第二章蛋白質(zhì)化學(xué)

第二章蛋白質(zhì)化學(xué)第1頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章蛋白質(zhì)化學(xué)主要內(nèi)容：主要介紹蛋白質(zhì)的構(gòu)件單位——氨基酸的結(jié)構(gòu)、分類、性質(zhì)。了解肽的概念、結(jié)構(gòu)。重點討論蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)和功能的相互關(guān)系。第2頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月目錄第一節(jié)蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能及元素組成第二節(jié)蛋白質(zhì)的基本組成單位──氨基酸第三節(jié)肽第四節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)第五節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第六節(jié)蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)第七節(jié)蛋白質(zhì)的分離純化技術(shù)第八節(jié)蛋白質(zhì)的分類第3頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能及元素組成第4頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月一、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45％；某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80％。蛋白質(zhì)幾乎參與所有的生命活動與生命過程，是生命活動的體現(xiàn)者。生物個體間表現(xiàn)出的差異就是體內(nèi)蛋白質(zhì)不同造成的。第5頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月抗體免疫功能5胰島素、生長激素調(diào)節(jié)功能4血紅蛋白運(yùn)輸功能3肌肉蛋白、膠原蛋白結(jié)構(gòu)功能2酶催化功能1舉例功能序號……蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能第6頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月生物界蛋白質(zhì)種類估計在1010-1012數(shù)量級，如此眾多的蛋白質(zhì)其元素組成是不是很復(fù)雜呢？二、蛋白質(zhì)的化學(xué)組成第7頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）蛋白質(zhì)的元素組成五種主要元素

C（50%-55%）H（6%-7%）O（19%-24%）N（15%-18%）S（0-4%）其它元素：P、Fe、Cu、Zn、I、Mo等第8頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月凱氏定氮法測蛋白質(zhì)含量：蛋白質(zhì)含量＝蛋白質(zhì)含N量×100/16

＝蛋白質(zhì)含N量×6.25氮在絕大多數(shù)蛋白質(zhì)中含量相當(dāng)接近，一般為15%-18%，平均值為16%左右。丹麥化學(xué)家約翰·凱達(dá)爾很巧妙的想到，既然氮含量相對穩(wěn)定，只要準(zhǔn)確測量出氮的含量，便能推算出蛋白質(zhì)的含量。發(fā)表于1883年的這一方法，為蛋白質(zhì)的檢測做出了巨大貢獻(xiàn)。第9頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月含氮量：66.7%C3H6N6第10頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

自然界任何蛋白質(zhì)純品經(jīng)酸、堿、酶徹底水解后，所得的最終產(chǎn)物都是氨基酸（aminoacid，aa），因此氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位。（二）蛋白質(zhì)的基本單位第11頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月一、蛋白質(zhì)中常見的氨基酸二、二十種常見的蛋白質(zhì)氨基酸分類及結(jié)構(gòu)三、蛋白質(zhì)中的稀有氨基酸四、非蛋白質(zhì)氨基酸五、氨基酸的酸堿性質(zhì)六、氨基酸的立體化學(xué)七、氨基酸的吸收光譜八、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)第二節(jié)蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸第12頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物體內(nèi)的氨基酸類別蛋白質(zhì)氨基酸：參與蛋白質(zhì)組成的常見氨基酸或稱基本氨基酸，只有20種。它們都有遺傳密碼。稀有的蛋白質(zhì)氨基酸：蛋白質(zhì)組成中，除上述20種常見氨基酸外，從少數(shù)蛋白質(zhì)中還分離出一些稀有氨基酸，它們都是相應(yīng)常見氨基酸的衍生物。非蛋白質(zhì)氨基酸：生物體內(nèi)呈游離或結(jié)合態(tài)的氨基酸。不構(gòu)成蛋白質(zhì)，目前發(fā)現(xiàn)的已超過300種。第13頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月-氨基酸的通式每個氨基酸分子至少都含有一個氨基(-NH2)和一個羧基(-COOH)，并連在同一個碳原子上。R基不同、氨基酸不同。最簡單的氨基酸的R？第14頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月判斷以下哪些是組成蛋白質(zhì)的氨基酸？CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2OHCHNH2HCH2COOH√√××第15頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)習(xí)慣用希臘字母C原子編號的方式第16頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)I養(yǎng)學(xué)分類

