第2章 蛋白質(zhì)的化學(xué)培訓(xùn)課件

第二章蛋白質(zhì)的化學(xué)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握蛋白質(zhì)的元素組成、基本組成單位、一級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)。熟悉蛋白質(zhì)的分類、生物學(xué)功能及蛋白質(zhì)分離純化方法?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】蛋白質(zhì)元素組成及基本組成單位；蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)及其與生物學(xué)功能的關(guān)系；蛋白質(zhì)理化性質(zhì)

學(xué)習(xí)內(nèi)容1蛋白質(zhì)的化學(xué)組成2蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)3蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)4蛋白質(zhì)的功能5蛋白質(zhì)類藥物的工業(yè)生產(chǎn)

認(rèn)知蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)（Protein）由19種氨基酸和1種亞氨基酸組成的、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特定功能的大分子物質(zhì)蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的基本成分：約占人體干重的45%

細(xì)菌約50%~80%

干酵母約46.6%

豆類約40%生命是蛋白體的存在方式，這種存在方式本質(zhì)上就是這些蛋白體的化學(xué)組成部分的不斷的自我更新—恩格斯一、蛋白質(zhì)的元素組成第1節(jié)蛋白質(zhì)的化學(xué)組成主要元素C50%~55%H6%~7%O20%~23%N15%~17%S0~2%微量元素P牛乳中的酪蛋白Fe血中的血紅蛋白I甲狀腺中的甲狀腺球蛋白大多數(shù)蛋白質(zhì)的含氮量比較接近且恒定，平均為16%。蛋白質(zhì)定量（微量凱氏定氮法的基礎(chǔ)）:

蛋白質(zhì)的含量=蛋白質(zhì)樣品含氮量×6.25二、蛋白質(zhì)的基本單位—氨基酸氨基酸(aminoacid):羧酸分子中α-C原子上一個(gè)H原子被NH2取代而生成的化合物①

除脯氨酸（α-亞氨基酸）外，其余都是α-氨基酸②不同的α-氨基酸其R側(cè)鏈不同，R側(cè)鏈對蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)有重大影響③除R為H的甘氨酸外，其它氨基酸的α-碳原子都是手性碳原子，故具有旋光異構(gòu)現(xiàn)象：D型和L型天然蛋白質(zhì)中的氨基酸皆為L型氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)氨基酸的構(gòu)型構(gòu)型：根據(jù)甘油醛構(gòu)型確定D－型和L－型注意：①構(gòu)型與旋光性方向并無直接對應(yīng)關(guān)系。②組成天然蛋白質(zhì)的氨基酸大多數(shù)是L-α-氨基酸。非極性R基氨基酸：丙氨酸（Ala）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Tre）、蛋氨酸（Met）共8種極性不解離R基氨基酸：甘氨酸（Gly）、絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）、半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln）共7種酸性R基氨基酸：谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）共2種堿性R基氨基酸：賴氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、組氨酸（His）共3種分類依據(jù)：R側(cè)鏈在中性溶液中解離狀況氨基酸分類非極性R基氨基酸極性不解離R基氨基酸酸性R基氨基酸堿性R基氨基酸三、蛋白質(zhì)的分類清蛋白和球蛋白：清蛋白易溶于水；球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。谷蛋白和醇溶谷蛋白：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀堿中，后者可溶于70％～80％乙醇中。精蛋白和組蛋白：堿性蛋白質(zhì)，存在于細(xì)胞核中。硬蛋白：存在于各種軟骨、腱、毛、發(fā)、絲等組織中，分為角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白和絲蛋白。核蛋白：如細(xì)胞核中的核糖核蛋白等。糖蛋白：如細(xì)胞膜中的糖蛋白等。脂蛋白：如血清

