生物化學(xué)之蛋白質(zhì)化學(xué)

1、第二章 蛋白質(zhì)化學(xué)Protein Chemistry 第一節(jié) 蛋白質(zhì)概述 一、蛋白質(zhì)的概念蛋白質(zhì)是一切生物體中普遍存在的四類(lèi)生物大分子之一，是生物功能的主要載體。生物遺傳形狀（存在于信息大分子DNA中）是通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)表現(xiàn)的。蛋白質(zhì)是由天然氨基酸(amino acid)通過(guò)肽鍵(peptide bond)連接而成的生物大分子，分子量一般在一萬(wàn)到一百萬(wàn)，甚至高達(dá)數(shù)百萬(wàn)。 蛋白質(zhì)種類(lèi)繁多、各具一定的相對(duì)分子量、復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和特定的生物功能。成千上萬(wàn)種蛋白質(zhì)，在結(jié)構(gòu)和功能上的驚人的多樣性歸根結(jié)底是由20種常見(jiàn)氨基酸的內(nèi)在性質(zhì)造成的。這些性質(zhì)包括：聚合能力；特有的酸堿性質(zhì)；側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)功能的多樣

2、性；手性。本節(jié)主要講述這些性質(zhì)，它們是討論蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)、功能以及許多其他有關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)。二、蛋白質(zhì)的化學(xué)組成1、元素組成C、H、O、N、P、S蛋白質(zhì)元素組成的一個(gè)特征是無(wú)論樣品來(lái)源如何，其含N量一般均在15-17%，平均16%，即1克的N相當(dāng)于6.25克的蛋白質(zhì)。粗蛋白% = N% ´ 6.25這是凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量的基本原理。這里要注意兩點(diǎn)：（1）所測(cè)蛋白為粗蛋白（2）對(duì)于某些蛋白質(zhì)已知含氮量則不用6.25。如小麥為5.83,大豆為5.71等。 2、蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)=多肽鏈 +非蛋白質(zhì)物質(zhì)(輔基) polypeptide nonprotein （cofactor）

3、蛋白質(zhì)在酸、堿、酶的作用下由大分子逐漸水解為分子量較小的胨、肽，最終水解成氨基酸。可見(jiàn)氨基酸是一切蛋白質(zhì)分子組成的基本單位。有些結(jié)合蛋白質(zhì)含有其它一些小分子物質(zhì)。三、蛋白質(zhì)的分類(lèi)（至少四類(lèi)）(1)根據(jù)蛋白質(zhì)的分子形狀分類(lèi)球狀蛋白質(zhì)（Globular protein）：易溶解、能成結(jié)晶。 纖維狀蛋白質(zhì)（ Fibrous protein- ）：分子形狀不對(duì)稱(chēng)，類(lèi)似棒狀或纖維狀。難溶，結(jié)構(gòu)物質(zhì)。(2)根據(jù)蛋白質(zhì)的化學(xué)組成分類(lèi)簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)（Simple protein） -只含有氨基酸。如溶菌酶復(fù)合蛋白質(zhì)（Conjugated protein ）-由簡(jiǎn)單的蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)物質(zhì)結(jié)合而成。如血紅蛋白(血紅素

4、)復(fù)合蛋白質(zhì)又可分為色蛋白（血紅蛋白）、糖蛋白、磷蛋白（AA-OH結(jié)合，卵黃蛋白）、核蛋白（核糖體-RNA）、脂蛋白（血漿脂蛋白） (3)根據(jù)蛋白質(zhì)的溶解度分類(lèi)清蛋白Albumin 溶于水（血清白蛋白）。球蛋白Globulin 微溶于水，而溶于稀鹽溶液（大豆球蛋白）。谷蛋白Glutelin 不溶于水、醇及鹽溶液，而溶于稀酸或堿（米蛋白）。 醇溶蛋白Gliadin 不溶于水，但溶于70-80%的乙醇（玉米醇溶蛋白）。精蛋白Protamine 溶于水及酸性溶液，呈堿性。組蛋白Histone 溶于水及稀酸性溶液，含較多的精氨酸和賴(lài)氨酸。 硬蛋白Scleroprotein 不溶于水、鹽、稀堿、稀酸溶液

5、。(4)根據(jù)蛋白質(zhì)的功能分類(lèi)活性蛋白質(zhì)（Active protein） 如酶(Enzyme ）and 、激素（Hormone）、抗體（antibody)等。非活性蛋白質(zhì)（Passive protein） 是一類(lèi)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，多起保護(hù)和支撐作用。如膠原蛋白和角蛋白(Collagen and keratin) 。 四、蛋白質(zhì)的分布和生物學(xué)意義形態(tài)學(xué)功能（Morphological function）毛發(fā)、皮膚-角蛋白，骨骼、牙齒-鈣+膠原蛋白 生理學(xué)功能（Physiology function）：催化、調(diào)節(jié)、運(yùn)輸、生物膜等營(yíng)養(yǎng)學(xué)功能（Nutritional function）：外源蛋白的營(yíng)養(yǎng)功能第二