必需aa非必需aa據(jù)R基團(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)分類

脂肪族aa（中性、含羥基或巰基、酸性、堿性）芳香族aa（Phe、Tyr、Trp）雜環(huán)aa（His、Pro）據(jù)R基團(tuán)極性分類極性R基團(tuán)aa非極性R基團(tuán)aa（８種）不帶電荷（７種）據(jù)氨基、羧基數(shù)分類一氨基一羧基aa一氨基二羧基aa（Glu、Asp）二氨基一羧基aa（Lys、His、Arg）帶電荷：正電荷（３種）負(fù)電荷（２種）二、20種常見蛋白質(zhì)氨基酸的分類第17頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月1、按照R基團(tuán)的極性分類（1）R為非極性或疏水性的aa（8種）Ala、Val、Leu、Ile、Met、Pro、Phe、Trp由于側(cè)鏈基團(tuán)都是非極性或疏水的，因此這類aa不易溶于水。一般位于蛋白質(zhì)的疏水核心，在維持蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)中起著重要作用。第18頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月丙氨酸Ala,A纈氨酸Val，V亮氨酸Leu，L異亮氨酸Ile，I非極性R基團(tuán)氨基酸第19頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月苯丙氨酸Phe，F(xiàn)色氨酸Trp，W吲哚環(huán)甲硫氨酸Met，M脯氨酸Pro，P吡咯環(huán)第20頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）R為極性不帶電荷的aa（7種）Ser、The、Tyr、Cys、Asn、Gln、Gly側(cè)鏈都能與水形成氫鍵，易溶于水。第21頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月甘氨酸Gly,G絲氨酸Ser，S蘇氨酸Thr，T半胱氨酸Cys，C天冬酰胺Asn，N谷氨酰胺Gln，Q酪氨酸Tyr，Y第22頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）R為帶電荷的aa（5種）帶正電荷（3種）Lys、Arg、His（堿性氨基酸）帶負(fù)電荷（2種）Asp、Glu（酸性氨基酸）帶電荷的aa和極性aa一般位于蛋白質(zhì)表面。第23頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月天冬氨酸Asp，D谷氨酸Glu，ER基團(tuán)帶負(fù)電荷的氨基酸第24頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月組氨酸His，H咪唑基賴氨酸Lys，K精氨酸Arg，RR基團(tuán)帶正電荷的氨基酸第25頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月2、根據(jù)R基團(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)分類（1）脂肪族aa中性(Gly、Ala、Val、Leu、Ile)含羥基或硫(Ser、Thr、Cys、Met)酸性及其酰胺(Asp、Glu、Asn、Gln)堿性(Lys、Arg、His)（2）雜環(huán)aa

(His、Pro)（3）芳香族aa(Phe、Tyr、Trp)第26頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月丙氨酸Ala,A纈氨酸Val，V亮氨酸Leu，L異亮氨酸Ile，I中性脂肪族氨基酸含羥基或硫脂肪族氨基酸絲氨酸Ser，S蘇氨酸Thr，T半胱氨酸Cys，C甲硫氨酸Met，M甘氨酸Gly,G第27頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸Asp，D谷氨酸Glu，E天冬酰胺Asn，N谷氨酰胺Gln，Q第28頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月堿性氨基酸

賴氨酸Lys，K精氨酸Arg，R組氨酸His，H咪唑基第29頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月雜環(huán)氨基酸

組氨酸His，H脯氨酸Pro，P吡咯環(huán)第30頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月芳香族氨基酸

苯丙氨酸Phe，F(xiàn)酪氨酸Tyr，Y色氨酸Trp，W吲哚環(huán)第31頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月3、按人類自身能否合成分類（1）必需aa（8種）必需氨基酸：人體自身不能合成或合成速度不能滿足人體需要，必須從食物中攝取的氨基酸。Met、Val、Lys、Ile、Phe、Leu、Trp、Thr（2）非必需aa（12種）第32頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月甲硫氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、蘇氨酸甲

攜來一本亮色書必需氨基酸：Met

Val

Lys

Ile

Phe

Leu

Trp

Thr甲硫氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、蘇氨酸纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、蘇氨酸、賴氨酸攜一兩本淡色書來第33頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月4、按氨基、羧基數(shù)分類（1）一氨基一羧基aa（2）二氨基一羧基aaLys、His、Arg（3）一氨基二羧基aaGlu、Asp第34頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月三、蛋白質(zhì)中的稀有氨基酸蛋白質(zhì)組成中，除上述20種常見氨基酸外，從少數(shù)蛋白質(zhì)中還分離出一些稀有氨基酸，它們都是相應(yīng)常見氨基酸的衍生物。如4-羥脯氨酸、5-羥賴氨酸等。

