第三章蛋白质化学

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1、第三章 蛋白质化学 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自我更新。 恩格斯反杜林论1878学习要求：1. 了解蛋白质生物功能、分类。2. 了解氨基酸分类、结构，掌握其重要化学反 应和分离、分析方法，重点弄清楚它的两性 性质,pI和 Pk。3. 掌握蛋白质的一级结构及其序列分析方法。 掌握蛋白质二、三和四级结构的基本概念。4. 了解蛋白质的重要理化性质。5. 了解蛋白质分离、纯化方法及其理论依据。一、蛋白质概述1、概念蛋白质（protein): 是由20种L-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具较稳定构象并具一定生物功能的生物大分子。2、

2、蛋白质的化学组成元素组成：蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、钼、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为： 碳 50-55% 氢 6.5-7.3 氧 19-24 氮 16% 硫 0-3 其他 微 量蛋白质的含氮量v 大多数蛋白质的含氮量接近于16%，这是蛋白质元素组成的一个特点，也是凯氏（Kjedahl）定氮法测定蛋白质含量的计算基础。所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：v 样品中蛋白质含量=蛋白氮6.25v 6.25为蛋白质系数，即1克氮所代表的蛋白质量（克数）分子组成： 经酸、碱和酶处理

3、蛋白质，使其彻底水解得到产物为氨基酸，组成蛋白质的常见20种氨基酸中除脯氨酸外，均为-氨基酸： 3、蛋白质的大小与分子量n 蛋白质是分子量很大的生物分子。对任一种给定的蛋白质来说，它的所有分子在氨基酸的组成和顺序以及肽链的长度方面都应该是相同的，即所谓均一的蛋白质。n 蛋白质分子量的变化范围很大，从大约6000到1000000道尔顿（Da）或更大。n 某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基(多肽链)通过非共价结合而成的，称寡聚蛋白质。有些寡聚蛋白质的分子量可高达数百万甚至数千万。（TMV：4x107）1 D = 1.66033 10-27 Kgn 对于只含有多肽链的简单蛋白质：n 氨基酸残基的数

4、目=蛋白质的分子量 / 110 （氨基酸残基平均分子量 110）4、蛋白质的分类分类原则：按分子形状、分子组成、溶解度、生物功能 按分子形状：球状蛋白和纤维状蛋白； 按分子组成：简单蛋白和结合蛋白； 按溶解度：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇 溶蛋白、精蛋白、组蛋白、硬蛋白等。 按生物功能：酶、运输蛋白、营养和储存蛋白、运动蛋白、结构蛋白和防御蛋白5、蛋白质的生物学功能催化作用：几乎所有的酶都是蛋白质。生物体的结构成分。运输和储存。运动作用： 动物的肌肉收缩、细菌的鞭毛运动。免疫保护作用。激素作用：胰岛素等。接受和传递信息的受体：受体蛋白，控制细胞生长、分化：生长因子、阻遏蛋白。毒蛋白：植物、微生物

5、、昆虫所分泌。许多蛋白在凝血作用、通透作用、营养作用、记忆活动等方面起重要作用。6、蛋白质的水解 蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解. 完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。 所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。 大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。二、蛋白质的基本结构单位氨基酸 （amino acid）n 氨基酸的结构n 氨基酸的种类及结构n 氨基酸的重要理化性质n 氨基酸（amino acid, 简写aa)： 蛋白质的基本组成单位，是含氨基的羧酸。n 天然蛋白质

6、由20种氨基酸组成。1、氨基酸的结构a、通式：-氨基酸中碳原子为不对称碳原子（除甘氨酸） 由通式可得出： 1）组成蛋白质的aa都是-氨基酸 （除脯氨酸 亚氨基酸外） ；（2）不同aa仅R链不同；（3）除甘氨酸外，其余aa的-碳原子均为不对称碳原子。2、-氨基酸的构型：构型：由于基团或原子在空间排列的不对称性而引起的光学活性立体结构称立体构型。立体构型：氨基在左为L-型；氨基在右为D-型。天然蛋白质中的aa均为L-型；两型aa的生理功能不同。3、 - 氨基酸具旋光性左旋（-）：能使偏振光向左；右旋（+）：能使偏振光向右。旋光特性表示： 比旋光度D ， L-氨基酸比旋光度见P76表3-7构型与比旋

7、光度无直接对应关系n 氨基酸的旋光性和旋光角度与R基团的性质及测定时溶液的pH有关；n 当某氨基酸以等量L、D型混合时，旋光抵消，称外消旋；n 化学合成所得氨基酸为D、L各半的混合物，称DL型，无旋光性，可用化学或生化方法将二型分开，此时才表现出旋光性。（二）氨基酸的种类及结构1、根据是否组成蛋白质来分 非极性R基团氨基酸 （8种）：丙氨酸（Ala） 缬氨酸（Val）亮氨酸（Leu） 异亮氨酸（Ile）脯氨酸（Pro） 苯丙氨酸（Phe色氨酸（Trp） 甲硫氨酸（Met）特点：不易溶于水R基疏水性大小: Ala Met Pro Val Leu Ile Phe Trp这类氨基酸R基的疏水性，在维

