第三章 蛋白质化学生物化学

第三章蛋白质化学

什么是蛋白质？ProteinProteios“第一重要的”安东尼奥•弗朗索瓦18世纪从蛋清、血液中发现一类物质，用酸处理可使其凝结或絮凝哥拉尔杜斯•马尔德琼斯•贝采里乌斯

19世纪发现这类分子具有相同的实验公式，并发现其降解产物亮氨酸1838年提出将这类物质命名为Protein18-19世纪蛋白质的发现和命名…蛋白质（protein）：由氨基酸通过肽键连接而成的高分子含氮化合物。占细胞干重的50%以上相对分子量很大（血红蛋白：9512）自然界有1x1010–1x1012种蛋白质第一节蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成C，H，O，N，S，P，Fe，Zn。。。。。试样中蛋白质含量=试样中含氮量x6.251.蛋白质中N含量稳定，为16%2.生物体中的N大部分为蛋白质的N三聚氰胺2003年毒奶粉事件二、蛋白质的基本组成单位-氨基酸1.氨基酸(aminoacid)的结构不同的氨基酸在于R基团不同组成蛋白质的氨基酸有20种，均为ɑ-氨基酸（脯氨酸除外，为亚氨基酸）ɑ-氨基酸结构通式α脯氨酸组成生命体蛋白质的20种氨基酸2.氨基酸分类R基团结构酸碱性R基团极性脂肪族氨基酸15芳香族氨基酸2杂环氨基酸2杂环亚氨基酸1酸性氨基酸=极性带负电氨基酸2碱性氨基酸=极性带正电氨基酸3中性氨基酸15极性非极性5极性带负电氨基酸2极性带正电氨基酸3极性不带电氨基酸7二、蛋白质的基本组成单位-氨基酸（1）按R基团的结构分类a.脂肪族氨基酸—一氨基一羧基

甘氨酸Gly丙氨酸Ala缬氨酸Val亮氨酸Leu异亮氨酸Ile甲硫氨酸Met半胱氨酸Gys丝氨酸Ser苏氨酸Thra.脂肪族氨基酸——一氨基二羧基

谷氨酸Glu天冬氨酸Aspa.脂肪族氨基酸——二氨基一羧基

赖氨酸Lys精氨酸Arg（1）按R基团的结构分类a.脂肪族氨基酸—酰胺

谷氨氨酸Gln天冬氨酸Asn（1）按R基团的结构分类b.芳香族氨基酸苯丙氨酸Phe酪氨酸Tyrc.杂环氨基酸

d.杂环亚氨基酸

组氨酸His色氨酸Trp脯氨酸Pro（1）按R基团的结构分类二、蛋白质的基本组成单位-氨基酸（一）蛋白质中的氨基酸3.稀有氨基酸4-羟基脯氨酸5-羟基赖氨酸特点：含量少，蛋白质合成后进行酶催化而得，没有相应的遗传密码4.必需氨基酸

必需氨基酸：维持人（8种）生命活动必不可少的而其自身不能合成的氨基酸，包括异亮氨酸Ile，甲硫氨酸Met，缬氨酸Val，亮氨酸Leu，色氨酸Trp，苯丙氨酸Phe，苏氨酸Thr，赖氨酸Lys。“一家写两三本书来”

半必需氨基酸：精氨酸Arg和组氨酸His，人体可以合成，但合成速度较慢，不能满足人体的需求的氨基酸。二、蛋白质的基本组成单位-氨基酸二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸（二）非蛋白质氨基酸

非蛋白质氨基酸：体内以游离状态或结合状态存在，不参与蛋白质组成的氨基酸1.某些代谢的中间产物或合成前体：瓜氨酸+鸟氨酸→精氨酸2.调节作用：L-组氨酸→组胺，L-谷氨酸→Γ氨基丁酸GABA3.杀虫、抑菌作用：刀豆氨酸组氨酸脱羧L-组氨酸脱羧酶组胺：舒张血管、降低血压L-组氨酸组胺鼻炎：毛细血管扩张，分泌物增加L-谷氨酸脱羧酶CO2L-谷氨酸Γ氨基丁酸（GABA）GABA:神经递质，抑制突触传导L-谷氨酸脱羧

