蛋白質(zhì)的化學(xué)

蛋白質(zhì)的化學(xué)蛋白質(zhì)的化學(xué)1蛋白質(zhì)的化學(xué)組成2蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)3蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)4蛋白質(zhì)的營養(yǎng)作用5蛋白質(zhì)類藥物的工業(yè)生產(chǎn)【學(xué)習(xí)目標】

掌握蛋白質(zhì)的元素組成、基本組成單位、一級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)。熟悉蛋白質(zhì)的分類、生物學(xué)功能及蛋白質(zhì)分離純化方法。【重點難點】

蛋白質(zhì)的元素組成及基本組成單位；蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)及其與生物學(xué)功能的關(guān)系；蛋白質(zhì)理化性質(zhì)。蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的基本成分人體干重約45%細菌約50%~80%干酵母約46.6%黃豆約40%

蛋白質(zhì)（Protein）由19種氨基酸和1種亞氨基酸組成的、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特定功能的大分子物質(zhì)。蛋白質(zhì)具有多樣性的生物學(xué)功能生物催化作用：酶代謝調(diào)節(jié)作用：激素免疫保護作用：免疫球蛋白物質(zhì)的轉(zhuǎn)運與儲存功能：血紅蛋白運輸O2和CO2，運鐵蛋白運輸Fe，血漿脂蛋白運輸脂類物質(zhì)運動和支持功能：肌動蛋白和肌球蛋白完成肌肉的收縮與舒張，皮膚、骨骼和肌腱的膠原纖維主要含膠原蛋白生長、繁殖、遺傳、變異功能：核蛋白生物膜的功能和受體：生物膜的基本成分為蛋白質(zhì)和脂類，受體傳遞信息保護結(jié)締組織的功能：作為結(jié)締組織的主要成分等等一、蛋白質(zhì)的元素組成第一節(jié)蛋白質(zhì)的化學(xué)組成主要元素C50%~55%H6%~7%O20%~23%N15%~17%S0~2%微量元素P牛乳中的酪蛋白Fe血中的血紅蛋白I甲狀腺中的甲狀腺球蛋白大多數(shù)蛋白質(zhì)的含氮量比較接近且恒定，平均為16%。蛋白質(zhì)定量（微量凱氏定氮法的基礎(chǔ)）:

蛋白質(zhì)的含量=蛋白質(zhì)樣品含氮量×6.25二、蛋白質(zhì)的基本單位—氨基酸氨基酸(Aminoacid):

羧酸分子中α-C原子上的一個H原子被-NH2取代而生成的化合物,又稱α-氨基酸(脯氨酸除外）。氨基酸的結(jié)構(gòu)特點①除脯氨酸（α-亞氨基酸）外，其余都是α-氨基酸。②具有酸性-COOH和堿性-NH2，故氨基酸為兩性電解質(zhì)。③不同的α-氨基酸其R側(cè)鏈不同，R側(cè)鏈對蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)有重大影響。④除R為H的甘氨酸外，其它氨基酸的α-C原子都是手性碳原子，故具有旋光異構(gòu)現(xiàn)象：D型和L型。氨基酸的構(gòu)型構(gòu)型：根據(jù)甘油醛構(gòu)型確定D－型和L－型注意：①構(gòu)型與旋光性方向并無直接對應(yīng)關(guān)系。

