第一章 蛋白质化学蛋白质的生物学意义 蛋白质的元素组成蛋白质的氨基酸组成肽蛋白质的结构蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的性质蛋白质的分类提要蛋白质蛋白质 是由许多不同的α-氨基酸 按一定的序列通过酰胺键（肽键 ）缩合而成的，具有较稳定的构 象并具有一定生物功能的大分子 一、蛋白质的生物学意义1. 生物体的组成成分 2. 酶 3. 运输 4. 运动 5. 抗体 6. 干扰素 7. 遗传信息的控制 8. 细胞膜的通透性 9. 高等动物的记忆、识别机构二、蛋白质的元素组成C（50~55%）、H（6~8%）、O（20~23%）、 N（15~18%）、 S（0~4%）、…N的含量平均为16%——凯氏（Kjadehl ）定氮法的理论基础三、蛋白质的氨基酸组成氨基酸 是蛋白质的基本组成单位从细 菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基 酸（20 standard amino acids)组成一）氨基酸的结构通式：19种氨基酸具有一 级氨基（-NH3+）和羧基（-COOH）结合到α碳 原子（Cα），同时结合到（Cα）上的是H原子 和各种侧链（R）；Pro具有二级氨基（α-亚氨 基酸）不带电形式H2N—Cα—HCOOHR+H3N—Cα—HCOO-R两性离子形式Cα如是不对称C（除Gly），则：1. 具有两种立体异构体 [D-型和L-型]2. 具有旋光性 [左旋（-）或右旋（+）]（二）氨基酸的分类1. 根据R的化学结构2. （1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、 Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu 、Asn、Gln、Ser、Thr3. （2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr4. （3）杂环氨基酸：Trp、His5. （4）杂环亚氨基酸：Pro2. 根据R的极性3. （1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、 Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电：Asp 、Glu4. （2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、 Met、Pro、Trp（三）氨基酸的重要理化性质1. 一般物理性质无色晶体，熔点极高（200℃以上），不同味道；水 中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。
2. 两性解离和等电点氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在 ，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的—NH3+正离子 和能接受质子的—COO-负离子，为两性电解质3. 化学性质 （1）与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色 在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几μg） 调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的—+NH3基 和—COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷 为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的 等电点（pI） H3N—CH—COOHR +在酸性溶液 中的氨基酸（pH＜pI）H3N—CH—COO-R +在晶体状态 或水溶液中 的氨基酸（ pH=pI）H2N—CH—COO-R在碱性溶液 中的氨基酸（pH＞pI）（当氨基酸相互连接成蛋白质时，只有其侧链基团和末端的 α-氨基，α-羧基是可以离子化的氨基酸等电点的确定：1）酸碱滴定（滴定曲线）2）根据pK值（该基团在此pH一半解离）计算：等电点等于两性离子两侧pK值的算术平均数pI = ————pK1+pK2 2or（ pI = ———— ）pK2+pK3 2（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法R—CH—COO-NH3+R—CH—COO-NH2+ H+OH-中和滴定HCHOR—CH—COO-NHCH2OH HCHOR—CH—COO-N(CH2OH)2（3）与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应NO2FO2N+ HN—CH—COOHRNO2O2NHN—CH—COOHR+ HF弱碱性DNP-氨基酸H2N—CH—COOH +RNCH3CH3O=S=O Cl5-二甲氨基萘磺酰氯 （DNS-Cl）pH9.7 40℃NCH3CH3O=S=OHN—CH—COOH RDNS-氨基酸取代DNFB测定蛋白质N端氨基酸，灵敏度高（4）与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应—N=C=S + N—CH—COOH HHRPITC—N—C—N—CH—COOHHHRSPTC-氨基酸—N—CHRSNCCOPTH-氨基酸pH8.3无水HF重复测定多 肽链N端氨 基酸排列顺 序，设计出 “多肽顺序 自动分析仪 ”（5）与荧光胺反应：根据荧光强度测定氨基酸含量（ng级）。
激发波长 λx=390nm，发射波长λm=475nm6）与5,5′-双硫基-双（2-硝基苯甲酸）反应：H2N—CHCH2SSHNO2 HOOCSNO2 COOHCOOH+SSNO2NO2 HOOCCOOHH2N—CH—COOH +CH2SHpH8.0硫代硝基苯甲酸测定Cys含量（pH8.0λ412nm的摩尔消光系数 ε=13600）四、肽——一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩 合而成的化合物氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽，在一端仍然 有游离的氨基和另一端有游离的羧基，每一端连接更多的氨 基酸氨基酸能以肽键相互连接形成长的、不带支链的寡肽 （25个氨基酸残基以下）和多肽（多于25个氨基酸残基） 多肽仍然有游离的α-氨基和α-羧基肽链写法：游离α-氨基在左，游离α-羧基在右，氨基酸之间用 “-”表示肽键H2N-丝氨酸-亮氨酸-苯丙氨酸-COOHSer-Leu-Phe（S-L-F ）（一）谷光甘肽（GSH）H2N-CHCH2CH2CO—COOHγ-GluNHCHCO —CH2SHCysNHCH2COOHGly2GSHGSSG（二）催产素和升压素均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同。
