第01章蛋白質(zhì)化學(xué)

第01章蛋白質(zhì)化學(xué)第1頁/共106頁蛋白質(zhì)：生命的物質(zhì)基礎(chǔ)核酸

：遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)酶：生物催化劑生物大分子是由某些基本結(jié)構(gòu)單位按一定順序和方式連接所形成的多聚體。MW＞104第2頁/共106頁第一章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能Chapter1StructureandFunctionofProtein第3頁/共106頁本章主要介紹：1.蛋白質(zhì)的分子組成2.蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)3.蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系4.蛋白質(zhì)的主要理化性質(zhì)第4頁/共106頁什么是蛋白質(zhì)呢？第5頁/共106頁蛋白質(zhì)(protein)

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是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物。種類繁多功能多樣生命的物質(zhì)基礎(chǔ)什么是蛋白質(zhì)?第6頁/共106頁FirefliesemitlightcatalyzedbyluciferasewithATP第7頁/共106頁Erythrocytescontainalargeamountofhemoglobins,theoxygen-transportingprotein.第8頁/共106頁Theproteinkeratinisthechiefstructuralcomponentsofhair,horn,wool,nailsandfeathers.第9頁/共106頁第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成Section1TheMolecularComponentsofProtein第10頁/共106頁1．碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)

2．N,~16%；Pr標(biāo)志性元素故每克氮相當(dāng)與6.25克蛋白質(zhì)100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1003．少量的：磷、鐵、銅、鋅和碘等Pr的元素組成特點(diǎn)：第11頁/共106頁CαRH2NHCOOH或CαRH3N+HCOO-L--氨基酸的結(jié)構(gòu)通式L--氨基酸（19種）甘氨酸除外一、氨基酸(aminoacid，aa)

——蛋白質(zhì)的基本組成單位第12頁/共106頁H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第13頁/共106頁α-碳原子為手性碳原子，因此具有旋光性

(甘氨酸除外）2.生物界有D-aa，L-aa,但構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的均為L-α氨基酸。3.α-碳原子上均連有一個氨基(脯氨酸除外)。4.在水溶液中以兩性離子存在。5.各種aa側(cè)鏈的大小、性狀和帶電情況不同。構(gòu)成人體Pr的20種AAs的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):第14頁/共106頁GlyAlaPheGlu第15頁/共106頁（一）氨基酸的分類根據(jù)氨基酸側(cè)鏈Ｒ基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，將其分為4類：1.非極性疏水性側(cè)鏈氨基酸：甘、丙、纈、亮、異亮、苯丙、脯2.極性中性側(cè)鏈氨基酸：絲、蘇、酪、半胱、蛋、色、天冬酰胺、谷氨酰胺3.酸性氨基酸：谷（Glu)、天冬(Asp)4.堿性氨基酸：賴(Lys)、精(Arg)、組(His)第16頁/共106頁酸性氨基酸第17頁/共106頁堿性氨基酸第18頁/共106頁兩種特殊的氨基酸脯氨酸

