第三章 蛋白質(zhì)化學(xué)

第三章蛋白質(zhì)化學(xué)2/1/20231早在1878年，思格斯就在《反杜林論》中指出：“生命是蛋白體的存在方式，這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學(xué)組成部分的不斷的自我更新?！钡鞍踪|(zhì)存在于所有的生物細(xì)胞中，是構(gòu)成生物體最基本的結(jié)構(gòu)物質(zhì)和功能物質(zhì)。2/1/20232

蛋白質(zhì)是一類含氮有機(jī)化合物，除含有碳、氫、氧、氮和少量的硫外，某些蛋白質(zhì)還含有磷、鐵、鋅、銅、鉬、碘等元素。碳50～55％氫6～8％氧20～23％氮15～18%

硫0～4％第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成2/1/20233由于大多數(shù)蛋白質(zhì)的含氮量接近于16%，所以，可以根據(jù)生物樣品中的含氮量來計(jì)算蛋白質(zhì)的大概含量：樣品蛋白質(zhì)含量=樣品含氮量

6.252/1/20234蛋白質(zhì)水解降解物蛋白質(zhì)眎(shì)胨多肽二肽氨基酸分子質(zhì)量(u)＞1075×1052×103500～1000約200約100隨著水解條件的改變，肽以前的這些降解物最終都可以水解成氨基酸；而氨基酸則不能水解成更小的單位。所以，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。2/1/20235組成生物體蛋白質(zhì)的氨基酸常見的有20種。通式為：R—CH—NH2COOH其中19種為α氨基酸，脯氨酸(Pro)為亞氨基酸。蛋白質(zhì)水解得到的α氨基酸都屬于L構(gòu)型。2/1/20236手性碳2/1/202372/1/20238氨基酸的分類根據(jù)R基團(tuán)的極性分類：1.

非極性氨基酸：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp2.

極性不帶電荷氨基酸：Gly、Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys3.

極性帶負(fù)電荷氨基酸：Asp、Glu4.

極性帶正電荷氨基酸：His、Lys、Arg2/1/20239非極性氨基酸2/1/202310極性不帶電荷氨基酸2/1/202311極性帶負(fù)電荷氨基酸2/1/202312極性帶正電荷氨基酸2/1/202313硒代半胱氨酸（Selenocysteine

）

isfoundinmanyenzymes(havingbeenrecognizedasthe21staminoacidinribosome-mediatedproteinsynthesis!).2/1/202314根據(jù)R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)分類：脂肪族氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys、Ser、Thr、Glu、Asp、Lys、Arg、Gln、Asn芳香族氨基酸：Phe、Tyr雜環(huán)氨基酸：His、Trp雜環(huán)亞氨基酸：Pro2/1/202315根據(jù)R基團(tuán)的酸堿性分類：酸性氨基酸：Asp、Glu堿性氨基酸：Lys、Arg、His中性氨基酸：其他2/1/202316必需氨基酸：在人和反芻動(dòng)物體內(nèi)不能合成，需從食物中攝取，以保證正常生命活動(dòng)的需要，這類氨基酸稱～。如：

Val、

Ile、

Leu、

Phe、

Met、Trp、Thr、Lys半必需氨基酸：在人和反芻動(dòng)物體內(nèi)能合成，但合成速度慢，不能滿足人體需要，這類氨基酸稱～。如：

His、Arg2/1/202317非蛋白質(zhì)氨基酸：以游離態(tài)或結(jié)合態(tài)存在，不參與蛋白質(zhì)的組成。如茶氨酸。稀有氨基酸：是一些氨基酸的衍生物，不參與蛋白質(zhì)的合成。蛋白質(zhì)合成以后通過酶的催化修飾而形成的。如4-羥基脯氨酸。2/1/202318除甘氨酸外，氨基酸均含有一個(gè)手性-碳原子，因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常數(shù)之一，是鑒別各種氨基酸的重要依據(jù)氨基酸的旋光性氨基酸的理化性質(zhì)2/1/202319構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸都不吸收可見光。酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)，能夠吸收紫外光。氨基酸的紫外吸收2/1/2023202/1/202321氨基酸在結(jié)晶形態(tài)或在水溶液中，以兩性離子的形式存在。在不同的pH條件下，兩性離子的狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。氨基酸的兩性解離pH＜pIpH＝pIpH＞pI2/1/202322氨基酸的等電點(diǎn)(Isoelectricpoint,pI)：在某一特定的pH條件下，氨基酸分子在溶液中離解成陽離子和陰離子的數(shù)目和趨勢(shì)相等，這時(shí)溶液的pH即為該氨基酸的等電點(diǎn)。當(dāng)pH＜

