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蛋白质化学

第 一 章. 蛋白质化学. chemistry of Protein. 本章的重点和难点 重点 ：掌握组成蛋白质的氨基酸的结构特点、分类、 三个字母代号及重要理化性质；掌握蛋白质 1-4 级结构特点、作用力；了解蛋白质结构与 功能的关系；了解蛋白质的重要理化性质。 难点 ：氨基酸结构特点、酸碱性质、等电点；蛋白质 各级结构的概念和特点、结构与功能的关系； 蛋白质重要理化性质的应用。. 第一节 概 述. 一、什么是蛋白质 ?.

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蛋白质化学

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  1. 第 一 章 蛋白质化学 chemistry of Protein

  2. 本章的重点和难点 重点：掌握组成蛋白质的氨基酸的结构特点、分类、 三个字母代号及重要理化性质；掌握蛋白质 1-4级结构特点、作用力；了解蛋白质结构与 功能的关系；了解蛋白质的重要理化性质。 难点：氨基酸结构特点、酸碱性质、等电点；蛋白质 各级结构的概念和特点、结构与功能的关系； 蛋白质重要理化性质的应用。

  3. 第一节 概 述

  4. 一、什么是蛋白质? 蛋白质是一切生物体中普遍存在的，由20种左右天然а-氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物；其种类繁多，具有一定的相对分子量、复杂分子结构和特定生物学功能；是表达生物遗传形状的一类主要物质。

  5. 二、蛋白质在生命中的重要性 恩格斯曾指出：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。” 第一，蛋白体是生命的物质基础； 第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式； 第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断 的新陈代谢。

  6. 1.蛋白质是生物体内必不可少的重要成分，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质1.蛋白质是生物体内必不可少的重要成分，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质 蛋白质占干重 人体中（中年人） 人体 45% 水55% 细菌 50%∼80% 蛋白质19% 真菌 14%∼52% 脂肪19% 酵母菌 14%∼50% 糖类＜1% 白地菌 50% 无机盐7% 三、 蛋白质具有重要的生物学功能

  7. 2.蛋白质是一种生物功能的主要体现者，它参与了几乎所有的生命活动过程。2.蛋白质是一种生物功能的主要体现者，它参与了几乎所有的生命活动过程。 1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递 3.外源蛋白质有营养功能，可作为生产加工的对象。

  8. A few examples on protein diversity… Fireflies emit light catalyzed by luciferase（荧光素酶） with ATP

  9. Erythrocytes（红细胞） contain a large amount of hemoglobins（血红蛋白）, the oxygen-transporting protein.

  10. The protein keratin （角蛋白） is the chief structural components of hair, horn, wool, nails and feathers.

  11. 四、蛋白质的元素组成 1. 主要有C、H、O、N和S，有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。 碳 50％ 氢 7％ 氧 23％ 氮 16% 硫 0-3％ 其他 微量

  12. 2.蛋白质元素组成的特点： （1）一切蛋白质都含N元素，且各种蛋白质的含氮量很接近， 平均为16％； （2）蛋白质系数：任何生物样品中每1gN的存在，就表示 大约有100/16=6.25g蛋白质的存在， 6.25被称为蛋白质 系数 • 100克样品中蛋白质的含量 ( g ) • = 每克样品含氮的克数× 6.25×100 凯氏定氮法测定粗蛋白含量 1/16%

  13. 五、蛋白质的分类 （一）、依据蛋白质的外形分为球状蛋白质和纤维状蛋白质 1.球状蛋白质：外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶， 大多数蛋白质属于这一类。 2.纤维状蛋白质：分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋 白质和不溶性纤维状蛋白质。 （二）、依据蛋白质的组成分为简单蛋白和结合蛋白 1.简单蛋白：又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由-氨基酸组成的 肽链，不含其它成分。 （1）清蛋白和球蛋白：广泛存在于动物组织中，易溶于水，球蛋白 微溶于水，易溶于稀酸中。 （2）谷蛋白和醇溶谷蛋白：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀 碱中，后者可溶于70－80％乙醇中。 （3）精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。 （4）硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角 蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。

