蛋白质化学讲义

2-1第2章蛋白质学习目标1．掌握蛋白质元素组成及其特点、蛋白质基本组成单位及其结构特征、蛋白质变性及应用；2．理解蛋白质的分子结构、氨基酸、蛋白质的理化性质；3．了解蛋白质结构与功能关系、氨基酸和蛋白质的分类；4．综合应用知识、解决实际问题、养成理论联系实际的作风。蛋白质（protein）一词来源于希腊语，原意是“首要的、第一的东西”。这个词选得好！因为蛋白质是一类极为重要的生物大分子物质，它们是组织细胞的基本塑造者，生命活动的主要体现者，生物体的组成及生长、发育、繁殖、遗传等一切生命活动都与蛋白质有关。因此，蛋白质是各种生命现象的主要物质基础，蛋白质对生命来说的确是首要的，第一的物质。第1节蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成蛋白质中含C、H、O、N；尚含S、P和少量金属元素，平均含N量为16%，即1g氮相当于6.25g蛋白质，据此：每克样品中含氮g数×6.25×100＝100g样品中所含蛋白质的克数（g%）二、蛋白质的基本组成单位—氨基酸在自然界中存在的蛋白质估计约有百亿种，人体内的蛋白质也有十万种以上，但作为蛋白质组成成分的氨基酸仅有二十种。（一）氨基酸的结构特点1．氨基酸的氨基（－NH2）或亚氨基（＝NH）都与邻接羧基（－COOH）的α－碳原子相连接，故它们都属于α－氨基酸（脯氨酸为α－亚氨酸）。2．不同氨基酸在于R不同。除了R为H的甘氨酸外，其它氨基酸（包括脯氨酸）的α—碳原子都是手性碳原子（碳原子所连的4个原子或基团互不相同），因而每种2-2氨基酸都有两种构型：D型和L型CHH2NCOOHRHCCOOHRNH2L,氨基酸D,氨基酸接口:氨基酸构型确定请参见有机化学(二)氨基酸的分类氨基酸的分类方法有多种，根据氨基酸侧链R基团在中性溶液中解离状态不同，可将20种氨基酸分为4类（见图2—1）：1．非极性侧链氨基酸：侧链R基团为非极性疏水基团。2．中性侧链氨基酸：侧链R基团有极性，但在中性溶剂中不解离。3．酸性侧链氨基酸：侧链R基团有极性，能解离出H+而带负电荷。4．碱性侧链氨基酸：侧链R基团有极性，能结合H+而带正电荷。上述二十种氨基酸都具有特异的遗传密码，故称为编码氨基酸。此外,蛋白质中还有一些氨基酸,如羟脯氨酸、羟赖氨酸、焦谷氨酸等,它们都是在蛋白质合成中或合成后由相应的编码氨基酸经酶促反应加工、修饰而成的,这些氨基酸在生物体内都没有相应的遗传密码。(三)氨基酸的主要理化性质1．氨基酸的一般性质氨基酸呈无色结晶，各自有特殊的晶形。熔点高（＞200℃），加温达熔点时，往往已开始分解。在水中的溶解度各不相同，易溶于酸碱，一般不溶于有机溶剂。2．氨基酸的两性电离与等电点氨基酸分子既含碱性的氨基（或亚氨基），又含酸性的羧基；氨基酸的羧基可解离释放H+，其自身变为-COO-，氨基酸的氨基能接受H+，形成-NH3+。故2-3R-C-COOHNH3+R-C-COO-NH3+R-C-COO-NH2R-C-COOHNH2+OH-+H++OH-+H+氨基酸具有两性解离的性质。在某pH环境中，氨基酸带有的正负电荷相等时，溶液的pH值称为该种氨基酸的等电点（pI）。2-4各种氨基酸的pI之所以不同，是由于各种氨基酸分子中所含氨基、羧基等基团数目以及R基团的解离程度不同所致。如R基团为酸性，则等电点小；R基团为碱性，则等电点大。由于羧基离解H+的能力强于氨基接受H+的能力，故一般氨基酸的等电点偏酸性。各种氨基酸的pI见图2—1。3.茚三酮反应2-5α-氨基酸与水合茚三酮于加热条件下生成一种具有蓝紫色的化合物。反应所产生的二氧化碳或蓝紫色的深度均可作为α-氨基酸定量分析的依据。反应方程式引《生物化学与分子生物学》P7脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮反应生成的是黄色化合物，同时释出CO2。三、蛋白质的分类（一）根据化学组成分类1．单纯蛋白质：完全由氨基酸组成。据溶解度不同又分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇蛋白、组蛋白、精蛋白、硬蛋白等。