害虫克星——伊维菌素2015年诺贝尔生理学或医学奖大村智向默克提供土壤样品大村智（日、SatoshiÔmura）

1935-1974年，大村智向默克提供了50份土壤样品1.25%坎贝尔发现阿维菌素威廉.坎贝尔美籍爱尔兰(William.Campbel）

1930-Streptomycesavermitilis（阿维链霉菌）Avermetins

阿维菌素OS3153坎贝尔发现阿维菌素阿维菌素→伊维菌素1980结构改造阿维菌素→伊维菌素伊维菌素8亿2.3亿伊维菌素Onchocercacervicalis马颈盘尾丝虫Onchocercavolvulus旋盘尾丝虫河盲症河盲症Riverblindness河盲症Onchocercavolvulus旋盘尾丝虫传播河盲症的黑蝇2亿个幼虫，15年之久河盲症罗伊.瓦杰洛斯默沙东副总裁Ivermectin

伊维菌素Mectizan®乙胺嗪副作用大河盲症免费发放河盲症美国前总统卡特（左）和瓦杰洛斯（右）伊维菌素

增加虫体的抑制性递质Γ氨基丁酸GABA）的释放，以及打开谷氨酸控制的Cl-离子通道，增强神经膜对Cl-的通透性，从而阻断神经信号的传递，最终神经麻痹，使肌肉细胞失去收缩能力，从而导致虫体死亡。请问2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者有哪几位坎贝尔瓦杰洛斯屠呦呦大村智ABCD提交多选题1分二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸（三）氨基酸的重要理化性质1.氨基酸的物理性质溶解度：在水中溶解度差异大，溶于稀酸稀碱，都难溶于有机溶剂（脯氨酸除外）旋光性：在pH=7时测定，使偏振光右旋（+），使偏振光左旋（-）（甘氨酸没有旋光性）吸收紫外光：具有共轭双键结构（酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）2.氨基酸的两性解离和等电点正离子两性离子负离子同一分子内含有相反性质的两种解离基团解离形成的带相反电性的离子甘氨酸的解离状态pH=pIpH<pIpH>pI（三）氨基酸的重要理化性质2.氨基酸的两性解离和等电点[Gly+][Gly±][Gly-]

等电点（pI）：在某一pH值下，氨基酸分子在溶液中解离成阳离子和阴离子的数目相等，氨基酸分子所带净电荷为零，，在电场中既不向正极也不向负极移动，此时的pH值为等电点[Gly+]=[Gly-]pH

（三）氨基酸的重要理化性质2.氨基酸的两性解离和等电点（了解）二羧基一氨基氨基酸

[Glu+][Glu±][Glu-][Glu2-]（三）氨基酸的重要理化性质2.氨基酸的两性解离和等电点（了解）二氨基一羧基氨基酸

[Lys2+][Lys+][Lys±][Lys-]（三）氨基酸的重要理化性质请推导甘氨酸的等电点公式作答正常使用主观题需2.0以上版本雨课堂主观题10分2.氨基酸的两性解离和等电点pH<pI,氨基酸带正电荷pH>pI,氨基酸带负电荷（三）氨基酸的重要理化性质3.氨基酸的重要化学反应---茚三酮反应茚三酮水合茚三酮加热弱酸性还原型茚三酮还原型茚三酮水合茚三酮蓝紫色物质，570nm（三）氨基酸的重要理化性质3.氨基酸的重要化学反应---茚三酮反应（2）脯氨酸（含α-亚氨基）与茚三酮生成黄色化合物，天冬酰胺和谷氨酰胺与茚三酮生成棕色化合物（3）可用于氨基酸的定性和定量分析脯氨酸天冬酰胺谷氨酰胺（1）茚三酮反应：在弱酸性条件下，氨基酸与茚三酮共热，生成蓝紫色化合物3.氨基酸的重要化学反应—亚硝酸反应N2的体积测定氨基酸含量----范式定氮法蛋白质水解程度—--游离氨基数量室温3.氨基酸的重要化学反应---Sanger反应

