蛋白質(zhì)化學中職生物化學

關(guān)于蛋白質(zhì)化學中職生物化學第2頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

認識蛋白質(zhì)十八世紀，人們根據(jù)物質(zhì)受熱后的性質(zhì)變化，將物質(zhì)分為二類，一是受熱后其性質(zhì)保持不變的，稱為無機物（如金屬、鹽類、水等）；另一類受熱后發(fā)生質(zhì)的變化，因其大部分直接或間接來自有機體，故稱為有機物。1777年，法國化學家馬凱（MacquerP.J.）將加熱后能凝固的物質(zhì)稱為“蛋白性物質(zhì)”。十九世紀三十年代，荷蘭生理學家米勒（MüllerG.J.）用元素分析法對血清、蛋清、蠶絲等進行分析發(fā)現(xiàn)，它們的元素組成都很相似，可用化學式C40H62N10O12來表示。而且，他發(fā)現(xiàn)可用此化學式表示的物質(zhì)在生物體中無所不在，認為這種物質(zhì)對生物體是最重要的，于是命名為proteid。同時，瑞典化學家柏齊力烏斯（Berzelius）稱之為protein，此詞來自希臘語，意思是“最重要的”、“第一位的”。這就是我們中國人所稱之為的蛋白質(zhì)。第3頁,共91頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)在生命中的重要性

恩格斯曾指出：“生命是蛋白體存在的一種形式，這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學組成部分的不斷的自我更新?！?/p>

第一，蛋白體是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)；

第二，生命是物質(zhì)運動的特殊形式，是蛋白體的存在方式；

第三，這種存在方式的本質(zhì)就是蛋白體與其外部自然界不斷的新陳代謝。第4頁,共91頁，2024年2月25日，星期天Nat.CellBiol.：英國發(fā)現(xiàn)“餓死”癌細胞方法研究人員發(fā)現(xiàn)一種名為NF－kB的蛋白質(zhì)控制著其能量供應(yīng)方式的轉(zhuǎn)換，如果抑制這種蛋白質(zhì)的功能，癌細胞就不能按需轉(zhuǎn)換能量供應(yīng)方式，會進入能量供應(yīng)不足的狀態(tài)甚至“餓死”。第5頁,共91頁，2024年2月25日，星期天Firefliesemitlightcatalyzedbyluciferase（熒光素酶）withATP第6頁,共91頁，2024年2月25日，星期天Erythrocytes（紅細胞）containalargeamountofhemoglobins（血紅蛋白）,theoxygen-transportingprotein.第7頁,共91頁，2024年2月25日，星期天Theproteinkeratin（角蛋白）isthechiefstructuralcomponentsofhair,horn,wool,nailsandfeathers.第8頁,共91頁，2024年2月25日，星期天什么是蛋白質(zhì)？蛋白質(zhì)是一切生物體中普遍存在的，由20種左右天然α-氨基酸通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物；其種類繁多，具有一定的相對分子量、復雜分子結(jié)構(gòu)和特定生物學功能；是表達生物遺傳形狀的一類主要物質(zhì)。第9頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

一、蛋白質(zhì)的元素組成

二、氨基酸—蛋白質(zhì)的基本組成單位第一節(jié)、蛋白質(zhì)的化學組成第10頁,共91頁，2024年2月25日，星期天一、蛋白質(zhì)的元素組成第11頁,共91頁，2024年2月25日，星期天蛋白氮占生物組織所有含氮物質(zhì)的絕大部分。蛋白質(zhì)含氮量恒定，大多數(shù)蛋白質(zhì)含氮量接近于16%蛋白質(zhì)含量=每克樣品中含氮的克數(shù)

6.25凱氏定氮法第12頁,共91頁，2024年2月25日，星期天——蛋白質(zhì)的基本組成單位二、氨基酸AminoAcid(AA)*

氨基酸的結(jié)構(gòu)

氨基酸的分類

稀有氨基酸

非蛋白質(zhì)氨基酸氨基酸的性質(zhì)第13頁,共91頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)和多肽可被催化水解蛋白質(zhì)——月示——胨——多肽——肽——AA1*1045*1032*1031000200100

酸/堿能將蛋白完全水解

得到各種AA的混合物酶水解一般是部分水解得到多肽片段和AA的混合物氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位1、蛋白質(zhì)的水解第14頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2、氨基酸的結(jié)構(gòu)自然界氨基酸有300種，蛋白質(zhì)氨基酸有20種，構(gòu)成蛋白質(zhì)的AA都是L-構(gòu)型，天然AA都是α-AA。α-氨基酸結(jié)構(gòu)通式第15頁,共91頁，2024年2月25日，星期天什么是α-氨基酸？----C-C-C-C-COOH