  14. 2.结合蛋白：由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成2.结合蛋白：由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成 （1）色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞 色素等。 （2）糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。 （3）脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-、-脂蛋白等。 （4）核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。 （5）磷蛋白：由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性 蛋白、丝心蛋白等。 （三）、按功能分为活性蛋白和非活性蛋白 （四）、按营养价值分为完全蛋白和不完全蛋白 蛋白质的互补作用

  15. 第 二 节 氨基酸化学（重点）

  16. —— 组成蛋白质的基本单位 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。

  17. （一）氨基酸的结构 氨基酸是蛋白质水解的最终产物，是组成蛋白质的基本单位。从蛋白质水解物中分离出来的氨基酸有二十种，除脯氨酸和羟脯氨酸外，这些天然氨基酸在结构上的共同特点为： 一、氨基酸的结构与分类 (1). 分子中同时含有羧基和氨基，且与羧基相邻的α-碳原子上都有一 个氨基，因而称为α-氨基酸。 COOH H2N CH α-碳原子基团 R R基团 α-氨基酸基本结构通式 (2). 除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的α-碳原子都为不对称碳原子, A. 氨基酸都具有旋光性； B. 每一种氨基酸都具有D-型和L-型两种立体异构体。目前已知的 天然蛋白质中氨基酸都为L-型。

  18. R CH3 H 甘氨酸 丙氨酸 L-氨基酸的通式

  19. （二）氨基酸的分类 中性AA （1）按R基团的酸碱性分 酸性AA 碱性AA （2）按R基团的疏水性和亲水性分 疏水性R基团AA 亲水性R基团AA （3）按R基团的化学结构分 脂肪族A 芳香族AA 杂环族AA * 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:

  20. （非极性）疏水性氨基酸 甘氨酸glycine GlyG5.97 丙氨酸alanine Ala A6.00 缬氨酸valine Val V5.96 亮氨酸 leucine Leu L5.98 异亮氨酸isoleucine Ile I6.02 苯丙氨酸phenylalanine Phe F5.48 脯氨酸proline Pro P6.30

  21. 2. 极性（亲水）中性氨基酸 色氨酸tryptophan Try W5.89 丝氨酸serine Ser S5.68 酪氨酸tyrosine Try Y5.66 半胱氨酸cysteine Cys C5.07 蛋氨酸methionineMet M5.74 天冬酰胺asparagine Asn N5.41 谷氨酰胺 glutamine Gln Q5.65 苏氨酸 threonine Thr T 5.60

  22. 3. 酸性氨基酸 天冬氨酸aspartic acid Asp D2.97 谷氨酸glutamic acid Glu E3.22 4. 碱性氨基酸 赖氨酸lysine Lys K9.74 精氨酸arginine Arg R10.76 组氨酸histidine His H7.59

  23. 脂肪族氨基酸： 中性aa：甘、丙、缬、亮、异亮、丝、苏 酸性aa及酰胺：谷氨酸、谷氨酰胺、天门冬氨酸 及天门冬酰胺 碱性aa：精、赖、组 芳香族aa：苯丙、色、酪 杂环aa：脯、组 课后自己总结： 含S的aa？ 含酚羟基的aa? 含羟基的aa? 含酰胺基的aa? 含二硫键的aa?

