第三章-蛋白質(zhì)化學(xué)(中職生物化學(xué))

第三章

蛋白質(zhì)化學(xué)

ProteinChemistry衛(wèi)生技工學(xué)校王巧玲

認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)十八世紀(jì)，人們根據(jù)物質(zhì)受熱后的性質(zhì)變化，將物質(zhì)分為二類(lèi)，一是受熱后其性質(zhì)保持不變的，稱(chēng)為無(wú)機(jī)物（如金屬、鹽類(lèi)、水等）；另一類(lèi)受熱后發(fā)生質(zhì)的變化，因其大部分直接或間接來(lái)自有機(jī)體，故稱(chēng)為有機(jī)物。1777年，法國(guó)化學(xué)家馬凱（MacquerP.J.）將加熱后能凝固的物質(zhì)稱(chēng)為“蛋白性物質(zhì)”。十九世紀(jì)三十年代，荷蘭生理學(xué)家米勒（MüllerG.J.）用元素分析法對(duì)血清、蛋清、蠶絲等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，它們的元素組成都很相似，可用化學(xué)式C40H62N10O12來(lái)表示。而且，他發(fā)現(xiàn)可用此化學(xué)式表示的物質(zhì)在生物體中無(wú)所不在，認(rèn)為這種物質(zhì)對(duì)生物體是最重要的，于是命名為proteid。同時(shí)，瑞典化學(xué)家柏齊力烏斯（Berzelius）稱(chēng)之為protein，此詞來(lái)自希臘語(yǔ)，意思是“最重要的”、“第一位的”。這就是我們中國(guó)人所稱(chēng)之為的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)在生命中的重要性

恩格斯曾指出：“生命是蛋白體存在的一種形式，這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學(xué)組成部分的不斷的自我更新?！?/p>

第一，蛋白體是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)；

第二，生命是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特殊形式，是蛋白體的存在方式；

第三，這種存在方式的本質(zhì)就是蛋白體與其外部自然界不斷的新陳代謝。Nat.CellBiol.：英國(guó)發(fā)現(xiàn)“餓死”癌細(xì)胞方法研究人員發(fā)現(xiàn)一種名為NF－kB的蛋白質(zhì)控制著其能量供應(yīng)方式的轉(zhuǎn)換，如果抑制這種蛋白質(zhì)的功能，癌細(xì)胞就不能按需轉(zhuǎn)換能量供應(yīng)方式，會(huì)進(jìn)入能量供應(yīng)不足的狀態(tài)甚至“餓死”。Firefliesemitlightcatalyzedbyluciferase（熒光素酶）withATPErythrocytes（紅細(xì)胞）containalargeamountofhemoglobins（血紅蛋白）,theoxygen-transportingprotein.Theproteinkeratin（角蛋白）isthechiefstructuralcomponentsofhair,horn,wool,nailsandfeathers.什么是蛋白質(zhì)？蛋白質(zhì)是一切生物體中普遍存在的，由20種左右天然α-氨基酸通過(guò)肽鍵相連形成的高分子含氮化合物；其種類(lèi)繁多，具有一定的相對(duì)分子量、復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)和特定生物學(xué)功能；是表達(dá)生物遺傳形狀的一類(lèi)主要物質(zhì)。

一、蛋白質(zhì)的元素組成

二、氨基酸—蛋白質(zhì)的基本組成單位第一節(jié)、蛋白質(zhì)的化學(xué)組成一、蛋白質(zhì)的元素組成蛋白氮占生物組織所有含氮物質(zhì)的絕大部分。蛋白質(zhì)含氮量恒定，大多數(shù)蛋白質(zhì)含氮量接近于16%蛋白質(zhì)含量=每克樣品中含氮的克數(shù)6.25凱氏定氮法——蛋白質(zhì)的基本組成單位二、氨基酸AminoAcid(AA)*

氨基酸的結(jié)構(gòu)

氨基酸的分類(lèi)

稀有氨基酸

非蛋白質(zhì)氨基酸氨基酸的性質(zhì)蛋白質(zhì)和多肽可被催化水解蛋白質(zhì)——月示——胨——多肽——肽——AA1*1045*1032*1031000200100