②組成天然蛋白質(zhì)的氨基酸大多數(shù)是L-α-氨基酸。非極性R基氨基酸：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Tre）、蛋氨酸（Met）共9種極性不解離R基氨基酸：、絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）、半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln）共6種酸性R基氨基酸：谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）共2種堿性R基氨基酸：賴氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、組氨酸（His）共3種氨基酸分類*20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:★必需氨基酸：維持生命活動必不可少，但體能不能合成或合成不足，必需從外界食物攝取的氨基酸。包括8類：賴、色、苯丙、蛋蘇、亮、異亮、纈三、蛋白質(zhì)的分類清蛋白和球蛋白：清蛋白易溶于水；球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。谷蛋白和醇溶谷蛋白：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀堿中，后者可溶于70～80％乙醇中。精蛋白和組蛋白：堿性蛋白質(zhì)，存在于細胞核中。硬蛋白：存在于各種軟骨、腱、毛、發(fā)、絲等組織中，分為角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白和絲蛋白。核蛋白：如細胞核中的核糖核蛋白等。糖蛋白：如細胞膜中的糖蛋白等。脂蛋白：如血清-，-脂蛋白等。色蛋白：如血紅蛋白、葉綠蛋白和細胞色素等。磷蛋白：如角蛋白、彈性蛋白、絲心蛋白等。金屬蛋白：如鈣結(jié)合蛋白等。單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)按組成分類外形接近球形或橢圓形，溶解性較好，多為功能蛋白質(zhì)。如血紅蛋白、酶、免疫球蛋白等。球狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)按分子形狀分類分子呈纖維狀，多為結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)?？扇苄岳w維狀蛋白質(zhì)：肌肉的結(jié)構(gòu)蛋白、血清蛋白等。不溶性纖維狀蛋白質(zhì)：膠原蛋白、彈性蛋白、絲心蛋白等。第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)肽鍵

一個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基之間脫水縮合形成的酰胺鍵稱為肽鍵（peptidebond），所形成的化合物稱為肽。肽通常在多肽鏈的一端含有一個完整的-氨基，稱為氨基端或N-末端；在另一端含有一個完整的-羧基，稱為羧基端或C-末端。

氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點。肽單元參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。肽鏈結(jié)構(gòu)

有許多分子量比較小的多肽以游離狀態(tài)存在。這類多肽通常都具有特殊的生理功能，常稱為活性肽。如：腦啡肽、激素類多肽、抗生素類多肽、谷胱甘肽、蛇毒多肽等。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)1969年，國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)委員會（IUPAC）規(guī)定：

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（Primarystructure）指蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序，包括二硫鍵的位置。

一級結(jié)構(gòu)的意義牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（Secondarystructure）是指多肽鏈骨架中若干肽單位各自沿一定的軸盤旋或折疊，并以氫鍵為主要次級鍵而形成的有規(guī)則的構(gòu)象。主要形式有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

維持和穩(wěn)定蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的作用力：

氫鍵：

X—H······Y

疏水鍵：是指非極性基團即疏水基團為了避開水相而群集在一起的集合力。

范德華力：在物質(zhì)的聚集狀態(tài)中，分子與分子之間存在著一種較弱的作用力。

離子鍵：由帶相反電荷的兩個基團間的靜電吸引所形成的。離子鍵氫鍵范德華力疏水作用力蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)-螺旋的特點：①絕大多數(shù)天然蛋白質(zhì)中的-螺旋幾乎都是右手螺旋。螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基，每個氨基酸殘基的高度為0.15nm;②肽鏈內(nèi)相鄰兩個螺旋之間形成一個氫鍵，是穩(wěn)定-螺旋的主要次級鍵。氫鍵的取向幾乎與軸平行，每個氨基酸殘基的C=O氧與其后第四個氨基酸殘基的N-H氫形成氫鍵。③肽鍵中的氨基酸殘基的R基側(cè)鏈分布在螺旋的外側(cè)，其形狀、大小及電荷均影響-螺旋的形成和穩(wěn)定。多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成-螺旋結(jié)構(gòu)。1、α－螺旋（α-helix）螺距0.54nm每殘基的軸向高度0.15nm每殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100o2、β－折疊（β-pleatedsheet）β－折疊的特點：①肽鏈充分伸展使肽鍵平面之間折疊呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈R基團交替分布于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方。②肽鏈平行排列，相鄰肽鏈間的肽鍵交替形成氫鍵，是穩(wěn)定β－折疊的主要次級鍵。③相鄰排列的兩條β－折疊結(jié)構(gòu)的走向相同稱為順向平行。反之，稱為逆向平行。逆向平行的β－折疊更為穩(wěn)定。β－折疊走向3、β－轉(zhuǎn)角（β-turn）主鏈形成180°的回折結(jié)構(gòu)。由四個連續(xù)氨基酸殘基構(gòu)成。（或發(fā)夾結(jié)構(gòu)）★目前發(fā)現(xiàn)的-轉(zhuǎn)角多數(shù)都存在蛋白質(zhì)分子表面，它們的含量相當(dāng)豐富，約占全部氨基酸殘基的1/4。4、無規(guī)則卷曲