在弱碱溶液中，氨基酸的α-氨基与2,4-二硝基氟苯(DNFB)反应，生成黄色的二硝基苯氨基酸（DNP-AA）。英国科学家Sanger用来测定牛胰岛素的一级结构，1958年获得诺贝尔化学奖DNFBα-氨基酸DNP-AA弱碱性3.氨基酸的重要化学反应---Edman反应PITC异硫氰酸苯酯40℃，弱碱40℃，弱酸，硝基甲烷PTC-氨基酸

苯胺基硫甲酰氨基酸PTH-衍生物

苯乙内酰硫脲衍生物多肽顺序自动分析仪的原理3.氨基酸的重要化学反应---Edman反应3.氨基酸的重要化学反应反应名称反应条件反应试剂产物应用茚三酮反应弱酸性加热茚三酮，H20，蓝紫色物质（α-AA）黄色物质（Pro）棕色物质（Asn，Gln）氨基酸定性和定量分析亚硝酸反应室温亚硝酸N2测定氨基酸含量，蛋白质水解程度Sanger反应弱碱性DNFBDNP-氨基酸(黄色)蛋白质一级结构测定（胰岛素）Edman反应弱碱性无水弱酸性PITCPTH衍生物（无色）多肽序列分析1.肽键与多肽

三、肽肽（peptide）：由氨基酸通过肽键连接起来的化合物。肽键（peptidebond）：α-氨基酸的羧基与相邻的α-氨基酸的氨基脱水缩合而成的化学键，肽键是一种酰胺键。氨基酸残基2.肽键与多肽

三、肽寡肽：含有少于10个氨基酸的肽多肽：含有超过10个氨基酸的肽蛋白质（含40个以上氨基酸的肽）是多肽，但是多肽不一定是蛋白质三肽氨基末端（N末端）羧基末端（C末端）多肽链表示方法：从N端到C端3.生物体中几种重要的肽

非蛋白质肽激素：催产素、胰高血糖素、促黑激素抗菌：短杆菌肽S，短杆菌肽A毒蕈物质：α鹅膏蕈碱（破坏RNA聚合酶功能）谷胱甘肽：保护巯基，传递电子

（谷氨酸+半胱氨酸+甘氨酸）三、肽3.生物体中几种重要的肽

GSH还原型GSSG氧化型三、肽保护巯基，传递电子作业1.请推导谷氨酸的等电点公式2.请问什么是肽？什么是肽键？第二节蛋白质的分子结构复习问：蛋白质的基本组成单位是什么？答：氨基酸问：氨基酸之间如何连接？答：肽键蛋白质的分子结构一级结构二级结构三级结构四级结构1952年丹麦人Linderstrom提出用四个层次来描述蛋白质的结构一、蛋白质的一级结构弗雷德.桑格尔蛋白质的一级结构：氨基酸的排列顺序英国科学家，完成人胰岛素一级结构测序，获得1958年诺贝尔化学奖化学键：肽键、二硫键（-S-S-）1700余个蛋白质的一级结构被阐明

糖尿病救星——胰岛素授课教师：王杨糖尿病稳定的血糖水平是生命活动的基础糖尿病葡萄糖糖尿病Ⅰ型糖尿病5%Ⅱ型糖尿病95%胰岛素分泌不足胰岛素抵抗糖尿病大型工业城充电供能——ATP糖类（零散工）30脂肪酸（专业工）100糖尿病脂肪酸（专业工）专业工的宿舍脂肪细胞102个ATP专业工的车间线粒体，O2（薪酬）糖尿病葡萄糖（零散工）血管肝脏肝糖原肌肉肌糖原脂肪细胞脂肪Ⅰ型糖尿病葡萄糖胰岛素葡萄糖Ⅰ型糖尿病—青少年多发