pI時(shí)，氨基酸帶正電荷

pH＞

pI時(shí)，氨基酸帶負(fù)電荷2/1/2023232/1/202324pI=(pK1+pK2)/22/1/202325AnacidicaminoacidpI=(pK1+pKR)/22/1/202326AbasicaminoacidpI=(pKR+pK2)/22/1/2023272/1/202328名稱底物(α-AA＋)條件產(chǎn)物特征應(yīng)用茚三酮反應(yīng)水合茚三酮弱酸加熱藍(lán)紫色定性、定量測(cè)AA亞硝酸反應(yīng)亞硝酸室溫N2測(cè)蛋白質(zhì)水解程度Sanger反應(yīng)2,4-二硝基氟苯弱堿黃色N-末端分析Edman反應(yīng)異硫氰酸苯酯弱堿N-末端分析氨基酸的化學(xué)反應(yīng)2/1/202329茚三酮反應(yīng)氨基酸與茚三酮（ninhydrin）的反應(yīng)是一個(gè)檢測(cè)和定量氨基酸和蛋白質(zhì)的重要反應(yīng)。2/1/202330Sanger反應(yīng)

2,4-二硝基氟苯（2,4-dinitrofluorobenzene,DNFB）也叫做Sanger試劑。DNFB在弱堿性溶液中與氨基酸發(fā)生取代反應(yīng)，生成黃色化合物二硝基苯基氨基酸（dinitrophenylaminoacid,DNP氨基酸）

2/1/202331Edman反應(yīng)苯異硫氰酸酯（PITC）在弱堿性條件下，與氨基酸反應(yīng)生成苯乙內(nèi)酰硫脲衍生物，即PTH-氨基酸，此反應(yīng)又稱之Edman反應(yīng)，該反應(yīng)是蛋白質(zhì)或多肽氨基酸序列測(cè)定常用的反應(yīng)。2/1/202332一個(gè)氨基酸的氨基與另一個(gè)氨基酸的羧基之間失水形成的酰胺鍵稱為肽鍵(peptidebond)。氨基酸通過肽鍵連接起來的化合物稱為肽(peptide)。肽與肽鍵肽鍵2/1/202333由兩個(gè)氨基酸組成的肽稱為二肽；依次稱為三肽、四肽、五肽等。含量小于10個(gè)氨基酸的肽稱為寡肽；超過10個(gè)氨基酸的肽稱為多肽。組成多肽的氨基酸單元稱為氨基酸殘基(aminoacidresidue)。通常在多肽鏈的一端含有一個(gè)游離的-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個(gè)游離的-羧基，稱為羧基端或C-端。氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點(diǎn)的排列順序。2/1/202334Ser-Gly-Try-Ala-Leu2/1/202335肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。已知C—N單鍵的鍵長(zhǎng)為0.147nm，C=N雙鍵的鍵長(zhǎng)是0.127nm，而肽鍵中C—N的鍵長(zhǎng)為0.132nm

2/1/202336肽鍵具有平面性，組成肽鍵的4個(gè)原子和2個(gè)Cα處在同一平面內(nèi)，稱酰氨平面(amideplane)。2/1/202337多肽鏈可以看成由Cα串聯(lián)起來的無數(shù)個(gè)酰胺平面組成。2/1/202338指蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序及二硫鍵的位置。第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)

Primarystructure2/1/202339胰島素2/1/202340每一種蛋白質(zhì)都具有唯一的氨基酸序列，實(shí)際上蛋白質(zhì)的氨基酸序列是由DNA決定的。蛋白質(zhì)的氨基酸序列具有重要意義：

1.

蛋白質(zhì)的氨基酸序列是闡明蛋白質(zhì)生物活性的分子基礎(chǔ)；

2.

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定它的空間結(jié)構(gòu)；

3.

氨基酸序列的改變可以導(dǎo)致蛋白功能異常和疾病(圖）；

4.