6、節(jié) 蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)-氨基酸一、蛋白質(zhì)的水解蛋白質(zhì)可以被酸、堿和蛋白酶水解，在水解過(guò)程中逐漸降解成分子量越來(lái)越小的肽段，直到最后成為氨基酸的混合物。蛋白質(zhì)多肽 寡肽二肽氨基酸 根據(jù)蛋白質(zhì)的水解程度可分為完全水解、部分水解三種蛋白質(zhì)水解方法的優(yōu)缺點(diǎn)1、酸水解6mol/L鹽酸或 4mol/L硫酸水解，20小時(shí)左右，完全水解。優(yōu)點(diǎn)不引起消旋作用，得到的是L-氨基酸。 缺點(diǎn)色氨酸完全被沸酸破壞，羥基氨基酸和酰胺被部分水解。2、堿水解5mol/LNaOH共煮10-20小時(shí)，即可完全水解。在水解過(guò)程中，多數(shù)氨基酸有不同程度的破壞，產(chǎn)生消旋作用。特別是引起精氨酸脫氨。3、酶水解不產(chǎn)生消旋作用，也不破壞氨基酸

7、。但一種酶往往水解不徹底南需要幾種酶的協(xié)同作用才能使蛋白質(zhì)完全水解，并且酶水解所需時(shí)間較長(zhǎng)。常用的蛋白酶有動(dòng)物蛋白酶、植物蛋白酶、微生物蛋白酶二、氨基酸（Amino acid）的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)1、氨基酸的結(jié)構(gòu)通式（1）都是-AA，有酸性的-COOH基和堿性的NH2，為兩性電解質(zhì)。（2）如果RH，-C為不對(duì)稱(chēng)C原子，因而是光學(xué)活性物質(zhì)。第一特點(diǎn)使不同氨基酸具有某些共同的化學(xué)性質(zhì)；第二特點(diǎn)使各種氨基酸具有某些共同的物理性質(zhì)。 除Gly無(wú)不對(duì)稱(chēng)C原子因而無(wú)D-及L-型之分外，一切-氨基酸的-C原子都為不對(duì)稱(chēng)C原子，都具有光學(xué)活性，能使偏振光平面向左或向右旋轉(zhuǎn)，向右旋轉(zhuǎn)的叫右旋體，以（+）表示，向左旋轉(zhuǎn)的

8、叫左旋體，以（-）表示。氨基酸的D-及L-型（即氨基酸的光學(xué)異構(gòu)體的表示方法及命名）是以甘油醛或乳酸為原始參考標(biāo)準(zhǔn)的。由于在天然蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的氨基酸都屬L型，因此L型氨基酸稱(chēng)為天然氨基酸。（目前還不能肯定高等動(dòng)植物是否含有D-型氨基酸，但在細(xì)菌中也有發(fā)現(xiàn)，且是與氨基糖結(jié)合，其生物學(xué)功能尚難確定） 命名：氨基酸的化學(xué)名稱(chēng)根據(jù)有機(jī)化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)命名法命名，如： ，-二氨基己酸（賴(lài)氨酸）通常多用俗名，即根據(jù)天然氨基酸的來(lái)源和性質(zhì)命名。如-氨基乙酸由于具有甜味而稱(chēng)甘氨酸等。2、常見(jiàn)氨基酸的分類(lèi)及結(jié)構(gòu) 氨基酸通常根據(jù)R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，有三種主要分類(lèi)方法(1)、根據(jù)R基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)分為：脂肪族氨基酸、芳香族氨

9、基酸、雜環(huán)族氨基酸 (2)、根據(jù)R基團(tuán)的酸堿性分為：酸性氨基酸、堿性氨基酸、中性氨基酸 (3)、根據(jù)R基團(tuán)的電性質(zhì)分為R基團(tuán)帶電荷AA（酸、堿）、R基團(tuán)不帶電荷極性氨基酸（羥基、酰胺、巰基）、非極性氨基酸（烴鏈、芳香環(huán)、硫甲基）3、蛋白質(zhì)分子中的非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸稀有氨基酸非蛋白氨基酸自然界中還有150多種不參與構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸。另外還有從營(yíng)養(yǎng)學(xué)角度分的根據(jù)氨基酸對(duì)人體生理的重要性和體內(nèi)能否合成，將氨基酸分為必需氨基酸和非必需氨基酸兩大類(lèi)。必需氨基酸（essential amino acids） ：對(duì)成人有八種必需氨基酸：蘇氨酸，纈氨酸，亮氨酸，異亮氨酸，賴(lài)氨酸，色氨酸，苯丙氨酸和蛋氨酸。而精氨酸

10、，組氨酸是幼兒所必需的，故稱(chēng)為半必需氨基酸。三、氨基酸的理化性質(zhì)（一）物理性質(zhì)1.晶形和熔點(diǎn)：-氨基酸均為無(wú)色晶體，不同氨基酸晶形不同，氨基酸熔點(diǎn)較高2.全部能溶酸堿性溶液中，少數(shù)能溶于有機(jī)溶劑，溶水能力與基團(tuán)的極性有關(guān)（二）氨基酸的旋光性（ rotation）從-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式可以看出，除R基為氫原子外，即除甘氨酸外，均含有不對(duì)稱(chēng)碳原子，其上四個(gè)取代基在空間的排列可以有兩種不同的方式，即L型和D型，它們彼此是一種不能疊合的物體與鏡象關(guān)系或左右手關(guān)系，分子的這兩種形式稱(chēng)為光學(xué)異構(gòu)體（optical isomers）、對(duì)映體(enantiomers)或立體異構(gòu)體（stereoisomers）。

