1、第一章 蛋白質的化學,Protein,蛋白質的性質,蛋白質概述,蛋白質的化學組成,蛋白質的分子結構,蛋白質的分類,蛋白質的結構與功能,一、蛋白質的概念,是由氨基酸構成的具有特定空間結構的、并具有一定生物功能的大分子有機化合物。蛋白質存在于所有的生物細胞中，是構成生命的物質基礎。,第一節(jié) 蛋白質概述,二、蛋白質的生物學重要性,1. 蛋白質是生物 體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高

2、：蛋白質是細胞內(nèi)最豐富的有機分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。,1）作為生物催化劑——酶類 3000種以上2）代謝調(diào)節(jié)作用—— 激素蛋白3）免疫保護作用—— 抗體 γ-球蛋白4）物質的轉運和存儲——血紅蛋白、脂蛋白5）運動與支持作用——肌蛋白6）控制生長和分化作用——核蛋白、組蛋白7) 參與細胞間信息傳遞——跨膜蛋白8) 生物膜的功能,2. 蛋白質具有多樣性的生物學功能,3. 氧化

3、供能,一、蛋白質的元素組成,主要有 C（50～55%）、H（6～8%）、O（19～24%）、N（13～19%）、 S（0～4%）,第二節(jié)、蛋白質的化學組成,? 組成蛋白質的元素,有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘 。,各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。,由于體內(nèi)的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質的大致含量：,每克樣品中蛋白質的含量 (

4、g )= 每克樣品含氮克數(shù)× 6.25,1/16%,? 蛋白質元素組成的特點,二、蛋白質結構的基本單位 —— 氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬 L-α- 氨基酸（甘、脯氨酸除外）。,（一）氨基酸的結構特點,Cα如是不對稱C 即手性碳原子（除Gly）則： 具有旋光性，有兩種立體異構體 [D-型和L-型] 組

5、成天然蛋白質基本氨基酸皆為L型,,Gly,,,,非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸,* 20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:,（二）氨基酸的分類(氨基酸R性質分),非極性疏水氨基酸,,吲哚基,極性中性氨基酸,,,胍基,咪唑基,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,

6、纈氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,異亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P

7、 6.30,,非極性疏水性氨基酸,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,絲氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methioni

8、ne Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,蘇氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 極性中性氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷

9、氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,賴氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,組氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 堿性氨基酸,少數(shù)的蛋白質還存在一些上述2

10、0種基本氨基酸外的氨基酸: 如羥脯氨酸、羥賴氨酸、胱氨酸、四碘甲腺原氨酸（甲狀腺素）非蛋白質氨基酸：如β-丙氨酸、D-苯丙氨酸、同型半胱氨酸、瓜氨酸、 鳥氨酸等,? 半胱氨酸,胱氨酸,（三）氨基酸的理化性質（復習）,1. 兩性解離及等電點,氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。,等電點(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，

11、呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。,,pH=pI,pH>pI,pH<pI,氨基酸的兼性離子,陽離子,陰離子,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多數(shù)蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,3. 茚三酮反應,氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸

12、收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。,（四）氨基酸的分離與分析（了解）,自動氨基酸分析儀高效液相色譜（HPLC）離子交換層析生物質譜（MS）,第三節(jié)、蛋白質的分子結構,示例：血紅蛋白,一般可分為：一級結構、空間結構（構象）,問題： 1、蛋白質分子中氨基酸之間是怎么 連接的？ 2、不同蛋白質的氨基酸種類、數(shù)目、 順序與其結構的復雜性與功能的 多樣性關系？,一、蛋白質的一級結

13、構,* 肽鍵(peptide bond)是由一個氨基酸的?-羧基與另一個氨基酸的?-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。,1、肽鍵,（一）肽鍵與肽,,+,,,甘氨酰甘氨酸,肽鍵,* 肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。,* 兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……,* 由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。,2、肽,N 末端：多肽鏈中有自

14、由氨基的一端C 末端：多肽鏈中有自由羧基的一端,多肽鏈有兩端,* 多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。,肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。,,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,3、 幾種生物活性肽,谷胱甘肽(glutathione, GSH),體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽,神經(jīng)肽(neuropeptide),多肽類激素及神經(jīng)肽,（二）蛋白質的一級結

