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1、第三章 蛋白质化学 Chemistry of Protein,教学内容,概 述,蛋白质 （Protein）,1838年，荷兰科学家G.J.Mulder提出，由proteios衍生而来 第一重要，首要的物质,（一）,蛋白质存在于所有生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，参与了几乎所有的生命活动过程。,（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、肺及横纹肌等高达80。,1）作为生物催化剂（酶
2、） 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 的 分 子 组 成 The Molecular Component of Protein,第 一 节,一、组成蛋白质的元素,主要有C、H、O、 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 。,N,N是蛋白质的特征元素， 各种蛋白质的含氮量很接均含量：16%.,各种蛋白质的含氮量很接均为16。,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的
3、大致含量：,100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%, 蛋白质元素组成的特点,三聚氰胺（含氮量66.6%）,三鹿奶粉事件,二、蛋白质结构单位氨基酸,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。,？,氨基酸？氨基酸有多少种？肽键？ 蛋白质=氨基酸？蛋白质有多少种？ ,氨基酸 组成蛋白质的基本结构单位,（一）组成人体蛋白质的20种氨基酸均 属于L-氨基酸,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，称为标准氨基酸。且基本均属于L-氨基酸（
4、甘氨酸、脯氨酸除外）。,Amino group,Carboxylic group,氨基酸结构通式,R group,D/L构型,Fischer费歇尔投影式在平面上表示其构型,共同结构,标准氨基酸,标准氨基酸结构特点：,20种氨基酸 除了脯氨酸为亚氨基酸，其余均为-氨基酸。 除外甘氨酸，碳原子都结合了4种不同的原子或基团：羧基、氨基、R基和1个氢原子氨基酸的不同在于R侧链不同. -碳原子为手性碳原子. 天然的标准氨基酸均为L-氨基酸（除外甘氨酸）.,氨基酸根据是否用于合成蛋白质(或有无遗传密码)可以分为标准(或编码)、非标准(或非编码)氨基酸。,（二）氨基酸的分类,标准(或编码)氨基酸又可按不同标
5、准分类,体内需要而自身又不能合成、必需由食物供给的氨基酸。,异亮氨酸、蛋 （甲硫）、缬氨酸、亮氨酸、色氨酸、 苯丙氨酸、苏氨酸、赖氨酸,Ile Met Val Leu Trp Phe Thr Lys家 写 两 三 本 书 来,2、根据分解产物的进一步转化可分为,3、氨基酸可根据R侧链结构和理化性质分类,（1）非极性脂肪族R基氨基酸 （2）极性不带电荷R基氨基酸 （3）芳香族R基氨基酸 （3）带正电荷R基氨基酸 （4）带负电荷R基氨基酸,非极性脂肪族R基氨基酸,极性不带电荷R基氨基酸,芳香族R基氨基酸,带正电荷R基氨基酸,赖氨酸、精氨酸、组氨酸R基所含的 氨基、胍基，咪唑基可以结合H+带正电荷,
6、带负电荷R基氨基酸,天冬氨酸和谷氨酸，两者R基所含的羧基在生理条件下可以给出H+而带负电荷 .,氨基酸同时具有氨基、羧基,能结合H+而成NH3+ 带正电荷，具碱性,能电离出H+而成COO- 带负电荷，具酸性,氨基酸是两性电解质,这种解离特征两性解离,1. 氨基酸具有两性解离的性质,（四）,氨基酸是两性电解质，其在溶液中的解离程度取决于所处溶液的酸碱度，即pH值的影响.,在溶液中，氨基酸是一种能同时带两种电荷的离子，这种离子称为兼性离子（zwitterion）.,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,*等电点(isoelectric point, pI),在某一pH的
7、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。,pI是氨基酸的特征常数,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸（氨）的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。 比色法:定量分析,2.,（蓝紫色）,3. 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，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。,氨基酸的紫外吸收,三、氨基酸的连接肽,（一）肽的形成和命名,1
8、. 肽键,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。,(peptide bond),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的链状化合物。,* 两分子氨基酸缩合形成二肽（ dipeptide），三分子氨基酸缩合则形成三肽（tripeptide),* 氨基酸残基(residue)：肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为。,* 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)。,2、多肽链（polypeptide chain）的结构 是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的
