蛋白质化学1

1、第一节 氨基酸 第二节 蛋白质的分子结构 第三节 蛋白质结构与功能的关系 第四节 蛋白质的理化性质 第五节 蛋白质的分离与鉴定,第一章 蛋白质的化学,掌握蛋白质的元素组成、蛋白质的基本组成单位氨基酸及其连接方式； 掌握肽键和多肽链； 掌握蛋白质的一、二、三、四级结构、模体、结构域； 了解蛋白质的重要性，生物活性肽的作用，蛋白质的分类； 了解蛋白质的一级结构与空间结构和功能的关系； 了解蛋白的理化性质及其提取、纯化原理。,蛋白质（Protein）是一类生物大分子，由一条或多条肽链构成，每条肽链都由一定数量的氨基酸按一定顺序以肽键连接形成。,引言：蛋白质概述,蛋白质存在于所有生物细胞中，是构成生物

2、体最基本的结构物质和功能物质； 蛋白质是生命活动最基本的物质基础，参与了几乎所有的生命活动过程。如生物专有的催化剂酶；,引言：蛋白质概述,一、蛋白质的生物学功能:,1.作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。(已发现3,000多种) 2.调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。 3.运输载体：如红细胞中运输O2、CO2要靠血红蛋白、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。 4.参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。,5.参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋

3、白，是蛋白质。 6.接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。 7.结构成分：建造和维持生物体的结构。（如-角蛋白、阻遏蛋白及转录因子等） 8.其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。,所以，我们不难理解，为什么说没有蛋白质就没有生命。,一、蛋白质的生物学功能:,1、元素组成,碳（5055%） 氢（67%） 氧（1924%） 氮（1319%） 硫（04%）,主要元素,Others：P、Cu、Fe、Zn、Mn、Co、Se、I。,二、蛋白质的化学组成和分类,蛋白氮占生物组织所有含氮物质的绝大部分。 大多数蛋白质含氮量接近于16

4、%。因此，可用定氮法来推算样品中蛋白质的含量：,每克样品含氮克数6.25 = 每克样品中蛋白质含（g）,2、蛋白质的含氮量,奶粉-三聚氰胺事件,三聚氰胺结构式,NH3+3CO2,6,+,硅胶,密胺、蛋白精,蛋白质的构件分子,Protein Architecture,一、氨基酸,(Amino Acid, AA, Aa, aa),第一节、氨 基 酸,寡肽10个以下氨基酸残基组成的肽； 多肽或蛋白质10个或以上氨基酸残基组成的肽。 多肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而残缺，故称为氨基酸残基。 将氨基酸残基连接成一条长链多肽的主键是肽键； 由肽键连接各氨基酸残基形成的长链骨架称为多肽主链；各氨基酸侧链基团

5、统称为多肽侧链。,（一） 蛋白质水解,氨基酸通过肽键连接成的化合物称为肽。根据氨基酸残基的数目分别称为寡肽、多肽或蛋白质。,蛋白质和多肽的肽键可被催化水解 酸/碱能将蛋白完全水解（HCl/NaOH） 酶水解一般是部分水解,得到各种AA的混合物,得到多肽片段和AA的混合物,氨基酸是蛋白质的基本结构单元,地球上天然形成的AA 300种以上。 构成蛋白质的AA只有20余种，称蛋白质氨基酸，不参与蛋白组成的称为非蛋白质氨基酸。,（二） 氨基酸的结构,氨基酸是指含有氨基的羧酸。蛋白质是由20种氨基酸组成的，除脯氨酸外，均为-氨基酸（且其化学结构均为L-氨基，除甘氨酸外）。即羧酸分子中-碳原子上的一个氢原

