蛋白質(zhì)化學(xué)和基本性質(zhì)

1、蛋白質(zhì)化學(xué)和基本性質(zhì) 序言 蛋白質(zhì)（Protein）是由L-氨基酸按一定的次序通過肽鍵（酰胺鍵）連接而成的生物大分子。蛋白質(zhì)英文一詞“protein”，來源于希臘語“protos”，是“第一”或“最重要的”意思。 蛋白質(zhì)在生命活動中的作用 1. 酶蛋白：蛋白質(zhì)最重要的生物學(xué)功能之一是作為生物體新陳代謝的催化劑-酶。目前已發(fā)現(xiàn)的酶有2000多種，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)； 2. 作為結(jié)構(gòu)成份的蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)的另一重要生物學(xué)功能是作為生物體的結(jié)構(gòu)成份。在高等動物里，膠原蛋白和彈性蛋白都是結(jié)締組織的蛋白質(zhì)組分。膠原蛋白是主要的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)蛋白，參與結(jié)締組織和骨骼作為身體的支架，而彈性蛋白在血管和韌帶中特別豐富

2、； 3. 生長、分化的調(diào)控蛋白：組蛋白、阻遏蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等參與基因的表達(dá)調(diào)控；細(xì)胞周期蛋白等具有調(diào)控細(xì)胞分裂、增殖、生長、分化的功能；4. 運輸?shù)鞍祝杭棺祫游锛t細(xì)胞的血紅蛋白和無脊椎動物中的血藍(lán)蛋白在生命呼吸過程中起作輸送氧氣的作用。血液中的脂蛋白隨著血流輸送脂質(zhì)。生物氧化過程中某些色素蛋白如細(xì)胞色素c等起電子傳遞體的作用。生命活動需要的許多小分子物質(zhì)和離子的輸送也需要蛋白質(zhì)的協(xié)助；5. 儲藏蛋白：有一類蛋白質(zhì)具有儲藏氨基酸，在需要的時候?qū)⑵溆米魃矬w及其胚胎或幼體生長發(fā)育的原料的功能。如卵清蛋白，小麥種子中的麥醇溶蛋白；6. 激素的調(diào)節(jié)作用：含氮激素本質(zhì)上是蛋白質(zhì)、多肽或氨基酸衍生物，如胰

3、島素。激素對生物體的新陳代謝具有調(diào)節(jié)作用；7. 運動功能：高等動物肌肉的主要成分是蛋白質(zhì)，肌肉收縮是由肌球蛋白和機(jī)動蛋白的相對滑動來實現(xiàn)的； 8. 免疫功能：生物體用于防御致病微生物或病毒侵害而產(chǎn)生的抗體（免疫球蛋白）是一類高度專一性的蛋白質(zhì)。它能識別病毒、細(xì)菌以及其它生物體的細(xì)胞，并與之相結(jié)合，消除它們的病理作用，從而起作保護(hù)機(jī)體的作用； 9. 干擾素的抗病毒作用：干擾素以蛋白質(zhì)的形式存在于細(xì)胞內(nèi)，消滅抗體不能抵御的入侵病毒；10. 接受和傳遞信息：接收外界信息并進(jìn)行傳遞作用的一類蛋白質(zhì)，如酵母細(xì)胞的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)、視網(wǎng)膜上的視色素、味蕾上的味覺蛋白等。第一節(jié) 蛋白質(zhì)分子的組成一、蛋白質(zhì)的元素

4、組成二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸 一、蛋白質(zhì)的元素組成 單純蛋白質(zhì)的元素組成為: 碳：5055%； 氫：6%7%； 氧：19%24%； 氮：13%19%； 硫：04%； 有的蛋白質(zhì)含有磷、碘。少數(shù)含鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬等金屬元素。 各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%，即一克氮相當(dāng)于克蛋白質(zhì)。由于體內(nèi)組織的主要含氮物是蛋白質(zhì)，因此，只要測定生物樣品中的氮含量，就可以此換算出蛋白質(zhì)大致含量。二、蛋白質(zhì)的基本組成單位-氨基酸 （一）氨基酸的構(gòu)型 （二）蛋白質(zhì)氨基酸的分類 （三）氨基酸的理化性質(zhì) (四）氨基酸的分離與分析氨基酸是指含氨基的羧酸（一）氨基酸的構(gòu)型旋光性：是手性分子的一種性質(zhì)，即旋