第36頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月（膠原蛋白的組成成分）（肌球蛋白）（凝血酶原及某些具有結(jié)合Ca2+離子功能的蛋白質(zhì)）

第37頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第21和22種氨基酸硒代半胱氨酸（Sec或SeCys，U）UGA存在于少數(shù)一些酶中，如谷胱甘肽過氧化酶、甲狀腺素5'-脫碘酶、硫氧還蛋白還原酶、甲酸脫氫酶、甘氨酸還原酶和一些氫化酶等。SeCys的結(jié)構(gòu)和Cys類似，只是其中的S被Se取代。吡咯賴氨酸（Pyl，O）UAG在產(chǎn)甲烷菌的甲胺甲基轉(zhuǎn)移酶中發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)氨基酸不同的是，它由終止密碼子UAG的有義編碼形成。也可以參與蛋白質(zhì)的合成第38頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月四、非蛋白質(zhì)氨基酸生物體內(nèi)各種組織和細(xì)胞中還存在著許多不參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸，稱為非蛋白質(zhì)氨基酸。第39頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月重要的中間代謝物神經(jīng)遞質(zhì)維生素泛酸的組成成分第40頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月在晶體和水溶液中，aa主要以解離的形式存在。羧基帶上一個負(fù)電荷，氨基帶上一個正電荷。偶極離子（兼性離子、兩性離子）非解離形式五、氨基酸的酸堿性質(zhì)第41頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

氨基酸的解離兩性離子形式的氨基酸既可以作為堿接受H+

，又可以作為酸電離出H+

，因而它具有酸堿兩性性質(zhì)。pH低時pH高時第42頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月酸堿質(zhì)子理論陽離子（A+）兩性離子（Ao）陰離子（A-）質(zhì)子供體質(zhì)子受體第一步解離第二步解離Ka1=[Ao][H+][A+]Ka2=[A-][H+][Ao]第43頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月甘氨酸滴定曲線（解離曲線）第44頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月pH=pI

凈電荷=0

pH<pI凈電荷為正pH>pI凈電荷為負(fù)CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++

OH-+H++

OH-(pK1)(pK2)當(dāng)氨基酸溶液在某一pH值時，使某特定氨基酸分子上所帶正負(fù)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值即為該氨基酸的等電點(isoelctricpoint)。氨基酸的等電點（pI）第45頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月甘氨酸滴定曲線一氨基一羧基aa的等電點計算：pI=2pK1+pK2第46頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月一氨基一羧基aa的等電點計算推導(dǎo)相乘在等電點時，=[A+][A-]=Ka1Ka2[A-][A+][H+]2則=Ka1Ka2[H+]2得到Ka1=[Ao][H+][A+]Ka2=[A-][H+][Ao]第47頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月以I代表等電點時的氫離子濃度，則：=Ka1Ka2I2進(jìn)一步得到：=pKa1+

pKa22pI等式兩邊取負(fù)對數(shù)，得到：12=(pKa1+

pKa2)pIpI值與離子濃度無關(guān)，只取決于兩性離子兩側(cè)的pKa值。第48頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

側(cè)鏈可解離的氨基酸呢？第49頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

組氨酸是pI值唯一在7附近的氨基酸，血紅蛋白中含有較多His殘基，這使得它具有顯著的緩沖能力。第50頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月要點:（1）氨基酸pI的計算（2）不同pH時的電泳行為

pH>pI時，帶負(fù)電荷，向正極移動

pH=pI時，凈電荷為零

pH<pI時，帶正電荷，向負(fù)極移動（3）pI時，氨基酸的溶解度最大？最??？最小

氨基酸的等電點（pI）第54頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月等電點的用途氨基酸（蛋白質(zhì)）在等電點時，溶解度最小。根據(jù)等電點的大小判斷氨基酸（蛋白質(zhì)）的酸堿性。根據(jù)等電點差別分離純化氨基酸（蛋白質(zhì)）沉淀法、電泳法第55頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月六、氨基酸的立體化學(xué)第56頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月-氨基酸的立體異構(gòu)體第57頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月連接了4個不同原子或基團(tuán)的碳原子稱為不對稱碳原子，又稱手性碳原子。不對稱碳原子都具有旋光性，又稱為手性。具有一個手性碳原子的化學(xué)物，存在一對互為鏡像對稱的立體異構(gòu)體，稱為對映體。一對對映體具有相同的分子式但構(gòu)型不同。第58頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸除甘氨酸外，均含有手性α-碳原子，與該α-碳原子相連的四個原子或基團(tuán)在空間可以有兩種排列方式：L-構(gòu)型與D-構(gòu)型。給定氨基酸的一種異構(gòu)體溶液在旋光計上使偏振光平面右旋，它的另一個異構(gòu)體就使偏振光平面左旋。這種能使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)稱作旋光性。右旋體：偏振面順時針旋轉(zhuǎn)，用（+）或d表示左旋體：偏振面逆時針旋轉(zhuǎn)，用（–）或l表示構(gòu)型與旋光方向無直接對應(yīng)關(guān)系第59頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月各氨基酸的構(gòu)型是與甘油醛比較而確定的。甘油醛的構(gòu)型由X-射線結(jié)構(gòu)分析確立。