酸/堿能將蛋白完全水解

得到各種AA的混合物酶水解一般是部分水解得到多肽片段和AA的混合物氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位1、蛋白質(zhì)的水解2、氨基酸的結(jié)構(gòu)自然界氨基酸有300種，蛋白質(zhì)氨基酸有20種，構(gòu)成蛋白質(zhì)的AA都是L-構(gòu)型，天然AA都是α-AA。α-氨基酸結(jié)構(gòu)通式什么是α-氨基酸？----C-C-C-C-COOH

γβα----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸氨基和羧基均與α碳原子相連3、氨基酸的分類(lèi)（1）中性氨基酸（1—NH2，1—COOH）a.脂肪族氨基酸甘氨酸丙氨酸纈氨酸亮氨酸異亮氨酸b.含羥基或硫氨基酸絲氨酸半胱氨酸蘇氨酸甲硫（蛋）氨酸巰基甲硫基胱氨酸半胱氨酸c.芳香族氨基酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸酚基吲哚基d.環(huán)狀亞氨基酸脯氨酸吡咯環(huán)（2）酸性氨基酸及其酰胺（1—NH2，2—COOH）天冬氨酸谷氨酸天冬酰胺谷氨酰胺酰胺基（3）堿性氨基酸（2—NH2，1—COOH）賴氨酸精氨酸組氨酸呱基咪唑基

人體所需的八種必需氨基酸

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)必需氨基酸賴色苯丙蛋，蘇纈異亮亮第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指組成蛋白質(zhì)分子的多肽鏈中AA的排列順序。從左到右：N端→C端。AA-NH2與另一AA-COOH間失水形成的酰胺鍵稱(chēng)肽鍵，所形成的化合物稱(chēng)肽。酰胺鍵—肽鍵穩(wěn)定一級(jí)結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵由兩個(gè)AA組成的肽稱(chēng)為二肽。由多個(gè)AA組成的肽則稱(chēng)為多肽。組成多肽的AA單元稱(chēng)為氨基酸殘基。N-端C-端N末端C末端牛核糖核酸酶谷胱甘肽(glutathione,GSH)結(jié)構(gòu):三肽谷氨酸的-羧基形成肽鍵－SH為活性基團(tuán)為酸性肽是體內(nèi)重要的還原劑GSH過(guò)氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+主要功能:一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)肽鍵的空間結(jié)構(gòu)肽鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵具有平面性，組成肽鍵的4個(gè)原子和2個(gè)Cα（—Cα—CO—NH—Cα）幾乎處在同一平面內(nèi)（酰胺平面、肽平面）。1、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)指組成蛋白質(zhì)的多肽鏈的主鏈骨架以肽鍵平面為單位進(jìn)行卷曲、折疊而形成的特定的空間結(jié)構(gòu)。主要次級(jí)鍵：氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲。（一）-螺旋（-helix）-螺旋的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)★1、順時(shí)針?lè)较?，為右手螺?、肽平面鍵長(zhǎng)鍵角一定3、肽鍵的原子排列呈反式構(gòu)型4、相鄰肽平面構(gòu)成二面角5、螺旋參數(shù)每圈含3.6個(gè)AA殘基，螺距5.4nm，每個(gè)AA殘基占1.5nm，繞軸旋轉(zhuǎn)100°。6、肽鏈內(nèi)形成氫鍵每個(gè)肽鍵的羰基氧和第四個(gè)肽鍵的亞氨氫形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長(zhǎng)軸基本平行。①R基大小②R基的電荷性質(zhì)③Pro影響-螺旋形成的因素由兩/多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過(guò)鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成,也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成?！?/p>