8、持蛋白质的三维结构中起着重要作用。Pro是唯一的一种-亚氨基酸，它在蛋白质空间结构中具有极重要的作用，一般出现在两段-螺旋之间的拐角处. 极性不带电荷R基团氨基酸（7种）：甘氨酸（Gly）丝氨酸（Ser）苏氨酸（Thr）半胱氨酸（Cys）酪氨酸（Tyr） 天冬酰胺（Asn）谷氨酰胺（Gln）特点：侧链含极性基团，在生理条件下不解离，易溶于水，R侧链能与水形成氢键。Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。Cys中R含巯基（-SH），两个Cys的巯基氧化生成二硫键，二硫键在蛋白质的结构中具有重要意义 CysssCys R基团带负电荷氨基酸：天冬氨酸（Asp）谷氨酸（Glu）在生理条件下

9、,侧链羧基完全解离，带负电荷。为酸性氨基酸 R基团带正电荷氨基酸：赖氨酸（Lys）精氨酸（Arg）氨酸（His）为碱性氨基酸，在生理条件下，侧链解离，带正电荷。4、按人体是否可合成来分：必需氨基酸：Lys Val Ile Leu phe Met Trp Thr 半必需氨基酸：Arg His非必需氨基酸：其余氨基酸5、蛋白质中几种重要的稀有氨基酸在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。6、非蛋白氨基酸广泛存在

10、于各种细胞和组织中，呈游离或结合态，但并不存在蛋白质中的一类氨基酸，大部也是蛋白质氨基酸的衍生物。结 构 特 点：（1）大多是L-型氨基酸的衍生物，L-瓜氨酸（Cit） 、L-鸟氨酸（Orn）（2）-、-、-氨基酸 -Ala、-氨基丁酸。（3）D-型氨基酸 D-Glu、D-Ala（肽聚糖中） D-Phe（短杆菌肽S非蛋白氨基酸存在的意义：1.作为细菌细胞壁中肽聚糖的组分：D-Glu D-Ala2.作为一些重要代谢物的前体或中间体: b -丙氨酸（VB3）、鸟氨酸（Orn）、胍氨酸（Cit）(尿素)3.作为神经传导的化学物质：-氨基丁酸4.有些氨基酸只作为一种N素的转运和贮藏载体（刀豆氨酸）5.

11、杀虫防御作用:如种子中高浓度的刀豆氨酸和5-羟色氨酸能防止毛虫的危害，高精氨酸能抑制细菌的生长。（三）氨基酸的理化性质1. 氨基酸的一般物理性质 氨基酸的旋光性：除甘氨酸外，氨基酸含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。 旋光性：旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。使偏振面向右旋的，称右旋光物质，记为“+”，使偏振面向左旋的，称左旋光物质，记为“-”。氨基酸的旋光性是由它们的结构决定的。除甘氨酸外，其它氨基酸的-C原子都与四个不同的原子和基团连接，因而是不对称C原子。手性中心（chiral center）：当一个C原子有四

12、个不同的取代基同它连接形成一个不对称碳原子时，这个碳原子就是一个不对称中心或称做手性中心。 氨基酸的光吸收构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力,因其含有苯环共轭双键的R侧链。 酪氨酸的lmax275nm，苯丙氨酸的lmax257nm，色氨酸的max280nm。 所以，测样品280nm处的光吸收值，可知溶液中蛋白质浓度。此法快速简便。 高熔点 一般均溶于水，溶于强酸、强碱；不溶于乙醚。 氨基酸一般有味2、两性解离与等电点（两性性质）：（1）氨基酸为两性电解质：氨基酸在水溶液

13、中或在晶体状态时主要时以两性离子的形式存在。氨基酸在水中的两性离子既能像酸一样放出质子，也能像碱一样接受质子，氨基酸具有酸碱性质，是一类两性电解质。（2）氨基酸解离方式取决于所处环境的pH：在电场中，阳离子向负极移动；阴离子向阳极移动；调整pH，使氨基酸净电荷为零时，氨基酸既不向阳极也不向阴极移动。（3）等电点（isoelectric point, 缩写为pI）：特点：净电荷数等于零，在电场中不移动；此时氨基酸的溶解度最小。 等电点相当于该氨基酸（aa）两性离子状态两侧基团pK值之和的一半。 A、对侧链R基不解离的中性氨基酸： pI=1/2（ pK1+ pK2）即：等电点pH值与离子浓度无关，

14、只取决于兼性离子两侧基团的pK值。氨基酸的解离常数可以用测定滴定曲线的实验方法求得。当1mol的甘氨酸溶于1L水时，溶液的pH约为6，此时甘氨酸为兼性离子状态R+。若用标准NaOH滴定，以加入的NaOH摩尔数对pH作图，得滴定曲线B,在pH9.60处有一拐点（滴定中点)。R+作为酸，由NH3+提供质子，逐渐变为R-,滴定中点时有一半R+变为R-,即 R+=R-，则 K2 = H+pK2=pH(拐点处）pK2就是R+的NH3+50%解离时溶液的pH值，K2就是此时溶液的H+若用HCl滴定，在pH2.34 处有一拐点，拐点处pH即为pK1。R基不解离的氨基酸都有类似甘氨酸的滴定曲线。氨基酸有时被用作缓冲剂，缓冲剂是当加入酸或碱时具有抗pH改变的溶液，缓冲剂起作用的pH范围称为缓冲范围，通常定义为pK+1至pK-1。20种基本氨基酸中只有组氨酸的咪唑基的pK最接近生理pH值（游离氨基酸中为6.00，在多肽链中为7