催产素使子宫 和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用升 压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿三）促肾上腺皮质激素（ACTH）39肽，活性部位为第4~10位的7肽片段 ：Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly四）脑肽脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾 Met-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leuβ-内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用五）胆囊收缩素（六）胰高血糖素由胰岛α-细胞分泌（β-细胞分泌胰岛素），29肽胰高 血糖素调节 维持血糖浓度五、 蛋白质的结构蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列在蛋白质 中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）（conformation） 在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定 蛋白质有四种结构层次：一级结构（primary），二级结构 （secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary ）（不总是有） （一）蛋白质的一级结构（化学结构）一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即 氨基酸的线性序列。
在基因编码的蛋白质中，这种序列 是由mRNA中的核苷酸序列决定的一级结构中包含的 共价键（covalent bonds）主要指肽键（peptide bond）和 二硫键（disulfide bond）HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His- Leu-Val- Glu- Ala- Leu- Tyr –Leu -Val-Cys-GlyGlu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOHB链157101519 20212530HGly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH 15102015A链711621 SSSS牛胰岛素的化学结构—S————S——一级结构确定的原则：将大化小，逐段分析，制成两 套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后 确定蛋白质的完整序列目前往往采用从待测蛋白质的基因序列反推出蛋白质 的一级结构二）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）——蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽 链的走向。
由于羰基碳-氧双键的靠拢，允许存在共振结构（resonance structure），碳与氮之间的肽键有部分双键性质，由CO-NH 构成的肽单元呈现相对的刚性和平面化，肽键中的4个原子 和它相邻的两个α-碳原子多处于同一个平面上Cα—C—N—CαOH—C N—O-H+CαCα氨基的H与羰基的O几乎总是呈反式（trans）而不是顺式 （cis）蛋白质构象稳定的原因：1）酰胺平面；2）R的影响1. 蛋白质的二级结构——指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式（1）α-螺旋（α-helix）Pauling和Corey于1965年提出结构要点：1）螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每 个残基沿轴旋转100° 2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢 形成氢键（hydrogen bond），氢键的走向平行于螺旋轴 ，所有肽键都能参与链内氢键的形成—C—(NH—C—CO)3 N—O HHR3.613 (ns)3)R侧链基团伸向螺旋的外侧RRR RRRRRR螺旋的横截面4）Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺 旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。
2）β-折叠结构（β-pleated sheet）是一种肽链相当伸展的结构肽链按层排列，依靠相邻肽链 上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性肽键的平面 性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面 CαCαCαCαCαCαRRRRRRNNCNNCCC平行反平行β-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）3）β-转角（β-turn）为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成 发夹形状一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四 个氨基酸的氨基氢上N—1CH—CC2CH N—H O=C3CHNC—4CH—NRRHOHRROHOβ-转角经常出 现在连接反平 行β-折叠片的 端头4）自由回转没有一定规律的松散肽链结构酶的活性部位2. 超二级结构和结构域超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相 互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合 体是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象 层次结构域是球状蛋白质的折叠单位多肽链在超二级结构的 基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构，具有部 分生物功能对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往 由两个以上结构域缔合而成三级结构。
3. 蛋白质的三级结构——指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维 空间的分布肌红蛋白4. 蛋白质的四级结构——多肽亚基（subunit）的空间排布和相互作用亚基 间以非共价键连接血红蛋白共价键次级键化学键肽键 一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键 盐键范德华力三、四级结构（三）蛋白质分子中的共价键与次级键肌红蛋白是1957年由John Kendrew 用X射线晶体分析法测定的有三维结构的第一个蛋白质它是典型的球形蛋白质，高度折叠成紧密结构，疏水氨基酸残基大部分埋藏在分子内部，极性残基在表面肌红蛋白中有8条α-螺旋由多肽的折叠形成的疏水空隙内是血红素辅基，通过肽链上的His残基与肌红蛋白分子内部相连，它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与O2结合）六、蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学 结构，还需要一定的空间构象一）蛋白质一级结构与功能的关系1. 种属差异蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨 基酸对蛋白质的功能起决定作用根据蛋白质结构上 的差异，可以断定它们在亲缘关系。