（二）-折疊

①C總是處于折疊的角上。②AA的R基團(tuán)處于折疊的棱角上（上方或下方）并與之垂直。③肽鏈相當(dāng)伸展，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110。角。④有平行和反平行之分，氫鍵主要在鏈間/同一肽鏈不同部分間形成，氫鍵與鏈的長(zhǎng)軸接近垂直。⑤肽鏈從N-端到C-端走向。-折疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)-角蛋白絲蛋白的結(jié)構(gòu)（三）-轉(zhuǎn)角1、β轉(zhuǎn)角（βturn/bend/hairpinstructure）肽鏈主鏈骨架180°的回折結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由4個(gè)連續(xù)的AA殘基組成第一個(gè)AA殘基C=O第四個(gè)AA殘基N—H形成氫鍵主要存在于球狀蛋白分子中多數(shù)處在蛋白質(zhì)分子的表面-轉(zhuǎn)角處常為脯氨酸，脯氨酸的N上缺少H，不能形成氫鍵，經(jīng)常出現(xiàn)在α-螺旋的端頭，改變多肽鏈的方向并終止螺旋沒(méi)有確定規(guī)律性部分的肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無(wú)規(guī)卷曲（四）無(wú)規(guī)卷曲——指多肽鏈在一級(jí)、二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈的不同區(qū)段的側(cè)鏈基團(tuán)相互作用再進(jìn)行三維多向性盤(pán)曲形成近似球狀的構(gòu)象。

維系力:氫鍵/疏水鍵/離子鍵/范德華力，主要是疏水鍵只有一條肽鏈的蛋白質(zhì)最高結(jié)構(gòu)形式是三級(jí)結(jié)構(gòu)，必須具備三級(jí)結(jié)構(gòu)才有生物學(xué)功能。2、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)蝦紅素

木瓜蛋白酶

組織蛋白酶★球狀蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)主要特征：1、含多個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)單元2、緊密的球狀或橢球狀實(shí)體3、疏水基團(tuán)在內(nèi)；親水基團(tuán)在外4、分子表面內(nèi)陷形成凹穴3、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)——指由兩條或兩條以上的具有三維結(jié)構(gòu)的多肽鏈相互締合而成的特定的空間構(gòu)象。

亞基：球狀蛋白質(zhì)分子中具有一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈。寡聚蛋白質(zhì)：由兩個(gè)及以上亞基構(gòu)成的蛋白質(zhì)。亞基數(shù)目及排布、亞基之間的作用維系力：非共價(jià)鍵（疏水鍵、離子鍵、氫鍵、范德華力等）血紅蛋白四級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖總結(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)定義指蛋白質(zhì)多肽鏈中的AA排列順序組成蛋白質(zhì)的多肽鏈盤(pán)繞和折疊的方式多肽鏈在一級(jí)、二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，再進(jìn)行三維多向性盤(pán)曲形成近似球狀的構(gòu)象。兩條或兩條以上的具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈相互締合而成的特定的空間構(gòu)象表現(xiàn)形式多肽α-螺旋，β-折疊，β-轉(zhuǎn)角等球狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征亞基，寡聚蛋白化學(xué)鍵肽鍵（主要）二硫鍵氫鍵疏水鍵、離子鍵、范德華力、氫鍵疏水鍵（主要）、離子鍵、氫鍵第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系同源蛋白質(zhì)：來(lái)自不同生物體、執(zhí)行同一/相似功能的蛋白質(zhì)

結(jié)構(gòu)基本相同，差異可能僅表現(xiàn)其種數(shù)特異性

例：胰島素一、一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）同源蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中AA順序的變化反映了種數(shù)差異與物種進(jìn)化胰島素來(lái)源氨基酸順序的部分差異A8A9A10B30人蘇絲異亮蘇豬蘇絲異亮丙狗蘇絲異亮丙兔蘇絲異亮絲牛丙絲纈丙羊丙甘纈丙馬蘇甘異亮丙抹香鯨蘇絲異亮丙同源蛋白質(zhì)的氨基酸順序的部分差異，表現(xiàn)其種屬特異性生物名稱(chēng)與人不同的氨基酸數(shù)目黑猩猩0獼猴1兔9袋鼠10小蠅25小麥35酵母44不同生物細(xì)胞色素C的氨基酸差異親緣關(guān)系越近，其結(jié)構(gòu)越相似；親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，在結(jié)構(gòu)上的差異越大（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致分子病一級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，一般來(lái)說(shuō)，功能也會(huì)發(fā)生變化。分子病由于遺傳基因的突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的改變或某種蛋白質(zhì)缺乏引起的疾病。例：鐮刀形細(xì)胞貧血病N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)（三）蛋白質(zhì)激活（蛋白質(zhì)與其前體一級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系）蛋白質(zhì)分子的部分肽鏈必須先按特定方式斷裂，然后才呈現(xiàn)出活性。是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能具有高度統(tǒng)一性的表現(xiàn)例：胰島素原的激活二、空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）變構(gòu)作用有一些蛋白質(zhì)可以通過(guò)改變其構(gòu)象來(lái)改變其生物活性例：血紅蛋白(R)relaxedstate(T)tensestate血中氧分子的運(yùn)送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle靜脈動(dòng)脈環(huán)境氧高時(shí)Hb快速吸收氧分子環(huán)境氧低時(shí)Hb迅速釋放氧分子釋放氧分子后Hb變回

