生物化學(xué)第4章蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)構(gòu)輔導(dǎo)版

1、第4章 蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)通論一、蛋白質(zhì)通論二、肽二、肽三、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定三、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定四、蛋白質(zhì)的氨基酸序列與生物功能四、蛋白質(zhì)的氨基酸序列與生物功能五、肽和蛋白質(zhì)的人工合成五、肽和蛋白質(zhì)的人工合成(Covalent structure of protein)一、蛋白質(zhì)通論蛋白質(zhì)的化學(xué)組成蛋白質(zhì)的化學(xué)組成碳碳50% 氫氫7%氧氧23% 氮氮16%硫硫03%其它（其它（P、Fe、Cu、I、Zn、 Mo、Mn、Ca等）等）定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量 氮為蛋白質(zhì)的特征元素，將提取并純化的蛋氮為蛋白質(zhì)的特征元素，將提取并純化的蛋白質(zhì)用凱氏定氮法測(cè)定氮的含量，然后通過下列公白質(zhì)用凱氏

2、定氮法測(cè)定氮的含量，然后通過下列公式可以計(jì)算蛋白質(zhì)的含量：式可以計(jì)算蛋白質(zhì)的含量：蛋白質(zhì)含量（蛋白質(zhì)含量（mg/mlmg/ml）= = 蛋白氮（蛋白氮（mg/mlmg/ml）6.256.25 （或（或 = = 蛋白氮（蛋白氮（mg/mlmg/ml）16%16%）蛋白質(zhì)的形狀纖維狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì) 球狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì) 膜結(jié)合蛋白質(zhì)膜結(jié)合蛋白質(zhì)Collagen Myoglobin Bacteriorhodopsin蛋白質(zhì)的大小蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)Mr殘基數(shù)目殘基數(shù)目/鏈鏈 亞基組織方式亞基組織方式細(xì)胞色素細(xì)胞色素c（馬）（馬）125001041己糖激酶（酵母）己糖激酶（酵母）960002004胰島素胰

3、島素573321（A）30（B）血紅蛋白（人）血紅蛋白（人）64500141（）146（）22糜蛋白酶（牛胰）糜蛋白酶（牛胰）2260013（）132（）97（）蛋白質(zhì)的大小 蛋白質(zhì)的分子量很大，并且分布范圍也很大，蛋白質(zhì)的分子量很大，并且分布范圍也很大，一般在大約一般在大約6000110 6 道爾頓。蛋白質(zhì)的分子量道爾頓。蛋白質(zhì)的分子量主要由組成蛋白質(zhì)的氨基酸殘基的數(shù)目決定，對(duì)于主要由組成蛋白質(zhì)的氨基酸殘基的數(shù)目決定，對(duì)于綴合蛋白質(zhì)來說，有些配體也在蛋白質(zhì)的分子量中綴合蛋白質(zhì)來說，有些配體也在蛋白質(zhì)的分子量中占有很大的比重。蛋白質(zhì)的分子量范圍是人為規(guī)定占有很大的比重。蛋白質(zhì)的分子量范圍是人為

4、規(guī)定的，更小的氨基酸縮合物叫做肽。的，更小的氨基酸縮合物叫做肽。 蛋白質(zhì)氨基酸殘基數(shù)的估計(jì) 對(duì)于簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)，用對(duì)于簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)，用110除它的相對(duì)分子量除它的相對(duì)分子量即可約略估計(jì)出其氨基酸殘基數(shù)目。即可約略估計(jì)出其氨基酸殘基數(shù)目。 20種常見氨基酸的平均分子量為種常見氨基酸的平均分子量為138 組成蛋白質(zhì)的氨基酸的平均分子量為組成蛋白質(zhì)的氨基酸的平均分子量為128 每個(gè)氨基酸殘基的平均分子量為每個(gè)氨基酸殘基的平均分子量為110蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織層次一級(jí)結(jié)構(gòu)指的是多肽鏈的氨基酸序列一級(jí)結(jié)構(gòu)指的是多肽鏈的氨基酸序列二級(jí)結(jié)構(gòu)指的是多肽鏈借助于氫鍵排列成有規(guī)二級(jí)結(jié)構(gòu)指的是多肽鏈借助于氫鍵排列成有規(guī)律的、