5、轉(zhuǎn)偏振光平面的能力；分子的旋光度符號和構(gòu)型(D,L)之間沒有簡單的關(guān)系.不是都象甘油醛那樣D-是右旋,L-是左旋。各種L-氨基酸中有的為左旋有的為右旋，即使同一種L-氨基酸，在不同溶劑中測定時，其比旋光值和旋光方向也會不同。（二）蛋白質(zhì)氨基酸的分類 脂肪族氨基酸: 甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、 亮氨酸、異亮氨酸、脯酸 芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸 含硫氨基酸： 蛋氨酸、半胱氨酸 含羥基氨基酸：絲氨酸、蘇氨酸 堿性氨基酸： 組氨酸、賴氨酸、精酸 酸性氨基酸： 天冬氨酸、谷氨酸 酰胺氨基酸： 天冬酰胺、谷氨酰胺1、按照側(cè)鏈R的不同(1) R為脂肪族基團(tuán)的氨基酸: 甘氨酸(-氨基乙酸)的側(cè)鏈?zhǔn)?/p>

6、個氫原子，是20種氨基酸中最簡單的，所以甘氨酸的碳原子不是手性碳。 丙氨酸（a-氨基丙酸）的側(cè)鏈?zhǔn)且粋€簡單的甲基；纈氨酸(a-氨基異戊酸)的側(cè)鏈?zhǔn)且粋€含有支鏈的3碳側(cè)鏈。 亮氨酸（ -氨基異己酸）和異亮氨酸（ -氨基-甲基戊酸）都是含有支鏈的4碳側(cè)鏈。要注意的是，異亮氨酸分子中的 -碳和-碳都是不對稱碳。所以異亮氨酸存在著4種可能的立體異構(gòu)體。 脯氨酸（-吡咯烷基-羧酸）有一個環(huán)形的飽和烴側(cè)鏈，所以嚴(yán)格地講，脯氨酸是一個亞氨基酸。(2) R為芳香族基團(tuán)的氨基酸 苯丙氨酸（ -氨基-苯丙酸）側(cè)鏈含有苯基。酪氨酸（ -氨基-對羥基苯丙酸）與苯丙氨酸相似，只是在苯基的對位多了一個羥基，所以又稱為對羥

7、基苯丙氨酸。色氨酸（-吲哚- -氨基丙酸）的側(cè)鏈帶有一個雙環(huán)的吲哚基，所以色氨酸又稱之吲哚丙氨酸。 (3) R為含硫基團(tuán)的氨基酸 蛋氨酸和半胱氨酸是兩個含硫氨基酸。蛋氨酸（-氨基-甲硫基丁酸）是個疏水氨基酸,它的側(cè)鏈上帶有一個非極性的甲基硫醚基。半胱氨酸（-氨基-巰基丙酸）側(cè)鏈上含有一個巰基（-SH），又稱為巰基丙氨酸，其-SH是個高反應(yīng)性的基團(tuán)。(4) R為含羥基基團(tuán)的氨基酸 絲氨酸（-氨基-羥基丙酸）和蘇氨酸（-氨基-羥基丁酸）都含有-羥基。絲氨酸的羥甲基（-CH2OH）在水溶液中不發(fā)生離子化，但可以參與很多酶的活性部位的反應(yīng)。蘇氨酸也象異亮氨酸一樣，具有兩個手性碳原子，即-碳和-碳原子。

8、(5) R為堿性基團(tuán)的氨基酸 在pH7時，有5種氨基酸的側(cè)鏈基團(tuán)帶有電荷，其中有3種帶正電荷（堿性R基團(tuán)），另外2種帶負(fù)電荷（酸性R基團(tuán)）。組氨酸、賴氨酸和精氨酸都帶有親水的含氮堿基R基團(tuán)。 組氨酸（-氨基-咪唑基丙酸）的側(cè)鏈有一個咪唑環(huán)，又稱為咪唑丙氨酸。咪唑基是可以離子化的（pKa）。 賴氨酸（，-二氨基己酸）是一個雙氨基酸，含有-和-氨基。在中性pH，-氨基以堿性氨離子（-CH2-NH3）的形式存在，在蛋白質(zhì)中通常帶正電荷。 精氨酸（-氨基-胍基戊酸）是20種氨基酸中堿性最強(qiáng)的氨基酸。它的側(cè)鏈胍基離子的pKa值最高（pKa）。(6) R為酸性基團(tuán)的氨基酸 天冬氨酸（-氨基丁二酸）和谷氨酸