Tstate任何一個(gè)亞基接受氧分子后，會(huì)增進(jìn)其它亞基吸附氧分子的能力兩種不同的構(gòu)象當(dāng)?shù)谝粋€(gè)亞基和氧結(jié)合后，血紅蛋白整個(gè)分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，增加了其他亞基對(duì)氧的親和力，有利于血紅蛋白分子同氧的結(jié)合；氧的釋放也具有這種效應(yīng)?！儤?gòu)作用（二）蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性

在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無(wú)活性瘋牛病瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。PrPcα-螺旋正常PrPscβ-折疊瘋牛病第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和分類(lèi)1、蛋白質(zhì)的兩性電離

蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。一、理化性質(zhì)2、蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn).魚(yú)精蛋白（12~12.4）；胃蛋白酶（1~2.5）；血紅蛋白（~7）利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過(guò)電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。3、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)膠體溶液的特點(diǎn)：分子直徑在1-100nm內(nèi)丁達(dá)爾效應(yīng)布朗運(yùn)動(dòng)半通透性由于膠體溶液中的蛋白質(zhì)不能通過(guò)半透膜，因此可以應(yīng)用透析法將非蛋白的小分子雜質(zhì)除去——透析天然蛋白質(zhì)保持穩(wěn)定的親水膠體狀態(tài)的因素由于蛋白質(zhì)分子表面分布著極性R基，分子表面會(huì)結(jié)合一層水分子。——水化膜蛋白質(zhì)顆粒表面有可解離的基團(tuán)，在一定pH值時(shí)，同種蛋白質(zhì)分子總是帶相同的電荷?！姾膳懦庾饔?++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用破壞蛋白質(zhì)穩(wěn)定的親水膠體狀態(tài)，就會(huì)使蛋白質(zhì)從溶液中沉淀出來(lái)——蛋白質(zhì)的沉淀作用。蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中——蛋白質(zhì)凝固。（1）等電點(diǎn)沉淀蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)靜電荷為0，電荷排斥作用減弱，此時(shí)溶解度最小，容易聚集而沉淀。4、蛋白質(zhì)的沉淀與凝固（2）鹽析法（高濃度中性鹽沉淀）加入中性鹽脫去蛋白質(zhì)的水化層，鹽的解離增加了離子強(qiáng)度，中和了蛋白質(zhì)的表面電荷。（3）有機(jī)溶劑沉淀在蛋白質(zhì)溶液中，加入一定量與水相溶的有機(jī)溶劑（乙醇、丙酮等），脫去水化層，使蛋白質(zhì)的溶解度降低而沉淀。低溫下操作（4）重金屬鹽沉淀在堿性條件下，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，可以與重金屬離子結(jié)合，形成不溶性重金屬蛋白鹽沉淀，如醋酸鉛、硫酸銅等。（5）有機(jī)酸沉淀在酸性條件下，蛋白質(zhì)帶正電荷，與生物堿試劑結(jié)合形成溶解度極小的鹽類(lèi)，如三氯乙酸、單寧酸等。（6）加熱沉淀當(dāng)天然蛋白質(zhì)受到某些物理因素或化學(xué)因素的影響后，由氫鍵、鹽鍵等次級(jí)鍵維系的高級(jí)結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致使其生物學(xué)性質(zhì)、理化性質(zhì)改變，但原有的一級(jí)結(jié)構(gòu)仍保持不變的現(xiàn)象?！鞍踪|(zhì)的變性作用5、蛋白質(zhì)的變性作用造成變性的因素如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。變性后蛋白質(zhì)的特征處