多肽鏈由于肽鍵平面在空間的不規(guī)則排布形成的松散結(jié)構(gòu)稱為無規(guī)則卷曲。

在一般球蛋白分子中，往往含有大量的無規(guī)則卷曲，它使蛋白質(zhì)肽鏈從整體上形成球狀構(gòu)象。

蝦紅素二級－－三級

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。二級的基礎(chǔ)上進一步折疊，即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵是維持三級結(jié)構(gòu)（Tertiarystructure）穩(wěn)定的主要作用力。磷酸丙糖異構(gòu)酶丙酮酸激酶蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)兩個或兩個以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈以非共價鍵締合形成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)四聚體二聚體亞基

疏水鍵是穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)（Quarternarystructure）的主要作用力。一級結(jié)構(gòu)→二級結(jié)構(gòu)→三級結(jié)構(gòu)→四級結(jié)構(gòu)→發(fā)揮功能三、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一級結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)。①一級結(jié)構(gòu)不同，生物學(xué)功能不同。②一級結(jié)構(gòu)中的“關(guān)鍵”部分相同，其功能也相同。關(guān)鍵”部分變化，功能隨之改變。例一：細胞色素C多種生物的細胞色素C一級結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明：①親緣關(guān)系越近，氨基酸順序的同源性越大。②盡管不同生物間親緣關(guān)系差別很大，但與細胞色素C功能密切相關(guān)的氨基酸順序卻有共同之處，即保守順序不變。不同生物與人的細胞色素C相比較氨基酸數(shù)目差異

黑猩猩0雞、火雞13

牛豬羊10海龜15

狗驢11小麥35

粗糙鏈孢霉43酵母菌44一級結(jié)構(gòu)與功能例二：鐮刀形紅細胞貧血病病因：血紅蛋白氨基酸順序的細微變化谷氨酸纈氨酸紅細胞變形成鐮刀狀,輸氧功能下降,細胞脆弱易溶血?？臻g構(gòu)象與功能①空間構(gòu)象是實現(xiàn)蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)，構(gòu)象改變功能隨之改變。②有時蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生輕微改變，但其生物學(xué)活性會有顯著變化。例一：RNase（核糖核酸酶）的變性與復(fù)性例二：血紅蛋白的變構(gòu)有些蛋白質(zhì)分子在表現(xiàn)其生物功能時，構(gòu)象必須發(fā)生一定的變化。

CO也能與血紅素Fe原子結(jié)合。由于CO與血紅素的結(jié)合能力是O2的200倍，因此，人體吸入少量的CO即可完全抑制肌紅蛋白或血紅蛋白與O2的結(jié)合，從而造成缺氧死亡。一、蛋白質(zhì)的兩性解離性質(zhì)

蛋白質(zhì)分子在溶液中解離成正、負離子的數(shù)目正好相等，即凈電荷為0，這時溶液的pH值即為蛋白質(zhì)的等電點，簡稱pI（isoelectricpoint）。第三節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

帶電粒子在電場中向電性相反的電極移動的現(xiàn)象稱為電泳(electrophoresis).不同帶電粒子因所帶電荷不同，或雖所帶電荷相同但荷質(zhì)比不同，在同一電場中電泳，經(jīng)一定時間后，由于移動距離不同而相互分離。分開的距離與外加電場的電壓與電泳時間成正比。電泳