多饮，多食，多尿，消瘦Ⅰ型糖尿病公元前1500年

埃及的埃伯斯氏古医集最早的糖尿病记载Ⅰ型糖尿病早期Ⅰ型糖尿病的诊断Ⅱ型糖尿病葡萄糖胰岛素葡萄糖用糖需求糖原出动葡萄糖机体利用葡萄糖饥饿再次进食过山车Ⅱ型糖尿病葡萄糖胰岛素葡萄糖用糖需求糖原出动葡萄糖机体利用葡萄糖饥饿再次进食过山车胰岛素抵抗脂肪堆积Ⅱ型糖尿病Ⅱ型糖尿病Ⅱ型糖尿病糖尿病患病率11.6%糖尿病前期占总人口50.1%糖尿病患者1.14亿糖尿病第一大国Why？节俭基因学说饥饿VS富足“小糖人”Ⅱ型糖尿病年轻化我们能做什么饮食运动胰岛素分子式：C256H381N65O76S6分子量：5778产生部位：胰岛A链有21个氨基酸B链有30个氨基酸共51个氨基酸组成3个二硫键Insulin胰岛素胰岛素的发现F.G.班廷（FredrickG.Banting）1891-1941加拿大人1912多伦多大学医学专业1916

战地医生1919

战争结束1920命运转折点胰岛素的发现1920年

在狗身上实验胰岛提取物治疗糖尿病的试验设计班廷的笔记摩西·巴伦（MosesBarron）“胰腺坏死而胰岛完好”胰岛素的发现麦克劳德（J.J.R.Macleod）1876-1935苏格兰人F.G.班廷（FredrickG.Banting）1891-1941加拿大人申请批准1921年硬币的正反面贝斯特Or诺布尔胰岛素的发现F.G.班廷（FredrickG.Banting）1891-1941加拿大人贝斯特（CharlesBest）加拿大人1921年夏天胰岛素的发现班廷和贝斯特糖尿病模型摘除胰腺提取胰腺胰腺提取物（Insletin）注射血糖下降不足屠宰场胰岛素的发现詹姆斯.科力普（JamesCollip）

F.G.班廷（F.G.Banting）贝斯特（CharlesBest）麦克劳德（J.J.R.Macleod）1922年申请了胰岛素专利，并以1加元转让给多伦多大学1923年班廷和麦克劳德获得了诺贝尔生理学奖君子爱财，取之有道1923年销售额110万美元每周治疗费用1美元30亿美元83块奖章纪念班廷3.将班廷（Banting）医生的生日（11月14日）定为世界糖尿病日2.1941年飞机在加拿大的纽芬兰坠毁，坠机的湖被命名为班廷湖1.1989年班廷广场点燃“希望之火”胰岛素1926年JohnJ.Abel——得到结晶胰岛素1955年FrederickSanger——阐明牛胰岛素的氨基酸排列顺序

获得1958年诺贝尔化学奖桑格尔胰岛素1958年，由中科院上海生物化学所、有机化学所和北京大学联合进行人工合成胰岛素研究，1965年获得人工合成牛胰岛素。钮经义改造胰岛素1981年克隆重组DNA合成人胰岛素系列制剂未来正在研究中的其它非注射胰岛素给药途径包括:

口腔喷雾

鼻腔给药

直肠栓剂给药均还在研究阶段

滴眼剂

透皮或口腔粘膜给药

（一）构型与构象

二、蛋白质的空间结构构型：手性碳原子或基团在空间的两种不同排列构象：由几个碳原子组成的分子，因一些单键的旋转而形成的不同碳原子上各取代基团或原子的空间排列（二）蛋白质构象变化的基础1.维系蛋白质三维结构的作用力1.氢键：羰基的O，氨基的N，羟基2.疏水（亲水）相互作用：疏水基团+亲水基团3.离子键：酸性氨基酸（极性带负电荷，天冬氨酸，谷氨酸）+碱性氨基酸（极性带正电荷，组氨酸，精氨酸，赖氨酸）4.范德华力：极性基团的偶极与非极性基团的诱导偶极之间，非极性基团的瞬时偶极之间5.配位键：金属离子与蛋白质通过配位键连接6.二硫键：半胱氨酸的巯基（-SH）二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构（二）蛋白质构象变化的基础2.酰胺平面与肽单元键键长C--N0.149nm肽键0.132nmC=N0.127nm肽键具有部分双键性质P-π共轭效应（键长平均化）双键不能自由旋转，取代基同平面（二）蛋白质构象变化的基础2.酰胺平面与肽单元二、蛋白质的空间结构肽键中4个原子和它相邻的2个α碳原子所组成的结构单位称为肽单元，而这6个原子所构成的平面称为酰胺平面，或者肽平面。（二）蛋白质构象变化的基础2.酰胺平面与肽单元二、蛋白质的空间结构Cα–N单键旋转角度：φ(0°到±180°)Cα–C单键旋转角度：ѱ(0°到±180°)Ѱ=0°φ=0°当C-N1键两侧的C1-N1和C-C2呈顺式，φ=0°当C-C2键两侧的C2-N2和C-N1呈顺式，Ѱ=0°（二）蛋白质构象变化的基础2.酰胺平面与肽单元二、蛋白质的空间结构Ѱ=180°φ=-180°Ѱ=0°φ=0°二面角（φ，ѱ）所决定构象能否存在主要取决于相邻肽单元中非键合原子之间的接近有无阻碍（二）蛋白质构象变化的基础2.酰胺平面与肽单元二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构（三）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构：多肽链主链由于氢键的作用而形成的空间排布α螺旋（α-helix）β折叠（β-pleatedsheet）β转角（β-turn）γ转角（γ-turn）无规卷曲二、蛋白质的空间结构莱纳斯.鲍林1951年用X射线衍射技术研究毛发，提出肽链结构-α螺旋1.α-螺旋结构二、蛋白质的空间结构1.α-螺旋结构（1）多肽链主链环绕中心轴螺旋式右旋上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每上升一圈相当于向上平移0.54nm二、蛋白质的空间结构1.α-螺旋结构（2）每一个φ角为-60°，每一个ѱ角为-50~45°（3）每个氨基酸残基上的亚氨基（-NH-）与位于它前面的第四个氨基酸残基上的羧基（C=O）形成氢键，氢键与中心轴基本平行二、蛋白质的空间结构1.α-螺旋结构（4）在α螺旋体中的氨基酸残基的各种侧链伸向外侧，在螺旋链上呈辐射状排列二、蛋白质的空间结构1.α-螺旋结构（问答）（1）右旋，3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm（2）每一个φ角为-60°，每一个ѱ角为-50~45°（3）氢键，-NH-，前面第四个氨基酸残基上，C=O，平行（4）侧链伸向外侧，辐射状（1）R基团大小：多聚亮氨酸侧链R基团太大，易产生空间位阻，不易形成α螺旋结构（2）R基团是否带电荷：多聚赖氨酸在pH=7时R基团带正电荷，发生静电排斥，不能形成α螺旋结构。（3）脯氨酸：多聚脯氨酸无多余的酰胺氢，无法形成氢键，α螺旋中断，形成“结节”二、蛋白质的空间结构1.α-螺旋结构（影响因素）（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R基团位于锯齿结构的上下方。二、蛋白质的空间结构2.β折叠（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，反平行结构更为稳定。反向平行二、蛋白质的空间结构2.β折叠顺向平行二、蛋白质的空间结构2.β折叠（3）两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β-折叠结构。氢键与肽链长轴垂直。二、蛋白质的空间结构2.β折叠

3.