11、一個(gè)旋光化合物的旋光性可以用旋光率 Dt（或稱(chēng)比旋光度）來(lái)表示，它是-氨某酸的物理常數(shù)之一，是鑒別各種氨基酸的一種根據(jù)。 DtDt×100/(L×C) Dt為旋光率L為旋光管的長(zhǎng)度，單位為分米；C為溶液濃度，即100ml溶液中所含溶質(zhì)的克數(shù)Dt是在鈉燈（D線(xiàn)，589.6或589.0nm）為光源，溫度為t，管長(zhǎng)為L(zhǎng)，濃度為C時(shí)所測(cè)得的旋光度。注意旋光率（比旋光度）不等于旋光度。 如何用它鑒別和測(cè)定AA含量？氨基酸的旋光符號(hào)和大小取決于它的R基性質(zhì)，并且與測(cè)定的溶液pH有關(guān)。 當(dāng)溶劑、溫度、一定， Dt值是定值。pH對(duì)L-亮氨酸（）和L-組氨酸（II）的25D值的影響通過(guò)影響基

12、團(tuán)的解離而影響旋光度（三）吸光性所有的氨基酸在可見(jiàn)光范圍內(nèi)均無(wú)吸收，只有下列氨基酸在近紫外有吸收。Tyr : lmax=275nmTrp : lmax=280nmPhe : lmax=259nm2、氨基酸的兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸晶體具有很高的熔點(diǎn)，一般在200以上。例如甘氨酸在233熔解并分解，酪氨酸的熔點(diǎn)更高（340），但是普通的有機(jī)化合物如二苯胺熔點(diǎn)為53。此外，還發(fā)現(xiàn)氨基酸能使水的介電常數(shù)增高，而一般的有機(jī)化合物如乙醇、丙酮等卻使水的介電常數(shù)降低。推測(cè)：氨基酸在晶體或水中主要是以兼性離子(zwittterion)亦稱(chēng)偶極離子(dipolarion)的形式存在，不帶電荷的中性分子為數(shù)極少。

13、氨基酸的滴定曲線(xiàn)(1)反映在不同的pH條件下，AA的帶電狀態(tài)、兩性解離及等電點(diǎn)。(2) 計(jì)算出氨基和羧基的解離常數(shù) pH=pK + lg質(zhì)子受體/質(zhì)子供體氨基酸的等電點(diǎn)Isoelectric point of Amino Acids 氨基酸（AA）溶液在某一pH時(shí)，AA的氨基和羧基的解離度完全相同，此時(shí)，AA分子所帶的正、負(fù)電荷相等，即AA分子的凈電荷為零，它在電場(chǎng)中既不向陽(yáng)極移動(dòng)，也不向陰極移動(dòng)，此時(shí)，AA溶液所處的pH就稱(chēng)為該AA的等電點(diǎn)(Isoelectric point，用pI表示)。 AA在溶液中的帶電狀態(tài)與溶液pH的關(guān)系當(dāng)pH=pI時(shí)，凈電荷為0；當(dāng)pH<pI時(shí)，AA帶正電；

14、當(dāng)pH>pI時(shí)，AA帶負(fù)電。當(dāng)溶液pH偏離pI越遠(yuǎn)，AA所帶的凈電荷數(shù)目越多。等電點(diǎn)的計(jì)算：取決于氨基酸的解離常數(shù)對(duì)于一氨基一羧基的AA: pI=(pK1 + pK2)/2對(duì)于一氨基二羧基的AA: pI=(pK1 + pKR)/2 對(duì)于二氨基一羧基的AA: pI=( pKR+ pK2)/23、氨基酸的重要化學(xué)反應(yīng)（1）氨基的反應(yīng)A、與亞硝酸的反應(yīng)注：1、此反應(yīng)氮來(lái)自AA和亞硝酸，各占50%， 反應(yīng)是定量的。 2、-氨基的反應(yīng)比其它氨基要快得多（3-4分，可控制時(shí)間來(lái)控制其它氨基的干擾），且亞氨基及雜環(huán)中的結(jié)合氮（如Arg，His，Try）無(wú)此反應(yīng)。3、可用于氨基酸定量及蛋白質(zhì)水解程度的測(cè)

15、定。、Pro是一個(gè)亞氨基酸，沒(méi)有此反應(yīng)B、與甲醛反應(yīng)（甲醛滴定法） AA是一個(gè)兩性電解質(zhì)，但不能用酸、堿直接來(lái)滴定，因?yàn)榈犬?dāng)點(diǎn)的pH或過(guò)高（1213）或過(guò)低（12）沒(méi)有適當(dāng)?shù)闹甘緞┛梢员贿x用。甲醛與NH2結(jié)合后降低了氨基的堿性，是滴定終點(diǎn)移到了9附近。注意：1、甲醛的加入使氨基的酸性大大增強(qiáng)，氨基的PKa下降到6.5（原為9.7）溶液的PH降到6.7，此時(shí)可用酚酞作指示劑，以NaOH進(jìn)行滴定，每釋放一個(gè)氫相當(dāng)于一個(gè)氨基酸。2、此反應(yīng)可用來(lái)測(cè)定蛋白質(zhì)的水解程度C、與?；噭┓磻?yīng)：該反應(yīng)在多肽、蛋白質(zhì)的人工合成中被用作氨基的保護(hù)試劑如：與丹磺酰氯、芐氧（苯甲氧）甲酰氯反應(yīng)D、烴基化反應(yīng)：該反應(yīng)用于

