生物化学：第二章 蛋白质的化学

第二章蛋白质的化学

第一节

蛋白质是生命的物质基础蛋白质（protein）是由许多氨基酸（aminoacids）通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。一、蛋白质是构成生物体的基本成分分布广：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，约占人体干重的45％，某些组织含量更高。1）生物催化作用（酶）2）代谢调节作用（激素）3）免疫保护作用（抗体）4）物质的转运和存储（血红蛋白）5）运动与支持作用（肌动蛋白）6）控制生长和分化作用（核蛋白）7）参与细胞间信息传递（受体蛋白）二、蛋白质具有多样性的生物学功能

第二节

蛋白质的化学组成一、蛋白质的元素组成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。

由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：

蛋白质的含量=蛋白质含氮量×100/16=蛋白质含氮量×

6.25

蛋白质元素组成的特点二、蛋白质结构的基本单位

—氨基酸天然存在的氨基酸约180余种，但组成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种，称为基本氨基酸。且均属

L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R（一）氨基酸结构上的共同特点：均为

-氨基酸，脯氨酸为-亚氨基酸。R侧链不同。除甘氨酸外，均具有旋光性。皆为L-

－氨基酸。非极性R基氨基酸极性不带电荷R基氨基酸带负电荷的R基氨基酸（酸性氨基酸）带正电荷的R基氨基酸（碱性氨基酸）（二）氨基酸的结构与分类（R侧链）*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:几种特殊氨基酸+胱氨酸二硫键-HH稀有氨基酸

多肽合成后由基本氨基酸经酶促修饰而来，无翻译密码。如羟脯氨酸、羟赖氨酸。非蛋白质氨基酸不是蛋白质的组成成分；以游离或结合的形式存在于生物界；大都是常见氨基酸的衍生物；一些是代谢中间产物，如瓜氨酸、鸟氨酸；γ-氨基丁酸等。

第三节

蛋白质的分子结构一级结构（AA序列）二级结构超二级结构结构域三级结构（球蛋白）四级结构（聚合体）

蛋白质结构的层次性一、蛋白质的一级结构*肽键（peptidebond）是由一个氨基酸的

-羧基与另一个氨基酸的

-氨基脱水缩合而形成的化学键。（一）肽键和肽+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*

两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……*

肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基（residue）。*

由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽（polypeptide）。N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端*多肽链（polypeptidechain）是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端C末端牛核糖核酸酶1、定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。（二）蛋白质的一级结构主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

“一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。”目录（三）生物活性肽

生物体内存在着许多由几个或多个氨基酸构成的低分子量的肽，它们在代谢调节和神经传导等方面起着重要作用，故称为生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、多肽类激素、神经肽及多肽类抗生素等。

体内许多激素属寡肽或多肽2.多肽类激素及神经肽3.多肽类抗生素

一类能抑制或杀死细菌的多肽，如短肽杆菌S、短杆菌肽A、缬氨霉素等。三1、测定意义：一级结构是研究高级结构的基础。可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。可以为生物进化理论提供依据。可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。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蛋白质顺序测定基本方法路线

二硝基氟苯法（DNFB法）1945年由Sanger发明此法曾用此方法测定了胰岛素的N-末端。DNP-氨基酸用有机溶剂抽提后，通过层析位置可鉴定它是何种氨基酸。（DNP-氨基酸）DNFB丹磺酰氯法（DNS-Cl法）1956年hartley等提出灵敏度较高（比FDNB法提高100倍）样品量小于1毫微摩尔

DNS-氨基酸稳定性较高此法优点Edman降解法（异硫氰酸苯脂法）

（1）通过异硫氰酸苯脂与蛋白质和多肽的N-端残基的偶联，生成PTC-肽；（2）PTC-肽在酸性中环化裂解，转化为PTH-氨基酸和剩余多肽（N－末端减少一个氨基酸的多肽）。（3）PTH-氨基酸用醋酸乙酯抽提、鉴定。每个循环从蛋白质与多肽裂解一个氨基酸残基，同时暴露出新的游离的氨基酸进行下一个Edman降解，最后通过转移的PTH-氨基酸鉴定实现蛋白质序列的测定。Edman降解法的优点是样品用量少，灵敏度高。Edman反应测定蛋白质N末端：此法能够不断重复循环，将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。PTH-AA肽链外切酶:从多肽链N-端开始逐个水解掉氨基酸；根据不同反应时间测出释放的AA种类和数量，最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶

—水解以Leu残基为N-末端的肽键速度最大。B、氨肽酶法C-末端分析肼解法（hydrazinolysis)：羧肽酶法(carboxypeptidase)：借助重叠肽确定肽段次序：

末端残基HS末端肽段HOWT

APS第一套肽段HOWT

OUS

EOVE

RLA

PS第二套肽段HO

WTOU

SEO

VERL

APS

推断全顺序HOWTOUSEOVERLAPS

二、蛋白质的构象

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primarystructuresecondary

structureTertiarystructurequariernarystructure超二级结构结构域

supersecondarystructureStructuredomain维持蛋白质构象的化学键---次级键（副键）1、氢键：发生于负电性很强的原子(O,N)与一个已和氧或氮形成共价结合的氢原子之间。