2．结合蛋白质：由蛋白质和非蛋白质两部分结合而成。其中非蛋白质部分称为辅基。根据辅基不同又可将结合蛋白分为核蛋白（辅基为核酸）、糖蛋白（辅基为糖类）、脂蛋白（辅基为脂类）、色蛋白（辅基为色素）、磷蛋白（辅基为磷酸）、金属蛋白（辅基为金属离子）等。（二）根据分子形状分类1．球状蛋白质：分子似球形,较易溶解,多属功能蛋白质,如运输气体的血红蛋白(Hb)、起防御保护作用的免疫球蛋白等。2．纤维状蛋白质：形似纤维状,难溶于水,多属结构蛋白质。如骨、皮肤、结缔组织中的胶原蛋白；毛发、指甲中的角蛋白；血管壁的弹性蛋白等。第2节蛋白质的结构一、蛋白质的基本结构蛋白质分子中的氨基酸通过肽键相连，肽键是一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键。NH2CHCOOHR'NH2CHCOOHR++H2OCCOOHR'H2NCCRNOHHH-H2O氨基酸通过肽键相连而形成的化合物称为肽。两个氨基酸缩合成二肽，三个氨基酸缩合成三肽，以此类推，多个氨基酸缩合成多肽。多肽呈链状，因此称多肽链。2-6多肽链中的氨基酸因脱水缩合而稍有残缺，故称为氨基酸残基。多肽链中由肽键连接成的长链骨架称主链，各氨基酸残基的R基团统称侧链。多肽链有两个末端，其中有自由氨基者称为氨基末端（N-末端），有自由羧基者，称为羧基末端（C-末端）。书写多肽链简式时，N末端常用H—表示，写在左侧；C末端常用—OH表示，写在右侧。多肽链中氨基酸顺序编号从N端开始。多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构，它是蛋白质的基本结构。维持蛋白质一级结构的主要化学键是肽键，有时尚有二硫键。下面是人胰岛素的一级结构：H-甘-异-缬-谷-谷胺-半-半-苏-丝-异-半-丝-亮-酪-谷胺-亮-谷-天胺-酪-半-天胺-OHH-苯-缬-天胺-谷胺-组-亮-半-甘-丝-组-亮-缬-谷-丙-亮-酪-亮-缬-半-甘-谷-精-甘-苯-苯-酪-苏-脯-赖-苏-OHA链B链NH2NH2NH2H2NSSSSSSNH2NH21953年，英国科学家F.Sanger第一次测出蛋白质激素——胰岛素的氨基酸顺序，包括三对二硫键的位置。这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质。因此，他获得1958年诺贝尔化学奖。Sanger开创性的工作，打开了更复杂的蛋白质结构领域，促进了人们对重要蛋白质本质的深入了解，同时也为揭示和治疗某些疾病奠定了基础。二、蛋白质的空间结构组成蛋白质的多肽链并非呈线形伸展，而是在三维空间折叠和盘曲，构成特有的空间结构，也称构象。蛋白质的空间结构可分为二级、三级和四级结构。（一）蛋白质的二级结构多肽链主链原子在多个局部折叠、盘曲而形成的空间结构称为蛋白质的二级结构。1．二级结构的形成基础在多肽链中，肽键的C—N键具有一定程度的双键性质，不能自由旋转，于是肽键上的四个原子和相邻的两个α—碳原子处在一个平面，称肽键平面（图2-2）。肽2-7键平面两端的α—碳原子的单键可以旋转，因此整个主链骨架的折叠、盘曲都是由此单键旋转形成的。图2-2肽键平面结构示意图引《生物化学与分子生物学》P11图1-42．二级结构的基本形式⑴α—螺旋1951年由美国科学家Pauling和Corey提出（图2-3），其特点如下：1）多肽链以肽键平面为单位，以α—碳原子为转折，形成右手螺旋样结构；2）每3.6个氨基酸残基旋转一周，相当于0.54nm。上下两层螺旋之间形成CO…HN氢键，起稳定螺旋作用；3）氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响螺旋的形成。带相同电荷的R基集中时，由于同性相斥，不利于螺旋形成；大的R基集中时，会妨碍螺旋形成；甘氨酸R基太小，会影响螺旋稳定；脯氨酸的α—碳原子位于五元环上，不易扭转，故不生成典型的α-螺旋。⑵β—折叠层结构β—折叠层结构也是Pauling提出的（图2—4）。