γβα----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸氨基和羧基均與α碳原子相連第16頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3、氨基酸的分類（1）中性氨基酸（1—NH2，1—COOH）a.脂肪族氨基酸甘氨酸丙氨酸纈氨酸亮氨酸異亮氨酸第17頁,共91頁，2024年2月25日，星期天b.含羥基或硫氨基酸

絲氨酸半胱氨酸蘇氨酸甲硫（蛋）氨酸巰基甲硫基第18頁,共91頁，2024年2月25日，星期天胱氨酸半胱氨酸第19頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共91頁，2024年2月25日，星期天c.芳香族氨基酸

苯丙氨酸酪氨酸色氨酸酚基吲哚基第21頁,共91頁，2024年2月25日，星期天d.環(huán)狀亞氨基酸脯氨酸吡咯環(huán)第22頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（2）酸性氨基酸及其酰胺（1—NH2，2—COOH）

天冬氨酸谷氨酸天冬酰胺谷氨酰胺酰胺基第23頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（3）堿性氨基酸（2—NH2，1—COOH）賴氨酸精氨酸組氨酸呱基咪唑基第24頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

人體所需的八種必需氨基酸

賴氨酸(Lys)，纈氨酸(Val)，蛋氨酸(Met)

色氨酸(Trp)，亮氨酸(Leu)，異亮氨酸(Ile)

蘇氨酸(Thr)，苯丙氨酸(Phe)必需氨基酸賴色苯丙蛋，蘇纈異亮亮第25頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)第26頁,共91頁，2024年2月25日，星期天一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指組成蛋白質(zhì)分子的多肽鏈中AA的排列順序。從左到右：N端→C端。AA-NH2與另一AA-COOH間失水形成的酰胺鍵稱肽鍵，所形成的化合物稱肽。酰胺鍵—肽鍵穩(wěn)定一級結(jié)構(gòu)的主要化學鍵第27頁,共91頁，2024年2月25日，星期天由兩個AA組成的肽稱為二肽。由多個AA組成的肽則稱為多肽。組成多肽的AA單元稱為氨基酸殘基。N-端C-端第28頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共91頁，2024年2月25日，星期天N末端C末端牛核糖核酸酶第30頁,共91頁，2024年2月25日，星期天谷胱甘肽(glutathione,GSH)結(jié)構(gòu):三肽谷氨酸的-羧基形成肽鍵－SH為活性基團為酸性肽是體內(nèi)重要的還原劑第31頁,共91頁，2024年2月25日，星期天GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+主要功能:第32頁,共91頁，2024年2月25日，星期天一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎(chǔ)。第33頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)肽鍵的空間結(jié)構(gòu)肽鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。第34頁,共91頁，2024年2月25日，星期天肽鍵具有平面性，組成肽鍵的4個原子和2個Cα（—Cα—CO—NH—Cα）幾乎處在同一平面內(nèi)（酰胺平面、肽平面）。第35頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)指組成蛋白質(zhì)的多肽鏈的主鏈骨架以肽鍵平面為單位進行卷曲、折疊而形成的特定的空間結(jié)構(gòu)。主要次級鍵：氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲。第36頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（一）

-螺旋（

-helix）第37頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

-螺旋的結(jié)構(gòu)要點★1、順時針方向，為右手螺旋2、肽平面鍵長鍵角一定3、肽鍵的原子排列呈反式構(gòu)型第38頁,共91頁，2024年2月25日，星期天4、相鄰肽平面構(gòu)成二面角第39頁,共91頁，2024年2月25日，星期天5、螺旋參數(shù)每圈含3.6個AA殘基，螺距5.4nm，每個AA殘基占1.5nm，繞軸旋轉(zhuǎn)100°。6、肽鏈內(nèi)形成氫鍵每個肽鍵的羰基氧和第四個肽鍵的亞氨氫形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長軸基本平行。第40頁,共91頁，2024年2月25日，星期天①R基大?、赗基的電荷性質(zhì)③Pro影響

-螺旋形成的因素第41頁,共91頁，2024年2月25日，星期天由兩/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,也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成?！?/p>