β转角结构一般由连续的四个氨基酸组成，第一个氨基酸的羧基和第四个（第三个）氨基酸的氨基之间形成氢键，从而形成肽链内180°的回折，这种回折就是β转角。甘氨酸和脯氨酸容易形成β转角。二、蛋白质的空间结构4.无规卷曲H2NCOOH

没有确定规律性的肽链结构，本身有一定的稳定性。

Β转角+无规卷曲→球状蛋白二、蛋白质的空间结构（四）蛋白质的超二级结构

在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元组合在一起，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，就称为超二级结构一级结构<二级结构<超二级结构<结构域<三级结构二、蛋白质的空间结构ααα螺旋聚集体βββΒ折叠聚集体βαβα螺旋与β折叠聚集体（四）蛋白质的超二级结构

二、蛋白质的空间结构（五）蛋白质的结构域

结构域：多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠称紧密的近似球状、具有部分生物功能的结构。免疫球蛋白的分子结构（12个结构域）二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构（六）蛋白质的三级结构

三级结构：多肽链在二级结构的基础上进一步折叠、盘绕形成复杂的空间结构N端C端鲸肌红蛋白α螺旋结构153个氨基酸残基，8段α螺旋二、蛋白质的空间结构（七）蛋白质的四级结构血红蛋白四个亚基近似球形由两条或两条以上的多肽链盘绕聚合而成的蛋白质称为寡聚蛋白，其中每一条具有三维结构的多肽链称为亚基。立体排布相互作用小结蛋白质分子中的结构层次

一级结构→二级结构→三级结构→四级结构第三节蛋白质结构与功能的关系（一）蛋白质一级结构的种属差异同功能的蛋白质具有相似的一级结构

不同动物胰岛素中有22个位置的氨基酸不可变（特别是半胱氨酸），A8，9，10，30可变一.蛋白质的一级结构与功能的关系（一）蛋白质一级结构的变异与分子病例：镰刀形红细胞贫血症N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽链（异常）HbAβ肽链（正常）N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)一.蛋白质的一级结构与功能的关系

这种由蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。正常红细胞镰刀形细胞（一）蛋白质一级结构的变异与分子病一.蛋白质的一级结构与功能的关系（一）蛋白质变性导致功能丧失牛核糖核酸酶124AA，4组二硫键二硫键二.蛋白质的三维结构与功能的关系

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，无活性只要一级结构不被破坏，就有可能恢复到原有的三维结构，功能依然存在（一）蛋白质变性导致功能丧失二.蛋白质的三维结构与功能的关系第四节蛋白质的重要理化性质一.蛋白质两性解离及等电点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。一.蛋白质两性解离及等电点pH不带电pH升高带负电pH降低带正电蛋白质的等电点(pI)

正电荷=负电荷pH值一.蛋白质两性解离及等电点

在等电点时，蛋白质的溶解度，导电率，渗透压，黏度最小，用于分离提纯蛋白质。等电点应用-电泳分离应用------蛋白质的分离与分析当pH=pI时，蛋白质呈兼性离子，在电场中不移动当pH>pI时，蛋白质带负电荷，在电场中向正极移动当pH<pI时，蛋白质带正电荷，在电场中向负极移电泳：带电质点在电场中向与其自身所带电荷相反的电极方向移动的现象二.蛋白质的胶体性质直径：2~20nm蛋白质胶体溶液*透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。血液透析血液透析过程透析器（空心纤维）血液透析细菌中分子物质，如

b2-微球蛋白水分子可自由

通过红细胞白蛋白，

常作为大分子

蛋白质的代表电解质血液透析液空心纤维上的小孔二.蛋白质的胶体性质胶凝：蛋白质部分失水，分子靠拢且变成一种虽然含水但是不能流动的近似固体的状态，形成凝胶。胶体溶液凝胶胶凝胶溶“阿胶挂旗”—胶凝三.蛋白质的变性与凝固

蛋白质的变性在某些物理和化学