第1章蛋白质

第1章蛋白质1第1章蛋白质第一部分概述蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。早在1878年，思格斯就在《反杜林论》中指出：“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的自我更新。”可以看出，第一，蛋白体是生命的物质基础；第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式；第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格斯的论断。蛋白质是由许多不同的α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的生物大分子。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。一、蛋白质的化学组成1、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、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳(C)(50-55%)、氢(H)(6-8%)、氧(O)(19-24%)、氮(N)(13-19%)16%、硫(S)(0-4%)磷(P)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、碘(I)2、蛋白质的含氮量氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近于16%，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：蛋白质含量=每克样品中含氮的克数×6.25（凯氏定氮法原理）二、蛋白质的分类1.按化学结构分蛋白质就其化学结构来说，是由20种L-型α氨基酸组成的长链分子。简单蛋白质：完全由氨基酸构成的蛋白质。如胰岛素等。结合蛋白质：蛋白质除了蛋白质部分外，还有非蛋白质成分（这种成分称辅基或配基）。如血红蛋白，核蛋白。简单蛋白质可根据其物理化学性质如溶解度再进行分类。结合蛋白质可以按其辅基成分再进行分类。（表3-1，3-2）2、按分子形状分I、球状蛋白质分子II、纤维状蛋白质①可溶性纤维状蛋白质，如肌球蛋白、血纤维蛋白原等②不溶性纤维状蛋白质，包括胶蛋白、弹性蛋白、角蛋白以及丝心蛋白等。3、蛋白质的生物功能分•酶：具催化活性的蛋白质。•激素：调节机体各种新陈代谢过程的蛋白质及其前体。•贮存蛋白：专一运输各种小分子或离子的蛋白质。•运输蛋白：某些蛋白质具有运输的功能。•运动蛋白：行使生物体或有机体运动的蛋白质。•防御蛋白和病毒外壳蛋白：防御异体侵入体内的功能蛋白质；免疫反应主要也是通过蛋白质来实现的。•受体蛋白质：接受和传递信息的蛋白质。•膜蛋白：存在于膜上的具有各种生物活性的蛋白质。三、蛋白质的大小与分子量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。道尔顿是原子的绝对质量单位，常用符号D表示，也可用来表示分子的绝对质量。一个D等于12C原子的绝对质量的1/12，相当于1.66033×10—27千克。对于那些不含辅基的简单蛋白质，用110除它的分子量即可约略估计其氨基酸残基的数目。第二部分氨基酸蛋白质的基本结构单位——氨基酸氨基酸是指含有氨基的羧酸。蛋白质是由20种氨基酸组成的，除脯氨酸外，均为α-氨基酸，即羧酸分子中α-碳原子上的一个氢原子被氨基取代而成的化合物。各种蛋白质所含的氨基酸的数目和种类各不相同。蛋白质中存在的氨基酸均为L-型。第1章蛋白质2一、氨基酸的结构和分类除甘氨酸和脯氨酸外，其他均具有如右结构通式。各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。1.为两性电解质2.若R≠H,则具有不对称碳原子，为光活性物质。氨基酸的分类发现的氨基酸已有180多种，但是参与蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸只有20种。在某些蛋白质中还存在若干种不常见的氨基酸，它们都是在已合成的肽链上由常见的氨基酸经专一酶催化修饰转化而来的。说明：蛋白质氨基酸及非蛋白质氨基酸。常见的蛋白质氨基酸除脯氨酸外，这些氨基酸在结构上的共同点是：α-氨基酸除甘氨酸之外，其α碳原子是一个不对称原子或手性中心，因此都具有旋光性。α-氨基酸都是白色晶体，熔点很高，一般在200℃以上。每种氨基酸都有特殊的结晶形状。利用结晶形状可以鉴别各种氨基酸。1、按R基的化学结构分类：1）脂肪族氨基酸一氨基一羧基氨基酸：一甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸。一氨基二羧基氨基酸及其酰胺：谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺。二氨基一羧基氨基酸：赖氨酸、精氨酸。2）芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸。3）杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸。4）杂环亚氨基酸：脯氨酸。2、按R基的极性分类：20种基本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。注明：以上所有20种氨基酸的结构式请查阅教材，并认真记忆，包括结构式、专业词汇、三字符、单字符，以备考试及后续科研使用，此处不再重复二、不常见的蛋白质氨基酸不常见的蛋白质氨基酸是由相应的常见氨基酸衍生而来的。（见右上图）三、非蛋白质氨基酸其大多是蛋白质中存在的那些L型α-氨基酸的衍生物。有一些是β、γ或δ-氨基酸，并且有些是D型氨基酸。（见上图）几种重要的不常见氨基酸：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。四、氨基酸的性质1.氨基酸的旋光性除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性α-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。2.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：酪氨酸的max＝275nm，275=1.4x103;苯丙氨酸的max＝257nm，257=2.0x102;色氨酸的max＝280nm，280=5.6x103;3.