16、鑒定多肽和蛋白質(zhì)的氨基末端。如：2，4二硝基氟苯（DNFB）. -羧基的反應(yīng)HOOC-CH2-CH2-CHCOOHHOOC-CH2-CH2-CH2+CO2 脫羧 NH2 NH2 成鹽.氨基和羧基共同參與的反應(yīng)A、成肽反應(yīng)B、與茚三酮的反應(yīng) 注意：與Pro反應(yīng)產(chǎn)物是黃色4、氨基酸的分離制備和分析鑒定 目前分離分析常用方法層析法層析技術(shù)三個(gè)條件：.水不溶性惰性支持物（載體）.流動(dòng)相（溶劑系統(tǒng)）.固定相（附著在支持物上的水、離子、活性基團(tuán)）根據(jù)作用原理不同，具體技術(shù)有：吸附層析離子交換層析 分配層析（紙層析）分子過(guò)濾層析等 一、肽的概念1、結(jié)構(gòu)：肽是氨基酸鏈氨基酸通過(guò)肽鍵連接形成的鏈狀化合物稱(chēng)為肽(

17、peptide） 肽是氨基酸的線(xiàn)性聚合物，因此常稱(chēng)為肽鏈(peptide chain）。2、肽與氨基酸的區(qū)別相同點(diǎn)：均含有-COOH，-NH2；不同點(diǎn)：（1）肽中-COOH，-NH2的距離比氨基酸大，可離子化程度較低。一般肽鏈越大，可離子化程度越低。（2）肽中N端的-NH2的PK比游離氨基酸小，而C端的-COOH的PK比游離氨基酸大，R基的PK在兩者之間。二、生物活性肽生物體內(nèi)一些具有特殊功能的肽，稱(chēng)為生物活性肽（天然肽）一般多為寡肽和分子較小的多肽生物活性肽一般與機(jī)體的免疫防御、代謝調(diào)節(jié)等功能有關(guān)。如：谷胱甘肽（GSH）、神經(jīng)肽、抗菌肽1、谷胱甘肽-參與氧化還原反應(yīng) 谷胱甘肽（GSH）是活細(xì)

18、胞的重要組成成分，活性的SH極易被氧化（變成GSSG），在生物氧化，-SH保護(hù)，酶活性和氨基酸運(yùn)輸中具有重要作用。2、其它肽 第三節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)（共價(jià)結(jié)構(gòu)）- 一級(jí)結(jié)構(gòu)根據(jù)國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)1969年的規(guī)定，一級(jí)結(jié)構(gòu)專(zhuān)指氨基酸序列，而蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)則包括肽鏈數(shù)目、端基組成、氨基酸序列和二硫鍵的位置，又稱(chēng)共價(jià)結(jié)構(gòu)。氨基酸如何連接成肽鏈及氨基酸在肽鏈中的連接次序。肽鍵是主要連接鍵（-CO-NH-），多肽鏈（多個(gè)氨基酸以肽鍵結(jié)合形成的鏈）是一級(jí)結(jié)構(gòu)的主體。1.一 級(jí) 結(jié) 構(gòu)（ 線(xiàn) 性 結(jié) 構(gòu)） 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) (primary structure

19、)指它的氨基酸序列 。 二 硫 鍵：價(jià) 鍵 牢 固， 穩(wěn) 定 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu)SH+SHSS巰基二硫鍵維持蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力是： 肽鍵、二硫鍵。 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定氨基酸序列分析氨基酸序列分析的一般步驟(1)測(cè)定蛋白質(zhì)分子中多肽鏈的數(shù)目；(2)拆分蛋白質(zhì)分子的多肽鏈；(3)斷開(kāi)多肽鏈內(nèi)的二硫橋； (4)分析每一多肽鏈的氨基酸組成；(5)鑒定多肽鏈的N一末端和C一末端殘基；(6)裂解多肽鏈成較小的片段；(7)測(cè)定各肽段的氨基酸序列；(8)重建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)；(9)確定半胱氨酸殘基間形成的S-S交聯(lián)橋的位置 二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)1、構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型：是由于化合物中某一不對(duì)稱(chēng)碳原子四種不

20、同的取代基團(tuán)的空間排列所形成的一種光學(xué)活性立體結(jié)構(gòu)。構(gòu)型的轉(zhuǎn)變必須發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂構(gòu)象：是分子內(nèi)所有原子和原子團(tuán)的空間排布所形成的一種立體結(jié)構(gòu)。只要分子中發(fā)生CC鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)發(fā)生構(gòu)象的變化。影響蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力有哪些？?jī)?nèi)力（內(nèi)因）：蛋白質(zhì)分子內(nèi)各原子間作用力外力（外因）：與溶劑及其他溶質(zhì)作用力內(nèi)因?yàn)橹?，外因通過(guò)改變內(nèi)因起作用按不同種類(lèi)內(nèi)力以及產(chǎn)生的構(gòu)象變化把構(gòu)象劃分為二、三、四級(jí)層次。 3、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（Protein Secondary Structure） 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中多肽鏈本身（主鏈或骨架）的折疊方式，它借助于氫鍵排列成自己特有的-螺旋和-折疊等片段，它是一種

