第二章蛋白質(zhì)化學(xué)

第二章蛋白質(zhì)化學(xué)第1頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三6.防御功能高等動物的免疫反應(yīng)是機體的一種防御機能，它主要也是通過蛋白質(zhì)（抗體）來實現(xiàn)的。凝血與纖溶系統(tǒng)的蛋白因子、溶菌酶、干擾素等，也擔(dān)負著防御和保護功能。7.調(diào)節(jié)功能某些激素、一切激素受體和許多其他調(diào)節(jié)因子都是蛋白質(zhì)。8.信息傳遞功能生物體內(nèi)的信息傳遞過程也離不開蛋白質(zhì)。例如，視覺信息的傳遞要有視紫紅質(zhì)參與，感受味道需要味覺蛋白。視桿細胞中的視紫紅質(zhì)，只需1個光子即可被激發(fā)，產(chǎn)生視覺。9.遺傳調(diào)控功能遺傳信息的儲存和表達都與蛋白質(zhì)有關(guān)。DNA在儲存時是纏繞在蛋白質(zhì)（組蛋白）上的。有些蛋白質(zhì)，如阻遏蛋白，與特定基因的表達有關(guān)。β－半乳糖苷酶基因的表達受到一種阻遏蛋白的抑制，當(dāng)需要合成β－半乳糖苷酶時經(jīng)過去阻遏作用才能表達。10.其他功能某些生物能合成有毒的蛋白質(zhì)，用以攻擊或自衛(wèi)。如某些植物在被昆蟲咬過以后會產(chǎn)生一種毒蛋白。白喉毒素可抑制生物蛋白質(zhì)合成總之，蛋白質(zhì)是生物體生物功能的執(zhí)行者。沒有蛋白質(zhì)也就沒有生命。B蛋白質(zhì)的水解:氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，這個發(fā)現(xiàn)是從蛋白質(zhì)的水解得到的。蛋白質(zhì)的水解主要有三種方法：1.酸水解用6NHCl或4MH2SO4，105℃回流20小時即可完全水解。酸水解不引起氨基酸的消旋，但色氨酸完全被破壞，絲氨酸和蘇氨酸部分破壞，天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解。2.堿水解用5MNaOH，水解10－20小時可水解完全。堿水解使氨基酸消旋，許多氨基酸被破壞，但色氨酸不被破壞。常用于測定色氨酸含量。第2頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三3.酶水解酶水解既不破壞氨基酸，也不引起消旋。但酶水解時間長，反應(yīng)不完全。一般用于部分水解，若要完全水解，需要用多種酶協(xié)同作用。↓……↓↓↓第3頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成1.元素組成所有的蛋白質(zhì)都含有碳氫氧氮四種元素，有些蛋白質(zhì)還含有硫、磷和一些金屬元素。蛋白質(zhì)平均含碳50％，氫7％，氧23％，氮16%氮的含量較為恒定，而且在糖和脂類中不含氮，所以常通過測量樣品中氮的含量來測定蛋白質(zhì)含量。如常用的凱氏定氮原理：蛋白質(zhì)含量＝蛋白氮×6.25其中6.25是16％的倒數(shù)，稱為蛋白系數(shù)。2基本組成組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸稱為基本氨基酸。它們中除脯氨酸外都是α-氨基酸，即在α-碳原子上有一個氨基?；景被岫挤贤ㄊ?，都有單字母和三字母縮寫符號。蛋白質(zhì)的分子量蛋白質(zhì)的分子量變化范圍很大，從6000到100萬或更大。這個范圍是人為規(guī)定的。一般將分子量小于6000的稱為肽。不過這個界限不是絕對的，如牛胰島素分子量為5700，一般仍認為是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)煮沸凝固，而肽不凝固。第4頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三3氨基酸蛋白質(zhì)主要由20種氨基酸構(gòu)成，它們都是a-L-氨基酸：

除了甘氨酸，其余19種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸都至少含有一個不對稱碳原子通過與構(gòu)型標(biāo)準(zhǔn)物－甘油醛比較，氨基酸分為D-型氨基酸和L-型氨基酸，到目前為止，發(fā)現(xiàn)的游離的以及蛋白質(zhì)溫和水解得到的氨基酸絕大多數(shù)是L-型氨基酸。