——羥脯氨酸HO羥脯氨酸第19頁/共106頁2分子半胱氨酸

——胱氨酸第20頁/共106頁（一）肽鍵與肽一個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基脫去一分子水縮合形成的鍵稱肽鍵(peptidebond)氨基酸借肽鍵相連而形成的化合物稱肽(peptide)MetPhe二肽LysMetPhe三肽CysThrLysMetPhe五肽二、氨基酸與多肽第21頁/共106頁苯丙氨酸二肽丙氨酰苯丙氨酸CCH2COOHHNHHOH丙氨酸COCNH2HCH3CCOCNH2HCH3CH2COOHHNH肽鍵H2O第22頁/共106頁氨基末端(Ｎ－端)羧基末端(C－端)CysMetPheLysSerThrValNH2COOH寡肽(oligopeptide)：＜10aa多肽(polypeptide):許多aa。其形狀為一條沒有分支的長鏈，又稱多肽鏈或肽鏈，即蛋白質(zhì)。多肽鏈具有方向性，NC第23頁/共106頁生物活性肽具有一定生物活性的小分子肽類物質(zhì)，稱生物活性肽。重要的生物活性肽有谷胱甘肽、神經(jīng)肽、肽類激素等。第24頁/共106頁1.谷胱甘肽（glutathione,GSH）：是一種三肽化合物。第25頁/共106頁種類較多，生理功能各異。如催產(chǎn)素（9肽）、加壓素（9肽）、促腎上腺皮質(zhì)激素（39肽）、促甲狀腺素釋放激素（3肽）。2.多肽類激素：神經(jīng)肽主要與神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用相關(guān)如腦啡肽（5肽）、-內(nèi)啡肽（31肽）、強(qiáng)啡肽（17肽）等。3.神經(jīng)肽：第26頁/共106頁第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)Section2MolecularStructureandFunctionofProtein第27頁/共106頁蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)劃分為一、二、三、四級結(jié)構(gòu)四個結(jié)構(gòu)層次。除一級結(jié)構(gòu)外，蛋白質(zhì)的二、三、四級結(jié)構(gòu)均屬于空間結(jié)構(gòu)，即構(gòu)象（conformation）。構(gòu)象是由于有機(jī)分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)所形成的。蛋白質(zhì)的構(gòu)象通常由非共價鍵（次級鍵）來維系。第28頁/共106頁一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序。維系蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵為肽鍵。第29頁/共106頁牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)第30頁/共106頁胰島素的一級結(jié)構(gòu)各種蛋白質(zhì)的根本差異在于一級結(jié)構(gòu)的不同第31頁/共106頁維系蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的非共價鍵1.

氫鍵：氫鍵(hydrogenbond)的形成常見于連接在一電負(fù)性很強(qiáng)的原子上的氫原子，與另一電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間，如>C=O┅┅H-N<。氫鍵在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)上起著重要的作用。但氫鍵的鍵能較低(~12kJ/mol)，易被破壞。

第32頁/共106頁蛋白質(zhì)分子中氫鍵的形成第33頁/共106頁2.疏水鍵：非極性物質(zhì)在含水的極性環(huán)境中存在時，受到水分子是的排斥而相互聚集在一起的作用力，稱為疏水鍵或疏水作用力(hydrophobicinteraction)。蛋白質(zhì)分子中的許多aa殘基側(cè)鏈?zhǔn)欠菢O性的，這些非極性的基團(tuán)在水中也可相互聚集，形成疏水鍵，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的側(cè)鏈基團(tuán)。第34頁/共106頁疏水作用示意圖第35頁/共106頁第36頁/共106頁3.離子鍵：離子鍵(saltbond)是由帶正電荷基團(tuán)與帶負(fù)電荷基團(tuán)之間相互吸引而形成的化學(xué)鍵。在近中性環(huán)境中，蛋白質(zhì)分子中的酸性氨基酸殘基側(cè)鏈電離后帶負(fù)電荷，而堿性氨基酸殘基側(cè)鏈電離后帶正電荷，二者之間可形成離子鍵。

第37頁/共106頁蛋白質(zhì)分子中離子鍵的形成第38頁/共106頁維系蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的非共價鍵第39頁/共106頁（一）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈原子局部的空間結(jié)構(gòu)，但不包括與其他肽段的相互關(guān)系及側(cè)鏈構(gòu)象的內(nèi)容。維系蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵是氫鍵。二、蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)第40頁/共106頁第41頁/共106頁蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)原則：1.

由于C=O雙鍵中的π電子云與N原子上的未共用電子對發(fā)生“電子共振”，使肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)（圖）。2.與肽鍵相連的六個原子構(gòu)成剛性平面結(jié)構(gòu)。但由于-碳原子與其他原子之間均形成單鍵，因此兩相鄰的平面結(jié)構(gòu)可以作相對旋轉(zhuǎn)。第42頁/共106頁肽單元的形成第43頁/共106頁肽單元——由于肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，使參與肽鍵構(gòu)成的六個原子被束縛在同一平面上，這一平面稱為肽單元（酰胺平面，肽鍵平面）。第44頁/共106頁肽單元示意圖第45頁/共106頁第46頁/共106頁蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)類型

