复旦生物化学课件3-蛋白质化学1-总论和氨基酸

蛋白质化学ProteinChemistryFireflies:luciferin+ATPErythrocytes:hemoglobinHair,scales,horn:keratin什么是蛋白质•蛋白质（Protein）是由多种(20种）不同的氨基酸，按照一定的顺序，通过肽键连接形成的一条或多条肽链组成的生物大分子。•蛋白质是生命活动的重要物质基础，没有蛋白质就没有生命。蛋白质的形式及功能多样蛋白质是最丰富的生物大分子，存在于所有的细胞及细胞的所有部分。一个简单的细胞中，蛋白质的差异极大、种类有成千上万种、分子量从小肽到数百万的巨大分子。蛋白质的生物功能还表现出极大的多样性，是生物信息最重要的终产物，是遗传信息表达的元件。从低等的古细菌到复杂的生命体，蛋白质都是由相同的20种氨基酸共价连接而成的分子。细胞能够通过不同的组合和顺序，用20种氨基酸合成性质和功能截然不同的蛋白质，如酶、激素、抗体、运载体、肌肉、眼睛的晶状体蛋白质、羽毛、蜘蛛网、犀牛角、乳蛋白、抗生素、蘑菇毒素及各种不同的生物活性的蛋白质。蛋白质结构复杂、种类繁多、功能各异,是生物体内构建生命、行使生命活动的最主要的功能分子,在几乎所有的生命活动中起着关键的作用。如果说基因是生命的指导者和生命蓝图的构建者，蛋白质就是组成生命的主要材料,是生命的实践者和执行者。蛋白质将生物体的遗传信息表达成生物的性状，指导生命活动，控制生物的代谢、生长、发育及繁殖。蛋白质化学研究史I1838年Mulder研究了血清、蛋清、蚕丝等物质的元素组成后,发现了组成生物体的复杂含氮物。19世纪末从蛋白质水解产物分离得到了13种氨基酸。1902年Fischer,Hofmeister同时提出肽键理论。1924年Svedberg发明超速离心机（100000rpm,700000g）1930年代Bergmann合成出只含L型氨基酸的多肽。1950年Pauling提出蛋白质的二级结构的基本单位：α-螺旋和β-折叠。1953年Sanger确定了牛胰岛素的一级结构。蛋白质化学研究史II1958年Perutz&Kendrew用X光衍射法确定了肌红蛋白的立体结构。1961年Anfinsen证明蛋白质的一级结构决定其高级结构。1980年代蛋白质工程的兴起。1994年Williams和Wilkins首次提出Proteome(Protein+genome)1997年第一届国际蛋白质组学会议，确定蛋白质组学（Proteomics)的兴起。1999年蛋白质芯片技术出现。I.按理化性质分:(英国PhysiologicalSociety,1907)1.单纯蛋白(simpleprotein)1).Albumin(白/清蛋白）溶于水、盐、酸、碱溶液,加热凝固(血清)2).Globulin(球蛋白）溶于盐、酸、碱溶液,加热凝固(血清)3).Glutelin(谷蛋白）溶于酸、碱溶液(谷种，不溶于水和稀盐)4).Prolamine(醇溶谷蛋白）溶于70-90%酒精、酸、碱溶液(谷种)5).Scleroprotein(硬蛋白）不溶(毛、发、爪、皮肤)6).Histone(组蛋白）溶于水、酸溶液(细胞核)7).Protamine（鱼精蛋白）溶于水、酸溶液(精子)2.复合蛋白(conjugatedprotein)1).Nucleoprotein(核蛋白）含戊糖或脱氧戊糖(细胞核)2).Phosphoprotein(磷蛋白）含有磷酸(以酯的形式)(动物细胞、体液)3).Lipoprotein(脂蛋白)含脂质(动植物细胞)4).Chromoprotein(色蛋白）含带Fe、Cu等的有机色素(动植物细胞)5).Glycoprotein(糖蛋白）含糖及其衍生物(动植物细胞)蛋白质的经典分类蛋白质的经典分类（续）3.