21、有規(guī)則的重復(fù)構(gòu)象象彈簧的螺圈延一維方向伸展。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)限于主鏈原子的空間排列。多肽鏈的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要有以下幾種方式(1) -螺旋結(jié)構(gòu)（ Helix ）(2) -折疊結(jié)構(gòu)（ pleated sheet ）(3) -轉(zhuǎn)角（ bend or turn ）(4) 無(wú)規(guī)卷曲(random coil) 由于蛋白質(zhì)主鏈的基本構(gòu)象都是以酰胺平面為基本結(jié)構(gòu)單位，有規(guī)則的盤(pán)曲而成，因此，在討論主鏈構(gòu)象之前先認(rèn)識(shí)酰胺平面。(1) 酰胺平面與二面角(、)酰胺平面（ amide plane ）或稱(chēng)肽平面 （ peptide plane）：每個(gè)肽單位的六個(gè)原子（CCONHC）都被酰胺鍵固定在同一個(gè)平面上，該平面稱(chēng)為酰

22、胺平面（或肽平面）。二面角(、)：繞CC鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱(chēng) 角；繞 NC鍵旋轉(zhuǎn)的角稱(chēng)角。 蛋白質(zhì)的 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 蛋白質(zhì)多肽鏈本身的盤(pán)繞與折疊方式。包括螺旋、折疊片、轉(zhuǎn)角、自由回轉(zhuǎn)四種方式。A. 螺旋（蛋白質(zhì)最常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)形式） 螺旋是肽鏈的盤(pán)繞形式有左右手之分-螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1) 主鏈繞中心軸按右手螺旋方向盤(pán)旋，每3.6 個(gè)氨基酸殘基前進(jìn)一圈，每圈前進(jìn)距離是0.54nm，每個(gè)氨基酸殘基占0.15nm。2) 每個(gè)氨基酸殘基的亞氨基與它前面第四個(gè)基酸殘基的羰基氧原子形成氫鍵，氫鍵與螺旋軸近似平行。3)側(cè)鏈R在螺旋的外側(cè)。 -螺旋的穩(wěn)定性是靠氫鍵來(lái)維持的。-螺旋有左手螺旋和右手螺旋兩種，但天然的蛋

23、白質(zhì)大多是右手螺旋。影響-螺旋形成和穩(wěn)定的因素：氨基酸的組成和排列順序（如肽中Pro無(wú)法形成氫鍵，不能-螺旋）；氨基酸所帶電荷性質(zhì)（如不帶電多聚丙氨酸在PH7水中能自發(fā)形成-螺旋，但多聚Lys在同樣條件下由于R基帶正電荷，相排斥，不能形成-螺旋）；R側(cè)鏈大?。ㄔ?C邊大R基由于空間位阻不能形成-螺旋）。B、-折疊結(jié)構(gòu)(-片層結(jié)構(gòu)) -折疊結(jié)構(gòu)是兩條或兩條以上充分伸展成鋸齒狀折疊構(gòu)象的多肽鏈，側(cè)向聚集，按肽鍵的長(zhǎng)軸方向平行并列，形成折扇狀的結(jié)構(gòu)。 -折疊構(gòu)象靠相鄰肽鏈主鏈亞氨基和羰基氧原子之間形成有規(guī)則的氫鍵來(lái)維系。C、-轉(zhuǎn)角又稱(chēng)U形回折、-轉(zhuǎn)彎或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子的主鏈在盤(pán)曲折疊運(yùn)行中，往往

24、發(fā)生180度的急轉(zhuǎn)彎，這種回折部位的構(gòu)象，即所謂的-轉(zhuǎn)角。-轉(zhuǎn)角是由4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基組成的，第一個(gè)氨基酸殘基的羰基氧原子與第四個(gè)氨基酸殘基的亞氨基連接來(lái)穩(wěn)定構(gòu)象。Gly 、Asp、Asn和Trp常常出現(xiàn)在-轉(zhuǎn)角中。作用力同樣是肽鍵衍生來(lái)的氫鍵但由于只有這一個(gè)氫鍵，只形成轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。 O （ 氫 鍵 ）H C（NHCHCO）2N D、無(wú)規(guī)卷曲它是多肽主鏈不規(guī)則、多向性地隨機(jī)盤(pán)曲所形成的構(gòu)象。球蛋白分子中常見(jiàn)的一種主鏈構(gòu)象。 以上是蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象，它們?cè)诓煌牡鞍踪|(zhì)分子中的分布差別很大。 (3) 蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu) (super-secondary structure)是指二級(jí)結(jié)構(gòu)的

25、基本結(jié)構(gòu)單位(-螺旋、-折疊等)相互聚集，形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)的聚集體。已知的超二級(jí)結(jié)構(gòu)有3種基本組合形式 -螺旋的聚集體() -螺旋與-折疊的聚集體() -折疊的聚集體(和)由二級(jí)結(jié)構(gòu)組成的三級(jí)結(jié)構(gòu)組件，主要存在于球狀蛋白質(zhì)。(4) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域在較大的球狀蛋白質(zhì)的分子中，多肽鏈往往形成幾個(gè)緊密的球狀構(gòu)象，彼此分開(kāi)，以松散的肽鏈相連，此球狀構(gòu)象就是結(jié)構(gòu)域(structural domain)。結(jié)構(gòu)域是指花式或二級(jí)結(jié)構(gòu)組合而成的局部折疊區(qū)域球狀蛋白質(zhì)的獨(dú)立折疊單位，通常也是蛋白質(zhì)的功能單位（功能域）小的單體蛋白質(zhì)只有一個(gè)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域三級(jí)結(jié)構(gòu)大的單體蛋白質(zhì)有多個(gè)結(jié)構(gòu)域、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)A、球狀