是一种相当伸展的肽链结构，其特点有：1）肽键平面之间折叠成锯齿状,R基团交错伸向锯齿状结构上下方；2）两条肽链或一条肽链内两个肽段间的C=O与N-H形成氢键,使结构稳定；3）若两段肽链走向相同，即N—末端都在同一端，称为顺向平行，反之为逆向平行。β-折叠的形式十分多样,正反平行能相互交替.⑶β—转角指肽链中出现的一种1800的转折，以氢键维持转折结构的稳定（图2-5）。⑷无规则卷曲多肽链中没有确定规律性的那部分肽段的构象。图2-3引《生物化学与分子生物学》P12,图1-5图2-4引《生物化学与分子生物学》P14,图1-6图2-5引《生物化学与分子生物学》P14,图1-7(二)蛋白质的三级结构具有二级结构的多肽链，由于其序列上相隔较远的氨基酸残基侧链的相互作用，而进行广泛的盘曲折叠，形成包括主、侧链在内的空间排布称蛋白质的三级结2-8构。在形成三级结构时，肽链中某些局部的二级结构汇集在一起，形成了发挥生物学功能的特定区域称为结构域。稳定三级结构的因素主要是R基团之间相互作用形成的各种次级键，如氢键、疏水作用、盐键以及VanderWaals力；此外，二硫键也有重要作用（图2—6）。HOCNNH3+COO-abH3N+CH3CH3H2COHOCOHCOHOCH2NNCO-ONH2+CH2OHCH2OHCOO-CHCH3CH2CH3CHH3CH3CSS图2-6维持蛋白质分子构象的各种化学键a.氢键b.离子键c.疏水作用caabccc图2—7肌红蛋白三级结构由一条多肽链形成的蛋白质只有具备三级结构时，才有生物学功能，如肌红蛋白就是存在于红色肌肉组织中的三级结构的蛋白质（图2—7）（三）蛋白质的四级结构二个或二个以上具有独立三级结构的多肽链，通过非共价键缔合而成的空间结构称为蛋白质的四级结构。四级结构中，多个具有独立三级结构的多肽链称为亚基。几个亚基可以相同也可以不同。如Hb是两个α—亚基和两个β—亚基聚合而成的四级结构的蛋白质。Hb的每个亚基均结合一个亚铁血红素，每个亚铁血红素上的Fe22-9＋能结合一分子的氧。Hb属结合蛋白质（图2—8）。四级结构中，亚基之间不含共价键，因此，由一条多肽链构成或由几条多肽链通过共价键相连而成的蛋白质无四级结构。图2-8血红蛋白的空间结构引《生物化学与分子生物学》P17,图1-10第3节蛋白质结构与功能的关系蛋白质的结构是其功能的基础，而蛋白质的功能是其结构的表现，结构与功能是密切相关的。一、蛋白质一级结构与其构象及功能的关系我们已知，一级结构不同的蛋白质，尽管它们有着相同的多肽链骨架，但由骨架向外投射的R基团的性质和顺序是不同的，因此，多肽链折叠盘曲形成的空间构象不同，功能也自然不同。相反，一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。一级结构中大多数氨基酸残基及其顺序是维持构象和体现功能所必需。这些氨基酸残基部分直接参与构成蛋白质的活性区，部分处在蛋白质构象的关键位置，只有少数氨基酸残基与功能构象关系不大。如不同哺乳类动物来源的胰岛素，都具有A、B两条多肽链，且空间构象、功能相似。研究发现，A链有10个氨基酸残基和B链有12个氨基酸残基为不同胰岛素共有，它们对维持胰岛素空间构象非常重要。其它易变残基一般处于胰岛素“活性部位”以外，对维持活性并不重要。二、蛋白质空间构象与功能关系蛋白质构象与功能的关系主要体现在两个方面。1．构象遭到破坏，功能丧失——变性蛋白质在某些物理因素（高温、高压、超声波、紫外线及剧烈震荡）或化学因素（强酸、强碱、有机溶剂、重金属、尿素等）作用下，维持空间结构的次级键断裂，空间构象破坏，导致其某些理化性质发生改变和生物学活性丧失。这种现象称为蛋白质变性。大多数蛋白质变性是不可逆的，但也有某些蛋白质在除去变性因素后，仍能恢复或部分恢复原来的空间结构和活性称为蛋白质的复性。如核糖核酸酶是一种具有催化活性的蛋白质，用尿素（变性剂）和β-巯基乙醇（破坏二硫键）作2-10用于核糖核酸酶，可使此酶的空间构象破坏而变性，如除去尿素和β-巯基乙醇，并在有氧条件下使—SH缓慢氧化成二硫键，此时，该酶又可恢复其原来的构象和生物活性。又如妇女烫发就是由于破坏纤维蛋白中的二硫键而改变其结构，当用发夹夹住时，有些二硫键又在不同分子间建立起来，所以头发就卷曲起