第5頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第6頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三

第7頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第9頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三不常見的蛋白質(zhì)氨基酸某些蛋白質(zhì)中含有一些不常見的氨基酸，它們是基本氨基酸在蛋白質(zhì)合成以后經(jīng)羥化、羧化、甲基化等修飾衍生而來的。也叫稀有氨基酸或特殊氨基酸。如4-羥脯氨酸、5-羥賴氨酸、鎖鏈素等。其中羥脯氨酸和羥賴氨酸在膠原和彈性蛋白中含量較多。在甲狀腺素中還有3,5-二碘酪氨酸。第10頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三非蛋白質(zhì)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。它們大多是基本氨基酸的衍生物，也有一些是D-氨基酸或β、γ、δ-氨基酸。這些氨基酸中有些是重要的代謝物前體或中間產(chǎn)物，如瓜氨酸和鳥氨酸是合成精氨酸的中間產(chǎn)物，β-丙氨酸是遍多酸（泛酸，輔酶A前體）的前體，γ-氨基丁酸是傳遞神經(jīng)沖動的化學(xué)介質(zhì)。

第12頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三氨基酸的特性:1物理性質(zhì)

2光學(xué)性質(zhì)a旋光性b紫外吸收綜合最大吸收波長280nmPheTyrTry第13頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三C氨基酸的酸堿特性

兩性解離：兩性離子第14頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第15頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三

等電點（pI，isoelectricpoint）

使分子處于兼性分子狀態(tài)，在電場中不遷移（分子的總體凈電荷為零）的pH值。

第16頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三HAc==H++Ac-第18頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三*****第19頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三氨基酸的重要化學(xué)反應(yīng)

1氨基酸與茚三酮反應(yīng)

氨基酸與茚三酮（ninhydrin）的反應(yīng)是一個檢測和定量氨基酸和蛋白質(zhì)的重要反應(yīng)。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（l470），而亞氨基酸，則生成黃色化合物（l440）在一定的反應(yīng)條件下，產(chǎn)生的顏色的強度（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。

第20頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三NinhydrinReactionAmax=570nmRuhemann’spurpleAminoacididentitylostMustseparateaminoacidsfirst第21頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三CSI:?

FingerprintingwithNinhydrinFirstpreparedin1910bySiegfriedRuhemann(English)HeusedittoreactwithaminoacidsIn1954OdenandvonHoffstenuseditasfingerprintreagentChiefbenefitissensitivityDeeplypurpleproductevenifaminoacidcontentlowUsedonporoussurfaces(paper,wood,walls)第22頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三FingerprintingwithNinhydrinOriginalfingerprintScannedimageAcomputerprogrammatchestheprintwithoneinthedatabase.第23頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三氨基酸與2,4-二硝基氟苯反應(yīng)

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

第24頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三氨基酸與苯異硫氰酸酯反應(yīng)

苯異硫氰酸酯（phenylisothiocyanate,PITC）在弱堿性條件下，與氨基酸反應(yīng)生成苯乙內(nèi)酰硫脲（phenylthiohydantoin,PTH）衍生物，即PTH-氨基酸，此反應(yīng)又稱之Edman反應(yīng)，該反應(yīng)是蛋白質(zhì)或多肽氨基酸序列測定常用的反應(yīng)。第25頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三

氨基酸,肽與丹磺酰氯的反應(yīng)

第26頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第27頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第29頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三肽鍵和肽

氨基酸通過肽鍵連接形成的產(chǎn)物稱為肽（peptide）。最簡單的肽是由二個氨基酸殘基形成的肽，稱為二肽。肽單位（peptideunit）：

又稱之肽基（peptidegroup），是肽鏈主鏈上的重復(fù)結(jié)構(gòu)。是由參與肽鍵形成的氮原子和碳原子和它們的4個取代成分：羰基氧原子、酰胺氫原子和兩個相鄰的α-碳原子組成的一個平面單位。