15、構,1. 概念：指蛋白質多肽連中AA殘基的排列順序。主要化學鍵： 肽鍵、二硫鍵,組成蛋白質的多肽鏈數(shù)目.多肽鏈間或鏈內(nèi)二硫鍵的數(shù)目和位置。多肽鏈的氨基酸數(shù)目，其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序，它是蛋白質生物功能的基礎。氨基酸序列是由基因的遺傳信息即DNA分子中的核苷酸的序列決定的。,要點：,例：胰島素的一級結構（F.sanger1953） A鏈－21aa B鏈－30aa 分子量5700,2、一級結構闡明的意義

16、,它是蛋白質生物功能的基礎 一級結構 空間結構 生物學功能,,,意義 （1）有助于從分子水平診斷和治療 遺傳病 如：鐮刀型紅細胞貧血 （2）了解蛋白質在生物進化中的作用 例：胰島素的同源結構與活性,二、蛋白質的空間結構（構象）,分析：,,,,,,主鏈,,側鏈,,,主鏈構象：多肽鏈上各 原子的排布及相互關系。側鏈構象：各AA側鏈基團 （R基團）中原子的排布 及彼此關系。主鏈構象決定側鏈構

17、象，側鏈構象影響主鏈構象。,蛋白質空間結構（構象）分為：,蛋白質主鏈空間折疊的限制因素,Pauling和Corey在利用X-射線衍射技術研究多肽鏈結構時發(fā)現(xiàn)：1.肽鍵具有部分雙鍵性質： C-N單鍵鍵長0.149nm C=N雙鍵鍵長0.127nm 肽鍵鍵長0.132nm2.肽鍵不能自由旋轉,肽單元（肽鍵平面）,組成肽鍵的四個原子和與之相連的兩個?碳原子（C?）都處于同一個平面內(nèi)，此剛性結構的

18、平面叫肽鍵平面。,肽鏈與肽鍵平面,各肽鍵平面圍繞與肽鍵相連?碳原子（單鍵連接）旋轉、折疊、卷曲（受一定限制）,蛋白質的二級(Secondary)結構： 是指多肽鏈的主鏈本身在空間盤旋、折疊形成的主鏈構象。即多肽鏈主鏈各原子在空間的排列方式（不涉及側鏈）。（多）肽鍵平面是二級結構形成的基礎。氫鍵是穩(wěn)定二級結構的主要作用力。,(一) 蛋白質的二級結構,主要有?-螺旋、?-折疊、?-轉角、無規(guī)則卷曲。,多肽鏈中的各個肽平面（主鏈原子）通

19、過?碳原子圍繞同一軸旋轉，形成螺旋結構。,1.?-螺旋及特點,螺旋一周，沿軸上升的距 離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之 間的距離為0.15nm; (3.611-螺旋),2.?-螺旋有左手和右手螺 旋,蛋白質中的?-螺旋幾乎都是右手螺旋。,3.肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫 鍵的取向幾乎與軸平行，每個氨基酸殘基的C=O氧與其后第四個氨基酸殘基的N-H氫形成氫鍵。,?-螺旋的形成及其穩(wěn)定性與其氨基酸組成和順序有關 P

20、ro、Phe Gln、 Asp Glu、polyLys PolyIle?-螺旋是蛋白質中最常見，含量最豐富的二級結構 如肌紅蛋白、血紅蛋白、肌球蛋白、角蛋白,?-螺旋,2.?-折疊及特點,?-折疊(?-片層)： 蛋白質肽鏈主鏈的肽平面折疊呈鋸齒狀（扇面狀片層）的構象。,肽鏈延伸、肽平面折疊呈鋸齒狀,2.是由兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵進行交聯(lián)而形成的，或一條肽鏈內(nèi)的不同肽段間靠氫鍵而形成的。,3.?-

21、折疊有兩種類型：一種為順平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。,3.?-轉角,在?-轉角部分，由四個氨基酸殘基組成;彎曲處的第一個氨基酸殘基的 -C=O 和第四個殘基的 –N-H 之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結構。,4.無規(guī)線團（無規(guī)卷曲）,指無一定規(guī)律的松散盤曲的肽鏈結構。酶的功能部位常包含此構象，靈活易變。,,指在蛋白質分子中，若干具有二級結構的肽段在空間上相互接近，形成具有特

22、殊功能的結構區(qū)域（有規(guī)則的二級結構聚集體），又被稱為模體(motif)。,超二級結構,常見的有三種基本形式：Α螺旋組合（αα）、β折疊組合（βββ）、α螺旋β折疊組合（ βαβ ）——由其氨基酸殘基側鏈基團相互作用,,鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體,鋅指結構,它們可直接作為三級結構的“建筑塊”或結構域的組成單位，是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次，故稱超二級結構,纖連蛋白分子的結構域,結構域,大分子蛋白質中由于多肽鏈上相鄰