6、子被氨基取代而成的化合物。,什么是氨基酸？,非解离形式,解离形式,半胱氨酸是含硫氨基酸，在蛋白质分子中，有时2个半胱氨酸残基上的巯基脱氢，以二硫键相连形成胱氨酸。 脯氨酸是唯一的环状亚氨基酸，其可羟化生成羟脯氨酸。,六伴穷光蛋， 酸谷天出门， 死猪肝色脸， 只携一两钱。 一本落色书， 拣来精读之。 芳香老本色， 不抢甘肃来。,半胱、胱、蛋（甲硫）氨酸含硫氨基酸 谷氨酸、天冬氨酸酸性氨基酸 丝、组、甘、色氨酸一碳单位来源的氨基酸 缬、异亮、亮氨酸支链氨基酸 异亮、苯丙、酪、色、苏氨酸生糖兼生酮 赖氨酸、精氨酸、组氨酸碱性氨基酸 酪、苯丙、色氨酸芳香族氨基酸 脯、羟脯、甘、苏、赖氨酸不参与转氨基的

7、氨基酸,甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、色氨酸、丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸和组氨酸,二十种氨基酸:,（三）氨基酸的分类,缬,组,丙,脯,赖,异亮,亮,天冬,苯丙,酪,天酰,谷酰,谷,精,色,甘,丝,半胱,苏,甲硫,1、按酸碱性质,(1) 酸性氨基酸：2种 天冬、谷氨酸 (2) 碱性氨基酸：3种 赖、组、精氨酸 (3) 中性氨基酸：15种,2、按R基团的化学结构分,(1)脂肪族氨基酸：15种，丙、缬、亮、异亮、蛋、天冬、谷、赖、精、甘、丝、苏、半胱、天冬酰胺、谷氨酰胺。 (2)芳香族氨基酸：3种，苯丙

8、氨酸、酪氨酸、色氨酸。 (3)杂环氨基酸：2种，组氨酸、脯氨酸。,3、根据侧链R基团是否有极性分,(1)极性带正电荷的氨基酸：精氨酸、赖氨酸、组氨酸 (2)极性带负电荷的氨基酸： 天冬氨酸、谷氨酸 (3)极性不带电荷的氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺. (4)非极性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。,非极性氨基酸在维持蛋白质的三维结构中 起着重要作用（蛋白质的疏水核心）。,（1）极性氨基酸R带正电荷：,（2）极性氨基酸R带负电荷：,（3）极性氨基酸不带电：,（4）非极性氨基酸：,4、根据人体能否自身合成,(1)必需氨

9、基酸：8种，赖氨酸(Lys)、缬氨酸(Val)、甲硫氨酸(Met)、色氨酸(Try)、亮氨酸(Leu)、 异亮氨酸(Ile)、苏氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe) (2)半必需氨基酸：2种，Arg、His婴儿期供给不足 (3)非必需氨基酸：其余,假设来借一本书,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。,5、几种重要的不常见氨基酸,1、溶解度 2、氨基酸的旋光性 甘氨酸除外，无手性碳原子。,二、氨基酸的溶解度、旋光性、光吸收,说明： (1)苏氨酸，异亮氨酸，羟脯氨酸，羟赖氨酸，有二个不对称碳原子。 苏氨酸的四个异构体如下：,

10、(2) 胱氨酸光学异构体的特殊性。,外消旋体：一对对映体右旋体和左旋体的等量混合物。旋光方向相反、旋光能力相同的分子等量混合而成，其旋光性因这些分子间的作用而相互抵消，因而是不旋光的。 内消旋体：分子内，含有构造相同的手性碳原子，但存在对称面的分子。分子内虽然含有两个不对称碳原子C*，但由于它们具有对称因素，一半分子的右旋作用被另一半分子的左旋作用在内部所抵消，因此是一个不旋光性化合物 。,3、氨基酸的吸光性 在远紫外光区域无吸光值； 在近紫外光区域（220300nm）只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力； 酪氨酸的最大光吸收波长（max）在275nm，275=1400； 苯丙氨酸的ma

