结构38环境科学与工程系2.4.1

★蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(primarystructure)指多肽链中的氨基酸序列。首

N端（“H”）末

C端（“OH”）

其中的氨基酸称氨基酸残基(—NH—CO—)R

39环境科学与工程系我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。40环境科学与工程系

二硫键

半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸-SH巯（读“qiu”,音同球)基

价键牢固，稳定蛋白质结构提问：维持蛋白质一级结构的作用力是?键。

答案：肽键、二硫键H2二硫键41环境科学与工程系★一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构302142环境科学与工程系2.4.2蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构通常称作蛋白质的构象，或高级结构，是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的分布和肽链的走向。（1）维持蛋白质空间构象的作用力主要是次级键，即氢键和盐键等非共价键，以及疏水作用（疏水键）和范德华力等。构象是由于分子中存在可自由旋转的原子，形成的分子空间特殊的结构状态。肽键氨基酸残基n

多肽链43环境科学与工程系

肽键中C-N键具有部分双键性质，因此组成酰胺的原子处于同一平面

共振形式肽单元:参与组成肽键的6个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。HHHH46环境科学与工程系Cα是否可旋转呢?多肽链＝通过可旋转的α-碳原子连接的酰胺平面链

提问：是不是蛋白质可以有无数种构象？在特定状态下呢？与什么有关答案：是；一种，受力47环境科学与工程系提问：影响蛋白质构象的作用力有哪些？内力（内因）蛋白质分子内各原子间作用力外力（外因）与溶剂及其他溶质作用力原理—“内因为主，外因通过改变内因起作用”按不同种类内力以及产生的构象变化把构象划分为二、三、四级层次。48环境科学与工程系（2）★蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（secondarystructure）指多肽主链有一定周期性的，由氢键维持的局部空间结构。定义：稳定因素：

氢键

连在电负性强的半径小的原子上的氢与另一个电负性强的原子之间的相互作用。

-C=O……H-O-H-C=O……H-N-49环境科学与工程系★肽单元(peptideunit)

参与组成肽键的6个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。50环境科学与工程系肽单元HHHH51环境科学与工程系肽单元结构特点：（1）肽键的C-N键长介于单键和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转。（2）肽键的-C=O和-N-H及两个Cα均为反式构型。（3）与Cα相连的单键可自由旋转，Cα-C旋转角度以ψ（psi）表示，Cα-N旋转角以φ表示，即两面角。这样，两个相邻肽单元可以围绕一个共用的Cα自由旋转，而造成两个肽单元在空间的不同位置。这就是肽链折叠、盘曲的基础。52环境科学与工程系53环境科学与工程系

★蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折叠(

-pleatedsheet)

-转角(

-turn)

无规卷曲(randomcoil)

54环境科学与工程系★

-螺旋

结构要点:

①多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧。②每圈螺旋含3.6个氨基酸，螺距为0.54nm。③每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。55环境科学与工程系56环境科学与工程系

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—RO······H—N由同一条肽链内每隔3个氨基酸残基的两个肽键衍生而来

57环境科学与工程系★

-折叠①多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。②两段以上的β-折叠结构平行排列，两链间可顺向平行，也可反向平行。③两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β-折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。

58环境科学与工程系59环境科学与工程系60环境科学与工程系平行式反平行式β-折迭包括平行式和反平行式两种类型61环境科学与工程系

-转角和无规卷曲

-转角：无规卷曲：指没有一定规律的松散肽链结构，但对一定的球蛋白而言，特定的区域有特定的卷曲方式，因此，将其归入二级结构。

①肽链内形成180º回折。②含4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。③第二个氨基酸残基常为Pro。62环境科学与工程系

-转角：63环境科学与工程系影响二级结构形成的因素氨基酸侧链所带电荷、大小及形状。影响α-螺旋形成的因素：β-折叠形成条件：

要求氨基酸侧链较小。64环境科学与工程系α螺旋β折叠片β转角自由回转65环境科学与工程系RNase的分子结构α-螺旋β-折迭β-转角无规卷曲66环境与安全工程系（3）超二级结构和结构域超二级结构和结构域是介于蛋白质二级结构和三级结构层次的过渡态构象。超二级结构指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体(motif)。模体也属于超二级结构。超二级结构可以作为蛋白质的结构单元，组装成结构域或三级结构，也可作为蛋白质结构中有某种特定功能的区域。67环境科学与工程系

