生物化学——第一章蛋白质化学1教程教案

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1、蛋白质的结构与功能,第 一 章,蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质结构与功能的关系,主要内容：介绍蛋白质的构件单位氨基酸的结构、分类、性质及肽的概念，重点讨论蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系。,第一节 蛋白质通论,一、什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,二、蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物 体重要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横

2、纹肌等高达80。,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,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能,蛋白质是由20种L-型氨基酸组成的长链分子，包括： 1、简单（单纯）蛋白质：完全由氨基酸构成； 2、结合（缀合）蛋白质：还有非蛋白质成份的辅基或配基。 蛋白质构象： 每一种天然的蛋白质都有自己特有的空间结构，这称为蛋白质构象。,蛋白质结构的不同组织层次： 1、一级结构：多肽链共价主链的氨基酸顺序； 2、二级结构：多肽链以氢键排列成沿一维方向的周期性结构 的构象，如纤维状蛋白质中的-螺旋和-折叠片； 3

3、、三级结构：多肽链以各次级键（非共价键）盘绕成具有特 定走向的紧密球状构象； 4、四级结构：寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互结合 方式。,第二节 氨基酸 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）。,COOH,H,C,H2N,R,L-氨基酸,D-氨基酸,-氨基酸的通式,（一）、氨基酸的分类,1、非极性疏水性氨基酸,20种氨基酸按侧链R的理化性质分为4类：,吲哚基,2、极性中性氨基酸,羟基,巯基,酰胺基,3、酸性氨基酸,羧基,4、碱性氨基酸,胍基,咪唑基,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸

4、,（二）氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，氨基酸分子中同时带有可解离的弱碱性基团（-NH2 - NH3+）和弱酸性基团（-COOH - COO - )。,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。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,注：二十种氨基酸的结构特点 含胍基的氨基酸：精氨酸 含咪唑基的氨基酸：组氨酸 亚氨基酸：脯氨酸 含酰胺的氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺 含吲哚基的氨基酸：色氨酸 含-氨基的氨

5、基酸：赖氨酸,三.氨基酸的理化性质,（一）物理性质,1.形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。 2.溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。 3.熔点：氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。 4.旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。 5.光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收。,5. 紫外吸收,色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带,最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这三种氨

6、基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm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,苯丙氨酸 （Phe）,酪氨酸 （Tyr）,色氨酸 （Try）,4.氨基酸旋光性,（一）氨基酸的结构通式：,1、构成蛋白质的氨基酸均为L-氨基酸。 2、除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。 3、各种氨基酸的区别在于侧基R基上。,从氨基酸的结构通式可以看出：,（二）氨基酸的构型：,构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有-碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L-构型与D-构型，互为镜像关系。,（二）化学性质,1. 两性电离及等电点：,氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电

7、离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在,三、氨基酸的化学反应 1.由-氨基参加的反应：,(1) 与亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，在通常情况下测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。,(2) 与甲醛的反应： 用过量的中性甲醛与氨基酸反应，可游离出氢离子，然后用NaOH滴定，从消耗的碱量可以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定法。,(3) 与2,4-二硝基氟苯（2,4-DNFB）的反应（Sanger反应）：生成黄色的二硝基苯-氨基酸衍生物。 (4) 与苯异硫氰酸酯（PITC）反应（Edman反应）

8、：生成苯乙内酰硫脲-氨基酸。 (5) 与丹磺酰氯（DNS-Cl）的反应：生成荧光物质DNS-氨基酸。,(3)、(4)、(5)反应用于蛋白质的N-末端的测定。,2.-羧基参加的反应： (1)与碱反应成盐 (2)与醇反应成酯 (3)与酰化试剂反应成酰氯,3.-氨基与-羧基共同参加的反应 与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。,4 .R-侧链反应-呈色反应,5、成肽反应,* 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。,* 肽是由氨基酸通过肽键脱水缩合而形成的化合物。,+,甘氨酰甘氨

9、酸,肽键,* 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,* 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)。,* 由多个氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。,蛋 白 质 的 共价结 构,第 三 节,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),化学法断裂肽键： 溴化氰水解法，它能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基 所形成的肽键。,酶法断裂肽键,定义 蛋白质的一级结构