蛋白質(zhì)在有洗滌劑，如：十二烷基硫酸鈉，SDS/十二烷基磷酸鈉，SDP)出現(xiàn)時會變性。洗滌劑會以負電荷覆蓋蛋白質(zhì)。通常SDS鍵結(jié)的量跟蛋白質(zhì)的大小有關(guān)系，所以鍵結(jié)后變質(zhì)的蛋白質(zhì)帶有負電荷，而且所有蛋白質(zhì)有相似的“荷質(zhì)比”（電荷和質(zhì)量的比值）。

和SDS結(jié)合的蛋白質(zhì)在凝膠內(nèi)移動的速率只和它的大小有關(guān)，跟它的帶電量或形狀無關(guān)。

二、蛋白質(zhì)的變性

某些物理或化學(xué)因素，能夠破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，引起蛋白質(zhì)理化性質(zhì)改變并導(dǎo)致其生理活性喪失。這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性（denaturation）。若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性(renaturation)。變性因素：加熱、紫外線、劇烈攪拌、強酸、強堿、有機溶劑、重金屬鹽等。變性本質(zhì)：破壞了維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的次級鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。生物活性喪失三、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)質(zhì)點直徑1～100nm

→→→蛋白質(zhì)溶液具有膠體性質(zhì)。膠體穩(wěn)定因素：①蛋白質(zhì)顆粒表面具有水化膜②蛋白質(zhì)分子表面帶有同種電荷←←←阻隔←←排斥四、蛋白質(zhì)的沉淀

蛋白質(zhì)在溶液中靠水化層和電荷保持其穩(wěn)定性，一旦除去水化層和電荷，蛋白質(zhì)溶液的穩(wěn)定性就被破壞，蛋白質(zhì)就會從溶液中聚集析出，此現(xiàn)象即為蛋白質(zhì)的沉淀作用(precipitation)。沉淀過程大量中性鹽NaCl等鹽析法蛋白質(zhì)不變性。常用于活性蛋白質(zhì)的分級沉淀。有機溶劑沉淀法有機溶劑乙醇等

易引起蛋白質(zhì)變性，宜低溫進行操作?？捎糜诨旌系鞍踪|(zhì)的分級沉淀。加熱法加熱常在等電點

可使蛋白質(zhì)變性，尤其在等電點時最易變性。重金屬鹽沉淀法重金屬離子Hg2+、Pb2+等

pH＞pI時，蛋白質(zhì)帶負電荷，可與重金屬陽離子結(jié)合沉淀。生物堿試劑沉淀法生物堿試劑TCA等

pH＜pI時，蛋白質(zhì)帶正電荷，可與生物堿陰離子結(jié)合沉淀。五、蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)茚三酮反應(yīng)雙縮脲反應(yīng)酚試劑反應(yīng)蛋白質(zhì)＋茚三酮————————→藍紫色物質(zhì)弱酸性溶液，加熱蛋白質(zhì)＋Cu2+——————→紫紅色物質(zhì)堿性溶液蛋白質(zhì)＋酚（福林試劑）試劑————→藍色物質(zhì)堿性條件含酪氨酸、色氨酸含磷鎢酸－磷鉬酸蛋白質(zhì)定性、定量的常用方法六、蛋白質(zhì)的紫外吸收

這三種氨基酸在280nm附近有最大吸收，因此大多數(shù)蛋白質(zhì)在280nm附近顯示強吸收。大部分蛋白質(zhì)均含有帶芳香環(huán)的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。第四節(jié)蛋白質(zhì)的營養(yǎng)作用一、食物蛋白質(zhì)的生理功能維持組織器官的生長、發(fā)育和修補作為體內(nèi)重要物質(zhì)合成和更新的原料維持體內(nèi)環(huán)境平衡、傳遞遺傳信息氧化供能二、氮平衡氮平衡指攝入蛋白質(zhì)的含氮量與排泄物的含氮量之間的關(guān)系。氮總平衡攝入＝排出氮正平衡攝入＞排出氮負平衡攝入＜排出三、食物蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值