（二）

-折疊第42頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

①C

總是處于折疊的角上。②AA的R基團處于折疊的棱角上（上方或下方）并與之垂直。③肽鏈相當伸展，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110。角。④有平行和反平行之分，氫鍵主要在鏈間/同一肽鏈不同部分間形成，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。⑤肽鏈從N-端到C-端走向。

-折疊結(jié)構(gòu)特點第43頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

-角蛋白第46頁,共91頁，2024年2月25日，星期天絲蛋白的結(jié)構(gòu)第47頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（三）

-轉(zhuǎn)角1、β轉(zhuǎn)角（βturn/bend/hairpinstructure）肽鏈主鏈骨架180°的回折結(jié)構(gòu)特點：由4個連續(xù)的AA殘基組成第一個AA殘基C=O第四個AA殘基N—H形成氫鍵第48頁,共91頁，2024年2月25日，星期天主要存在于球狀蛋白分子中多數(shù)處在蛋白質(zhì)分子的表面

-轉(zhuǎn)角處常為脯氨酸，脯氨酸的N上缺少H，不能形成氫鍵，經(jīng)常出現(xiàn)在α-螺旋的端頭，改變多肽鏈的方向并終止螺旋第49頁,共91頁，2024年2月25日，星期天沒有確定規(guī)律性部分的肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲（四）無規(guī)卷曲第50頁,共91頁，2024年2月25日，星期天——指多肽鏈在一級、二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈的不同區(qū)段的側(cè)鏈基團相互作用再進行三維多向性盤曲形成近似球狀的構(gòu)象。

維系力:氫鍵/疏水鍵/離子鍵/范德華力，主要是疏水鍵只有一條肽鏈的蛋白質(zhì)最高結(jié)構(gòu)形式是三級結(jié)構(gòu)，必須具備三級結(jié)構(gòu)才有生物學功能。2、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)第51頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共91頁，2024年2月25日，星期天蝦紅素

第53頁,共91頁，2024年2月25日，星期天木瓜蛋白酶

組織蛋白酶第54頁,共91頁，2024年2月25日，星期天★球狀蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)主要特征：1、含多個二級結(jié)構(gòu)單元2、緊密的球狀或橢球狀實體3、疏水基團在內(nèi)；親水基團在外4、分子表面內(nèi)陷形成凹穴第55頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)——指由兩條或兩條以上的具有三維結(jié)構(gòu)的多肽鏈相互締合而成的特定的空間構(gòu)象。

亞基：球狀蛋白質(zhì)分子中具有一、二、三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。寡聚蛋白質(zhì)：由兩個及以上亞基構(gòu)成的蛋白質(zhì)。亞基數(shù)目及排布、亞基之間的作用維系力：非共價鍵（疏水鍵、離子鍵、氫鍵、范德華力等）第56頁,共91頁，2024年2月25日，星期天血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)示意圖第57頁,共91頁，2024年2月25日，星期天總結(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)定義指蛋白質(zhì)多肽鏈中的AA排列順序組成蛋白質(zhì)的多肽鏈盤繞和折疊的方式多肽鏈在一級、二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，再進行三維多向性盤曲形成近似球狀的構(gòu)象。兩條或兩條以上的具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈相互締合而成的特定的空間構(gòu)象表現(xiàn)形式多肽α-螺旋，β-折疊，β-轉(zhuǎn)角等球狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征亞基，寡聚蛋白化學鍵肽鍵（主要）二硫鍵氫鍵疏水鍵、離子鍵、范德華力、氫鍵疏水鍵（主要）、離子鍵、氫鍵第58頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第59頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第60頁,共91頁，2024年2月25日，星期天同源蛋白質(zhì)：來自不同生物體、執(zhí)行同一/相似功能的蛋白質(zhì)