-螺旋

-折疊

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲第47頁/共106頁（1）α-螺旋(α-helix)最常見的二級結(jié)構(gòu)概念:由肽鍵平面沿一中心軸旋轉(zhuǎn)所形成的有規(guī)律的螺旋構(gòu)象。第48頁/共106頁α－螺旋的結(jié)構(gòu)特征:(1)以肽鍵平面為單位,以α－碳原子為轉(zhuǎn)折盤旋形成右手螺旋。第49頁/共106頁(2)每3.6個氨基酸殘基繞成一個螺圈(3600),螺距為0.54nm,每個氨基酸上升0.15nm,肽鍵平面與中心軸平行。第50頁/共106頁(3)主鏈原子構(gòu)成螺旋的主體,側(cè)鏈在其外部。第51頁/共106頁（4）螺旋以氫鍵維系。第52頁/共106頁（2）-折疊（-pleatedsheet）：第53頁/共106頁-折疊：肽鍵平面呈伸展的鋸齒狀排列形成的結(jié)構(gòu)。其特征為：⑴由若干條肽段或肽鏈平行或反平行排列組成片狀結(jié)構(gòu)；⑵主鏈骨架伸展呈鋸齒狀；⑶借相鄰主鏈之間的氫鍵維系。第54頁/共106頁第55頁/共106頁（3）-轉(zhuǎn)角（-turn）：第56頁/共106頁-轉(zhuǎn)角(-turn)是多肽鏈出現(xiàn)180°回折的轉(zhuǎn)角處結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特征為：⑴主鏈骨架本身以大約180°回折;⑵回折部分通常由四個氨基酸殘基構(gòu)成;⑶構(gòu)象依靠第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。第57頁/共106頁（4）無規(guī)卷曲（randomcoil）：無規(guī)卷曲是指多肽鏈主鏈部分形成的沒有確定規(guī)律的卷曲構(gòu)象。常見于球狀蛋白質(zhì)分子中，在其它類型二級結(jié)構(gòu)肽段之間起活節(jié)作用，有利于整條肽鏈盤曲折疊。H2NCOOH第58頁/共106頁模體：在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象，被稱為模體。是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。已知的模體有：βαβ，βββ，α環(huán)α，αββ模體（motif)第59頁/共106頁鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體

鋅指結(jié)構(gòu)第60頁/共106頁第61頁/共106頁第62頁/共106頁核糖核酸酶分子中的二級結(jié)構(gòu)α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲第63頁/共106頁（二）、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)是指整條多肽鏈中所有原子的空間排布，包含主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象。維系三級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵主要是非共價鍵（次級鍵），如疏水鍵、氫鍵、鹽鍵等。第64頁/共106頁胰島素分子的三級結(jié)構(gòu)第65頁/共106頁N端C端

肌紅蛋白(Mb)

為單肽蛋白質(zhì)，含有153個氨基酸，有8個螺旋區(qū)第66頁/共106頁大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，常可分割成多個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊的較為緊密，各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域再締合成具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子或亞基。結(jié)構(gòu)域（domain）：第67頁/共106頁

對那些較小的蛋白質(zhì)分子來說，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)往往是一個意思，也就是說是單結(jié)構(gòu)域的。一般來說，大的蛋白質(zhì)分子可以由2個或更多個結(jié)構(gòu)域組成。第68頁/共106頁纖連蛋白(fibronectin)分子的結(jié)構(gòu)域(部分序列)第69頁/共106頁Ⅳ型膠原酶的結(jié)構(gòu)域第70頁/共106頁分子伴侶(chaperon)：幫助新生的肽鏈形成正確的空間構(gòu)象的蛋白質(zhì)。第71頁/共106頁（三）、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)亞基(subunit)就是指參與構(gòu)成蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的、每條具有的獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure)就是指蛋白質(zhì)分子中亞基的空間排布，亞基間接觸部位的布局和相互作用。不包括亞基本身的空間結(jié)構(gòu)。維系蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的是次級鍵，絕無共價鍵。第72頁/共106頁亞基的立體排布方式第73頁/共106頁第74頁/共106頁蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)層次第75頁/共106頁第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系Section3Relationbetweenstructureandfunctionofprotein第76頁/共106頁一、一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)1.一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)2.一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能3.氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息4.重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病第77頁/共106頁鐮刀狀紅細(xì)胞貧血Hb亞基一級結(jié)構(gòu)的改變N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ亞基HbAβ亞基N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)6第78頁/共106頁在鐮刀狀紅細(xì)胞貧血患者中，由于基因突變導(dǎo)致Hb亞基第六位氨基酸殘基由谷氨酸改變?yōu)槔i氨酸，血紅蛋白的親水性明顯下降，從而發(fā)生聚集，使紅細(xì)胞變?yōu)殓牭稜?。這種由遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致某一蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)變化而引起的疾病，稱為“分子病”。