9、（-氨基戊二酸）是二羧基氨基酸。除了含有-羧基外，天冬氨酸還含有b-羧基；而谷氨酸則含有g(shù)-羧基。兩個氨基酸的側(cè)鏈在pH7時都離子化，所以在蛋白質(zhì)中是帶負(fù)電荷的。這兩個氨基酸經(jīng)常出現(xiàn)在蛋白質(zhì)分子表面上，谷氨酸的單鈉鹽是調(diào)味品味精。(7) R為含酰胺基團(tuán)的氨基酸 天冬酰胺（-氨基-羧基丙酰胺）和谷氨酰胺（-氨基-羧基丁酰胺）分別是天冬氨酸和谷氨酸的酰胺化產(chǎn)物。盡管這兩個氨基酸的側(cè)鏈?zhǔn)遣粠щ姾傻?，但它們的極性很強(qiáng)，也經(jīng)常出現(xiàn)在蛋白質(zhì)分子的表面，它們可以和水相互作用。另外這兩種氨基酸的酰胺基可以與其它的極性氨基酸的側(cè)鏈上的原子形成氫鍵。2、按照側(cè)鏈R極性的不同 （共20種） 不帶電荷：絲氨酸、蘇氨酸

10、、天冬酰胺 谷氨酰胺、酪氨酸、半胱氨酸 極性氨基酸 帶正電荷：組氨酸、賴氨酸、精氨酸 帶負(fù)電荷：天冬氨酸、谷氨酸 甘氨酸 丙氨酸 纈氨酸 非極性氨基酸 亮氨酸 異亮氨酸 蛋氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 色氨酸 3.從營養(yǎng)學(xué)角度還可以將氨基 酸分為必需和非必需氨基酸必需氨基酸指人體（或其它脊椎動物）不能自身合成的氨基酸，包括： 賴氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸、色氨酸、組氨酸和精氨酸。其中的組氨酸和精氨酸，雖然人體能自己合成，但效率較低，尤其在嬰幼兒時期，需要由外界供給，因此也被稱為必須氨基酸；非必需氨基酸指人體自身能合成的10種氨基酸： 甘氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷

11、氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸和丙氨酸。中文名稱英文名稱三字母縮寫單字母符號甘氨酸Glycine Gly G丙氨酸 AlanineAlaA纈氨酸ValineValV亮氨酸LeucineLeuL異亮氨酸 Isoleucine IleI脯氨酸ProlineProP苯丙氨酸 Phenylalanine PheF酪氨酸TyrosineTyrY色氨酸Tryptophan TrpW絲氨酸 Serine SerS蘇氨酸 ThreonineThr T半胱氨酸 Cystine CysC蛋氨酸 MethionineMetM天冬酰胺Asparagine Asn N谷氨酰胺 Glutarnine GlnQ

12、天冬氨酸 AsparticacidAspD谷氨酸Glutamicacid Glu E賴氨酸LysineLysK精氨酸ArginineArgR組氨酸HistidineHisH 20種蛋白質(zhì)氨基酸的英文名稱和簡寫符號（三）氨基酸的重要理化性質(zhì) 1、一般物理性質(zhì)-氨基酸為無色晶體，熔點極高，一般在200以上。不同氨基酸味道不同，有的甜，有的苦，谷氨酸的單鈉鹽有鮮味，是味精的主要成分。在水中，胱氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等的溶解度很小，精氨酸和賴氨酸的溶解度特別大。各種氨基酸在水中的溶解度相差很大，但它們都能溶于稀酸和稀堿溶液中。氨基酸不能溶于有機(jī)溶劑，通常酒精就能把氨基酸從其溶液中沉淀析出。 有

13、共軛雙鍵的物質(zhì)都具有紫外吸收，在20種基本氨基酸中，有4種是具有共軛雙鍵的，即Trp、Tyr、Phe、His；His只有2個雙鍵共軛，紫外吸收比較弱；Trp、Tyr、Phe均有3個雙鍵共軛，紫外吸收較強(qiáng)；其中Trp的紫外吸收最強(qiáng)，是蛋白質(zhì)紫外吸收特性的最大貢獻(xiàn)者3種氨基酸的最大紫外吸收波長為：Phe：257nM； Tyr：275nM； Trp：280nM。20種蛋白質(zhì)氨基酸都是L-型，而且除Gly外都具有旋光性。2、氨基酸的兩性解離和等電點氨基酸： 是蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子，具有酸堿性質(zhì)、手性、聚合能力、特定的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)及多樣的化學(xué)反應(yīng)；兩性離子：指氨基酸分子含有一個正電荷和一個負(fù)電荷的形式。在氨基酸

