第01章蛋白質(zhì)化學課件

第一篇

生物大分子的結構與功能蛋白質(zhì)：生命的物質(zhì)基礎核酸

：遺傳的物質(zhì)基礎酶：生物催化劑生物大分子是由某些基本結構單位按一定順序和方式連接所形成的多聚體。MW＞104第一章蛋白質(zhì)的結構與功能Chapter1StructureandFunctionofProtein本章主要介紹：1.蛋白質(zhì)的分子組成2.蛋白質(zhì)的分子結構3.蛋白質(zhì)分子結構與功能的關系4.蛋白質(zhì)的主要理化性質(zhì)什么是蛋白質(zhì)呢？蛋白質(zhì)(protein)：

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)基礎什么是蛋白質(zhì)?Theproteinkeratinisthechiefstructuralcomponentsofhair,horn,wool,nailsandfeathers.第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成Section1TheMolecularComponentsofProtein1．碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)

2．N,~16%；Pr標志性元素故每克氮相當與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：CαRH2NHCOOH或CαRH3N+HCOO-L-

-氨基酸的結構通式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H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式Rα-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。構成人體Pr的20種AAs的結構特點:GlyAlaPheGlu（一）氨基酸的分類根據(jù)氨基酸側(cè)鏈Ｒ基團的結構和理化性質(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)酸性氨基酸堿性氨基酸兩種特殊的氨基酸脯氨酸——羥脯氨酸HO羥脯氨酸2分子半胱氨酸——胱氨酸（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、氨基酸與多肽苯丙氨酸二肽丙氨酰苯丙氨酸CCH2COOHHNHHOH丙氨酸COCNH2HCH3CCOCNH2HCH3CH2COOHHNH肽鍵H2O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。1.谷胱甘肽（glutathione,GSH）：是一種三肽化合物。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)導作用相關如腦啡肽（5肽）、

-內(nèi)啡肽（31肽）、強啡肽（17肽）等。3.神經(jīng)肽：第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結構Section2MolecularStructureandFunctionofProtein蛋白質(zhì)的分子結構劃分為一、二、三、四級結構四個結構層次。除一級結構外，蛋白質(zhì)的二、三、四級結構均屬于空間結構，即構象（conformation）。構象是由于有機分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)所形成的。蛋白質(zhì)的構象通常由非共價鍵（次級鍵）來維系。一、蛋白質(zhì)的一級結構蛋白質(zhì)的一級結構(primarystructure)是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序。維系蛋白質(zhì)一級結構的主要化學鍵為肽鍵。牛胰島素的一級結構胰島素的一級結構各種蛋白質(zhì)的根本差異在于一級結構的不同維系蛋白質(zhì)空間構象的非共價鍵1.氫鍵：氫鍵(hydrogenbond)的形成常見于連接在一電負性很強的原子上的氫原子，與另一電負性很強的原子之間，如>C=O┅┅H-N<。氫鍵在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的空間結構上起著重要的作用。但氫鍵的鍵能較低(~12kJ/mol)，易被破壞。

蛋白質(zhì)分子中氫鍵的形成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)鏈是非極性的，這些非極性的基團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。疏水作用示意圖3.離子鍵：離子鍵(saltbond)是由帶正電荷基團與帶負電荷基團之間相互吸引而形成的化學鍵。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。

蛋白質(zhì)分子中離子鍵的形成維系蛋白質(zhì)分子構象的非共價鍵（一）蛋白質(zhì)的二級結構蛋白質(zhì)的二級結構(secondarystructure)是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈原子局部的空間結構，但不包括與其他肽段的相互關系及側(cè)鏈構象的內(nèi)容。維系蛋白質(zhì)二級結構的主要化學鍵是氫鍵。二、蛋白質(zhì)分子的空間結構蛋白質(zhì)立體結構原則：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成剛性平面結構。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構可以作相對旋轉(zhuǎn)。肽單元的形成肽單元——由于肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，使參與肽鍵構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）。肽單元示意圖蛋白質(zhì)的二級結構類型

-螺旋

-折疊

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲（1）α-螺旋(α-helix)最常見的二級結構概念:由肽鍵平面沿一中心軸旋轉(zhuǎn)所形成的有規(guī)律的螺旋構象。α－螺旋的結構特征:(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。(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。(3)主鏈原子構成螺旋的主體,側(cè)鏈在其外部。（4）螺旋以氫鍵維系。（2）

-折疊（-pleatedsheet）：

-折疊：肽鍵平面呈伸展的鋸齒狀排列形成的結構。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構；⑵主鏈骨架伸展呈鋸齒狀；⑶借相鄰主鏈之間的氫鍵維系。（3）