必需氨基酸（essentialaminoacid）是指機體需要但自身不能合成，必須由外界攝入的氨基酸。8種必需氨基酸賴氨酸(Lys)、纈氨酸(Val)、蛋氨酸(Met)、色氨酸(Trp)亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、蘇氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe)嬰兒時期所需:精氨酸(Arg)、組氨酸(His)早產(chǎn)兒所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值評價①食物的蛋白質(zhì)含量②食物蛋白質(zhì)的消化率③蛋白質(zhì)的利用率蛋白質(zhì)消化率校正氨基酸計分（PDCAAS）食物蛋白質(zhì)動物性蛋白質(zhì)：肉類、蛋類、奶類等。植物性蛋白質(zhì)：米面類、豆類等。四、蛋白質(zhì)的生理需要量成年人：1~1.5g/天/kg兒童、青少年、孕婦等：

1.5~3g/天/kg第五節(jié)蛋白質(zhì)類藥物的工業(yè)生產(chǎn)一、材料的選取來源：動植物組織、微生物等。選取原則：富含蛋白質(zhì)、容易獲得和提取、無害二、蛋白質(zhì)的提取胞外蛋白質(zhì)溶媒提取胞內(nèi)蛋白質(zhì)破碎細胞溶媒提取超聲波、勻漿器等三、蛋白質(zhì)的分離純化最常用方法常用NaCl、硫酸銨等鹽析法

加入不同濃度的中性鹽進行蛋白質(zhì)的分級沉淀。蛋白質(zhì)一般不變性。有機溶劑沉淀法常用乙醇、丙酮

易引起蛋白質(zhì)變性，宜低溫進行操作?？捎糜诨旌系鞍踪|(zhì)的分級沉淀。等電點沉淀法選擇在pI不變性的蛋白質(zhì)

常聯(lián)合其它方法使用。根據(jù)溶解度分離根據(jù)分子大小和形狀分離半透膜常用玻璃紙等透析法

加入不同濃度的中性鹽進行蛋白質(zhì)的分級沉淀。

大分子不可透過半透膜。超濾法超濾膜不同孔徑膜

易引起蛋白質(zhì)變性，宜低溫進行操作。

大分子截留小分子濾過。凝膠過濾法分子篩凝膠葡聚糖凝膠等

常聯(lián)合其它方法使用。大分子受阻小，小分子受阻大。DialysisDialysis透析法凝膠過濾法Gel-FiltrationChromatographyGel-FiltrationChromatography目錄根據(jù)電離性質(zhì)分離蛋白質(zhì)所帶電荷種類、數(shù)量及分子大小差異電泳法

蛋白質(zhì)分離和分析的常用方法。醋酸纖維素薄膜電泳、聚丙烯酰胺凝膠電泳、等電聚焦電泳等。離子交換層析法不同蛋白質(zhì)與離子交換劑結(jié)合力大小不同

可通過改變?nèi)芤簆H和鹽離子強度分離蛋白質(zhì)。

離子交換纖維素、離子交換凝膠、大孔離子交換樹脂等。聚丙烯酰胺凝膠電泳（PAGE）PolyacrylamideGelElectrophoresis離子交換層析法Ion-ExchangeChromatography根據(jù)配基特異性分離

親和層析法：根據(jù)生物分子間親和吸附和解離的原理而建立的層析法。AffinityChromatography原理：不溶性載體－特異配基＋目的蛋白質(zhì)，其他蛋白被洗脫掉四、蛋白質(zhì)的分析鑒定Folin-酚試劑法凱氏定氮法雙縮脲法紫外分光光度法蛋白質(zhì)含量測定蛋白質(zhì)的純度鑒定

方法：層析法、電泳法、免疫化學(xué)法、結(jié)晶法、等電聚焦法、溶解度分析法等等。

常用方法：凝膠層析法、高效液相層析法、聚丙烯酰