23、的超二級結構緊密聯(lián)系，進一步折疊形成一個或多個相對獨立的致密的三維體，各行使其相應功能。,（四）蛋白質的三級結構,1.定義： 是指整條多肽鏈所有的原子排布方式，即蛋白質多肽鏈在二級結構、超二級結構、結構域的基礎上，進一步盤繞、折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在內(nèi)的特定三維結構。,相對獨立、近似球形的三維實體，具備三級結構的蛋白質才有生物學活性。,2、維持三級結構的作用力 —— 次級鍵,氫鍵疏水鍵（疏水相互作用）——在水介質中球狀蛋白質

24、的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部。這一現(xiàn)象稱為疏水相互作用。離子鍵（鹽鍵）二硫鍵范德華力 一種普遍存在的作用力其中疏水鍵在蛋白質三級結構中起著重要作用，它是使蛋白質多肽鏈進行折疊的主要驅動力。,,（五）蛋白質的四級結構,四級結構是指由兩 個或兩個以上具有獨立三級結構的多肽鏈（稱亞基）借非共價鍵維系、聚合而成的特定構象的蛋白質分子。,1.定義,2、亞基,亞基是具有獨立三級結構的多肽鏈，又稱亞單位或單體、原聚體。,通常亞基

25、只有一條多肽鏈，但有的亞基由兩條或多條多肽鏈組成，這些多肽鏈間多以二硫鍵相連。亞基單獨存在時無生物學活性。四級結構中亞基可以是相同的或不相同的， 亞基相同時，分子具有對稱性。寡聚體（2～10） 多聚體（＞10）,3.維持四級結構的主要作用力,在蛋白質四級結構中，亞基之間的作用力主要包括：氫鍵、離子鍵、范德華力和疏水鍵。即亞基之間通過次級鍵彼此締合在一起（二硫鍵？）,實質上：蛋白質的四級結構實際上研究亞基之間的相互作用、空間排

26、布及亞基接觸部位的空間布局。,第四節(jié) 蛋白質的結構與功能,生物學功能,蛋白質功能區(qū)（某部位特定構象）,一級結構中某些氨基酸殘基,,,,,一、蛋白質一級結構與功能的關系,（一）一級結構是空間結構的基礎 氨基酸 → 次級鍵 例：牛胰核糖核酸酶,天然狀態(tài)，（有催化活性）,尿素、 β-巰基乙醇,,去除尿素、β-巰基乙醇,非折疊狀態(tài)（無活性）,,（二）一級結構是功能的基礎,一級結

27、構不同、生物學功能各異 例：九肽激素——加壓素和催產(chǎn)素一級結構中“關鍵”部分相同、其功能相同 一級結構中“關鍵”部分的變化、其生物活 性 也改變－ 例：胰島素,（三）蛋白質的一級結構與分子病,例：鐮刀形紅細胞貧血,這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。,二、蛋白質空間結構與功能的關系,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、 β-巰基乙醇,,去除尿素、β-巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,,表現(xiàn)：

28、,1、蛋白質的變性2、蛋白質前體的活化 如：酶原激活3、蛋白質的變構現(xiàn)象 如：血紅蛋白,蛋白質構象改變與疾病,蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。,蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。,這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、

29、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。,瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。,,卷發(fā)(燙發(fā))的生物化學基礎,永久性卷發(fā)(燙發(fā))是一項生物化學工程(biochemical engineering),?—角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉變?yōu)?—構

30、象，但在冷卻干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。這是因為?—角蛋白的側鏈R基一般都比較大，不適于處在?—構象狀態(tài)，此外?—角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當外力解除后使肽鏈恢復原狀(?—螺旋構象)的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎。,一、蛋白質的兩性解離和等電點,第四節(jié)：蛋白質的理化性質,蛋白質與氨基酸一樣，能發(fā)生兩性解離，為兩性電解質。 解離基團：兩末端?－羧基和?－氨基、某些氨基酸的側鏈基團（Glu、Asp、