14、晶體中或中性水溶液中以兼性離子形式存在；等電點： 當(dāng)氨基酸所帶凈電荷為零，在電場中既不向陰極移動也不向陽極移動，此時氨基酸所處溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。側(cè)鏈R為非極性基團(tuán)或雖為極性但不解離的，此種氨基酸的等電點主要由-氨基和-羧基的表觀解離常數(shù)的負(fù)對數(shù)pK1，pK2決定： pI=1/2(pK1+pK2)； 側(cè)鏈基團(tuán)可以解離，則由-氨基，-羧基及R基團(tuán)的解離情況共同決定，只需寫出電離式，取其兼性離子兩邊的pK值的平均值即可。如賴氨酸的電離式為： 故其pI=?氨基酸具有2個或3個（如果側(cè)鏈可解離的話）酸堿基團(tuán)。通過氨基酸的滴定曲線可以確定氨基酸的各個解離基團(tuán)的pK值。下圖給出了丙氨酸和組氨

15、酸的滴定曲線：pK1 (-COOH) =1.82; pK2=6.00(咪唑基); pK3 (-NH3+ ) = pIHis=?氨基酸的解離常數(shù)和等電點氨 基 酸pK1(COOH)pK2(NH3+)pKR(R基)pI甘氨酸2.349.605.97丙氨酸2.349.606.02纈氨酸2.329.625.97亮氨酸2.369.605.98異亮氨酸2.369.686.02絲氨酸2.219.155.68蘇氨酸2.6310.436.53天冬氨酸2.099.823.86(-COOH)2.97天冬酰胺2.028.85.41谷氨酸2.199.674.25（-COOH）3.22谷氨酰胺2.179.135.65精氨

16、酸2.179.0412.48(胍基)10.76賴氨酸2.188.9510.50（-氨基）9.74組氨酸1.829.176.00（咪唑基）7.59半胱氨酸1.718.3310.78(-SH)5.02甲硫氨酸2.289.215.75苯丙氨酸1.839.135.48酪氨酸2.209.1110.07（-OH）5.66色氨酸2.389.395.89脯氨酸1.9910.606.30-氨基參加的反應(yīng)與亞硝酸反應(yīng)（生成羥基氨基酸和氮氣）與?；噭┓磻?yīng)（氨基被?；槐Ｗo(hù)）烴基化反應(yīng)DNFB反應(yīng)（生成DNP-氨基酸）PITC反應(yīng)（生成PTH-氨基酸）形成西佛堿反應(yīng)（與醛類化合物）脫氨基反應(yīng)3.氨基酸的化學(xué)反應(yīng)

17、-羧基參加的反應(yīng)成鹽成酯成酰氯（與二氯亞砜等）脫羧基反應(yīng)疊氮反應(yīng)（氨基酸酯與肼、亞硝酸）-氨基與-羧基共同參加反應(yīng)與茚三酮反應(yīng)（氨與還原茚三酮發(fā)生作用生成紫色物質(zhì)）成肽反應(yīng)側(cè)鏈R基參加的反應(yīng)酪氨酸酚羥基組氨酸咪唑精氨酸胍基色氨酸吲哚基半胱氨酸巰基（1）氨基酸、肽以及蛋白質(zhì) 與茚三酮的反應(yīng)用于檢測和定量氨基酸與蛋白質(zhì)；茚三酮在弱酸性溶液中與氨基酸共熱，具有游離氨基的氨基酸都生成紫色化合物（），而亞氨基酸，則生成黃色化合物（）；產(chǎn)生的顏色的強(qiáng)度（溶液中的光吸收）與氨基酸濃度成比例，根據(jù)溶液的吸光度，可以算出相應(yīng)的氨基酸和蛋白質(zhì)的濃度；非常靈敏，幾微克氨基酸就能顯色。多肽和蛋白質(zhì)與茚三酮也有反應(yīng)，但

18、分子越大，靈敏度也越差?？捎糜跈z測和定量氨基酸與蛋白質(zhì)（2）氨基酸與2,4-二硝基氟苯 （DNFB）的反應(yīng)DNFB （2,4-dinitrofluorobenzene）與氨基酸、肽或蛋白質(zhì)的反應(yīng)也叫做Sanger反應(yīng)；DNFB在弱堿性溶液中與它們發(fā)生取代反應(yīng)，生成黃色化合物DNP氨基酸或DNP肽 （dinitro phenyl amino acidd）； 可用于鑒定多肽或蛋白質(zhì)的N-末端氨基酸（3）蛋白質(zhì)或肽與DNFB的反應(yīng)由于硝基苯與氨基結(jié)合牢固，不易被水解，因此當(dāng)DNP-多肽被酸水解時，所有肽鍵均被水解，只有N-末端氨基酸仍連在DNP上，所以產(chǎn)物為黃色的DNP-氨基酸和其它氨基酸的混合液。