-，

-脂蛋白等。色蛋白：如血紅蛋白、葉綠蛋白和細(xì)胞色素等。磷蛋白：如角蛋白、彈性蛋白、絲心蛋白等。金屬蛋白：如鈣結(jié)合蛋白等。單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)按組成分類外形接近球形或橢圓形，溶解性較好，多為功能蛋白質(zhì)。如血紅蛋白酶、免疫球蛋白等球狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)按分子形狀分類分子呈纖維狀，多為結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)可溶性纖維狀蛋白質(zhì)：肌球蛋白、血纖維蛋白原等不溶性纖維狀蛋白質(zhì)：膠原蛋白、彈性蛋白、絲心蛋白等第2節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)一個(gè)氨基酸的α-羧基與另一個(gè)氨基酸的α-氨基之間脫水縮合形成的酰胺鍵稱為肽鍵（peptidebond）肽鍵肽鍵平面肽鍵氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共軛作用。肽鍵中的C－N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。組成肽鍵的4個(gè)原子及相鄰的2個(gè)α-C原子處于同一平面該平面稱為肽鍵平面（peptideplane)或肽單位。

二面角

兩相鄰肽鍵平面之間，能以共同的α-碳原子為定點(diǎn)而旋轉(zhuǎn)，繞Cα-N鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱φ角，繞C-Cα鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱ψ角。φ和ψ稱作二面角，亦稱構(gòu)象角。肽鍵平面氨基酸通過肽鍵相連形成的化合物稱為肽（peptide）十肽以下稱寡肽，十肽以上稱多肽。多肽呈鏈狀，多肽鏈的一端含有一個(gè)完整的

-氨基，稱為氨基端或N-末端；在另一端含有一個(gè)完整的

-羧基，稱為羧基端或C-末端。多肽鏈合成方向是從N-端到C-端，也是沿此方向按氨基酸殘基的順序命名。肽1969年，國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)委員會（IUPAC）規(guī)定：

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序，包括二硫鍵的位置。一級結(jié)構(gòu)的意義蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

維持和穩(wěn)定蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的作用力：離子鍵：由帶相反電荷的兩個(gè)基團(tuán)間的靜電吸引所形成的。氫鍵：

X—H······Y范德華力：在物質(zhì)的聚集狀態(tài)中，分子與分子之間存在著一種較弱的作用力。疏水鍵：是指非極性基團(tuán)即疏水基團(tuán)為了避開水相而群集在一起的集合力。

二硫鍵：兩個(gè)半胱氨酸的巰基脫氫形成。二硫鍵離子鍵氫鍵范德華力疏水作用力

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈骨架中若干肽單位各自沿一定的軸盤旋或折疊，并以氫鍵為主要次級鍵而形成的有規(guī)則的構(gòu)象，主要形式有

-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)多肽鏈中的各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成

-螺旋結(jié)構(gòu)。1、α－螺旋（α-helix）

-螺旋的特點(diǎn)：①絕大多數(shù)天然蛋白質(zhì)中的

-螺旋幾乎都是右手螺旋。螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個(gè)氨基酸殘基，每個(gè)氨基酸殘基的高度為0.15nm;②肽鏈內(nèi)相鄰兩個(gè)螺旋之間形成一個(gè)氫鍵，是穩(wěn)定

-螺旋的主要次級鍵。氫鍵的取向幾乎與軸平行，每個(gè)氨基酸殘基的C=O氧與其后第四個(gè)氨基酸殘基的N-H氫形成氫鍵。③肽鍵中的氨基酸殘基的R基側(cè)鏈分布在螺旋的外側(cè)，其形狀、大小及電荷均影響

-螺旋的形成和穩(wěn)定。螺距0.54nm每殘基的軸向高度0.15nm每殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100oα-螺旋結(jié)構(gòu)形成的限制因素凡是有Pro存在的地方不能形成。因Pro的C-N鍵不能旋轉(zhuǎn)，且形成的肽鍵N原子上沒有H，不可能形成氫鍵。靜電斥力。若一段肽鏈有多個(gè)Glu或Asp相鄰,則因pH=7.0時(shí)都帶負(fù)電荷，防礙α-螺旋的形成；同樣多個(gè)堿性氨基酸殘基在一段肽段內(nèi)，正電荷相斥，也防礙α-螺旋的形成。位阻。如Asn、Leu等的形狀和大小，防礙α-螺旋的形成。