衍生蛋白质(derivedprotein)i).Primaryproteinderivatives天然蛋白质经少量变性后的产物1).Gelatin(明胶）胶原蛋白(collagen)加酸水解产物2).Protean水溶性蛋白质经水、酶、稀酸作用而不溶化3).Metaprotein(变性蛋白质）经稀酸、稀碱变性后的蛋白质4).Coagulatedprotein(凝固蛋白质）机械搅拌,加酒精后形成的不溶物ii).Secondaryproteinderivatives进一步分解后的变性蛋白质1).primaryproteose(初生蛋白胅）溶于水,加热不凝固,易盐析2).secondaryproteose溶于水,加热不凝固,难盐析3).peptone(蛋白胨）溶于水,加热不凝固,不能盐析4).peptide氨基酸的组成和序列一定的小分子1.酶类,占细胞内蛋白质种类的绝大部分2.运输蛋白,如albumin,hemoglobin,transferrin等3.收缩运动蛋白,如actin,myosin,tubulin等4.激素蛋白,如insulin,growthhormone等5.细胞激动素(cytokinin),如EGF,PDGF,IL-2等6.受体蛋白,如insulinreceptor,rhodopsin等7.毒素蛋白,如choleratoxin,ricin,pertussis等8.营养贮藏蛋白,如protamine,glutelin等9.防御蛋白,如IgG等10.结构蛋白,如keratin,collagen等按功能的蛋白质分类对蛋白质化学有突出贡献的Nobel奖获得者1902年H.E.Fischer(德，化)肽键理论，多肽合成1910年A.Kossel(德，医)组氨酸、组蛋白的发现，碱基的发现1915年W.H.Bragg/W.L.Bragg(德，物）用X射线测定晶体物质结构1926年T.Svedberg(瑞，化)用超离心手段决定蛋白质的分子量1946年J.B.Summer(美，化)蛋白质酶的结晶，证明酶的本质为蛋白质1948年A.W.K.Tiselius(瑞，化)电泳装置的开发，血清蛋白的研究1952年A.J.P.Martin/R.L.M.Synge(英，化〕分配层析发明，氨基酸的分离1954年L.Pauling(美，化)蛋白质二级结构，抗原抗体反应理论1958年F.Sanger(英，化)胰岛素一级结构的测定1962年M.F.Perutz/J.C.Kendrew(英，化)X射线确定蛋白质的立体结构1972年G.M.Edelman/R.R.Porter(美，医〕抗体的化学构造与功能的解明1972年W.H.Stein/S.More(美，化)RNase的一级结构和活性中心的解明1972年C.B.Anfinsen(美，化)蛋白质的一级结构决定其立体结构1998年S.B.Prusiner(美，医)Prion:蛋白立体结构的变化导致疾病蛋白质的化学组成碳(C)50%-55%元素组成氢(H)6%-7%氧(O)19%-24%氮(N)13%-19%硫(S)0%-4%有些含P、I，少量的还含有Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo等各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。由于体内组织的主要含氮物是蛋白质，因此，只要测定生物样品中的氮含量，就可以按下式推算出蛋白质大致含量。每克样品中含氮克数×6.25×100=100克样品中蛋白质含量(克%)N：平均16%蛋白质系数•不同的蛋白质其氨基酸构成比例及方式不同，故各种不同的蛋白质其含氮量也不同，一般蛋白质含氮量为16%，即一份氮素相当于6.25份蛋白质，此数值（6.25）称为蛋白质系数。蛋白质含量=N含量6.25.•不同种类食品的蛋白质系数有所不同，如玉米，荞麦，青豆，鸡蛋等为6.25，花生为5.46，大米为5.95，大豆及其制品为5.71，小麦粉为5.70，牛乳及其制品为6.38。三聚氰胺（英文名Melamine），是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。简称三胺，又叫2,4,6-三氨基-1,3,5-三嗪、蜜胺、氰尿酰胺、三聚氰酰胺，分子式C3N6H6、C3N3(NH2)3，分子量126.12，含氮量66.7%。