氨基酸的化学性质第1章蛋白质3Ⅰα-氨基参与的反应(1)与甲醛发生羟甲基化反应（用途：可直接测定氨基酸的浓度）(2)与亚硝酸反应（用途：范斯来克法定量测定氨基酸的基本反应）(3)酰化反应（用途：用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等）(4)烃基化反应（用途：是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法）(5)生成西佛碱的反应（用途：是多种酶促反应的中间过程）(6)脱氨基和转氨基反应（用途：酶催化的反应）Ⅱα-羧基参与的反应（1）成盐反应氨基酸与碱作用生成相应的盐。氨基酸的碱金属盐能溶于水,而重金属盐则不溶于水。（2）形成酯的反应（是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体）（3）形成酰卤的反应（使氨基酸羧基活化的一个重要反应）（4）叠氮化反应（用途：常作为多肽合成活性中间体）（5）脱羧反应（用途：酶催化的反应）Ⅲα-羧基和羧基共同参与的反应（1）与茚三酮反应（用途：常用于氨基酸的定性或定量分析）（2）成肽反应（用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应）Ⅳ侧链基团的化学性质（1）巯基（-SH）的性质作用1：以下这些反应可用于巯基的保护作用2：与金属离子的螯合性质可用于体内解毒作用3：氧还反应可使蛋白质分子中二硫键形成或端裂。作用4：可用于比色法定量测定半胱氨酸的含量。（2）羟基（-OH）的性质（作用：可用于修饰蛋白质）（3）咪唑基的性质组氨酸含有咪唑基，它的pK2值为6.0，在生理条件下具有缓冲作用。组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应，形成磷酸组氨酸，从而使酶活化。第1章蛋白质4组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷基咪唑衍生物，并引起酶活性的降低或丧失作用？（4）甲硫基的性质4.氨基酸的离解性质氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。氨基酸的等电点*当溶液浓度为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK’1和pK’2的算术平均值：pI=(pK’1+pK’2)/2同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK’值的算术平均值。酸性氨基酸：pI=(pK’1+pK’R-COO-)/2碱性氨基酸：pI=(pK’2+pK’R-NH2)/2五、氨基酸的分离分析纸层析法：Rf＝DA/DS分配柱层析：支持剂是一些具有亲水性的不溶性物质，如纤维素、淀粉、硅胶等。滤纸层析：薄层层析：离子交换层析：阴离子交换树脂-N(CH3)3OH，阳离子交换树脂-SO3H电泳：六、氨基酸的化学合成目前氨基酸的合成方法有3种：（1）蛋白质水解提取法（2）人工合成法（3）微生物发酵法七、氨基酸的应用1，医药工业氨基酸输液必需氨基酸：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸；半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。治疗药剂1，精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果；2，天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。3，半胱氨酸：能促进毛发的生长，可用于治疗秃发症；甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等；4，组氨酸：可扩张血管，降低血压，用于心绞痛，心功能不全等疾病的治疗。2，化学工业维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。叶酸：需要用谷氨酸为原料合成。氨基酸表面活性剂：酰基谷氨酸钠、十六烷基-L-赖氨酰-L-赖氨酸甲酯二盐酸、月桂酰-L-精氨酸乙酯盐酸等具有较强的抗菌杀菌活性，且无刺激性。聚合氨基酸：聚谷氨酸甲酯可用于作为合成皮革的表面处理剂；聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基酯与磷酸高级烷基酯结合得到化合物可作为可塑剂，稳定剂等。3，食品工业营养强化剂；谷氨酸钠－味精；天冬氨酸钠：可用于清凉饮料，能增加清凉感并使香味浓厚爽口；天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：－甜味素APM4，农业杀虫剂：刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死;半胱氨酸可杀死黄瓜蝇；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果；杀菌剂：N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟病；β-1，4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等；除草剂：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等；5，化妆品工业氨基酸能调节皮肤pH的变动，对细菌的防护作用，也可作为皮肤、毛发的营养成分，增加皮肤、毛发的光泽。防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素，可防止皮肤老化。第三部分蛋白质的结构蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或一条以上的多肽按各自特殊方式组合成具有完整生物活性的分子。蛋白质的结构层次一级结构：Pro中AA一维序列二级结构：蛋白质的二级结构主要是指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式。天然蛋白质一般均含有α-螺旋、β-折叠、β-转角的结构。超二级结构：相邻的二级结构单元组成的结构单位，常为蛋白质三维结构构件，如βαβ单元，β－折叠桶三级结构：由二级结构和超二级结构组成，是蛋白质的基本功能单位四级结构：由几条多肽链组成的蛋白质分子，每条多肽链为一个亚基五级结构：由独立的生物大分子组成的聚合体，如：pro-pro结合体，pro－核酸结合体。构型和构象构型：在一个化合物分子中原子的空间排列，这种排列的改变会牵涉到共价键的形成和破坏，但与氢键无关。第1章蛋白质5构象：表示一个多肽结构中一切原子沿共价键转动而产生的不同空间排列，这种构象的改变会牵涉到氢键的形成和破坏，但不致使共价键破坏。1.蛋白质的一级结构蛋白质分子中氨基酸残基的排列