通過對(duì)一些蛋白質(zhì)的氨基酸序列的比較可以反應(yīng)出一些生物親緣關(guān)系(圖）。

2/1/202341鐮刀型貧血β.NVal6正常人血紅蛋白，β.NGlu6GAAGTA2/1/2023422/1/202343二、構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型(configuration)：分D或L型構(gòu)象(conformation)：?jiǎn)捂I的旋轉(zhuǎn)構(gòu)型（configuration）：立體異構(gòu)體分子中取代原子或基團(tuán)在空間的取向。如幾何異構(gòu)和光學(xué)異構(gòu)體。兩種構(gòu)型之間如果沒有共價(jià)鍵的斷裂則不能互變。2/1/202344構(gòu)象（conformation）取代基團(tuán)當(dāng)單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)形成不同的立體結(jié)構(gòu)，這種空間位置的改變不涉及共價(jià)鍵的斷裂。例如乙烷分子中C—C單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們所連接的氫原子相對(duì)空間位置隨之改變，產(chǎn)生無數(shù)種構(gòu)象，其中交叉型構(gòu)象最穩(wěn)定，重疊型構(gòu)象最不穩(wěn)定2/1/2023452/1/202346指多肽鏈主鏈由于氫鍵的作用而形成的空間排布。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、γ-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲等。三、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

Secondarystructure2/1/202347

1.

多肽鏈主鏈環(huán)繞螺旋中心軸螺旋式上升。螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm，含3.6個(gè)氨基酸殘基；兩個(gè)氨基酸之間的距離為0.15nm。(1)-螺旋(-helix)1951年，PaulingandCorey提出，要點(diǎn)有：2/1/2023482.肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個(gè)氨基酸殘基的酰胺基團(tuán)的-CO基的O與第四個(gè)氨基酸殘基酰胺基團(tuán)的-NH基的H形成氫鍵。3.蛋白質(zhì)分子為右手-螺旋。2/1/2023492/1/202350-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒樁折疊構(gòu)象。-折疊有兩種類型：平行式和反平行式。(2)β-折疊(β-pleatedsheet)2/1/202351反平行式-折疊NC2/1/202352平行式-折疊N2/1/202353由四個(gè)氨基酸殘基組成，彎曲處的第一個(gè)氨基酸殘基的-C=O和第四個(gè)殘基的–N-H之間形成氫鍵，形成一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。(3)β-轉(zhuǎn)角(β-turn)2/1/202354四、蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)

Supersecondarystructure指相互鄰近的二級(jí)結(jié)構(gòu)在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)聚合體。種類有：αα、βαβ、βββ等。2/1/2023552/1/202356五、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域

structuraldomain在較大的蛋白質(zhì)分子或亞基中，其三維結(jié)構(gòu)往往可以形成兩個(gè)或多個(gè)空間上可以明顯區(qū)別的區(qū)域。肌鈣蛋白C2/1/202357是指在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈進(jìn)一步折疊卷曲形成的特定空間構(gòu)象。包括側(cè)鏈基團(tuán)在內(nèi)的所有原子空間排列。維系蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要作用力是次級(jí)鍵。包括氫鍵、疏水力、離子鍵、范德華力、配位鍵、酯鍵等。另外還可有二硫鍵。六、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

Tertiarystructure2/1/2023582/1/202359肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)2/1/202360Tertiarystructureofspermwhalemyoglobin.a)backbone;b)”mesh”image;c)surfacecontourimage;d)ribbon;e)space-fillingmodel.2/1/202361指寡聚蛋白中各亞基立體排布和各亞基間的相互作用。由兩條或兩條以上的多肽鏈盤繞聚合而成的蛋白質(zhì)，稱為寡聚蛋白質(zhì)，其每一條具有三維結(jié)構(gòu)的多肽鏈稱為亞基(subunit)。

維持亞基之間的化學(xué)鍵主要是疏水力。六、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

Quaternarystructure2/1/2023622/1/2023632/1/2023642/1/2023652/1/2023662/1/202367第四節(jié)蛋白質(zhì)的重要理化性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的兩性解離及等電點(diǎn)蛋白質(zhì)也是兩性電解質(zhì)，蛋白質(zhì)分子所帶電荷的性質(zhì)與數(shù)量是由蛋白質(zhì)中可解離基團(tuán)的種類和數(shù)目以及溶液的pH共同決定。2/1/