26、蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)球狀蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)不是活性分子的結(jié)構(gòu)形式，需要在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再盤(pán)曲折疊形成三級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子在一、二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助于各種非共價(jià)鍵在三維空間盤(pán)曲、折疊成具有特定走向的緊密、近似球狀的構(gòu)象。球狀構(gòu)象給出最低的表面積和體積比，因而使蛋白質(zhì)與環(huán)境的相互作用降到最小，最穩(wěn)定。 蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)包括全部主鏈、側(cè)鏈在內(nèi)的所有原子的空間排部，但不包括肽鏈間的相互關(guān)系球狀蛋白質(zhì)分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象特征(1)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象近似球形。(2)分子中的親水基團(tuán)大多相對(duì)集中在球形分子的表面，疏水基團(tuán)相對(duì)集中在分子內(nèi)部。(3)三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象的穩(wěn)定性主要靠疏水的相

27、互作用來(lái)維系。(4)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，蛋白質(zhì)分子的生物活性中心就形成了。在球形分子的表面往往有一個(gè)很深的裂隙，活性部位就在其中。三級(jí)結(jié)構(gòu)的典型例子是肌紅蛋白維系三級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用力有氫鍵，離子鍵，疏水鍵和范德華力，以疏水鍵起主要作用。B、纖維蛋白分子的三級(jí)結(jié)構(gòu) 在纖維蛋白分子中螺旋肽鏈一般為平行排列，例如角蛋白、絲心蛋白、膠原蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)都是如此。維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵：(1) 氫鍵(hydrogen bond)(2) 離子鍵(鹽鍵)(Electrostatic interactions)(3) 二硫鍵(disulfide bond) (4) 配位鍵(金屬鍵)(metal bond)(5)

28、疏水相互作用(hydrophobic interaction)(6) 范德華力(van der waals force)鍵能：肽鍵、二硫鍵離子鍵 氫鍵、疏水鍵 范德華力 離子鍵 、氫鍵、疏水鍵 、范德華力這四種鍵能遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵，稱(chēng)次級(jí)鍵 次級(jí)鍵微弱但卻是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)中主要的作用力,原因何在? 數(shù)量巨大5、球狀蛋白質(zhì)分子的四級(jí)結(jié)構(gòu) 有些球狀蛋白質(zhì)分子是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的、具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈單位締合而成的，這種蛋白質(zhì)通常稱(chēng)為寡聚蛋白或多體蛋白（multimeric protein）。寡聚蛋白分子中的每一個(gè)三級(jí)結(jié)構(gòu)單位稱(chēng)為一個(gè)亞基(或亞單位subunit、單體monomer)。所謂蛋白質(zhì)分

29、子的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指寡聚蛋白分子中亞基與亞基之間的立體排布及相互作用關(guān)系。亞基的數(shù)目和類(lèi)型也是四級(jí)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容。四級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠亞基之間的疏水相互作用來(lái)維系。三、多肽、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）多肽的結(jié)構(gòu)與功能生物體中存在多種活性肽，如：生長(zhǎng)激素、加壓素、催產(chǎn)素等。（二）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu) 1、核糖核酸酶的可逆變性2、蛋白質(zhì)前體的激活、分子病鐮刀狀貧血病血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細(xì)胞，患者因此缺氧窒息正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys -鐮刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys -谷A（極性）纈A（非極性）由于纈氨酸上的非極性基團(tuán)與

30、相鄰非極性基團(tuán)間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀，整個(gè)蛋白質(zhì)由球狀變?yōu)殓牭缎?，與氧結(jié)合功能喪失， 導(dǎo)致病人窒息甚至死亡。（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1、血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)與運(yùn)輸氧的功能調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)改變功能 變構(gòu)現(xiàn)象：外因通過(guò)改變蛋白質(zhì)構(gòu)象引起蛋白質(zhì)功能變化的現(xiàn)象。血紅蛋白 （四）同功能(同源）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的種屬差異與保守性同源蛋白質(zhì)的氨基酸序列具有明顯的相似性1、胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)的種屬差異與保守性比較各種哺乳類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等動(dòng)物的胰島素(insulin)一級(jí)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)組成胰島素分于的51個(gè)氨基酸殘基中，只有24個(gè)氨基酸殘基始終保持不變，為不同生物所共有。這些始終不變的氨基酸殘基，稱(chēng)為

31、守恒氨基酸殘基(守恒殘基)其他絕大多數(shù)守恒殘基是帶有疏水側(cè)鏈的氨基。X-光晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果證明這些非極性的氨基酸對(duì)維持胰島素分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)起著穩(wěn)定作用，因而推測(cè)不同動(dòng)物來(lái)源的胰島素，其空間結(jié)構(gòu)可能大致相同。一般認(rèn)為激素的活性中心以及維持活性中心構(gòu)象的氨基酸殘基不能變，否則激素將失去活性。2、細(xì)胞色素c的種屬差異與保守性細(xì)胞色素c廣泛存在于一切需氧生物細(xì)胞的線(xiàn)粒體之中，是一種包含一個(gè)血紅素的單鏈蛋白質(zhì)。它在呼吸鏈中起著傳遞電子的作用。脊椎動(dòng)物的細(xì)胞色素c的多肽鏈一般是由104個(gè)氨基酸殘基所組成的。對(duì)50多種不同生物來(lái)源的細(xì)胞色素c的一級(jí)結(jié)構(gòu)作了比較研究，發(fā)現(xiàn)35個(gè)氨基酸在各種生物中是保守的其中都