氨基酸殘基第30頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三五肽結(jié)構(gòu)式

第31頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第32頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三GramicidinS,anantibioticproducedbythebacteriumBacillusbreuis.Thearrowsindicatethedirectionfromtheaminotowardthecarboxylendofeachresidue.Thepeptidehasnoterminibecauseitiscircular.Ornisthesymbolforornithine,anaminoacidthatgenerallydoesnotoccurinproteins.NotethatgramicidinScontainstworesiduesofaD-aminoacid(D-phenylalanine).第33頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)第36頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)：

指蛋白質(zhì)中共價連接的氨基酸殘基的排列順序與二硫鍵的位置

Sanger于1953年完成了第一個蛋白質(zhì)－胰島素的氨基酸序列測定。蛋白質(zhì)的氨基酸序列是闡明蛋白質(zhì)生物活性的分子基礎(chǔ)；

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定它的空間結(jié)構(gòu)；

氨基酸序列的改變可以導(dǎo)致蛋白功能異常和疾病；

通過對一些蛋白質(zhì)的氨基酸序列的比較可以反應(yīng)出一些生物親緣關(guān)系

第38頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第39頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第40頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第41頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第42頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第43頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第44頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)——指蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊和盤繞方式（1）α-螺旋（α-helix）Pauling和Corey于1965年提出。結(jié)構(gòu)要點：1）螺旋的每圈有3.6個氨基酸，螺旋間距離為0.54nm，每個殘基沿軸旋轉(zhuǎn)100°。2）每個肽鍵的羰基氧與遠在第四個氨基酸氨基上的氫形成氫鍵（hydrogenbond），氫鍵的走向平行于螺旋軸，所有肽鍵都能參與鏈內(nèi)氫鍵的形成?！狢—(NH—C—CO)3N—OHHR3.613(ns)第45頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第46頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第48頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第49頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第50頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第51頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第52頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第53頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第54頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第55頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第56頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三無規(guī)則卷曲細胞色素C的三級結(jié)構(gòu)無規(guī)卷曲示意圖第57頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第58頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)構(gòu)域示意圖在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽進一步卷曲折疊成幾個相對獨立、近似球形的三維實體，再由兩個或兩個以上這樣的三維實體締合成三級結(jié)構(gòu)，這種相對獨立的三維實體稱為結(jié)構(gòu)域第59頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第60頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三Gly-X-ProorGly-X-Hyp第61頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第62頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象、高級結(jié)構(gòu))

—蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)—蛋白質(zhì)分子中所有原子（包括主鏈和側(cè)鏈）在三維空間的排列分布。第63頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三共價鍵次級鍵化學(xué)鍵肽鍵一級結(jié)構(gòu)氫鍵二硫鍵二、三、四級結(jié)構(gòu)疏水鍵其它：鹽鍵配位鍵范德華力三、四級結(jié)構(gòu)（三）蛋白質(zhì)分子中的共價鍵與次級鍵第64頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第65頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第66頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第67頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第68頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三

重要概念亞基亞基本身都具有球狀三級結(jié)構(gòu)，一般只包含一條多肽鏈，也有的由二條或二條以上由二硫鍵連接的肽鏈組成。第69頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第70頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第71頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系種屬差異蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的種屬差異十分明顯，但相同部分氨基酸對蛋白質(zhì)的功能起決定作用。根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，可以斷定它們在親緣關(guān)系上的遠近。第72頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三不同生物與人的Cytc的AA差異數(shù)目生物與人不同的AA數(shù)目黑猩猩0恒河猴1兔9袋鼠10牛、豬、羊、狗11馬12雞、火雞13響尾蛇14海龜15金槍魚21角餃23小蠅25蛾31小麥35粗早鏈孢霉43酵母44

第73頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三貧血病人血紅蛋白（HbS）分子中的b鏈的第六個氨基酸殘基是一個非極性的纈氨酸，而正常的HbA分子中的b鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼b鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的名詞：分子病——蛋白質(zhì)分子一級結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序與正常有所不同的遺傳病。第74頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)前體的激活與一級結(jié)構(gòu)豬胰島素原激活成形成胰島素示意圖