组合组合组合motif的常见组合68环境科学与工程系纤连蛋白分子的结构域★结构域

(domain)指多肽链在超二级结构基础上进一步盘绕折叠成的近似球状的紧密结构。结构域在空间上彼此分隔，各自有部分生物学功能。69环境科学与工程系结构域Triosephosphateisomerase70环境科学与工程系(4)蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。

★稳定因素整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。★定义

71环境科学与工程系氢键：连在电负性强的半径小的原子上的氢与另一个电负性强的原子之间的相互作用。

-C=O……H-O-H-C=O……H-N-72环境科学与工程系疏水键:

疏水基团在水中避开水而聚集在一起的作用力。Ala，Leu，Ile，Trp，Pro范德华力（VanderWaals力）：分子间的静电引力。0.3~0.5nm73环境科学与工程系盐键（离子键）：正负离子间的静电引力。

带正电的基团：

α-NH3+Lys的ε-NH3+His的咪唑基Arg的胍基

带负电的基团：

α-COO-Asp的

β-COO-

Glu的γ-ＣOO--NH3+……-OOC-74环境科学与工程系R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力

a.盐键b.氢键c.疏水键d.范得华力e.二硫键多肽链75环境科学与工程系

肌红蛋白

(Mb)N端C端76环境科学与工程系分子伴侣

(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质。*可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可使肽链正确折叠。*与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。

*对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。

作用：77环境科学与工程系★亚基之间的结合力为非共价键，包括氢键、离子键、疏水键、范德华力。(5)蛋白质的四级结构★蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。★每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基(subunit)。78环境科学与工程系血红蛋白（Hb）的四级结构79环境科学与工程系烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装

80环境科学与工程系81环境科学与工程系电子显微镜下的人体头发82环境科学与工程系大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微纤维原纤维

α螺旋烫发时还原剂加氧化剂形成新的错位的二硫键好了83环境科学与工程系一级结构是空间构象的基础

2.5.1蛋白质一级结构与功能的关系

牛核糖核酸酶的一级结构二硫键2.5★蛋白质结构与功能的关系84环境科学与工程系

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85环境科学与工程系一、同源细胞色素c的种属差异与分子进化1、细胞色素c的氨基酸序列的种属差异和分子进化2、细胞色素c的三级结构的活性部位的保守性蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。

86环境科学与工程系生物与人不同的AA数目黑猩猩0恒河猴1兔9袋鼠10牛、猪、羊、狗11马12鸡、火鸡13响尾蛇14海龟15金枪鱼21角饺23小蝇25蛾31小麦35粗早链孢霉43酵母44

不同生物与人的Cytc的AA差异数目根据细胞色素C的顺序种属差异建立起来的进化树104AAs87环境科学与工程系不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素细胞色素c分子的空间结构不变的AA残基35个不变的AA残基，是CytC的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。104AAs中35AAs不变88环境科学与工程系2.5.1一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血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)89环境科学与工程系

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。其他血红蛋白疾病：地中海贫血90环境科学与工程系(1)肌红蛋白与血红蛋白的结构

2.5.2蛋白质空间结构与功能的关系

91环境科学与工程系肌红蛋白分子和血红蛋白的

-亚基

myoglobin

βchainhemoglobin92环境科学与工程系Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。(2)血红蛋白的构象变化与结合氧

93环境科学与工程系肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线94环境科学与工程系蛋白质四级结构与功能的关系

——变构效应（allostericeffect）

当血红蛋白的一个α亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变构效应（别构现象）。所对应的蛋白称为变构蛋白，例如血红蛋白、变构酶。95环境科学与工程系(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96环境科学与工程系*★协同效应(cooperativity)

一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。促进作用称为正协同效应(positivecooperativity)抑制作用称为负协同效应(negativecooperativity)97环境科学与工程系★变构效应(allostericeffect)凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质（或亚基）功能的变化，称为蛋白质的变构效应。98环境科学与工程系(3)蛋白质构象改变与疾病

蛋白质构象病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。99环境科学与工程系蛋白质构象病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。100环境科学与工程系

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。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPc