()《蛋白质的化学》课件

1肌红蛋白血红蛋白蛋白质折叠的自由能漏斗2第一章蛋白质化学蛋白质(protein)是由许多不同的α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（蛋白质化学中专称为肽键）缩合而成的,具有较稳定的构象并具有一定生物功能的生物大分子Protein3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。4第一节蛋白质的生物学意义

1.催化最重要的功能是作为生物体新陈代谢的催化剂－－酶萤火虫的荧光素酶消耗ATP催化底物发光52.转运

血红蛋白、血清清蛋白－－通过血流转运物质;葡萄糖转运蛋白、氨基酸转运蛋白－－膜转运蛋白

红细胞含有大量携氧的血红蛋白3.运动

染色体的运动、鞭毛运动、肌肉的收缩65.防御和进攻主动参与细胞防御、保护和开发方面的作用（也称保护蛋白）,如免疫球蛋白（抗体）,血液凝固蛋白,凝血酶,血纤蛋白原,抗冻蛋白,动物或植物毒蛋白,干扰素6.贮存为生物体提供充足的N素，以及C.H、O、S，还有Fe。如卵清蛋白，酪蛋白，种子贮存蛋白，铁蛋白4.调节调节其他蛋白质执行其生理功能,如胰岛素;参与基因表达的调控,如转录调控因子77.结构成分构建和维持生物体的结构－－结构蛋白,给细胞和组织提供强度和保护。如α-角蛋白,胶原蛋白角蛋白，在所有的脊椎动物中都有合成，是毛发、鳞片、角、趾甲和羽毛的主要成分。88.支架作用支架蛋白或接头蛋白(adapterprotein),在应答激素和生长因子的复杂途径中起作用。常含有多个不同的组件,将多种不同蛋白质装配成一个多蛋白复合体9.异常功能

如应乐果甜蛋白（蔗糖甜度的200

倍）、节肢弹性蛋白（昆虫翅铰合部）、胶质蛋白（海洋贝类分泌）9蛋白质工程在重组DNA技术基础上发展起来的蛋白质工程（proteinengineering）定义:利用基因工程的手段，包括基因的定点突变和基因表达，来改造蛋白质分子，使之具有更完善的、甚至是新的性质和功能。10蛋白质工程与基因工程的关系基因工程(geneticengineering):基因体外重组、体内表达蛋白质工程:基因体外重组、诱变，体内表达出不同于原蛋白质的蛋白质蛋白质工程也称第二代基因工程蛋白质工程所采用的生物技术也是基因重组技术。蛋白质工程要对天然蛋白质基因进行改造，从而制造出与天然蛋白有所不同的、符合人们需要的非天然蛋白质。蛋白质组:细胞、组织和个体的全部蛋白质谱统称为蛋白质组11

第二节蛋白质的元素组成

一般含:C50％～55%H6％～8％

O20％～23％

N15%～

18%S0%～4%

有些还含微量的P,Fe,Zn,Cu,Mo,I等元素.

N含量在各种蛋白质中比较接近,平均为16%

1g氮相当于6.25g的蛋白质

(6.25常称为蛋白质系数)12蛋白质平均含N量为16％,这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的理论依据:

蛋白质含量＝蛋白质含N量×6.2513第三节蛋白质的氨基酸组成

一、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。141.酸水解方法:常用6mol/LHCl或4mol/LH2SO4，回流煮沸约20h。优点:不引起消旋作用，得到的是L-氨基酸。缺点:色氨酸被沸酸完全破坏；含有羟基的氨基酸（丝氨酸、苏氨酸）有一小部分被分解；天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解成羧基。152.碱水解方法:一般用5mol/LNaOH煮沸10～20h。优点:色氨酸在水解中不受破坏。缺点:多数氨基酸受到不同程度的破坏，产生消旋现象，得到的是D-和L-氨基酸的混合物。此外，引起精氨酸脱氨（生成鸟氨酸和尿素）。163.酶水解方法:用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（或称蛋白酶,proteinase）已有十多种，常用的有胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶（或称糜蛋白酶）及胃蛋白酶等。优点:不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。缺点:使用一种酶往往水解不彻底，需几种酶协同作用才能使蛋白质完全水解。该法主要用于部分水解。17二、氨基酸(aminoacid)

的结构通式除脯氨酸（亚氨基酸）外，其他19种均具有如下结构通式:不变部分侧链,可变部分－－蛋白质是由20种基本氨基酸组成的18除脯氨酸外,均为α-氨基酸除甘氨酸外,均为手性氨基酸

191.氨基酸的旋光性●除甘氨酸外,氨基酸均含有一个手性-碳原子,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。202.氨基酸的构型－都有D-型和L-型2种立体异构体L-丙氨酸D-丙氨酸L-(－)甘油醛D-(＋)甘油醛21L-丙氨酸D-丙氨酸22L-丙氨酸D-丙氨酸

蛋白质中发现的氨基酸都是L-型的（故习惯上书写氨基酸都不注明构型和旋光方向）。23三、氨基酸的分类24（一）按R基的化学结构分类可分为三类：脂肪族、芳香族和杂环族1.脂肪族氨基酸

●含一氨基一羧基的中性氨基酸甘氨酸Gly,G丙氨酸Ala,A缬氨酸Val,V亮氨酸Lue,L异亮氨酸Ile,I25丝氨酸(Ser,S)苏氨酸(Thr,T)半胱氨酸(Cys,C)甲硫氨酸(Met,M)●●

含羟基或硫氨基酸(一氨基一羧基)26●●●

酸性氨基酸(一氨基二羧基)及其酰胺天冬氨酸(Asp,D)谷氨酸(Glu,E)天冬酰胺(Asn,N)谷氨酰胺(Gln,Q)27●●●●碱性氨基酸(二氨基一羧基)赖氨酸(Lys,K)精氨酸(Arg,R)组氨酸(His,H)杂环282.芳香族氨基酸苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸（Trp,W）293.杂环氨基酸组氨酸（His,H）脯氨酸（Pro,P）30说明:关于杂环氨基酸和杂环亚氨基酸色氨酸（Trg,W）组氨酸（His,H）脯氨酸（Pro,P）芳香族氨基酸杂环亚氨基酸杂环氨基酸31（二）按R基的极性性质分类20种基本氨基酸可分成以下4组：1.非极性氨基酸（8种）Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp2.极性不带电荷的氨基酸（7种）Ser、Thr、Tyr含羟基；Asn、Gln含酰胺基；Cys含巯基（-SH）；Gly（因α-C上的H受易解离的α-氨基和α-羧基的影响，体现不出极性，故有的书中将其列为非极性类）323.极性带正电荷的氨基酸3种碱性氨基酸:Lys、Arg、His在pH7时带正电荷

♦在pH6.0时，His的R基50%以上质子化，但pH7.0时，质子化的分子不到10%。His是唯一的R基的pKa值在7附近的氨基酸4.极性带负电荷的氨基酸2种酸性氨基酸：Asp、Glu333435363个有个性的氨基酸

1）脯氨酸（Pro）因为是一个环状的亚氨基酸,它的氨基和其它氨基酸的羧基形成的肽键有明显的特点,较易变成顺式肽键.2）甘氨酸（Gly）是唯一的在α-碳原子上只有2个氢原子,没有侧链的氨基酸.为此它既不能和其它残基的侧链相互作用,也不产生任何位阻现象,进而在蛋白质的立体结构形成中有其特定的作用.373）半胱氨酸(Cys)它的个性不仅表现在其侧链有一定的大小和具有高度的化学反应活性,还在于两个Cys能形成稳定的带有二硫（桥）键的胱氨酸。二硫键不仅可以在肽链内,也可以在肽链间存在。更有甚者,同样的一对二硫键能具有不同的空间取向。二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号据营养学分类

必需ＡＡ非必需ＡＡ据R基团化学结构分类

脂肪族ＡA芳香族ＡA(Phe、Tyr、Trp)杂环ＡＡ(His、Pro、Trp)据R基团极性分类极性R基团AA非极性R基团AA（８种）不带电荷（７种）带电荷带正电荷（３种）带负电荷（２种）据氨基、羧基数分类一氨基一羧基ＡＡ一氨基二羧基ＡＡ(Glu、Asp)二氨基一羧基ＡＡ(Lys、His、Arg)人体必需氨基酸

Lys

Trp

Phe

Val

Met

Leu

Ile

Thr39（三）不常见的蛋白质氨基酸存在于少数蛋白质中特殊的氨基酸,是在蛋白质生物合成后由相应的基本氨基酸衍生而来。40N-甲基赖氨酸存在于肌球蛋白中。γ-羧基谷氨酸存在于凝血酶原中;羟脯氨酸存在于胶原蛋白中;41（四）非蛋白质氨基酸大多是蛋白质中存在的L型α-氨基酸的衍生物。但有一些是β、γ或δ-氨基酸,且有些是D-型氨基酸。细菌细胞壁组成中的肽聚糖中的D-氨基酸:D-谷氨酸、D-丙氨酸一种抗生素短杆菌肽S中含有D-苯丙氨酸。42β-丙氨酸是遍多酸(泛酸,一种维生素)的前体成分

γ–氨基丁酸是传递神经冲动的化学介质43L-鸟氨酸、L-瓜氨酸是尿素循环的中间体鸟氨酸胍氨酸44第四节氨基酸的重要理化性质和功能一、氨基酸的性质（一）一般物理性质α-氨基酸为无色晶体,熔点极高(一般在200℃以上)。有的无味、有的味甜、有的味苦、谷氨酸的单钠盐有鲜味(味精的主要成分)。4546

氨基酸在水中的溶解度差别很大,除胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸外,一般都能溶于水,并能溶解于稀酸或稀碱中,但不能溶解于有机溶剂(通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析出)。脯氨酸和羟脯氨酸能溶于乙醇或乙醚中,且二者极易溶于水而潮解。47（二）氨基酸的手性

20种标准氨基酸中,除Gly以外的19种氨基酸都有手性。（三）氨基酸的光吸收性质20种标准氨基酸在可见光区都无光吸收,但在红外区和远紫外区(<220nm)均有光吸收。在近紫外区(220～300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力,因为它们含有苯环共轭π键系统。48Phe:max=257nm，257=2.0×102mol-1•L•cm-1Tyr:max=275nm，275=1.4×103mol-1•L•cm-1Trp:max=280nm，280=5.6×103mol-1•L•cm-1

蛋白质因含有Tyr、Phe、Trp,也有紫外吸收能力,一般最大吸收在280nm波长处。49分光光度计定量分析依据Lambert-Beer定律:A=Log1/T=LogIo/I=εCL入射光强度Io透射光强度I样品池(溶液浓度mol/L)检测器单色器光源501.两性解离和等电点

两性离子是指在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的-NH3+正离子和能接受质子的-COO-负离子。氨基酸是两性电解质。

（四）氨基酸的化学性质

51pH=pI

净电荷=0pH<pI净电荷为正pH>pI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++

OH-+H++

OH-(pK´1)(pK´2)在一定pH条件下,氨基酸分子中所带的正电荷数和负电荷数相等,即净电荷为零,在电场中既不向阳极也不向阴极移动,此时溶液的pH值称为该种氨基酸的等电点(isoelectricpoint,pI)。－－氨基酸的等电点是它呈现电中性时所处环境的pH值.（1）等电点的概念52A.等电点时,氨基酸的溶解度最小,易沉淀。利用该性质可分离制备某些氨基酸。例如谷氨酸的生产,即将微生物发酵液的pH值调至3.22（谷氨酸的等电点）而使谷氨酸沉淀析出。B.利用各种氨基酸的等电点不同,可通过电泳法、离子交换法等在实验室或工业生产上进行混合氨基酸的分离或制备。氨基酸的等电点可由其分子上解离基团的解离常数来确定。（2）等电点理论的应用53（3）氨基酸等电点的计算可见,氨基酸的pI值等于该氨基酸的两性离子两侧的基团pK′值之和的二分之一。pI=2pK´1+pK´2一氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´2+pK´3二氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´2一氨基二羧基AA的等电点计算：5455一氨基一羧基AA的等电点计算,以丙氨酸为例:565758一氨基二羧基氨基酸等电点的计算,以Asp为例:59二氨基一羧氨基酸的等电点的计算,以Lys为例:602.R基团的疏水性氨基酸的疏水性直接影响到蛋白质的折叠。－－在水溶液中，这是驱动蛋白质分子折叠的动力之一。侧链疏水度侧链疏水度IleValLeuPheCysMetAlaProGlyThr4.54.23.82.82.51.91.81.6－0.4－0.7Ser

TrpTyrHisGluGlnAspAsnLysArg－0.8

－0.9－1.3－3.2－3.5－3.5－3.5－3.5－3.9－4.5表氨基酸侧链的疏水度

61氨基酸是离子化合物，但在溶液状态时，存在下列平衡:化学反应中可用左边的结构式表示氨基酸。氨基酸分子的α-氨基、α-羧基均能参加反应,有的侧链R基团也能参加反应。3.氨基酸氨基和羧基参与的化学反应62①与亚硝酸的反应在标准条件下测定生成的N2体积,即可计算出氨基酸的量。用途:是范斯莱克（VanSlyke）法测定氨基氮的基础,可用于氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定室温（1）α-氨基参加的反应

63②与甲醛的反应

用NaOH滴定★氨基酸甲醛滴定法(概念)

●判断蛋白质水解或合成的进度64③与2,4-二硝基氟苯（DNFB）的反应－－烃基化反应

2,4-二硝基苯氨基酸,黄色（DNP-氨基酸,可用乙酸乙酯或乙醚抽提）65多肽或蛋白质N端氨基酸的α-氨基也能与DNFB反应,生成DNP-多肽或DNP-蛋白质。后者用酸水解时,所有肽键被打开,可得到黄色的DNP-氨基酸。该反应由F.Sanger（英）首先发现,并用于鉴定多肽或蛋白质的N-端氨基酸,阐明了胰岛素的一级结构。（故DNFB亦称作Sanger试剂）－－蛋白质N端氨基酸测定的方法之一665-二甲氨基萘磺酰氯(简称丹磺酰氯或DNS-Cl

)代替DNFB试剂5-二甲氨基萘磺酰氨基酸有强烈的荧光,可用荧光光度计快速检出,灵敏度高。酰化试剂67苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸,无色)苯硫乙内酰脲氨基酸(PTH-氨基酸,无色,可用乙酸乙酯抽提)④与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应－烃基化反应

68Edman（瑞典）首先使用该反应鉴定多肽或蛋白质的N-端氨基酸。蛋白质多肽链N端氨基酸的α-氨基可与PITC反应生成PTC-蛋白质,在酸性溶液中,它释放出未端的PTH-氨基酸和比原来少了一个氨基酸残基的多肽链－－－称为Edman降解反应。（故PITC亦称作Edman试剂）。该反应在多肽和蛋白质的氨基酸序列分析方面占有重要地位－－多肽顺序自动分析仪,一次可连续测出60个以上的氨基酸顺序。69（2）α-羧基参加的反应①成盐和成酯反应

该反应使氨基酸的氨基被活化氨基酸与碱作用即生成盐。氨基酸的羧基被醇酯化,形成相应的酯。70②脱羧基反应③蛋白质合成的氨基酸活化反应71（3）

α-氨基和α-羧基参加的反应①与茚三酮的反应茚三酮水合茚三酮72+3H20水合茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原型茚三酮(弱酸)加热水合茚三酮+NH3+还原型茚三酮

蓝紫色化合物λmax=570nm73脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质,其余所有的α-氨基酸与茚三酮反应均产生蓝紫色物质。加热黄色，λmax=440nm

74②成肽反应－－缩合反应——这是多肽和蛋白质生物合成的基本反应75（4）侧链R基参加的主要反应①Cys巯基（-SH）参加的反应－－性质很活泼A.很容易被氧化形成二硫键（－S－S－）作用:氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或断裂。76B.与过甲酸、碘代乙酸的反应77②Pauly反应——可用于检测TyrTyr的酚基可以与重氮化合物,如重氮苯磺酸,结合生成橘黄色化合物－－Pauly反应橘黄色78③His的咪唑基与重氮盐（重氮苯磺酸）的反应棕红色附：咪唑基的性质

组氨酸含有咪唑基，其pK2值为6.0，在生理条件下具有缓冲作用。组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应，形成磷酸组氨酸，从而使酶活化。组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷基咪唑衍生物，并引起酶活性的降低或丧失。79④羟基参加的反应作用:可用于修饰蛋白质（酶）。二异丙基氟磷酸Ser和Thr的羟基能够与酸作用形成酯。在蛋白质分子中,Ser常与磷酸结合。Ser是大多数蛋白水解酶活性中心的主要组分,多种酰基化试剂能与酶活性中心的Ser羟基作用,导致酶的失活。Ser80⑤甲硫基参加的反应－－Met侧链上的甲硫基是一个强的亲核中心,易与卤代烷等发生亲核取代反应形成烷基化产物。814.R基团对蛋白质功能的贡献（1）含羟基的侧链－－Ser、Thr、Tyr（2）含巯基的侧链－－Cys（3）含咪唑基的侧链－－His（4）Lys的ε-氨基82二、氨基酸的功能1、作为寡肽、多肽和蛋白质的组成单位；2、作为多种生物活性物质的前体；3、作为神经递质；4、氧化分解产生ATP；5.作为糖异生的前体。83第五节氨基酸的分离与纯化技术一、电泳举例:G