31、Lys、Arg、His）,,,一、蛋白質的兩性解離和等電點,等電點：當?shù)鞍踪|處于某一PH溶液時，蛋白質分子正、負電荷相等，靜電荷為零，蛋白質為兼性離子。此時溶液的PH值稱為該蛋白質的等電點（PI）。,陽離子PH<PI,陰離子PH>PI,兼性離子PH=PI,等電點,問題：,1、蛋白質帶電荷情況受那些因素影響？ 本身包含酸性基團與堿性基團數(shù)量 溶液酸堿性2、要使蛋白質不帶電荷（正、負電荷相等），即兼性離子。怎么辦呢？

32、 第一因素不能、只能改變?nèi)芤篜H值3、等電點與溶液PH值有關嗎？ 無關 只取決于蛋白質本身（酸堿基團數(shù)量），故堿性AA和酸性AA與中性AA相比? 但溶液PH值會影響蛋白質所帶的電荷的情況。,電泳,電泳是指帶電粒子在電場中向電性相反的電極移動的現(xiàn)象。每種蛋白質都有特定等電點，在一定條件下，都能帶上電荷，故能產(chǎn)生電泳的現(xiàn)象。利用蛋白質的電泳現(xiàn)象，可以將蛋白質進行分離純化。,一、蛋白質的兩性解離和等電點,由于蛋白質的分子

33、量很大（1-100nm），它在水中能夠形成膠體溶液。蛋白質溶液具有膠體溶液的典型性質，如丁達爾現(xiàn)象、布郎運動等。蛋白質溶液穩(wěn)定的原因：1）表面形成水膜（水化層），2）帶相同電荷,二、蛋白質的膠體性質,,水化膜,溶液中蛋白質的聚沉,由于膠體溶液中的蛋白質不能通過半透膜，因此可以應用透析法將非蛋白的小分子雜質除去。透析法：以半透膜提純蛋白質的方法叫透析法半透膜：只允許溶劑小分子通過，而溶質大分子不能通過，如羊皮紙、火棉膠、玻璃紙等,二

34、、蛋白質的膠體性質,定義：蛋白質在溶液中靠水膜和電荷保持其穩(wěn)定性，水膜和電荷一旦除去，蛋白質溶液的穩(wěn)定性就被破壞，蛋白質就會從溶液中析出下來，此現(xiàn)象即為蛋白質的沉淀作用。 有變性沉淀和非變性沉淀,三、蛋白質的沉淀作用,鹽析法：向蛋白質溶液中加入大量的中性鹽（硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉）使蛋白質沉淀析出的現(xiàn)象（水與離子的相互作用增加了蛋白質表面的疏水補丁的相互作用；同時瓦解了以電荷為基礎的蛋白質分子之間的作用）。蛋白質不變性。 分段

35、鹽析：調(diào)節(jié)鹽濃度，可使混合蛋白質溶液中的幾種蛋白質分段析出。血清球蛋白（50%(NH4)2SO4飽和度），清蛋白（飽和(NH4)2SO4)。,三、蛋白質的沉淀作用,沉淀方法,有機溶劑沉淀法： 乙醇、甲醇、丙酮（脫去水化層、降低介電常數(shù)）破壞水化模。 在低溫下或縮短處理時間可防止或減緩變性. 重金屬鹽沉淀法： PH大于PI 破壞電荷層 蛋白質變性生物堿試劑沉淀法： PH小于PI 破壞電荷層 蛋白質變性,三、蛋白質

36、的沉淀作用,沉淀方法,蛋白質在某些理化因素的作用下，其空間結構受到破壞，從而改變其理化性質，并失去其生物活性，稱為蛋白質的變性 (denaturation)。,四、蛋白質的變性,蛋白質的變性定義,,引起蛋白質變性的主要因素：物理因素（溫度紫外線、） 化學因素（強酸、強堿、）蛋白質變性實質：次級鍵斷裂，空間結構破壞（松弛）、疏水基團暴露。蛋白質變性后的表現(xiàn)：生物活性喪失；溶解度降低（PH），對于球狀蛋白粘度增加；生化反應易進行；光吸收

37、系數(shù)增大；組分和分子量不變。蛋白質的凝固作用,四、蛋白質的變性,蛋白質的復性及應用,定義：當變性因素除去后，變性蛋白質又可恢復到天然構象，這一現(xiàn)象稱為蛋白質的復性（renaturation）。 核糖核酸酶與脲、 ?巰基乙醇蛋白質變性的預防和利用：醫(yī)療方面（消毒滅菌）；食品方面；蛋白質制備；酶制劑保存等。,四、蛋白質的變性,五、蛋白質的呈色反應,PH5～7,茚三酮,,,,,大部分蛋白質均含有帶芳香環(huán)的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。