5、局部的結(jié)構(gòu)律的、局部的結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助各種非共價(jià)鍵彎曲、三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助各種非共價(jià)鍵彎曲、折疊成具有特定走向的緊密球狀構(gòu)象折疊成具有特定走向的緊密球狀構(gòu)象四級(jí)結(jié)構(gòu)指的是寡聚蛋白質(zhì)亞基間的結(jié)合，亞四級(jí)結(jié)構(gòu)指的是寡聚蛋白質(zhì)亞基間的結(jié)合，亞基間不同的排列方式會(huì)形成不同的構(gòu)象?；g不同的排列方式會(huì)形成不同的構(gòu)象。Lys-Cys-Phe-Ala-Ile-Glu-Cys-Leu 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)SSN端C端蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)“Shorthand”-helix “Shorthand”-strand蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)Chymotrypsin space-filling model Chymotry

6、psin ribbon蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu) 在肽鏈內(nèi)或肽鏈間有時(shí)也有在肽鏈內(nèi)或肽鏈間有時(shí)也有 兩個(gè)半胱氨兩個(gè)半胱氨酸之間形成二硫鍵的連接。酸之間形成二硫鍵的連接。 蛋白質(zhì)功能的多樣性1 1催化；催化； 2 2調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)；3 3轉(zhuǎn)運(yùn)；轉(zhuǎn)運(yùn)； 4 4貯存；貯存；5 5運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)； 6 6結(jié)構(gòu)成分；結(jié)構(gòu)成分；7 7支架作用；支架作用； 8 8防御和進(jìn)攻；防御和進(jìn)攻；9 9異常功能。異常功能。二、肽肽的命名肽的命名 肽是兩個(gè)至數(shù)百個(gè)氨基酸之間由肽鍵連接而成的肽是兩個(gè)至數(shù)百個(gè)氨基酸之間由肽鍵連接而成的線狀線狀聚合物。根據(jù)形成肽的氨基酸數(shù)目，一般氨基酸聚合物。根據(jù)形成肽的氨基酸數(shù)目

7、，一般氨基酸數(shù)目在數(shù)目在12個(gè)以內(nèi)時(shí)，稱為二肽、三肽、四肽等；個(gè)以內(nèi)時(shí)，稱為二肽、三肽、四肽等；13個(gè)個(gè)至至20個(gè)時(shí)稱為寡肽（個(gè)時(shí)稱為寡肽（oligopeptide）；）；20個(gè)以上稱為多個(gè)以上稱為多肽（肽（polypeptide）。當(dāng)分子量大到一定程度時(shí)，就稱）。當(dāng)分子量大到一定程度時(shí)，就稱為蛋白質(zhì)。寡肽和多肽的區(qū)分完全是人為規(guī)定的，其為蛋白質(zhì)。寡肽和多肽的區(qū)分完全是人為規(guī)定的，其間的界限并不嚴(yán)格。間的界限并不嚴(yán)格。 肽鏈中的氨基酸因肽鏈中的氨基酸因缺少了一分子水，叫做氨基酸缺少了一分子水，叫做氨基酸殘基。殘基。 肽的兩端 一條肽鏈?zhǔn)怯蟹较蛐缘?，肽鏈的一端具一條肽鏈?zhǔn)怯蟹较蛐缘?，肽鏈的一端?/p>

8、有游離的有游離的氨基，稱其為氨基，稱其為N端；另一端具有端；另一端具有游離的游離的羧基，稱其為羧基，稱其為C端。有少數(shù)小分子端。有少數(shù)小分子量的肽，其首尾也縮合成肽鍵，成為環(huán)肽。量的肽，其首尾也縮合成肽鍵，成為環(huán)肽。 肽的命名 對(duì)于小分子量的肽的命名，是從其對(duì)于小分子量的肽的命名，是從其N端開始，端開始，稱為某氨酰某氨酰某氨酰稱為某氨酰某氨酰某氨酰某氨基酸，下例寫成某氨基酸，下例寫成Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu，左邊是，左邊是N端，右邊是端，右邊是C端。端。 肽的命名 對(duì)于生物體內(nèi)的具有特定結(jié)構(gòu)和功能對(duì)于生物體內(nèi)的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的小分子量肽，還有特別名稱，如腦啡肽、的小分子量肽，