19、混合液中只有DNP-氨基酸溶于乙酸乙酯，所以可以用乙酸乙酯抽提并將抽提液進(jìn)行色譜分析，再以標(biāo)準(zhǔn)的DNP-氨基酸作為對照鑒定出此氨基酸的種類。因此2,4-二硝基氟苯法可用于鑒定多肽或蛋白質(zhì)的N-末端氨基酸。這一反應(yīng)在蛋白質(zhì)化學(xué)研究史上起過重要作用，當(dāng)初英國的Sanger等人對胰島素一級結(jié)構(gòu)的闡明就是應(yīng)用了這一方法?，F(xiàn)在它仍然是蛋白質(zhì)N端氨基酸測定方法之一。(4) 氨基酸與異硫氰酸苯酯（PITC）的反應(yīng)此反應(yīng)又稱艾德曼反應(yīng)（Edman reaction）。在弱堿性條件下，氨基酸的-氨基可與異硫氰酸苯酯（phenylisothiocyanate, PITC）反應(yīng)生成相應(yīng)的苯氨基硫甲酰氨基酸（簡稱PT

20、C-氨基酸）。在酸性有機(jī)溶劑中，PTC-氨基酸環(huán)化形成在酸中穩(wěn)定的苯乙內(nèi)酰硫脲（phenylthiohydantoin，簡稱PTH）氨基酸(PTH-氨基酸)。 可用于蛋白質(zhì)N末端氨基酸及整個 蛋白質(zhì)分子的序列分析 PITC PTC-氨基酸 PTH-氨基酸苯異硫氰酸酯 苯氨基硫甲酰氨基酸 苯乙內(nèi)酰硫脲氨基酸（5）蛋白質(zhì)或肽與PITC的反應(yīng) 蛋白質(zhì)多肽鏈N-末端氨基酸的-氨基也可有此反應(yīng)，生成PTC-肽。PTC基團(tuán)的引入使得N-末端第一個肽鍵的穩(wěn)定性下降，當(dāng)在酸性有機(jī)溶劑中加熱時， N-末端的PTC-氨基酸環(huán)化，釋放出N末端的PTH-氨基酸和比原來少一個氨基酸殘基的多肽鏈。PTH-氨基酸在酸性條件

21、下極穩(wěn)定并可溶于乙酸乙酯，用乙酸乙酯抽提后，經(jīng)高壓液相層析鑒定就可以確定肽鏈N-末端氨基酸的種類。該法的優(yōu)點是可連續(xù)分析出N端的十幾個氨基酸。瑞典科學(xué)家P. Edman首先使用該反應(yīng)測定蛋白質(zhì)N-末端的氨基酸。氨基酸自動順序分析儀就是根據(jù)該反應(yīng)原理而設(shè)計的。 為什么蛋白質(zhì)與DNFB的反應(yīng)主要用于蛋白質(zhì)末端氨基酸的鑒定，而蛋白質(zhì)與PITC的反應(yīng)除了用于蛋白質(zhì)末端氨基酸的鑒定，還可用于蛋白質(zhì)序列的分析？(6)其它反應(yīng)甲醛滴定法：氨基酸還可通過甲醛滴定法測定氨基酸的含量，大致判斷蛋白質(zhì)合成或水解的速度；熒光胺反應(yīng)：與熒光胺進(jìn)行熒光胺反應(yīng)生成具有熒光的物質(zhì)，根據(jù)熒光強(qiáng)度可用熒光分光光度計測定氨基酸的含量；與5，5-雙硫基-雙（2-硝基苯甲酸）反應(yīng)：半光氨酸R側(cè)鏈上的-SH可與5，5-雙硫基-雙（2-硝基苯甲酸）反應(yīng)，產(chǎn)生一種含有-SH的硝基苯甲酸。該物質(zhì)在412nm波長處有最大吸收峰，因此該反應(yīng)可用于測定半光氨酸含量以及細(xì)胞游離-SH的含量。(四）氨基酸的分離與分析氨基酸的分離與分析是測定蛋白質(zhì)分子組成與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；分離純化氨基酸的方法較多，如電泳法、離子交換層析法、高效液相色譜法、氣相色譜法、毛細(xì)管電泳法、等電點法和溶解度法等。1、氨基酸的電泳分離氨基酸是兩性離子化合物，可以電離帶不同的電荷。它們在電場中的遷移率可表示如下： =（q/. 2 ）.V q: 分子的靜電荷；：分子的半徑；