第79頁/共106頁二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病第80頁/共106頁構(gòu)象病PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病PrPc：33-35kD，對蛋白酶敏感，溶于水。PrPsc抗蛋白水解酶，水溶性差，熱穩(wěn)定，無論紫外線及離于輻射、羥胺或Zn2+均不能使其喪失侵染能力。第81頁/共106頁第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)Section3ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein第82頁/共106頁蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)。在溶液中的帶電狀況主要取決于溶液的pH值。等電點(diǎn)（pI）：在某一pH值溶液中，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。一、蛋白質(zhì)的兩性解離：（一）等電點(diǎn)第83頁/共106頁++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)-+---+++凈電荷為零的蛋白質(zhì)COO-NH3+PrCOO-NH2PrCOOHNH3+PrOH-H+pH<pIpH=pIpH>pICOOHNH2PrpH<pI，Pr

+

；pH>pI，Pr-第84頁/共106頁二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)及應(yīng)用：蛋白質(zhì)分子的顆粒直徑已達(dá)1~100nm，處于膠體顆粒的范圍。因此，蛋白質(zhì)具有親水溶膠的性質(zhì)。蛋白質(zhì)分子表面的水化膜和表面電荷是穩(wěn)定蛋白質(zhì)親水溶膠的兩個重要因素。（一）蛋白質(zhì)親水膠體的穩(wěn)定因素第85頁/共106頁蛋白質(zhì)顆粒的表面電荷和水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用水化膜第86頁/共106頁

在某些理化因素的作用下，蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變和生物學(xué)活性的喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性。引起蛋白質(zhì)變性的因素有：①物理因素：高溫、高壓、紫外線、電離輻射、超聲波等；②化學(xué)因素：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽等。三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固二硫鍵和非共價鍵的破壞，肽鍵不被破壞。第87頁/共106頁變性蛋白質(zhì)的性質(zhì)改變：①物理性質(zhì)：溶解度下降，結(jié)晶能力消失，粘度升高，光吸收度增加等；②化學(xué)性質(zhì)：官能團(tuán)反應(yīng)性增加，易被蛋白酶水解。③生物學(xué)性質(zhì)：原有生物學(xué)活性喪失，抗原性改變。第88頁/共106頁蛋白質(zhì)變性的實(shí)際意義：消毒、殺菌低溫保存疫苗變性蛋白質(zhì)易消化第89頁/共106頁蛋白質(zhì)沉淀：蛋白質(zhì)從溶液中析出的現(xiàn)象。方法：鹽析：中性鹽，中和蛋白質(zhì)表面電荷+破壞水化膜被。重金屬鹽：與負(fù)離子結(jié)合形成不溶物。如Mg+、Hg2+等。生物堿試劑或某些酸：與正離子結(jié)合形成不溶物。有機(jī)溶劑：如乙醇、丙酮等。第90頁/共106頁蛋白質(zhì)變性的可逆性：蛋白質(zhì)在體外變性后，絕大多數(shù)情況下是不能復(fù)性的；如變性程度淺，蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象未被嚴(yán)重破壞；或者蛋白質(zhì)具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，并經(jīng)特殊處理則可以復(fù)性。第91頁/共106頁核糖核酸酶的變性與復(fù)性去除變性劑并緩慢氧化天然構(gòu)象尿素，-巰基乙醇變性狀態(tài)第92頁/共106頁加熱使蛋白質(zhì)變性并凝聚成塊狀稱為凝固。因此，凡凝固的蛋白質(zhì)一定發(fā)生變性。第93頁/共106頁（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收：280nm

（酪氨酸、色氨酸）（五）蛋白質(zhì)的成色反應(yīng)

雙縮脲反應(yīng)第94頁/共106頁Thanks！第95頁/共106頁透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。超濾法

（二）透析及超濾法分離純化蛋白質(zhì)第96頁/共106頁透析工作圖半透膜原理第97頁/共106頁分類Ⅰ單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)（如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、金屬蛋白等）分