  24. （三）人体所需的八种必需氨基酸 赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 蛋氨酸(Met) 色氨酸(Trp) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile) 苏氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe) 婴儿时期所需: 精氨酸(Arg)、组氨酸(His) 早产儿所需：色氨酸(Trp)、半胱氨酸(Cys)

  25. 必需氨基酸 生命活动所必需的，但人体自身不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸。 • 半必需氨基酸 在人体内合成速度很低，特别是新生儿或患病期，但又需要给予补充的氨基酸。 • 非必需氨基酸 人体自身能够合成的氨基酸。

  26. （四）几种特殊的氨基酸 • 脯氨酸 • （唯一的亚氨基酸） • 什么是亚氨基酸？

  27. + -HH 二硫键 半胱氨酸 胱氨酸

  28. 氨基酸衍生物

  29. 非蛋白质氨基酸有哪些？ • 什么是天然氨基酸？ • D-型氨基酸的存在？

  30. 二、氨基酸的重要理化性质 1. 两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。

  31. +H+ +OH- +H+ +OH- pH>pI pH<pI pH=pI 氨基酸的兼性离子 阳离子 阴离子

  32. 氨基酸等电点的计算 侧链不含离解基团的中性氨基酸：pI = (pK’1 + pK’2 )/2 酸性氨基酸：pI = (pK’1 + pK’R-COO- )/2 碱性氨基酸：pI = (pK’2 + pK’R-NH2 )/2

  33. An acidic amino acid pI=(pK1+pKR)/2

  34. A basic amino acid pI=(pKR+pK2)/2

  35. 2. 紫外吸收 大多数蛋白质含有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸这三种氨基酸残基，所以在280nm有最大吸收，测定蛋白质溶液的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。 芳香族氨基酸的紫外吸收

  36. 3. 与茚三酮的反应 ★ 氨基酸与水合茚三酮共热，发生氧化脱氨反应，生成NH3与酮酸。水合茚三酮变为还原型茚三酮。 加热过程中酮酸裂解，放出CO2，自身变为少一个碳的醛。水合茚三酮变为还原型茚三酮。 NH3与水合茚三酮及还原型茚三酮脱水缩合，生成蓝紫色化合物。 ★ ★

  37. 反应要点 A. 该反应由NH2与COOH共同参与，-氨基酸特有的反应； B. 茚三酮是强氧化剂； C. 该反应非常灵敏，可在570nm测定吸光值； D. 测定范围：0.5~50µg/ml； E. 脯氨酸与茚三酮直接生成黄色物质，在440nm测定（不释放NH3），谷氨酰胺和天门冬酰胺与茚三酮直接生成棕色物质。 应用： A. 氨基酸定量分析（先用层析法分离） B. 氨基酸自动分析仪： 用阳离子交换树脂，将样品中的氨基酸分离，自动定性定量，记录结果。

  38. 蛋白质的水解性质 • 酸水解：可以获得除Trp外的全部氨基酸 • 碱水解：目的是测定Trp，消旋 • 酶水解：慢但不破坏任何氨基酸 • 课后比较三种水解方法的优缺点？

  39. 高级结构 第三节、蛋白质的分子结构 蛋白质的分子结构包括 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)

  40. 一、肽(peptide) （一）基本概念 * 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。

  41. -HOH + 甘氨酰甘氨酸 肽键

  42. * 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 * 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽…… * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。 *肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。

  43. 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 • 氨基酸顺序是指在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列。 多肽有两端： N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 多肽链的表示方法：从N端开始到C端 可用aa中文第一个字或英文连字体或单字母 中间用 “·”或”-”连接

  44. N末端 C末端 牛核糖核酸酶

  45. 环状肽：指没有自由的-氨基端和-羧基 端的肽。

  46. 二、蛋白质的一级结构 （一）定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序，指蛋白质的aa组成和排序、二硫键数目、肽链数目、末端aa的种类等等。 • 主要的化学键 • 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

  47. 目 录

  48. （二）、多肽链中氨基酸序列分析 分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成 测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基 把肽链水解成片段，分别进行分析 测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用Edman降解法 一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然 后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基酸顺序结果。

  49. 纯蛋白质 二硫键拆开 末端氨基酸测定 专一性裂解 将肽段分离并测出顺序 将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序 蛋白质顺序测定的基本战略

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