2、疏水键：由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力。3、离子键：由异性电荷间的静电吸引形成的键。4、二硫键：5、范德华引力：原子、基团、分子间相互作用力。

（一）蛋白质的二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象

。定义

主要的化学键：

氢键

1、肽单位参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所处的位置为反式构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单位

。虽是单键却有双键性质周边六个原子在同一平面上前后两个a-carbon在对角CNCHaNCOCa0.123nm0.132nm0.153nm0.147nmC-N0.149nmC=N0.127nm

肽平面和二面角示意图多肽链可以看成由Cα串联起来的无数个肽单位组成，肽单位是蛋白质结构的最小单位。2、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)

-螺旋横截面观α-螺旋要点：

①右手螺旋，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm，残基高度0.15nm；②氢键是α螺旋稳定的主要次级键，相邻螺圈之间形成链内氢键。

③R侧链分布于螺旋的外侧，并影响螺旋的形成和稳定。影响α-螺旋稳定的因素：

⑴极大的侧链基团（存在空间位阻）；

⑵连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；

⑶有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。

-折叠

β-折叠要点：

a、肽键平面之间折叠成锯齿状；

b、相邻肽链之间的氢键是维持结构稳定的主要次级键；

c、肽链平行的走向有顺式和反式两种；

d、R侧链分布在片层的上下。

β－折叠

β-折叠的平行式和反平行式

-折角β-折角要点:

主链骨架本身以大约180°回折；回折部分通常由四个氨基酸残基构成；构象依靠第一个残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。

-折角：

无规线团

无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

蛋白质二级结构的主要形式

（二）基序（超二级结构、模序、模体）指多肽内顺序上相邻的二级结构单元常常在空间折叠中相互靠近，彼此相互作用，形成有规则的二级结构聚集体。充当三级结构的构件单元或结构域的组成单位，称超二级结构，又称基序（motif）。三种基本形式：（αα）、（βαβ）、（βββ）ααββββαβ

（三）结构域多肽链在超二级结构基础上组装而成的相对独立的三维实体，称为结构域（domain）。每个结构域具有特定的功能。

免疫球蛋白的12个结构域

对于较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，即单结构域的。大的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。（四）蛋白质的三级结构疏水键、氢键和盐键等。主要的化学键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

肌红蛋白（Mb）

N端C端胰岛素分子的三级结构溶菌酶分子的三级结构亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。（五）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。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。血红蛋白的四级结构

蛋白质的分子结构小结

第四节

蛋白质的结构与功能蛋白质一级结构是空间结构形成的物质基础；蛋白质的生物学功能是蛋白质分子特定的天然构象所表现的性质或具有的属性。一、蛋白质一级结构与功能的关系

1、一级结构不同、生物学功能各异

催产素和加压素都是由垂体后叶分泌的九肽激素。

催产素能使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。

加压素有促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。

均为9肽，第3位和第8位氨基酸不同。

提示:化学合成ACTH时，不必合成整个39肽。2、一级结构中“关键”部分相同，其功能也相同促肾上腺皮质激素(ACTH)是垂体前叶分泌的39肽激素。3、一级结构的变化与疾病的关系例：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）

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。二、蛋白质的空间结构与功能的关系（一）蛋白质前体的活化许多具有一定功能的蛋白质，它们在体内通常以无活性的前体形式产生和贮存。这些前体在机体需要时,经过某种蛋白酶的限制性水解,切去部分肽段之后,才变成有活性的蛋白质。使前体变成活性蛋白质的过程,被称为激活。如胰岛素原的激活过程。胰岛素原与胰岛素的区别：

（二）蛋白质的变构现象

蛋白质受某些因素的影响，其一级结构不变而空间结构发生一定的变化，导致其生物学功能的改变，称为蛋白质的变构效应（allostericeffect）或别构作用。

由于血红蛋白亚基之间存在大量盐键，使其构象呈紧张态，对氧的亲和力很低，第一个亚基与O2结合时，盐键的破坏较难，所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引起它的构象从紧张态变成松弛态，其它的盐键也依次破坏，此时破坏盐键所需要的能量也少，构象的变化导致血红蛋白对氧的亲和力大大增强，因此第四个亚基结合氧的能力比第一个大几百倍。（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象疾病：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。蛋白质构象改变导致疾病的机理：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。疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白（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。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病

正常朊病毒蛋白结构（显示

-螺旋）

朊病毒结构（显示

-片层结构）

第五节

蛋白质的性质（一）蛋白质的两性电离

一、理化性质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。

*蛋白质的等电点（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。（二）蛋白质的胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜+++++++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溶液中蛋白质的聚沉（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固*蛋白质的变性（denaturation）在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。

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。

应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。

若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性（renaturation）。

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，无活性蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。蛋白质的凝固：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。

（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。练习题：肽键是由一个氨基酸的α-碳原子上的

与另一个氨基酸α-碳原子上

，脱去一分子水形成的，它是蛋白质分子中的基本结构键。蛋白质一级结构指的是组成蛋白质的多肽链中

的排列顺序，其主要化学键是

。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为

。碱性氨基酸包