結(jié)構(gòu)基本相同，差異可能僅表現(xiàn)其種數(shù)特異性

例：胰島素一、一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）同源蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中AA順序的變化反映了種數(shù)差異與物種進化第61頁,共91頁，2024年2月25日，星期天同源蛋白質(zhì)的氨基酸順序的部分差異，表現(xiàn)其種屬特異性第62頁,共91頁，2024年2月25日，星期天不同生物細胞色素C的氨基酸差異親緣關(guān)系越近，其結(jié)構(gòu)越相似；親緣關(guān)系越遠，在結(jié)構(gòu)上的差異越大第63頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第64頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（二）一級結(jié)構(gòu)變異導致分子病一級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，一般來說，功能也會發(fā)生變化。分子病由于遺傳基因的突變導致蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的改變或某種蛋白質(zhì)缺乏引起的疾病。例：鐮刀形細胞貧血病第65頁,共91頁，2024年2月25日，星期天N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)第66頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（三）蛋白質(zhì)激活（蛋白質(zhì)與其前體一級結(jié)構(gòu)的關(guān)系）蛋白質(zhì)分子的部分肽鏈必須先按特定方式斷裂，然后才呈現(xiàn)出活性。是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能具有高度統(tǒng)一性的表現(xiàn)例：胰島素原的激活第67頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第68頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）變構(gòu)作用有一些蛋白質(zhì)可以通過改變其構(gòu)象來改變其生物活性例：血紅蛋白第69頁,共91頁，2024年2月25日，星期天(R)relaxedstate(T)tensestate血中氧分子的運送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle靜脈動脈環(huán)境氧高時Hb快速吸收氧分子環(huán)境氧低時Hb迅速釋放氧分子釋放氧分子后Hb變回

Tstate任何一個亞基接受氧分子后，會增進其它亞基吸附氧分子的能力第70頁,共91頁，2024年2月25日，星期天兩種不同的構(gòu)象當?shù)谝粋€亞基和氧結(jié)合后，血紅蛋白整個分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，增加了其他亞基對氧的親和力，有利于血紅蛋白分子同氧的結(jié)合；氧的釋放也具有這種效應(yīng)?！儤?gòu)作用第71頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（二）蛋白質(zhì)的變性與復性

在某些物理和化學因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性第72頁,共91頁，2024年2月25日，星期天瘋牛病瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。PrPcα-螺旋正常PrPscβ-折疊瘋牛病第73頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和分類第74頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1、蛋白質(zhì)的兩性電離

蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。一、理化性質(zhì)第75頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2、蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，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.魚精蛋白（12~12.4）；胃蛋白酶（1~2.5）；血紅蛋白（~7）利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。第76頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)膠體溶液的特點：分子直徑在1-100nm內(nèi)丁達爾效應(yīng)布朗運動半通透性由于膠體溶液中的蛋白質(zhì)不能通過半透膜，因此可以應(yīng)用透析法將非蛋白的小分子雜質(zhì)除去——透析天然蛋白質(zhì)保持穩(wěn)定的親水膠體狀態(tài)的因素由于蛋白質(zhì)分子表面分布著極性R基，分子表面會結(jié)合一層水分子?！さ鞍踪|(zhì)顆粒表面有可解離的基團，在一定pH值時，同種蛋白質(zhì)分子總是帶相同的電荷?！姾膳懦庾饔玫?7頁,共91頁，2024年2月25日，星期天+++++++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)水化膜++++++++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)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用第78頁,共91頁，2024年2月25日，星期天破壞蛋白質(zhì)穩(wěn)定的親水膠體狀態(tài)，就會使蛋白質(zhì)從溶液中沉淀出來——蛋白質(zhì)的沉淀作用。蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中——蛋白質(zhì)凝固。（1）等電點沉淀蛋白質(zhì)在等電點時靜電荷為0，電荷排斥作用減弱，此時溶解度最小，容易聚集而沉淀。4、蛋白質(zhì)的沉淀與凝固第79頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（2）鹽析法（高濃度中性鹽沉淀）加入中性鹽脫去蛋白質(zhì)的水化層，鹽的解離增加了離子強度，中和了蛋白質(zhì)的表面電荷。第80頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（3）有機溶劑沉淀在蛋白質(zhì)溶液中，加入一定量與水相溶的有機溶劑（乙醇、丙酮等），脫去水化層，使蛋白質(zhì)的溶解度降低而沉淀。低溫下操作（4）重金屬鹽沉淀在堿性條件下，蛋白質(zhì)帶負電荷，可以與重金屬離子結(jié)合，形成不溶性重金屬蛋白鹽沉淀，如醋酸鉛、硫酸銅等。第81頁,共91頁，2024年2月25日，星期天（5）有機酸沉淀在酸性條件下，蛋白質(zhì)帶正電荷，與生物堿試劑結(jié)合形成溶解度極小的鹽類，如三氯乙酸、單寧酸等。（6）加熱沉淀第82頁,共91頁，2024年2月25日，星期天當天然蛋白質(zhì)受到某些物理因素或化學因素的影響后，由氫鍵、鹽鍵等次級鍵維系的高級結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致使其生物學性質(zhì)、理化性質(zhì)改變，但原有的一級結(jié)構(gòu)仍保持不變的現(xiàn)象?！鞍踪|(zhì)