第60頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第61頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月有些氨基酸除α-碳原子外，還有第二個手性碳原子。如蘇氨酸、異亮氨酸、羥脯氨酸、羥賴氨酸等。蘇氨酸的光學(xué)異構(gòu)體第62頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Gly無旋光性，一種構(gòu)型；Thr和Ile有四種光學(xué)異構(gòu)體；其余17種氨基酸有兩種光學(xué)異構(gòu)體：L-型、D-型。自然界中，組成蛋白質(zhì)的氨基酸都是L-型；也存在一些D-型氨基酸，但僅存在于少數(shù)幾種小肽中。同一種L-型AA在不同溶劑中測定時，其比旋光值和旋光方向也會不同；在實驗室有機(jī)合成的氨基酸為D-型和L-型的混合物，長時間放置，L-型會轉(zhuǎn)變?yōu)镈-型。第63頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月含有手性碳原子的化合物都有旋光異構(gòu)體，但不一定有旋光性。（不對稱碳原子都具有旋光性，又稱為手性）胱氨酸第64頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月七、氨基酸的吸收光譜

參與蛋白質(zhì)組成的20種氨基酸中，只有色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基團(tuán)中含有苯環(huán)共軛雙鍵系統(tǒng)，在紫外光區(qū)顯示特征的吸收譜帶，最大光吸收（max）分別為280、275和257nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)都含有這些氨基酸殘基，最大吸收波長一般是280nm，因此用紫外分光光度法可測定蛋白質(zhì)含量。第65頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月芳香族氨基酸的吸收光譜第66頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月八、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)亞硝酸鹽反應(yīng)烴基化反應(yīng)?；磻?yīng)脫氨基反應(yīng)西佛堿反應(yīng)側(cè)鏈反應(yīng)成鹽成酯反應(yīng)成酰氯反應(yīng)脫羧基反應(yīng)疊氮反應(yīng)第67頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月+HNO2+N2↑收集反應(yīng)放出的氮氣，可用來測定氨基酸的含量，這種測定氨基酸含量的方法稱為范斯萊克（Vanslyke）氨基測定法。氮氣一半來自氨基氮，一半來自亞硝酸，通常情況下測定生成的氮氣的體積量即可計算氨基酸的量，此反應(yīng)可用于測定蛋白質(zhì)的水解程度。1、與亞硝酸反應(yīng)（一）α-NH2參加的反應(yīng)第68頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月?；噭浩S氧酰氯、叔丁氧甲酰氯、苯二甲酸酐、對-甲苯磺酰氯等。這些?；噭┰诙嚯暮偷鞍踪|(zhì)合成中被用作氨基的保護(hù)試劑。

丹磺酰氯（5-二甲基氨基萘-1-磺酰氯）DNS-Cl2、?；磻?yīng)第69頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

與丹磺酰氯反應(yīng)，生成DNS-氨基酸第70頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

Gly－Ala－Ser－Leu－PheDNS－Gly－Ala－Ser－Leu－Phe水解產(chǎn)物：DNS－Gly、Ala、Ser、Leu、PheDNS-氨基酸被紫外光激發(fā)后發(fā)黃綠色熒光，可以用于多肽N端aa的標(biāo)記和微量aa的測定。DNS-Cl可用于多肽鏈—NH2末端氨基酸的標(biāo)記第71頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月氨基酸氨基中一個H原子可被烴基（包括環(huán)烴及其衍生物）取代。

X3、烴基化反應(yīng)第72頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-aa(黃色)++HF弱堿中氨基酸（1）氨基酸與2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反應(yīng)

（Sanger反應(yīng)）第73頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月二硝基苯基氨基酸（DNP-氨基酸）呈黃色，可以用層析法鑒定。Sanger用此反應(yīng)來測定蛋白質(zhì)的N末端氨基酸。第74頁，課件共83頁