2、β－折疊（β-pleatedsheet）β－折疊的特點(diǎn)：①肽鏈充分伸展使肽鍵平面之間折疊呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈R基團(tuán)交替分布于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方。②肽鏈平行排列，相鄰肽鏈間的肽鍵交替形成氫鍵，是穩(wěn)定β－折疊的主要次級鍵。③相鄰排列的兩條β－折疊結(jié)構(gòu)的走向相同稱為順向平行。反之，稱為逆向平行。逆向平行的β－折疊更為穩(wěn)定。β－折疊走向3、β－轉(zhuǎn)角（β-turn）主鏈形成180°的回折結(jié)構(gòu)。由四個(gè)連續(xù)氨基酸殘基構(gòu)成?！锬壳鞍l(fā)現(xiàn)的

-轉(zhuǎn)角多數(shù)都存在蛋白質(zhì)分子表面，它們的含量相當(dāng)豐富，約占全部氨基酸殘基的1/4。4、無規(guī)則卷曲

多肽鏈由于肽鍵平面在空間的不規(guī)則排布形成的松散結(jié)構(gòu)稱為無規(guī)則卷曲。

在一般球蛋白分子中，往往含有大量的無規(guī)則卷曲，它使蛋白質(zhì)肽鏈從整體上形成球狀構(gòu)象。

疏水鍵是維持三級結(jié)構(gòu)（Tertiarystructure）穩(wěn)定的主要作用力。蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，由于氨基酸殘基R基團(tuán)的相互作用使多肽鏈進(jìn)一步折疊、盤曲形成的包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的整條肽鏈的空間排布。磷酸丙糖異構(gòu)酶丙酮酸激酶四聚體二聚體亞基是兩個(gè)或兩個(gè)以上具有獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈以非共價(jià)鍵締合形成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)。疏水鍵是穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)的主要作用力。蛋白質(zhì)的四級結(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)→發(fā)揮功能三、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

一級結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)。①一級結(jié)構(gòu)不同，生物學(xué)功能不同。②一級結(jié)構(gòu)中的“關(guān)鍵”部分相同，其功能也相同。關(guān)鍵”部分變化，功能隨之改變。例一：細(xì)胞色素C多種生物的細(xì)胞色素C一級結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明：①親緣關(guān)系越近，氨基酸順序的同源性越大。②盡管不同生物間親緣關(guān)系差別很大，但與細(xì)胞色素C功能密切相關(guān)的氨基酸順序卻有共同之處，即保守順序不變。不同生物與人的細(xì)胞色素C相比較氨基酸數(shù)目差異

黑猩猩0雞、火雞13

牛豬羊10海龜15

狗驢11小麥35

粗糙鏈孢霉43酵母菌44例二：鐮刀形紅細(xì)胞貧血病病因：血紅蛋白氨基酸順序的細(xì)微變化谷氨酸纈氨酸紅細(xì)胞變形成鐮刀狀,輸氧功能下降,細(xì)胞脆弱易溶血。

一級結(jié)構(gòu)與功能①空間構(gòu)象是實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)，構(gòu)象改變功能隨之改變。②有時(shí)蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生輕微改變，但其生物學(xué)活性會有顯著變化。例一：RNase的變性與復(fù)性

空間構(gòu)象與功能Anfinsenexperiments

空間構(gòu)象與功能例二：血紅蛋白的變構(gòu)有些蛋白質(zhì)分子在表現(xiàn)其生物功能時(shí)，構(gòu)象必須發(fā)生一定的變化。

空間構(gòu)象與功能一、蛋白質(zhì)的兩性解離

蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)。

蛋白質(zhì)分子在溶液中解離成正、負(fù)離子的數(shù)目正好相等，即凈電荷為零時(shí)溶液的pH值稱蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)，簡稱pI（isoelectricpoint）帶電粒子在電場中向電性相反的電極移動的現(xiàn)象稱為電泳(electrophoresis)第3節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)二、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)質(zhì)點(diǎn)直徑1～100nm→→→蛋白質(zhì)溶液具有膠體性質(zhì)。蛋白質(zhì)親水膠體穩(wěn)定因素：①蛋白質(zhì)顆粒表面具有水化膜②蛋白質(zhì)分子表面帶有同種電荷阻隔排斥應(yīng)用：透析三、蛋白質(zhì)的變性某些物理或化學(xué)因素，能夠破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，引起蛋白質(zhì)理化性質(zhì)改變并導(dǎo)致其生理活性喪失。這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性（denaturation）變性因素：加熱、紫外線、劇烈攪拌、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽等。變性本質(zhì)：破壞了維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的次級鍵。變性特征：生物學(xué)活性的喪失（首要）、溶解度降低、粘度增加、易被蛋白酶水解等。變性的應(yīng)用：學(xué)生自己總結(jié)四、蛋白質(zhì)的沉淀

