蛋白质的化学

关于蛋白质的化学第一章蛋白质的结构与功能

StructureandFunctionofProtein蛋白质(protein)是由氨基酸为单位组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础。

第2页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质几乎参与了生命活动的全部过程其功能包括①酶的生物催化作用

②调控作用

③协调运动作用

④参与运输、贮存作用

⑤免疫保护作用

⑥其他作用

第3页,共90页，星期六，2024年，5月

第一节蛋白质的分子组成蛋白质分子中主要的元素组成是：C、H、O、N、S等。其中N元素的含量相对稳定，约为16%，故每克氮相当于6.25克蛋白质。

第4页,共90页，星期六，2024年，5月一、氨基酸(aminoacid)组成蛋白质的基本单位是氨基酸。如将天然的蛋白质完全水解，产物为氨基酸。被遗传密码编码的氨基酸约二十种。除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-α-氨基酸。第5页,共90页，星期六，2024年，5月L-α-氨基酸的基本结构CHH2NCOOHRα碳原子,不对称碳原子侧链二十种氨基酸除Gly外全是L-型。Pro呢？残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后的残余部分叫残基（residue),因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式。氨基酸的基本结构第6页,共90页，星期六，2024年，5月“黄氏”判断法

（看CAR的走向）

将H原子靠近自己，观察CAR的走向，逆时针（左转）为L型，顺时针（右转）为D型。

D：dextro

右C：carboxylgroup;

L：

levo

左A：aminogroup;

R：residue;CCARRAL型D型L和D型氨基酸的判断拉丁语中第7页,共90页，星期六，2024年，5月（一）氨基酸的分类：根据R侧链基团解离性质的不同，将氨基酸进行分类：1.酸性氨基酸——Glu，Asp；侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。2.碱性氨基酸——His，Arg，Lys；侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。3.中性氨基酸——侧链基团在中性溶液中不发生解离，因而不带电荷的氨基酸。可分为：（a）极性氨基酸：Tyr，Cys，Ser，Thr，Asn，Gln，Met，

Trp；（b）非极性氨基酸：Gly，Ala，Val，Leu，Ile，Pro，Phe。第8页,共90页，星期六，2024年，5月（二）氨基酸的理化性质：1．两性解离及等电点：氨基酸分子是一种两性电解质。通过改变溶液的pH可使氨基酸分子的解离状态发生改变。氨基酸分子带有相等正、负电荷时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。第9页,共90页，星期六，2024年，5月氨基酸等电点的计算氨基酸a碳上的氨基及羧基各是一帶电基团，故有两个pK，这两个pK平均值即为该氨基酸的pI(等电点)，即(pK1+pK2)÷2=pI。第10页,共90页，星期六，2024年，5月氨基酸等电点的计算若一个氨基酸有3个可解离的基团，写出它们的电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值，即为此氨基酸的等电点。如天冬氨酸的pI计算如下：其中Asp±为兼性离子,因而其等电点的计算取其两侧的pK值的平均值,即(pK1+pK3)÷2=pI（2.09+3.86）÷2=2.97即天冬氨酸的pI为2.97。第11页,共90页，星期六，2024年，5月氨基酸等电点的计算氨基酸的等电点计算第12页,共90页，星期六，2024年，5月2．紫外吸收性质：组成天然蛋白质分子的20种氨基酸中，只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。可利用此性质采用紫外分分光度法测定蛋白质的含量。（二）氨基酸的理化性质：第13页,共90页，星期六，2024年，5月3．茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。（二）氨基酸的理化性质：第14页,共90页，星期六，2024年，5月二、肽(peptide)

（一）肽键与肽链：蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽。第15页,共90页，星期六，2024年，5月两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。第16页,共90页，星期六，2024年，5月（二）生物活性肽：生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。第17页,共90页，星期六，2024年，5月全称为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。

谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。谷胱甘肽（GSH）：第18页,共90页，星期六，2024年，5月第19页,共90页，星期六，2024年，5月第二节蛋白质的分子结构蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特定分子结构的高分子化合物。蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即构象。构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。第20页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质分子中的非共价键(次级键)1.氢键：氢键(hydrogenbond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。2.疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。3.离子键（盐键）：离子键(saltbond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。4．范德华氏（vanderWaals)引力：原子之间存在的相互作用力。第21页,共90页，星期六，2024年，5月一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序及二硫键的连接方式，即多肽链的线状结构。维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。牛胰岛素一级结构第22页,共90页，星期六，2024年，5月二、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。第23页,共90页，星期六，2024年，5月（一）蛋白质立体结构原则：1.

由于C=O双键中的π电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称为肽单元或肽键平面。但由于α-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。第24页,共90页，星期六，2024年，5月第25页,共90页，星期六，2024年，5月（二）蛋白质二级结构的类型：蛋白质的二级结构主要包括：α-螺旋，β-折迭，β-转角及无规卷曲等几种类型。第26页,共90页，星期六，2024年，5月α-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为：⑴为一右手螺旋；⑵螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为5.44埃；⑶螺旋以氢键维系。α-螺旋第27页,共90页，星期六，2024年，5月肌红蛋白第28页,共90页，星期六，2024年，5月α螺旋特性氢键取向与主轴基本平行右旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54nm第n个AA(NH)与第n-4个AA(CO)形成氢键，环内原子数13。α螺旋的特性第29页,共90页，星期六，2024年，5月影响α-螺旋稳定的因素有：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）。α-螺旋第30页,共90页，星期六，2024年，5月β-折迭β-折迭是由若干肽段或肽链排列起来以α－C为转折点，形成的扇面状片层构象，其结构特征为：⑴由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状

结构；⑵主链骨架伸展呈锯齿状；⑶借相邻主链之间的氢键维系。第31页,共90页，星期六，2024年，5月第32页,共90页，星期六，2024年，5月第33页,共90页，星期六，2024年，5月β-转角β-转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：⑴主链骨架本身以大约180°回折;⑵回折部分通常由四个氨基酸残基构成;⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。第34页,共90页，星期六，2024年，5月两种常见的β—转角结构

第35页,共90页，星期六，2024年，5月无规卷曲无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。第36页,共90页，星期六，2024年，5月

RNase的分子二级结构示意图结构

第37页,共90页，星期六，2024年，5月在蛋白质分子中，若干具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成具有特殊功能的结构区域，称模体（序）（motif)或超二级结构。模体（序）（motif）第38页,共90页，星期六，2024年，5月锌指结构(螺旋-折迭-折迭模序)锌指结构第39页,共90页，星期六，2024年，5月βαβ在蛋白质中(Rossmann折叠)βαβ在蛋白质中第40页,共90页，星期六，2024年，5月螺旋-环-螺旋模序螺旋-环-螺旋模序第41页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质结构的层次

一级结构：氨基酸序列

二级结构：α螺旋，β折叠

超二级结构结构域（domain）

三级结构：所有原子空间位置

四级结构：蛋白质多聚体蛋白质的结构层次第42页,共90页，星期六，2024年，5月三、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，也就是一条多肽链的完整的三维结构。维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键、范氏引力等，但也有共价键，如二硫键等。第43页,共90页，星期六，2024年，5月磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构第44页,共90页，星期六，2024年，5月结构域：在一级结构上相距较远的氨基酸残基，通过三级结构的形成，多肽链的弯折，彼此聚集在一起，从而形成一些在功能上相对独立的，结构较为紧凑的区域，称为结构域（domain）。

蛋白质的三级结构第45页,共90页，星期六，2024年，5月结构域(domain)在空间上相对独立免疫球蛋白结构域第46页,共90页，星期六，2024年，5月分子伴侣有些蛋白质被合成以后，自己不能独立形成自由能最低的立体结构，而需要一类蛋白质来催化，这类蛋白质称为分子伴侣（molecularchaperone）。它们普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使用ATP的能量帮助其它蛋白质形成自由能最低的立体结构，但不改变自己。一大部分被称为热休克蛋白（heatshockprotein）。第47页,共90页，星期六，2024年，5月作用机制可逆与蛋白质结合，使其松散,形成正确空间结构。1.防止新合成的蛋白质由于疏水基团的暴露而产生的聚集；2.打开已聚集的蛋白质；3.形成正确的二硫键。第48页,共90页，星期六，2024年，5月四、蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（quaternarystructure)就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局。亚基(subunit)就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。第49页,共90页，星期六，2024年，5月血红蛋白(Hemoglobin)的四级结构第50页,共90页，星期六，2024年，5月DNA和蛋白质的相互作用也是四级结构DNA和蛋白质的结合第51页,共90页，星期六，2024年，5月（三）蛋白质的分类

（1）按组成成分：单纯蛋白（仅含氨基酸）结合蛋白（单纯蛋白+辅基）（2）按形状分：纤维蛋白球蛋白第52页,共90页，星期六，2024年，5月第三节

蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系（一）一级结构是空间构象的基础蛋白质特定的三级结构是以氨基酸顺序为基础的。第53页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质的一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列。蛋白质的天然立体结构一般是自由能最低的状态。Anfinsen（诺贝尔奖获得者）用极其简单的实验证明了蛋白质的一级结构决定其高级结构。蛋白质一级结构决定立体结构第54页,共90页，星期六，2024年，5月牛核糖核酸酶一级结构与空间结构的关系第55页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系1、一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。2、蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，都会严重影响空间构象乃至生理功能，如分子病。第56页,共90页，星期六，2024年，5月二、蛋白质空间结构与功能的关系（一）肌红蛋白和血红蛋白的结构第57页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质空间结构与功能的关系（二）血红蛋白的构象变化与结合氧协同效应：一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应（positivecooperativity）；反之则为负协同效应（negativecooperativity）。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。第58页,共90页，星期六，2024年，5月血红蛋白与结合氧的机制

1.未与O2结合的4个亚基靠彼此形成盐键而紧密结合——紧张肽（T态tensestate).此时的血红蛋白与O2结合能力小；当第一个亚基与O2结合而破坏了该亚基与其相邻亚基间的盐键，结构开始松散，便于第二个亚基与O2结合，使结构更松散……由T态转变未R态。2.脱氧Hb的Fe2+半径大，结合氧后其半径变小，引起相关肽段的一系列微小的变化，使得亚基间盐键断裂，Hb结构变松散。第59页,共90页，星期六，2024年，5月肌红蛋白（Mb）与血红蛋白（Hb）的氧解离曲线第60页,共90页，星期六，2024年，5月（三）蛋白质构象改变与疾病由于蛋白质构象的改变而引起的疾病称为蛋白质构象病。如：当蛋白质由于折叠错误而相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀。可导致人类纹状体脊髓变形病、老年痴呆、亨丁顿舞蹈病（Huntingtondisease）、疯牛病……第61页,共90页，星期六，2024年，5月疯牛病疯牛病是阮病毒蛋白（prionprotein,PrP）引起的人和动物神经退行性病变。这类疾病具有传染性、遗传性或散在发病的特点。PrPc为基因正常编码产物。PrPsc为致病蛋白。PrPc与PrPsc一级结构完全相同。第62页,共90页，星期六，2024年，5月一条肽链对应一个特定的空间结构这条法则的破坏是灾难性的。疯牛病的prion就是一个例子。正常prion异常prion蛋白质立体结构的特定和唯一的第63页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质的结构与功能：

永远的课题结构与功能第64页,共90页，星期六，2024年，5月第四节

蛋白质的理化性质及分离纯化一、蛋白质的理化性质（一）蛋白质的两性解离与等电点：由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链上存在游离的氨基和游离的羧基，因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质，因而也具有特定的等电点。第65页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质在等电点的溶解度最小蛋白质在等电点的溶解度最小第66页,共90页，星期六，2024年，5月（二）蛋白质的胶体性质：

蛋白质分子的颗粒直径已达1～100nm，处于胶体颗粒的范围。因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。蛋白质分子表面的水化膜和表面电荷是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。蛋白质的理化性质第67页,共90页，星期六，2024年，5月疏水区域蛋白质分子上的电荷与疏水区蛋白质分子上的电荷与疏水区第68页,共90页，星期六，2024年，5月（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固：

在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，称为蛋白质的变性(denaturation)。蛋白质的理化性质第69页,共90页，星期六，2024年，5月引起蛋白质变性的因素有：①物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等；②化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。蛋白质的变性变性蛋白质的性质改变：①物理性质：旋光性改变，溶解度下降，沉降率升高，粘度升高，光吸收度增加等；②化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解。③生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性改变。

第70页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质变性的可逆性：蛋白质在体外变性后，绝大多数情况下是不能复性的；如变性程度浅，蛋白质分子的构象未被严重破坏；或者蛋白质具有特殊的分子结构，在去除变性因素后，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）。蛋白质的变性第71页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质的变性与复性第72页,共90页，星期六，2024年，5月

蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀。变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质。加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。蛋白质的理化性质第73页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质的理化性质蛋白质的紫外吸收蛋白质在紫外光波长280nm处有最大吸收，这是因为芳香族氨基酸残基(色氨酸及酪氨酸残基)内存在共轭双键引起的，可以280nm光吸收值的检测用于蛋白质含量的测定。

第74页,共90页，星期六，2024年，5月蛋白质的理化性质蛋白质的呈色反应某些试剂可对蛋白质分子中肽键或特殊氨基酸残基发生显色反应，且产生的有色物质量与蛋白质浓度相关，可用于蛋白质定性、定量检测。如双缩脲反应，酚试剂、考马斯亮蓝、茚三酮等显色反应。

第75页,共90页，星期六，2024年，5月二、蛋白质的分离与纯化（一）盐析与有机溶剂沉淀：1.盐析：在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉淀析出，称为盐析。常用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、硫酸钠等。盐析时，溶液的pH在蛋白质的等电点处效果最好。盐析沉淀蛋白质时，通常不会引起蛋白质的变性。第76页,共90页，星期六，2024年，5月2.有机溶剂沉淀蛋白质：凡能与水以任意比例混合的有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可用于沉淀蛋白质。沉淀原理是：①脱水作用；②使水的介电常数降低，蛋白质溶解度降低。

蛋白质的分离与纯化第77页,共90页，星期六，2024年，5月带电粒子在电场中移动的现象称为电泳（electrophoresis)

。蛋白质分子在溶液中可带净的负电荷或带净的正电荷，故可在电场中发生移动。不同的蛋白质分子所带电荷量不同，且分子大小也不同，故在电场中的移动速度也不同，据此可互相分离。

（二）电泳：蛋白质的分离与纯化第78页,共