9、一种结构。,*肽链的骨架(backbone) ：-N-C-C-交替重复构成的长链称为主链 也称为骨架。,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,*多肽链有两端,*肽链有方向性,需要明确的问题,通常把N端为肽链的头，结束于C端 与多肽链的合成方向一致，即多肽链的合成开始于N端。,书写肽链时： 1、习惯把N端写在左侧，用H2N-或H-表示 2、C端写在右侧，用-COOH或-OH表示,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二） 体内重要的生物活性肽,谷胱甘肽(glutathione, GSH),谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽 SH为活性基团 为酸性肽 是体内重要的还原剂
10、,3、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,蛋白质与多肽的区别：,分子量、肽链数目、与构象的关系、是否含有辅基,但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物.,蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein,第 二 节,蛋白质有多少种？为什么功能多样?,一、蛋白质的分类,* 根据蛋白质组成成分,单纯蛋白质（simple protein）,结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分（辅基）,* 根据蛋白质形状,（缀合蛋白质 conjugated protein）,一级结构(primary structure) 二级结构(secondary stru
11、cture) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),二、蛋白质的分子结构,定义 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端到C-端的氨基酸的组成及排列顺序。,（一）氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构,主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,目 录,二、多肽链的局部主链构象为蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键 （与O或N共价结合的H与另一个O或N结合所形成的化学键）,二级结构的形成：* 蛋白质分子中由于肽键平面的相对旋转，构成的局部空间构
12、象。,肽单元,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,肽键平面,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet )-转角 ( -turn )无规卷曲 ( random coil ),1、 -螺旋,右手螺旋每周含3.6个残基螺距0.54nm作用键：氢键,-螺旋是所有二级结构中最稳定的,莱纳斯卡尔鲍林 （Linus Carl Pauling， 1901.02.281994.8.19）,1954年诺贝尔化
13、学奖 1960年诺贝尔和平奖 与牛顿、居里夫人、爱因斯坦齐名 贡献：杂化轨道理论、共振论等；Hb结构、镰刀形红细胞贫血 20世纪最受尊敬和最受嘲弄的科学家之一：DNA二级结构；VitC作用和剂量与健康（感冒、癌症、白内障、骨关节炎、老年痴呆）,1970年出版了维生素C与普通感冒 和主任医师卡梅伦博士合作出版了癌症和维生素C 建议每日服用大于10g,2、-折叠,多肽链局部肽段的主链呈锯齿状伸展状态，称为-折叠。 数段-折叠平行排列可以形成群褶样结构 。 相邻-折叠肽段的肽键之间形成的氢键是维持-折叠稳定性的主要作用力。,3、-转角（ -turn）,位于肽链进行回折时的转折部位，由四个氨基酸构成。
14、 其中第二个氨基酸常为脯氨酸，第一个氨基酸的羰基O于第四个氨基酸的氨基H形成氢键。 -转角伸展的肽链形成180回折，即U形转角结构。,4、无规（则）卷曲( random coil ),无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,（五）模体是具有特殊功能的超二级结构,在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则结构的二级结构的组合，称为超二级结构，又称模体（motif）。,模体具有特殊功能，往往具有特征性的氨基酸序列。,常见形式：,螺旋组合（）；折叠组合（）和螺旋折叠组合（）.,超二级结构的形成进一步降低了蛋白质分子的内能，使之更加稳定，它是蛋
15、白质在二级结构基础上形成三级结构时经过的一个新的结构层次 。,此模体由1个-螺旋和2个反平行的-折叠三个肽段组成。由于Zn2+可稳固模体中-螺旋结构，致使此-螺旋能镶嵌于DNA的 大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合。 可见模体的特征性空间构象是其特殊功能的结构基础,锌指结构,三、在二级蛋白质的基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质的三级结构,疏水作用、离子键、氢键和 Vander Waals力等，少量二硫键。 -亲水基团：分子表面；疏水基团：分子内部,主要的化学键,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子（主链+侧链）在三维空间的排布位置。,（一） 定义,目 录,肌红蛋白 (Mb),-转角,-螺旋,-螺旋,-转角,纤连蛋白分子的结构域,（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区,分子量较大的蛋白质的常可折叠成多个较为紧密的区域，并各行使其功能，称为结构域(domain) 。,介于二级和三级结构之间的另一种结构层次。 结构域由多肽链或模体折叠形成，其肽链的缠绕紧密而稳定。 结构域之间相对松弛，常常通过无规卷曲的肽段相连接，可以有轻度或广泛的相互作用。,三级结构示意图,由一条多肽链构成的蛋白质只有形成三级结构才可能具有生物活性。三级结构是最高结构层次,亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键，范德华力等。,