蛋白質(zhì)在溶液中靠水化層和電荷保持其穩(wěn)定性，一旦除去水化層和電荷，蛋白質(zhì)溶液的穩(wěn)定性就被破壞，蛋白質(zhì)就會從溶液中聚集析出，此現(xiàn)象即為蛋白質(zhì)的沉淀作用。沉淀過程大量中性鹽NaCl等鹽析法

特點(diǎn)是沉淀的

蛋白質(zhì)不變性。常用于活性蛋白質(zhì)的分級沉淀有機(jī)溶劑沉淀法有機(jī)溶劑乙醇等

易引起蛋白質(zhì)變性，宜低溫進(jìn)行操作。可用于混合蛋白質(zhì)的分級沉淀加熱法加熱常在等電點(diǎn)

可使蛋白質(zhì)變性尤其在等電點(diǎn)時(shí)最易變性重金屬鹽沉淀法重金屬離子Hg2+、Pb2+等

pH＞pI時(shí)，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，可與重金屬陽離子結(jié)合沉淀生物堿試劑沉淀法生物堿試劑TCA等

pH＜pI時(shí)，蛋白質(zhì)帶正電荷，可與生物堿陰離子結(jié)合沉淀五、蛋白質(zhì)的紫外吸收大部分蛋白質(zhì)均含有帶芳香環(huán)的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。這三種氨基酸在280nm附近有最大吸收，因此大多數(shù)蛋白質(zhì)在280nm附近顯示強(qiáng)吸收。六、蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)茚三酮反應(yīng)雙縮脲反應(yīng)酚試劑反應(yīng)蛋白質(zhì)＋茚三酮————————→藍(lán)紫色物質(zhì)弱酸性溶液，加熱蛋白質(zhì)＋Cu2+——————→紫紅色物質(zhì)堿性溶液蛋白質(zhì)＋酚試劑——————→藍(lán)色物質(zhì)堿性條件蛋白質(zhì)定性、定量的常用方法蛋白質(zhì)定性、定量及水解程度測定用于蛋白質(zhì)定性、定量一、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能第4節(jié)蛋白質(zhì)的功能

參與組成生物膜

控制生長和分化

接受和傳遞信息

免疫保護(hù)功能

運(yùn)動和支持功能

轉(zhuǎn)運(yùn)和儲存功能

代謝調(diào)節(jié)功能

催化功能二、食物蛋白質(zhì)的營養(yǎng)作用氧化供能維持體內(nèi)環(huán)境平衡、傳遞遺傳信息作為體內(nèi)重要物質(zhì)合成和更新的原料維持組織器官的生長、發(fā)育和修補(bǔ)賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸這八種氨基酸人體不能合成或合成速度較慢不能滿足自身需要，須由食物提供稱為必需氨基酸（essentialaminoacid）。嬰兒除以上八種外還需要組氨酸。中國居民膳食蛋白推薦攝入量（RNI）一、材料的選取來源：動植物組織、微生物等。選取原則：富含蛋白質(zhì)、容易獲得和提取、無害二、蛋白質(zhì)的提取胞外蛋白質(zhì)溶媒提取溶媒提取胞內(nèi)蛋白質(zhì)破碎細(xì)胞第5節(jié)蛋白質(zhì)藥物的工業(yè)生產(chǎn)三、蛋白質(zhì)的分離純化最常用方法常用NaCl、硫酸銨等鹽析法

加入不同濃度的中性鹽進(jìn)行蛋白質(zhì)的分級沉淀。蛋白質(zhì)一般不變性。有機(jī)溶劑沉淀法常用乙醇、丙酮

易引起蛋白質(zhì)變性，宜低溫進(jìn)行操作。可用于混合蛋白質(zhì)的分級沉淀。等電點(diǎn)沉淀法選擇在pI