生物化學(xué)之蛋白質(zhì)化學(xué)(唐炳華)

蛋白質(zhì)化學(xué)第四章一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過(guò)肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。二、蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)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％。1）作為生物催化劑（酶）：最重要的功能2）代謝調(diào)節(jié)：胰島素、反式作用因子3）防御和進(jìn)攻：免疫球蛋白、毒素4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)：血紅蛋白、鐵蛋白、卵清蛋白5）運(yùn)動(dòng)：肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、微管蛋白6）結(jié)構(gòu)組分：角蛋白、膠原蛋白7）細(xì)胞間信息傳遞：受體以及整個(gè)傳導(dǎo)途徑的組分2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3.氧化供能蛋白質(zhì)的分子組成

第一節(jié)一、

組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有碘

。各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測(cè)定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%

蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)二、氨基酸（aminoacid)

——組成蛋白質(zhì)的基本單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外），D-氨基酸幾乎沒(méi)有。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸三、氨基酸的分類(lèi)*20種氨基酸的英文名稱(chēng)、縮寫(xiě)符號(hào)及分類(lèi)如下:甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00纈氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucine

LeuL

5.98異亮氨酸

isoleucine

IleI

6.02苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非極性疏水性氨基酸色氨酸

tryptophanTryW

5.89絲氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTryY

5.66

半胱氨酸

cysteine

CysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagine

AsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

蘇氨酸

threonine

ThrT5.602.極性中性氨基酸天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22賴(lài)氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginine

ArgR

10.76組氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.堿性氨基酸幾種特殊氨基酸脯氨酸（亞氨基酸）

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH四、氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱(chēng)為該氨基酸的等電點(diǎn)。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽(yáng)離子陰離子同一種氨基酸在不同pH值下電泳的方向和速度不同2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。苯丙氨酸也有，但較弱。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反應(yīng)氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。茚三酮氨基酸茚三酮(還原型)醛茚三酮藍(lán)色或紫色化合物2五、蛋白質(zhì)的分類(lèi)*根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分單純蛋白質(zhì)結(jié)（綴）合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分*根據(jù)蛋白質(zhì)形狀纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

第二節(jié)蛋白質(zhì)有四個(gè)結(jié)構(gòu)層次：一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)后三種統(tǒng)稱(chēng)為高級(jí)結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象一、肽*

肽鍵(peptidebond)是由一個(gè)氨基酸的

-羧基與另一個(gè)氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵*

肽是由氨基酸通過(guò)肽鍵縮合而形成的化合物。*

兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*

肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱(chēng)為氨基酸殘基(residue)。*

由十個(gè)以?xún)?nèi)氨基酸相連而成的肽稱(chēng)為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱(chēng)多肽(polypeptide)。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有方向性：多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。所有多肽鏈主鏈完全一樣，差別在于側(cè)鏈。多肽鏈?zhǔn)蔷€性分子，不會(huì)有分叉。二、蛋白質(zhì)是一種大分子肽蛋白質(zhì)和多肽的區(qū)別分子量：大于10000為蛋白質(zhì)，否則為多肽輔基：多肽沒(méi)有輔基，蛋白質(zhì)很多有輔基肽鏈數(shù)目：多肽只有一條肽鏈，蛋白質(zhì)往往有多條肽鏈空間結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)發(fā)揮作用必須要特定空間結(jié)構(gòu)，多肽則不需要N末端C末端牛核糖核酸酶三、常見(jiàn)的生物活性肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH過(guò)氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+此外，一些激素、抗生素和生長(zhǎng)因子等也屬于肽類(lèi)物質(zhì)。定義蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。二、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，決定其高級(jí)結(jié)構(gòu)。三、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義

主要的化學(xué)鍵：

氫鍵

（一）肽單元參與肽鍵的6個(gè)原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個(gè)原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無(wú)規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）

-螺旋（三）

-折疊（四）

-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲

-轉(zhuǎn)角無(wú)規(guī)卷曲是用來(lái)闡述沒(méi)有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。（五）模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)特殊的空間構(gòu)象，被稱(chēng)為模體(motif)。鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和范德華力等。

