第三章 蛋白質化學

第三章蛋白質化學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，這種存在方式本質上就在于這些蛋白體的化學組成部分的不斷的自我更新?！钡鞍踪|存在于所有的生物細胞中，是構成生物體最基本的結構物質和功能物質。2/1/20232

蛋白質是一類含氮有機化合物，除含有碳、氫、氧、氮和少量的硫外，某些蛋白質還含有磷、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)蛋白質的分子組成2/1/20233由于大多數(shù)蛋白質的含氮量接近于16%，所以，可以根據(jù)生物樣品中的含氮量來計算蛋白質的大概含量：樣品蛋白質含量=樣品含氮量

6.252/1/20234蛋白質水解降解物蛋白質眎(shì)胨多肽二肽氨基酸分子質量(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，氨基酸是蛋白質的基本結構單元。2/1/20235組成生物體蛋白質的氨基酸常見的有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。蛋白質水解得到的α氨基酸都屬于L構型。2/1/20236手性碳2/1/202372/1/20238氨基酸的分類根據(jù)R基團的極性分類：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基團的結構分類：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：在人和反芻動物體內不能合成，需從食物中攝取，以保證正常生命活動的需要，這類氨基酸稱～。如：

Val、

Ile、

Leu、

Phe、

Met、Trp、Thr、Lys半必需氨基酸：在人和反芻動物體內能合成，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非蛋白質氨基酸：以游離態(tài)或結合態(tài)存在，不參與蛋白質的組成。如茶氨酸。稀有氨基酸：是一些氨基酸的衍生物，不參與蛋白質的合成。蛋白質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2/1/202319構成蛋白質的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)具有共軛雙鍵結構，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(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)目和趨勢相等，這時溶液的pH即為該氨基酸的等電點。當pH＜

pI時，氨基酸帶正電荷

pH＞

pI時，氨基酸帶負電荷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＋)條件產物特征應用茚三酮反應水合茚三酮弱酸加熱藍紫色定性、定量測AA亞硝酸反應亞硝酸室溫N2測蛋白質水解程度Sanger反應2,4-二硝基氟苯弱堿黃色N-末端分析Edman反應異硫氰酸苯酯弱堿N-末端分析氨基酸的化學反應2/1/202329茚三酮反應氨基酸與茚三酮（ninhydrin）的反應是一個檢測和定量氨基酸和蛋白質的重要反應。2/1/202330Sanger反應

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，生成黃色化合物二硝基苯基氨基酸（dinitrophenylaminoacid,DNP氨基酸）

2/1/202331Edman反應苯異硫氰酸酯（PITC）在弱堿性條件下，與氨基酸反應生成苯乙內酰硫脲衍生物，即PTH-氨基酸，此反應又稱之Edman反應，該反應是蛋白質或多肽氨基酸序列測定常用的反應。2/1/202332一個氨基酸的氨基與另一個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個氨基酸的肽稱為寡肽；超過10個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游離的-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個游離的-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，不能自由旋轉。已知C—N單鍵的鍵長為0.147nm，C=N雙鍵的鍵長是0.127nm，而肽鍵中C—N的鍵長為0.132nm

2/1/202336肽鍵具有平面性，組成肽鍵的4個原子和2個Cα處在同一平面內，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)個酰胺平面組成。2/1/202338指蛋白質分子中氨基酸的排列順序及二硫鍵的位置。第二節(jié)蛋白質的分子結構一、蛋白質的一級結構

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

1.

蛋白質的氨基酸序列是闡明蛋白質生物活性的分子基礎；

2.

蛋白質的一級結構決定它的空間結構；

3.

氨基酸序列的改變可以導致蛋白功能異常和疾病(圖）；

4.

通過對一些蛋白質的氨基酸序列的比較可以反應出一些生物親緣關系(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、構型與構象構型(configuration)：分D或L型構象(conformation)：單鍵的旋轉構型（configuration）：立體異構體分子中取代原子或基團在空間的取向。如幾何異構和光學異構體。兩種構型之間如果沒有共價鍵的斷裂則不能互變。2/1/202344構象（conformation）取代基團當單鍵旋轉時形成不同的立體結構，這種空間位置的改變不涉及共價鍵的斷裂。例如乙烷分子中C—C單鍵旋轉時，它們所連接的氫原子相對空間位置隨之改變，產生無數(shù)種構象，其中交叉型構象最穩(wěn)定，重疊型構象最不穩(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象及鏈內或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉角、γ-轉角、無規(guī)則卷曲等。三、蛋白質的二級結構

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個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm。(1)-螺旋(-helix)1951年，PaulingandCorey提出，要點有：2/1/2023482.肽鏈內形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基的O與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基的H形成氫鍵。3.蛋白質分子為右手-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。(3)β-轉角(β-turn)2/1/202354四、蛋白質的超二級結構

Supersecondarystructure指相互鄰近的二級結構在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級結構聚合體。種類有：αα、βαβ、βββ等。2/1/2023552/1/202356五、蛋白質的結構域

structuraldomain在較大的蛋白質分子或亞基中，其三維結構往往可以形成兩個或多個空間上可以明顯區(qū)別的區(qū)域。肌鈣蛋白C2/1/202357是指在二級結構基礎上，肽鏈進一步折疊卷曲形成的特定空間構象。包括側鏈基團在內的所有原子空間排列。維系蛋白質三級結構的主要作用力是次級鍵。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、蛋白質的三級結構

Tertiarystructure2/1/2023582/1/202359肌紅蛋白的三級結構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，稱為寡聚蛋白質，其每一條具有三維結構的多肽鏈稱為亞基(subunit)。

維持亞基之間的化學鍵主要是疏水力。六、蛋白質的四級結構

Quaternarystructure2/1/2023622/1/2023632/1/2023642/1/2023652/1/2023662/1/202367第四節(jié)蛋白質的重要理化性質一、蛋白質的兩性解離及等電點蛋白質也是兩性電解質，蛋白質分子所帶電荷的性質與數(shù)量是由蛋白質中可解離基團的種類和數(shù)目以及溶液的pH共同決定。2/1/