32、含有Cys 14、Cysl7、His 18，Met 80、Tyr 48和Trp59。血紅素是細(xì)胞色素c呈現(xiàn)電子傳遞功能的活性中心。根據(jù)各種研究得知，這幾個(gè)保守殘基是保證細(xì)胞色素c發(fā)揮電子傳遞功能的關(guān)鍵部位。同功能蛋白質(zhì)在種屬之間的氨基酸差異大小，通常與這些種屬在進(jìn)化位置的差距大體上相平行。比較50多種生物的細(xì)胞色素c一級(jí)結(jié)構(gòu)的種間差異，發(fā)現(xiàn)：凡與人類(lèi)親緣關(guān)系越遠(yuǎn)的生物其氨基酸順序與人的差異越大，這些種屬差異可以為生物進(jìn)化提供重要的依據(jù)。這說(shuō)明生物進(jìn)化過(guò)程中所發(fā)生的種屬差異，不僅表現(xiàn)在生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)上，同時(shí)也反映在蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)上這也揭示了某些蛋白質(zhì)在進(jìn)化上可能來(lái)自同一祖先蛋白質(zhì)，而在長(zhǎng)期

33、進(jìn)化過(guò)程中不斷分化出結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的蛋白質(zhì)。第五節(jié) 蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)真溶液的溶質(zhì)分子的顆粒大小<1nm； 膠體溶液中溶質(zhì)分子的顆粒大小在1-100nm； 蛋白質(zhì)分子的相對(duì)分子量在1-100萬(wàn)，其顆粒大小(2-20nm)屬于膠體粒子的范圍。另外，蛋白質(zhì)分子表面有許多極性基團(tuán)，親水性極強(qiáng)，易溶與水形成穩(wěn)定的親水膠體溶液。1、穩(wěn)定蛋白質(zhì)膠體溶液的兩個(gè)因素 (1) 表面電荷(在非等電點(diǎn)時(shí))與雙電層；(2) 水化膜蛋白質(zhì)膠體溶液具有一般膠體溶液的性質(zhì)丁道爾現(xiàn)象、布朗運(yùn)動(dòng)、半透膜不透性、吸附性、膠凝性、粘性。 2、蛋白質(zhì)的膜分離技術(shù)（Membrane Separation Te

34、chnique ） 利用蛋白質(zhì)的半透膜不透性，將蛋白質(zhì)中所含的、可以通過(guò)半透膜將低分子物質(zhì)(如鹽等小分子)分離的技術(shù)稱(chēng)為膜分離技術(shù)(或膜過(guò)濾技術(shù))。膜分離技術(shù)可分為透析（dialysis ） 、超濾（ultrafiltration ）二、蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點(diǎn)蛋白質(zhì)中可解離的酸性基團(tuán)Glu的-COOHAsp的-COOHTyr的酚羥基Cys的-SH堿性基團(tuán) Lys的-NH2His的咪唑基Arg的-胍基蛋白質(zhì)分子的總解離可用下式表示NH+3-P-COOH(P+)NH+3-P-COO-(P+-)NH2-P-COO-(P-)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)蛋白質(zhì)溶液在特定的pH下，其分子所帶的正、負(fù)電荷相等，凈電荷為

35、零，這一pH稱(chēng)為 (用pI表示)。蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)不是一個(gè)恒定值，它受溶液的離子種類(lèi)和離子強(qiáng)度的影響。蛋白質(zhì)在純水中的帶電狀態(tài)不受其它離子的干擾，完全由H+的解離和結(jié)合來(lái)決定，這種條件下的等電點(diǎn)稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等離子點(diǎn)(isoionic point) 。蛋白質(zhì)的等離子點(diǎn)是特性常數(shù)。蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的大小與其氨基酸組成有關(guān)。 對(duì)于變性的蛋白質(zhì)，可由其酸性氨基酸與堿性氨基酸的比例來(lái)判斷。 對(duì)于天然蛋白質(zhì)，由于其R基團(tuán)不能完全暴露在外，故不易判斷。在等電狀態(tài)下，蛋白質(zhì)分子物理性質(zhì)有所改變，最顯著的是溶解度最小。 根據(jù)蛋白質(zhì)兩性解離和等電點(diǎn)的性質(zhì)發(fā)展起來(lái)的蛋白質(zhì)純化方法有蛋白質(zhì)電泳離子交換法等電點(diǎn)沉淀法三、蛋白

36、質(zhì)的變性作用（ protein denaturation ） 1、概念天然的蛋白質(zhì)在受到某些物理或化學(xué)因素的作用，有序的空間結(jié)構(gòu)被破壞，致使生物活性喪失，并伴隨發(fā)生一些理化性質(zhì)的異常變化，但一級(jí)結(jié)構(gòu)并未破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蛋白質(zhì)的變性作用。2、蛋白質(zhì)變性的可逆性可逆變性是指使蛋白質(zhì)變性的條件解除后，能恢復(fù)其原有性質(zhì)。不可逆變性是指使蛋白質(zhì)變性的條件解除后，仍不能恢復(fù)其原有性質(zhì)。蛋白質(zhì)復(fù)性（renaturation）：去除變性因素后，可逆變性的蛋白恢復(fù)原來(lái)的空間結(jié)構(gòu)，恢復(fù)生物活性的現(xiàn)象為復(fù)性 3、蛋白質(zhì)的變性因素及其作用機(jī)理物理因素?zé)帷V、超聲波、X-射線(xiàn)、高壓、表面張力、攪拌、劇烈振蕩、研磨。