10、指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,（一）肽和肽键结构,1、肽链的结构特点是： （1）肽链中的骨干是 单位规则地重复排列，称 之为共价主链： （2）每个肽键的形成都丢失一个水分子，故肽键中的氨基酸称氨基酸残基。 （3）各种肽链的主链结构一样，但侧链R基即氨基酸残基的顺序不同。 （4）一条多肽链通常在一端含有一个游离的末端氨基，称N端；另一端含一个游离的末端羧基，称C端。,2、肽的命名：从N端氨基酸开始，称某氨基酰某氨基酰某氨基酸， 如简写：Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu。,3、肽键的平面结构： 顺式构型中的两个C彼此接近，引

11、起 各R基之间的空间位 阻，造成结构不稳； 反在式构型中两者相 距较远，结构比较稳 定。肽链中的肽键全 是反式构型。,4、肽键共振 肽键是一种酰胺键，通常在羰基碳和酰胺氮之间是单键，这样肽链主链上的3种键（ C-C键， C-N肽键，N-C键）都是单键，所以原则上多肽主链上的任何共价键都可发生旋转。,但在酰胺氮和羰基氧之间会发生共振相互作用，其结果表现两种极端形式： C和O之间有一个键和一个键连接，而酰胺N上留有一个孤电子对，这种结构允许C-N键自由旋转（A）； C和N原子参与键的形成，在羰基O上留下一个孤e-对，带负电荷，酰胺N带正电荷，这样C-N键就成为一个双键，阻绕C-N键的自由旋转（B）

12、。 肽键共振的结果： （1）阻绕肽键C-N的自由旋转，只保留N-C键和C-C键的 旋转； （2）组成肽基的4个原子和2个相邻的C原子倾向于共平 面，形成多肽主链的酰胺平面。,（二）肽的物理和化学性质 1、物理性质 在水溶液中以偶极离子存在，这决定于游离末端-NH2 ，-COOH以及酸性和碱性氨基酸侧链R基团上可解离的功能团。肽键中的亚氨基不解离。 2、化学反应 （1）游离的-NH2和-COOH及R基团可发生与氨基酸中相应的基团类似的反应； （2）N末端的氨基酸残基也能与茚三酮发生定量呈色反应； （3）双缩脲反应为肽和蛋白质所特有、而氨基酸所没有的一种颜色反应（紫红色或紫蓝色，与CuSO4碱性液

13、反应），借助分光光度计可定量分析。,二、蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键,肽单元（肽键平面）,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,酰胺平面与- 碳原子的二面角 酰胺平面 多肽链可看成是由一系列酰胺平面组成：,1/3的肽键不能旋转，只有碳原子连接的两个单键（C- N和C- C），能够旋转。, 二面角（ 和 ） 两相邻酰胺平面，能以共同C为定点而旋转。 绕C- N键旋转角度为 绕C - C键旋转角度为,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated shee

14、t ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),（一） -螺旋,目 录,多为右手螺旋,1. -螺旋结构,3.6残基/圈 0.54nm/圈,氢键是维持此结构的主要作用力,-螺旋结构有左、右螺旋之分，天然蛋白质为右手-螺旋结构，典型 右手-螺旋结构可用3.613表示。,毛发横切面和毛发-角蛋白的结构,原纤维,细胞,-螺旋,角质层（鳞状细胞）,微纤维,微纤维,大纤维,影响 -螺旋形成的因素： 1.多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基（如Lys、Asp、Glu），不能形成稳定的-螺旋。 2.Gly连续存在时，由于没有侧链的约束，其可任意取值，所需二面角几率很小，不易

15、形成-螺旋。 3.R基大（如Ile）不易形成-螺旋 4. Pro由于侧链的吡咯环及C没有H参与螺旋氢键形成，使螺旋拐弯（中断），产生一个“结节（kink）”。 5.R基较小，且不带电荷的氨基酸利于-螺旋的形成。如多聚Ala能自发卷曲成-螺旋。,（二）-折叠,两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即折叠片。,-折叠（-pleated sheet）结构特点 又叫-构象（-conformation），主要存在于- 角蛋白中。 氢键与肽链的长轴接近垂直。 多肽主链呈锯齿状折叠构象。 侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。 两个氨基酸之间轴心距为0.35nm（反平行）或0.325（平行）（完全伸展为0.36nm ）。, -折叠有两种类型： 平行式 （二面角 = 119、= +113 ）即所有肽链的N-端都在同一方向，主要存在于球状和纤维状蛋白质中。 反平行式 （二面角 = 139、= +135 ）即相邻两条肽链的方向相反，主要存在于纤维状蛋白质中。 反平行-折叠比平行的更稳定。,平行和反平行的 折叠,（三） - 转角和- 凸起 - 转角（ - turn）又叫 - 弯曲（ -bend）、发夹结构（hairpin structure），是一种非重复结构。