9、還有特別名稱，如腦啡肽、內(nèi)啡肽、催產(chǎn)素、加壓素等。內(nèi)啡肽、催產(chǎn)素、加壓素等。 肽基的C、O和N原子間的共振相互作用肽鍵共振的結(jié)果 限制肽鍵的自由旋轉(zhuǎn)，給肽主鏈的每一個(gè)氨限制肽鍵的自由旋轉(zhuǎn)，給肽主鏈的每一個(gè)氨基酸殘基只保留兩個(gè)自由度。基酸殘基只保留兩個(gè)自由度。 組成肽基的組成肽基的4個(gè)原子和個(gè)原子和2個(gè)相鄰的個(gè)相鄰的C原子傾原子傾向于共平面，形成所向于共平面，形成所謂的多肽主鏈的酰胺謂的多肽主鏈的酰胺平面（平面（amide plane）或稱肽平面（或稱肽平面（peptide plane）。）。肽平面肽平面肽鍵共振的結(jié)果 CN 鍵的長(zhǎng)度為鍵的長(zhǎng)度為0.133nm，比正常的，比正常的 CN 單鍵（單

10、鍵（0.145nm）短，但比典型的）短，但比典型的 C= =N 鍵鍵（0.125nm）長(zhǎng)。估計(jì)肽基中的）長(zhǎng)。估計(jì)肽基中的 CN 鍵具有鍵具有約約40%的雙鍵性質(zhì)，而的雙鍵性質(zhì)，而 C= =O 鍵具有鍵具有40%的單鍵的單鍵性質(zhì)，在室溫下足以防止性質(zhì)，在室溫下足以防止 CN 鍵旋轉(zhuǎn)。鍵旋轉(zhuǎn)。 雜化的中間態(tài)酰胺帶有雜化的中間態(tài)酰胺帶有0.28個(gè)凈正電荷，羰個(gè)凈正電荷，羰基帶有基帶有0.28個(gè)凈負(fù)電荷，肽鍵具有永久偶極。個(gè)凈負(fù)電荷，肽鍵具有永久偶極。 肽基的順、反構(gòu)型 肽平面內(nèi)，兩個(gè)肽平面內(nèi)，兩個(gè)C可以處于順式或反式構(gòu)型?？梢蕴幱陧樖交蚍词綐?gòu)型。因?yàn)轫樖綐?gòu)型兩個(gè)因?yàn)轫樖綐?gòu)型兩個(gè)R基有空間位阻，所以反

11、式構(gòu)型基有空間位阻，所以反式構(gòu)型比順式構(gòu)型穩(wěn)定，因此肽鏈中肽鍵幾乎都是反式構(gòu)比順式構(gòu)型穩(wěn)定，因此肽鏈中肽鍵幾乎都是反式構(gòu)型。型。脯氨酸的亞氨基形成的肽鍵 Of the peptide bonds between amino acid residues other than Pro, over 99.95% are in the trans configuration. For peptide bonds involving the imino nitrogen of proline, however, about 6% are in the cis configuration; many of

12、 these occur at turns.trans cis肽的物理化學(xué)性質(zhì)由于由于短肽晶體的熔點(diǎn)都很高，說明短肽的晶體短肽晶體的熔點(diǎn)都很高，說明短肽的晶體是離子晶格，在水溶液中以偶極離子存在。是離子晶格，在水溶液中以偶極離子存在。在在pH014范圍內(nèi)，肽鍵中的酰胺氫不解離，范圍內(nèi)，肽鍵中的酰胺氫不解離，所以肽的酸堿性主要決定于肽鏈末端的所以肽的酸堿性主要決定于肽鏈末端的羧基、羧基、氨基以及氨基以及R基團(tuán)上的可解離基團(tuán)?；鶊F(tuán)上的可解離基團(tuán)。因?yàn)殡逆溎┒说囊驗(yàn)殡逆溎┒说聂然汪然桶被嗑嗪苓h(yuǎn)，氨基相距很遠(yuǎn)，它們之間的靜電引力較弱，所以它們的酸堿性比它們之間的靜電引力較弱，所以它們的酸堿性比氨