11、x在275nm，275=200； 色氨酸的max在280nm, 280 =5600。 利用分光光度法很方便地测定蛋白质的含量。,兼性离子（两性离子）：所谓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。因此，氨基酸是两性电解质。,三、氨基酸的酸碱性质,（一）兼性离子,非解离形式,解离形式,pIpH 带正电，向阴极移动；pIpH不带电，不移动,氨基酸可以做缓冲试剂,（二）氨基酸的解离,当溶液为某一pH值时，AA的氨基和羧基的解离度完全相等，正负离子浓度相等。AA主要以兼性离子的形式存在，分子中所含的正负电荷数目相等，净电荷为0。这一pH值即为AA的等电

12、点（pI）。 在pI时，AA在电场中既不向正极也不向负极移动，即处于两性离子状态。 在pI时，AA的溶解度最小。,（三）氨基酸的等电点,侧链不含离解基团的中性AA pI = (pK1 + pK2 )/2,甘氨酸滴定曲线,对于侧链含有可解离基团的AA pI 取决于两性离子两边pK值的算术平均值 酸性AA：pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 碱性AA：pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2,酸性氨基酸：,碱性氨基酸：,四、氨基酸的化学反应,（1）-氨基参加的反应 （2）-羧基参加的反应 （3）-氨基和-羧基共同参加的反应 （4）侧链R基参加的反应,氨基酸的化学反应,亚硝酸盐反

13、应 烃基化反应 酰化反应 脱氨基反应 西佛碱反应,侧链反应,成盐成酯反应 成酰氯反应 脱羧基反应 叠氮反应,(1) -氨基参加的反应,与亚硝酸反应（范斯莱克法测定氨基酸含量的依据） 可用来进行氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。除脯氨酸,室温下,氨基酸的甲醛滴定(用于氨基酸定量分析),氨基酸不能直接用酸、碱滴定来进行定量测定。,OH-,中和滴定,应用：氨基酸定量分析甲醛滴定法（间接滴定） A.直接滴定，终点pH过高（12），没有适当指示剂。 B.与甲醛反应，滴定终点在9左右，可用酚酞作指示剂。 C.简单快速，一般用于测定蛋白质的水解速度。,是生物化工产品、食品和发酵物等产品中氨基氮的测定原理和方

14、法,与2,4二硝基氟苯（DNFB或FDNB，Sanger试剂）,首先被英国的Sanger鉴定多肽蛋白质的N末端氨基酸。,二硝基苯基氨基酸,Frederick Sanger (桑格),英国化学家，在生物化学领域的贡献很大，他两次获诺贝尔奖1958和1980年；1953年确定了牛胰岛素一级结构；1975年和1977年确定了DNA的两种用酶测序的方法加减法和终止法。,1918.082013.11,Edman 降解法原理,与苯异硫氰酸酯（PITC）,苯乙内酰硫脲氨基酸（PTH肽）,与酰化试剂反应,氨基酸的氨基与酰氯或酸酐在弱碱溶液中发生作用时，氨基被酰基化。,用于多肽链N末端氨基酸的标记和微量氨基酸的

15、定量测定及保护氨基。,叔丁氧甲酰氯、对甲苯磺酰氯、邻苯二甲酸酐、丹磺酰氯等。,常用的酰化试剂:,丹磺酰氯,邻苯二甲酸酐,生成西佛碱的反应（Schiffbase）,西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应的中间物。,脱氨基反应,氨基酸在生物体内经氨基酸氧化酶的催化即脱去-氨基而转变成酮酸。,(2)-羧基参加的反应,1、成盐和成酯：羧基被保护，氨基被活化，重金属盐不溶于水。 2、成酰氯反应：氨基被保护，羧基被活化，在多肽人工合成中常用。 3、脱羧基反应： 4、叠氮反应：常用于多肽的合成。,可以屏蔽羧基活化氨基,R,CH,COOH,NH,2,+,C2H5OH,干燥， HCl,回流,R,CH,COOC2O