第75頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三鐮狀細胞貧血（sick-cellanemia）從患者紅細胞中鑒定出特異的鐮刀型或月牙型細胞。β-鏈1234567Hb-AVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys…Hb-SVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…Val取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑點含氧HbS脫氧HbS疏水位點血紅蛋白分子凝集第76頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)的變性天然蛋白質(zhì)受物理或化學(xué)因素的影響，其共價鍵不變，但分子原有的構(gòu)象發(fā)生變化，致使其原有的功能喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性。變性蛋白質(zhì)主要標(biāo)志是生物學(xué)功能的喪失。溶解度降低，易形成沉淀析出，結(jié)晶能力喪失，分子形狀改變，肽鏈松散，反應(yīng)基團增加，易被酶消化。變性蛋白質(zhì)分子互相凝集為固體的現(xiàn)象稱凝固。有些蛋白質(zhì)的變性作用是可逆的，其變性如不超過一定限度，經(jīng)適當(dāng)處理后，可重新變?yōu)樘烊坏鞍踪|(zhì)，稱為復(fù)性。蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系第77頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第78頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第79頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)和輸氧功能第80頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三別（變）構(gòu)作用：含亞基的蛋白質(zhì)由于一個亞基的構(gòu)象改變而引起其余亞基和整個分子構(gòu)象、性質(zhì)和功能發(fā)生改變的作用。因別構(gòu)而產(chǎn)生的效應(yīng)稱別構(gòu)效應(yīng)。血紅蛋白是別構(gòu)蛋白，O2結(jié)合到一個亞基上以后，影響與其它亞基的相互作用。肌紅蛋白血紅蛋白在肺部O2的壓力在毛細血管中O2的壓力飽和度00.5120406080100120O2壓力第81頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)

蛋白質(zhì)的重要理化性質(zhì)

一、兩性解離性質(zhì)及等電點二、蛋白質(zhì)膠體性質(zhì)三、蛋白質(zhì)的變性四、蛋白質(zhì)的沉淀五、蛋白質(zhì)的光學(xué)特性和顏色反應(yīng)第82頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三

蛋白質(zhì)兩性解離性質(zhì)和等電點

pH=pI

凈電荷=0

pH<pI凈電荷為正pH>pI凈電荷為負PrCOOHNH3++H++

OH-+H++

OH-PrCOO-NH2PrCOO-NH3+

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液在某一定pH值時，使某特定蛋白質(zhì)分子上所帶正負電荷相等，成為兩性離子，在電場中既不向陽極也不向陰極移動，此時溶液的pH值即為該蛋白質(zhì)的等電點（isoelectricpoint，pI）。第83頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三

蛋白質(zhì)膠體性質(zhì)

由于蛋白質(zhì)分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的顆粒，因而具有膠體溶液的特征?？扇苄缘鞍踪|(zhì)分子表面分布著大量極性氨基酸殘基，對水有很高的親和性，通過水合作用在蛋白質(zhì)顆粒外面形成一層水化層，同時這些顆粒帶有電荷，因而蛋白質(zhì)溶液是相當(dāng)穩(wěn)定的親水膠體。

蛋白質(zhì)膠體性質(zhì)的應(yīng)用透析法:利用蛋白質(zhì)不能透過半透膜的的性質(zhì)，將含有小分子雜質(zhì)的蛋白質(zhì)溶液放入透析袋再置于流水中，小分子雜質(zhì)被透析出，大分子蛋白質(zhì)留在袋中，以達到純化蛋白質(zhì)的目的。這種方法稱為透析（dialysis）。

鹽析法:在蛋白質(zhì)溶液中加入高濃度的硫酸銨、氯化鈉等中性鹽，可有效地破壞蛋白質(zhì)顆粒的水化層。同時又中和了蛋白質(zhì)表面的電荷，從而使蛋白質(zhì)顆粒集聚而生成沉淀，這種現(xiàn)象稱為鹽析（saltingout）。第84頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三第85頁，共94頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)的沉淀

如果加入適當(dāng)?shù)脑噭┦沟鞍踪|(zhì)分子處于等電點狀態(tài)或失去水化層（消除相同電荷，除去水膜），蛋白質(zhì)膠體溶液就不再穩(wěn)定并將產(chǎn)生沉淀。沉淀方法類別:

1、高濃度中性鹽（鹽析、鹽溶）2、酸鹼（等電點沉淀）3、有機溶劑沉淀4、重金屬鹽類沉淀5、生物堿試劑和某些酸類沉淀