-轉(zhuǎn)角（

-turn）：

-轉(zhuǎn)角(

-turn)是多肽鏈出現(xiàn)180°回折的轉(zhuǎn)角處結構。其結構特征為：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成;⑶構象依靠第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。（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)律的卷曲構象。常見于球狀蛋白質(zhì)分子中，在其它類型二級結構肽段之間起活節(jié)作用，有利于整條肽鏈盤曲折疊。H2NCOOH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構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，被稱為模體。是具有特殊功能的超二級結構。已知的模體有：βαβ，βββ，α環(huán)α，αββ模體（motif)鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體

鋅指結構核糖核酸酶分子中的二級結構α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲（二）、蛋白質(zhì)的三級結構蛋白質(zhì)的三級結構(tertiarystructure)是指整條多肽鏈中所有原子的空間排布，包含主鏈構象和側(cè)鏈構象。維系三級結構的化學鍵主要是非共價鍵（次級鍵），如疏水鍵、氫鍵、鹽鍵等。胰島素分子的三級結構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)大分子蛋白質(zhì)的三級結構，?？煞指畛啥鄠€球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊的較為緊密，各行其功能，稱為結構域。這些結構域再締合成具有三級結構的蛋白質(zhì)分子或亞基。結構域（domain）：對那些較小的蛋白質(zhì)分子來說，結構域和三級結構往往是一個意思，也就是說是單結構域的。一般來說，大的蛋白質(zhì)分子可以由2個或更多個結構域組成。纖連蛋白(fibronectin)分子的結構域(部分序列)Ⅳ型膠原酶的結構域分子伴侶(chaperon)：幫助新生的肽鏈形成正確的空間構象的蛋白質(zhì)。（三）、蛋白質(zhì)的四級結構亞基(subunit)就是指參與構成蛋白質(zhì)四級結構的、每條具有的獨立三級結構的多肽鏈。蛋白質(zhì)的四級結構（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構。維系蛋白質(zhì)四級結構的是次級鍵，絕無共價鍵。亞基的立體排布方式蛋白質(zhì)分子的結構層次第三節(jié)蛋白質(zhì)結構與功能的關系Section3Relationbetweenstructureandfunctionofprotein一、一級結構是高級結構與功能的基礎1.一級結構決定蛋白質(zhì)的空間結構2.一級結構相似的蛋白質(zhì)有相似的高級結構與功能3.氨基酸序列提供重要的生物進化信息4.重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病鐮刀狀紅細胞貧血Hb

亞基一級結構的改變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在鐮刀狀紅細胞貧血患者中，由于基因突變導致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，使紅細胞變?yōu)殓牭稜?。這種由遺傳物質(zhì)突變導致某一蛋白質(zhì)一級結構變化而引起的疾病，稱為“分子病”。

二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定的空間結構蛋白質(zhì)構象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質(zhì)的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(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)構象改變與疾病構象病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。第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)Section3ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein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（pI）：在某一pH值溶液中，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，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。一、蛋白質(zhì)的兩性解離：（一）等電點++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(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-二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)及應用：蛋白質(zhì)分子的顆粒直徑已達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)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(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在某些理化因素的作用下，蛋白質(zhì)特定的空間構象被破壞，從而導致其理化性質(zhì)的改變和生物學活性的喪失，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化學因素：強酸、強堿、有機溶劑、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。變性蛋白質(zhì)的性質(zhì)改變：①物理性質(zhì)：溶解度下降，結晶能力消失，粘度升高，光吸收度增加等；②化學性質(zhì)：官能團反應性增加，易被蛋白酶水解。③生物學性質(zhì)：原有生物學活性喪失，抗原性改變。蛋白質(zhì)變性的實際意義：消毒、殺菌低溫保存疫苗變性蛋白質(zhì)易消化蛋白質(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：與負離子結合形成不溶物。如Mg+、Hg2+等。生物堿試劑或某些酸：與正離子結合形成不溶物。有機溶劑：如乙醇、丙酮等。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)情況下是不能復性的；如變性程度淺，蛋白質(zhì)分子的構象未被嚴重破壞；或者蛋白質(zhì)具有特殊的分子結構，并經(jīng)特殊處理則可以復性。核糖核酸酶的變性與復性去除變性劑并緩慢氧化天然構象尿素，

-巰基乙醇變性狀態(tài)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。（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

雙縮脲反應Thanks！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)透析工作圖半透膜原理分類Ⅰ單純蛋白質(zhì)結合蛋白質(zhì)（如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、金屬蛋白等）分類Ⅱ纖維狀蛋白質(zhì)（一般不溶于水。如膠原蛋白)球狀蛋白質(zhì)（可溶