13、基酸的氨基酸的羧基和羧基和氨基弱。氨基弱。R基上可解離基基上可解離基團(tuán)的解離常數(shù)也有所變化。團(tuán)的解離常數(shù)也有所變化。在某一在某一pH下，肽中各可解離基團(tuán)解離得到的凈下，肽中各可解離基團(tuán)解離得到的凈電荷為電荷為0，這個(gè)，這個(gè)pH就是該肽的等電點(diǎn)。就是該肽的等電點(diǎn)。肽的物理化學(xué)性質(zhì)肽的化學(xué)反應(yīng)和氨基酸的一致。肽的化學(xué)反應(yīng)和氨基酸的一致。N端的氨基酸端的氨基酸殘基也可以與茚三酮反應(yīng)，這一反應(yīng)可用于肽的殘基也可以與茚三酮反應(yīng)，這一反應(yīng)可用于肽的定性和定量測(cè)定。定性和定量測(cè)定。雙縮脲反應(yīng)是肽和蛋白質(zhì)特有的，氨基酸沒有雙縮脲反應(yīng)是肽和蛋白質(zhì)特有的，氨基酸沒有此反應(yīng)。一般含有兩個(gè)或兩個(gè)以上肽鍵的化合物此反應(yīng)

14、。一般含有兩個(gè)或兩個(gè)以上肽鍵的化合物與與CuSO4堿性溶液都能發(fā)生雙縮脲反應(yīng)，生成紫堿性溶液都能發(fā)生雙縮脲反應(yīng)，生成紫紅色或藍(lán)紫色的絡(luò)合物，利用這個(gè)反應(yīng)可以用分紅色或藍(lán)紫色的絡(luò)合物，利用這個(gè)反應(yīng)可以用分光光度法（光光度法（540nm）測(cè)定蛋白質(zhì)的含量。）測(cè)定蛋白質(zhì)的含量。 雙縮脲反應(yīng)形成的絡(luò)合物雙縮脲與肽的結(jié)構(gòu)比較雙縮脲雙縮脲三肽三肽四、蛋白質(zhì)的氨基酸序列與生物功能 有些來源于不同生物的蛋白質(zhì)的氨基酸序列具有有些來源于不同生物的蛋白質(zhì)的氨基酸序列具有明顯的相似性，這種序列上的相似性叫做同源性。同明顯的相似性，這種序列上的相似性叫做同源性。同源蛋白質(zhì)中有許多氨基酸殘基是相同的，稱為不變殘?jiān)吹鞍踪|(zhì)

15、中有許多氨基酸殘基是相同的，稱為不變殘基，或保守性殘基，而在不同物種的同源蛋白質(zhì)中不基，或保守性殘基，而在不同物種的同源蛋白質(zhì)中不同的氨基酸殘基稱為可變殘基。同的氨基酸殘基稱為可變殘基。親緣關(guān)系越近的同源親緣關(guān)系越近的同源蛋白質(zhì)的同源性越強(qiáng)。蛋白質(zhì)的同源性越強(qiáng)。 同源蛋白質(zhì)往往在不同生物體中行使相同或相似同源蛋白質(zhì)往往在不同生物體中行使相同或相似的功能，例如各種脊椎動(dòng)物體內(nèi)的血紅蛋白就屬于同的功能，例如各種脊椎動(dòng)物體內(nèi)的血紅蛋白就屬于同源蛋白質(zhì)。源蛋白質(zhì)。細(xì)胞色素C 細(xì)胞色素細(xì)胞色素C是一種含血紅素的蛋白質(zhì)，在線是一種含血紅素的蛋白質(zhì)，在線粒體中起電子傳遞的作用。大多數(shù)細(xì)胞色素粒體中起電子傳遞

16、的作用。大多數(shù)細(xì)胞色素 C 含含一百零幾個(gè)氨基酸殘基，一百零幾個(gè)氨基酸殘基，40多多個(gè)物種的細(xì)胞色素個(gè)物種的細(xì)胞色素C氨基酸序氨基酸序列分析表明，有列分析表明，有28個(gè)殘基是不個(gè)殘基是不變的，所有細(xì)胞色素變的，所有細(xì)胞色素C在第在第17位上都是一個(gè)位上都是一個(gè)Cys殘基，這個(gè)殘基，這個(gè)殘基是血紅素結(jié)合的部位。殘基是血紅素結(jié)合的部位。細(xì)胞色素C的不變殘基此此區(qū)區(qū)域域可可能能是是與與酶酶結(jié)結(jié)合合的的區(qū)區(qū)域域不同物種細(xì)胞色素C的差異殘基數(shù)黑猩猩黑猩猩綿羊綿羊響尾蛇響尾蛇鯉魚鯉魚蝸牛蝸牛天蛾天蛾酵母酵母花椰菜花椰菜歐防風(fēng)歐防風(fēng)人人01014182931444443黑猩猩黑猩猩1014182931444