主要的化學(xué)鍵整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。（一）定義三級(jí)結(jié)構(gòu)的形成有一個(gè)重要規(guī)則：親水氨基酸在表面，疏水氨基酸在內(nèi)部與二級(jí)結(jié)構(gòu)的區(qū)別：方向、局部與整體肌紅蛋白(Mb)N端

C端纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（二）結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€(gè)或數(shù)個(gè)球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)域(domain)。亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。五、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第三節(jié)結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)功能是結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間構(gòu)象一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系牛核糖核酸酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)二硫鍵天然狀態(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(wú)活性同源蛋白質(zhì)的序列同源現(xiàn)象

不同物種的同源蛋白質(zhì)往往序列非常相似不變殘基與可變殘基蛋白質(zhì)里面各個(gè)氨基酸殘基對(duì)于蛋白質(zhì)功能的作用是不同的，分不變殘基和可變殘基（二）同源蛋白質(zhì)的序列相似（三）改變蛋白質(zhì)的序列可影響功能例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)

HbS

β肽鏈HbA

β肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱(chēng)為“分子病”。（一）不同蛋白質(zhì)的構(gòu)象不同，性質(zhì)和功能也不同

纖維蛋白質(zhì)和球狀蛋白質(zhì)：纖維蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不溶于水，多作為結(jié)構(gòu)組分；球狀蛋白質(zhì)一般易溶于水，多擔(dān)負(fù)重要的生物學(xué)功能。二、蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系（二）蛋白質(zhì)可以通過(guò)改變構(gòu)象而改變活性血紅蛋白：在結(jié)合氧分子后構(gòu)象可以發(fā)生變化，從而改變與氧的親和力受體：受體蛋白質(zhì)在和配體結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化同時(shí)把信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)部酶：酶與某些小分子結(jié)合后構(gòu)象變化導(dǎo)致功能的變化，是酶的活性的重要調(diào)節(jié)方式（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病

蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生了改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。Prusiner因?yàn)閷?duì)阮病毒的研究獲1997年諾貝爾獎(jiǎng)蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類(lèi)疾病包括：人的克-雅氏病、庫(kù)魯病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈??；瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱(chēng)為PrPc。PrPc在PrPsc的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病普里朊(普利子蛋白，prion)的兩種形式，正常（左）和變異（右）第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)（一）蛋白質(zhì)的兩性電離一、一般性質(zhì)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(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。

*蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。（二）蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測(cè)定，是一種常用的檢測(cè)蛋白質(zhì)濃度的方法。（三）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)１、茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)

蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。

２、雙縮脲反應(yīng)(biuretreaction)蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，稱(chēng)為雙縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來(lái)檢測(cè)蛋白質(zhì)水解程度。３、酚試劑反應(yīng)二、大分子性質(zhì)透析(dialysis)利用透析袋（半透膜）把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開(kāi)的方法。１、半透膜和透析透析(dialysis):磁力攪拌器透析前透析后透析袋

通過(guò)透析，小分子通透透析袋，散布于透析液中，大分子量的蛋白質(zhì)不能通透透析袋，留在透析袋內(nèi)。從而，蛋白質(zhì)溶液中的小分子物質(zhì)通過(guò)透析被分離除去。２、沉降與沉降系數(shù)超速離心法(ultracentrifugation)既可以用來(lái)分離純化蛋白質(zhì)也可以用作測(cè)定蛋白質(zhì)的分子量。

蛋白質(zhì)在離心場(chǎng)中的行為用沉降系數(shù)(sedimentationcoefficient,S)表示，沉降系數(shù)與蛋白質(zhì)的密度和形狀相關(guān)。因?yàn)槌两迪禂?shù)S大體上和分子量成正比關(guān)系，故可應(yīng)用超速離心法測(cè)定蛋白質(zhì)分子量，但對(duì)分子形狀的高度不對(duì)稱(chēng)的大多數(shù)纖維狀蛋白質(zhì)不適用。３、蛋白質(zhì)溶液是膠體溶液

蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。*蛋白質(zhì)膠