37、例如 皮膚粗糙、白內(nèi)障、殺菌化學(xué)因素酸、堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽、脲、胍、表面活性劑、生物堿 。作用機(jī)理 重金屬與-SH生成不溶性的硫化物濃乙醇、去污劑破壞疏水作用力4、變性蛋白質(zhì)的性質(zhì)變性蛋白質(zhì)與天然蛋白質(zhì)性質(zhì)的差別主要表現(xiàn)(1)理化性質(zhì)的變化 如：旋光性改變、粘度增加、光吸收性質(zhì)增加、失去結(jié)晶能力、溶解度下降、易發(fā)生凝聚和沉淀。(2) 生化性質(zhì)的變化 變性后的蛋白質(zhì)易被酶水解。(3) 生物活性喪失 這是蛋白質(zhì)變性的重要標(biāo)志。四、蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用（protein allosteric effect ) 對(duì)于具有四級(jí)結(jié)構(gòu)、含有亞基的蛋白質(zhì)來(lái)講，當(dāng)一個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，而引起其余亞基和整個(gè)蛋白質(zhì)

38、分子構(gòu)象、性質(zhì)和功能發(fā)生改變的作用稱(chēng)為蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用(或稱(chēng)別構(gòu)作用）。如血紅蛋白的變構(gòu)作用五、蛋白質(zhì)的沉淀作用（precipitation） 1、概念 蛋白質(zhì)膠體溶液的穩(wěn)定性是有條件的、相對(duì)的，若改變環(huán)境條件，破壞其水化膜和表面電荷，蛋白質(zhì)親水膠體便失去穩(wěn)定性，發(fā)生絮凝沉淀的現(xiàn)象，就稱(chēng)為蛋白質(zhì)的沉淀作用。蛋白質(zhì)的沉淀可分為不變性沉淀用于分離活性的天然蛋白質(zhì)產(chǎn)品。如： 酶、抗體等。變性沉淀用于生物制品中除去蛋白質(zhì)。2、沉淀的方法(1) 等電點(diǎn)沉淀蛋白質(zhì)分子在其等電點(diǎn)時(shí)，容易相互吸引，聚合成沉淀(2) 中性鹽沉淀鹽析（salting out) 在蛋白質(zhì)溶液中加入高濃度的中性鹽后，它與蛋白質(zhì)膠體粒

39、子競(jìng)爭(zhēng)水份，使蛋白質(zhì)膠體粒子表面的水化層破壞而失去穩(wěn)定性，同時(shí)降低了蛋白質(zhì)與水的親和力而使蛋白質(zhì)沉淀的現(xiàn)象。 鹽濃度高時(shí)，中和了蛋白質(zhì)分子表面的電荷、破壞了水化層，使疏水區(qū)域暴露，疏水基團(tuán)發(fā)生相互作用而沉淀。鹽溶（salting in)在鹽濃度很低時(shí)，大多數(shù)蛋白質(zhì)的溶解度隨著鹽濃度的增加而增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蛋白質(zhì)的鹽溶。低濃度的鹽可增加蛋白質(zhì)表面的電荷數(shù)量和與水分子的相互作用。分級(jí)鹽析不同的蛋白質(zhì)的帶電性質(zhì)、分子量不同，水膜厚度不同，故鹽析所需的鹽濃度也不同。一般來(lái)講，分子量越大的蛋白質(zhì)分子，越容易鹽析，所需鹽濃度也越低。因此，對(duì)于不同分子大小的蛋白質(zhì)，可采用不同的鹽濃度進(jìn)分級(jí)沉淀。常用的鹽是

40、(NH4)2SO4(3) 有機(jī)溶劑沉淀 一些極性的有機(jī)溶劑(如乙醇、丙酮等)能破壞蛋白質(zhì)膠粒的水化層，使疏水基團(tuán)暴露使蛋白質(zhì)沉淀。(4) 重金屬鹽沉淀蛋白質(zhì)在堿性溶液中帶負(fù)電，可與重金屬離子如Zn+2、Cu+2、Hg+2、Pb+2、Fe+3等作用，產(chǎn)生重金屬蛋白鹽沉淀。(5) 熱變性沉淀 (6) 生物堿試劑沉淀生物堿試劑（如單寧酸、鉬酸、鎢酸、三氯醋酸等）具有酸性，而蛋白質(zhì)在酸性溶液中帶正電荷，故能與帶負(fù)電的酸根相結(jié)合，成為溶解度很小的鹽類(lèi)。六、蛋白質(zhì)的沉降作用（sedimentation)1、概念蛋白質(zhì)由于其比重大于水，而水中下沉，這就是蛋白質(zhì)的沉降作用。蛋白質(zhì)膠體粒子在靜止溶液中，因重力F=mg 很小，沉降1cm需幾年的時(shí)間。為了便于觀察和利用這一現(xiàn)象，通常外加一定的力（如離心力）