17、443綿羊綿羊20112427444646響尾蛇響尾蛇262833474543鯉魚鯉魚2626444746蝸牛蝸牛28485150天蛾天蛾444441酵母酵母4747花椰菜花椰菜13根據(jù)細(xì)胞色素C建立的系統(tǒng)樹哺乳類哺乳類鳥和爬蟲類鳥和爬蟲類硬骨魚類硬骨魚類軟骨魚類軟骨魚類真菌真菌昆蟲昆蟲兩棲類兩棲類植物植物氧合血紅素蛋白質(zhì) 肌肉中的氧合血紅素蛋白質(zhì)肌肉中的氧合血紅素蛋白質(zhì)肌紅蛋白肌紅蛋白（Myoglobin）由一條肽鏈組成，含）由一條肽鏈組成，含153個(gè)氨基酸殘個(gè)氨基酸殘基，紅細(xì)胞中的血紅蛋白（基，紅細(xì)胞中的血紅蛋白（Hemoglobin）是一個(gè)由）是一個(gè)由兩條兩條鏈（每條鏈鏈（每條鏈141個(gè)

18、氨基酸殘基）和兩條個(gè)氨基酸殘基）和兩條鏈鏈（每條鏈（每條鏈146個(gè)氨基酸殘基）組成的四聚體蛋白。肌個(gè)氨基酸殘基）組成的四聚體蛋白。肌紅 蛋 白 、 血 紅 蛋 白 的紅 蛋 白 、 血 紅 蛋 白 的 鏈 和鏈 和 鏈 都 是 珠 蛋 白鏈 都 是 珠 蛋 白（globin），它們有很高的序列同源性，通過血紅素），它們有很高的序列同源性，通過血紅素結(jié)合氧的能力都被這結(jié)合氧的能力都被這3種多肽鏈保留下來了。種多肽鏈保留下來了。 氧合血紅素蛋白的進(jìn)化樹絲氨酸蛋白酶類 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶、凝血酶以及纖溶酶都是絲氨酸蛋白酶，它們有凝血酶以及纖溶酶都是

19、絲氨酸蛋白酶，它們有足夠的序列同源性，在它們的活性中心都有絲足夠的序列同源性，在它們的活性中心都有絲氨酸，說明它們可能是由祖先絲氨酸蛋白酶進(jìn)氨酸，說明它們可能是由祖先絲氨酸蛋白酶進(jìn)化而來。化而來。 生物活性和來源差異很大的蛋白質(zhì) 卵清中的溶卵清中的溶菌酶（含菌酶（含129個(gè)殘基，水解細(xì)菌個(gè)殘基，水解細(xì)菌細(xì)胞壁的多糖成分）和人乳汁中的細(xì)胞壁的多糖成分）和人乳汁中的-乳清蛋白乳清蛋白（含（含123個(gè)殘基，調(diào)節(jié)乳糖合成）功能和來源都個(gè)殘基，調(diào)節(jié)乳糖合成）功能和來源都很不相同，但它們有很不相同，但它們有48個(gè)殘基是相同的，三級(jí)結(jié)個(gè)殘基是相同的，三級(jí)結(jié)構(gòu)也很相似，說明它們具有共同的構(gòu)也很相似，說明它們具有共同的蛋白質(zhì)祖先。蛋白質(zhì)祖先。 五、肽和蛋白質(zhì)的人工合成肽的人工合成肽的人工合成 最廣泛應(yīng)用的氨基保護(hù)基是芐氧甲?；?，它最廣泛應(yīng)用的氨基保護(hù)基是芐氧甲?；梢杂么呋託浠蛴媒饘兮c在液氨中處理去除。可以用催化加氫或用金屬鈉在液氨中處理去除。其它可以用作氨基保護(hù)基的還有三苯甲基、叔丁其它可以用作氨基保護(hù)基的還有三苯甲基、叔丁氧甲?；?、對(duì)甲苯磺酰基等，這些基團(tuán)可以用氧甲酰基、對(duì)甲苯磺?；龋@些基團(tuán)可以用HBr/CH3COOH在室溫下除去。在室溫下除去。（氨基的保護(hù)）肽的人