16、5,NH3Cl-,+,+,H2O,成酯反应,R,CH,COOH,NH,2,+,NaOH,R,CH,COONa,NH,2,+,H2O,1、成盐、成酯反应,氨基被保护后，羧基可与二氯亚砜或五氯化磷反应，生成酰氯，使羧基活化，在多肽的人工合成中常用。,HN-保护基,R-CH-COOH,+,PCl5,HN-保护基,R-CH-COCl,+,POCl3,+,HCl,？,三氯氧磷,2、成酰氯的反应,氨基酸的氨基通过酰化保护后，羧基经酯化转变为甲酯，然后与肼和亚硝酸变成叠氮化合物,3、叠氮反应,用于多肽人工合成中的羧基激活,将-氨基酸加热时，可脱去CO2得到胺。,Ba(OH)2,NH2 R-CH-COOH-R

17、-CH2-NH2+CO2,脱羧酶,H,2,N-CH,2,CH,2,CH,2,-NH,2,H,2,N-CH,2,CH,2,CH,2,CH,COOH,NH,2,CH,CH,2,2,尸胺,4、脱羧基反应,赖氨酸,1,5-二氨基戊烷,茚三酮在弱酸中与-氨基酸共热，引起氨基酸的氧化脱氨，脱羧反应，最后，茚三酮与反应产物氨和还原茚三酮反应，生成蓝紫色物质（max=570nm）。,（三）-NH2和-COOH共同参加的反应,1、与茚三酮反应,2，2-二羟基二氢化茚-1，3-二酮,+,+ NH3 +RCHO +CO2 +H2O,+,+,C,C,C,OH,O,C,C,C,O,O,N,蓝紫色复合物,Pro、Hy-P

18、ro （羟脯氨酸）与直接形成黄色化合物,茚三酮,还原茚三酮,还原茚三酮,茚三酮,（max=570nm）,2020/7/9,62,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基可以缩合成肽，形成的键称肽键。,肽键,2、成肽反应,氨基酸侧链功能基团: 苯环色氨酸、苯丙氨酸 羟基丝氨酸、苏氨酸 巯基半胱氨酸 吲哚基色氨酸 胍基精氨酸 咪唑基组氨酸 非-氨基赖氨酸 非-羧基谷氨酸、天冬氨酸,侧链基团可与特异试剂发生特定反应，用于氨基酸的鉴定，氨基酸的修饰。 蛋白质化学修饰：在较温和的条件下，以可控制的方式使蛋白质某些试剂起特异反应，以引起蛋白质中个别氨基酸侧链或功能基团发生共价化学改变。,（四）侧链R基参加的反

19、应,1、酪氨酸的酚羟基： 在3和5位上容易发生亲电取代反应，例如发生碘化或硝化，分别生成一碘酪氨酸和二碘酪氨酸或一硝基酪氨酸和二硝基酪氨酸。,酪氨酸,2、组氨酸的侧链咪唑基：,与重氮苯磺酸也能形成相似的化合物，但颜色稍有差异，呈棕红色。,重氮苯磺酸,3、精氨酸的侧链胍基：,在硼酸钠缓冲液(pH8-9, 25-35)中，与1，2-环己二酮反应，生成缩合物：,4、半胱氨酸侧链上的巯基（SH）,（1）与卤化烷生成稳定的烷基衍生物,可保护 -SH 以防被氧化。,CH2COO, I,（2）巯基能和各种金属离子形成络合物,对羟基汞苯甲酸,-SH 酶遇到重金属离子而生成硫醇盐时，将导致酶失活。,（3）巯基易

20、受空气或其他氧化剂氧化 形成两种氧化衍生物,形成二硫化物：胱氨酸的形成。,胱氨酸,二硫键,SO3H,（4）形成磺酸基：对游离的巯基具有保护作用，保护Cys巯基之间的氧化。,5、羟基（OH）,丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸磷酸酯。,Pi,+,HPO4 2-,1、医药工业 （1）氨基酸输液： （2）必需氨基酸：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸 （3）半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。,八、氨基酸的应用,治疗药剂,（1）精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果； （2）天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。 （3）半胱氨酸：能促进毛发的生长，可用于治疗秃发症；甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等； （4）组氨酸：可扩张血管，降低血压，用于心绞痛，心功能不全等疾病的治疗。,2、化学工业,（1）维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。 （2）叶酸：需要用谷氨酸为