氨基酸是蛋白质的基本组成材料蛋白质用强酸、强碱处理后，可以得到各种各样的氨基酸。在动植物组织中可以分离得到26-30种不同的氨基酸。第一个氨基酸早在两个世纪前就已经被发现，而最后一个氨基酸在1935年才发现。直到1965年才搞清楚，只有20种氨基酸才是生命体中合成蛋白质的原材料（称为一级氨基酸，Primaryaminoacid）。#最近的报道又多了两种一级氨基酸?氨基酸的名称及三字、单字符号Alanine丙氨酸AlaAArginine精氨酸ArgRAsparagine天冬酰胺Asn/AsxNAsparticacid天冬氨酸Asp/AsxDCysteine半胱氨酸CysCGlutamine谷氨酰胺Gln/GlxQGlutamicacid谷氨酸Glu/GlxEGlycine甘氨酸GlyGHistidine组氨酸HisHIsoleucine异亮氨酸IleILeucine亮氨酸LeuLLysine赖氨酸LysKMethionine甲硫氨酸MetMPhenylalanine苯丙氨酸PheFProline脯氨酸ProPSerine丝氨酸SerSThreonine苏氨酸ThrTTryptophan色氨酸TrpWTyrosine酪氨酸TyrYValine缬氨酸ValV要求：能熟背不用的字母JUZBOX一级氨基酸的结构及旋光性L-氨基酸的基本结构CHH2NCOOHRα碳原子,不对称碳原子侧链二十种氨基酸除Gly外全是L-型。Pro呢？残基：肽链中，氨基酸之间缩合时都脱去一个水分子，脱水后的残余部分叫残基（residue),因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式。Chiralcarbon氨基酸可以通过R基团分类标准氨基酸的化学特性对于理解它们的生物化学是关键的，依据侧链R基团的特性，可以将氨基酸分成5类以简单化，特别是在生理pH条件下（pH7.0附近），它们的极性或与水发生作用的趋势。氨基酸侧链的极性差异极大，从完全非极性或疏水性（水不溶性）到高极性或亲水性（水溶性）。二十种一级氨基酸的结构非极性（脂肪族）R侧链，Ala、Val、Leu及Ile的侧链在蛋白质分子中易于聚拢在一起，通过疏水作用稳定蛋白质的结构。Gly是最简单的氨基酸，虽然疏水，但最小的侧链对于疏水作用没有贡献。Met的侧链有硫酯基团。——分支氨基酸芳香族氨基酸，具有芳香环侧链，相对非极性，都能参与疏水作用，Tyr的羟基能够形成氢键，是一些酶的重要的功能基团。Tyr和Trp比Phe是明显更加极性的氨基酸（羟基及吲哚环上的N）。芳香氨基酸的紫外吸收曲线比较:pH6.0时Trp和Tyr的紫外吸收光谱，相同条件下，等摩尔数（10-3M）的Trp的光吸收是Tyr的4倍，两者最大光吸收的波长在280nm附近。第三个紫外光吸收的氨基酸-Phe，对蛋白质光吸收的贡献很小（未显示）。极性不带电的R基团，与非极性氨基酸相比，这些氨基酸的R基团在水中溶解度较大或更加亲水，它们的侧链基团可以与水形成氢键。Asn和Gln是蛋白质中的两个酰胺氨基酸，易于被酸或碱水解。Cys的巯基易氧化形成二硫键，对蛋白质高级结构的形成重要。植物常受到逆境条件的危害，其中由干旱和盐渍引起的渗透胁迫对植物的生长和产量影响最大。但植物通过长期的进化已形成了许多机制抵抗外界的逆境条件。在渗透胁迫下，植物可通过积累一定量的溶质降低水势，维持植物体内的水分平衡，保证植物的正常生长。这类物质包括一系列的含氮化合物(如脯氨酸、多胺等)，分布最广的是脯氨酸(Pro)。Pro主要以游离状态广泛存在于植物中，它是水溶性最大的氨基酸（1620mg/ml），具有较强的水合能力。在植物细胞生理干旱时，它的增加有助于细胞或组织持水。植物中游离脯氨酸含量(干重)甚微(0.2-0.69mg/g)，约占游离氨基酸总量的百分之几，但受到干旱、盐渍等渗透胁迫时，脯氨酸会大量积累，其含量甚至高达百倍以上。所有的植物在盐渍条件下会发生游离Pro的积累。如以杆裂丝藻为材料的研究发现，当培养基盐度从0提高到40%时，Pro