3蛋白质化学

第三章蛋白质化学Chapter3Chemistryofprotein甘肃农业大学生命科学技术学院张宁Email：[e-mail]第一节氨基酸第三节蛋白质的分子结构第四节蛋白质结构与功能的关系第五节蛋白质的重要性质第七节蛋白质的分离提纯及应用第二节肽第六节蛋白质的分类contents概论1838年，荷兰生理学家G.J.Muller用元素分析法分析了血清、蚕丝、蛋清等物质，尽管来源不同，却都是C、H、O、N元素组成的。Muller认为它是生命中最重要的，就命名为“protein”，希腊原意是“最原始的”，“第一重要的”。中文译作——蛋白质，缩写Pr.蛋白质有重要的生物学意义。小细胞中，蛋白质种类数以千计，eg：E.coli细胞，双向电泳，三千多种蛋白质。蛋白质是生物表现千差万别的功能的物质基础。蛋白质功能的多样性1.酶类：在生物催化剂的作用下，新陈代谢有条不紊。已发现的酶25,000种。2．结构组分：作为结构成分或支持作用。胶原蛋白参与结缔组织和骨骼作为身体支架；羊毛、毛发、羽毛和指甲中的α-角蛋白；韧带中的弹性蛋白；蚕丝、蜘蛛网中的丝纤蛋白；血管和皮肤的弹性蛋白；细胞和细胞器的膜蛋白。3．营养和贮藏蛋白：贮存氨基酸作为营养物质为胚胎和幼体发育提供营养的功能。如：植物种子的谷蛋白、醇溶蛋白供种子萌发；动物的卵清蛋白等。4．运输蛋白：运输各种小分子和离子的蛋白。如：血红蛋白将氧从肺送到组织细胞；血浆中的脂蛋白在肝与其它器官间转运脂类；ATPase；电子传递体等。蛋白质功能的多样性5．收缩或运动蛋白：使细胞或生物体收缩、变形或移动的一类。如:骨骼肌收缩系统中主要的肌球蛋白和肌动蛋白；细菌的鞭毛、纤毛运动蛋白6．激素蛋白类：调节物质代谢的作用。如：胰岛素调血糖；垂体前叶分泌的生长激素等。7．保护或防御蛋白：抵御异体侵入，保护自身生命活动。如：抗体（免疫球蛋白）；皮肤的角蛋白；凝血蛋白；干扰素等。8．受体蛋白：接受和传递调节信息的蛋白质。如：各种激素的专一性受体蛋白；味蕾上的味觉蛋白；视网膜上的视色素蛋白。9．生长和分化的调控蛋白：调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达。如组蛋白、阻遏蛋白及表皮生长因子第一节氨基酸52.5721.5160.80102030405060百分含量（W%）蛋白质元素组成CHON其它蛋白质（protein/Pr.）是由20种α-氨基酸组成的高分子有机化合物。一、蛋白质的元素组成蛋白质主要元素组成：C、H、O、N、S及P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se等微量元素。含量%：50～556～720～2315～170.3～3微量或无元素组成：CHONS其它蛋白质平均含N量为16％,这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据：蛋白质含量＝样品中含N量×6.25二、蛋白质的基本结构单位蛋白质α-氨基酸水解蛋白质水解产生一系列的α-氨基酸，所以，其基本单位是氨基酸（aminoacid），缩写AA或Aa氨基酸的结构通式(离子形式)氨基酸分子具有一个氨基(-NH3+)、一个羧基(-COO-)、一个氢原子、一个特殊的R基团，结合到不对称的Cα原子上。20种氨基酸的R侧链各不相同。除Pro(α-亚氨基酸)外，19种Aa共同点：都是含有α-氨基的有机酸，即有一个氨基连在与羧基相邻的α碳原子上，因而称为α-氨基酸。α三、氨基酸的分类1.分类原则—在生理pH条件下，根据氨基酸R基团的结构和性质。2.分类极性但不带电荷R基团氨基酸（7种）R基团带负电荷的氨基酸（酸性氨基酸）（2种）R基团带正电荷的氨基酸（碱性氨基酸）（3种）非极性（疏水）侧链R基团氨基酸（8种）（一）非极性（疏水）侧链R基团的氨基酸疏水性的氨基酸有8种，在水中溶解度较极性氨基酸小。它们是5种脂肪烃的Ala、Leu、Val、Met、Ile,2种芳香环的Phe、Try，1种仲胺侧链的α-亚氨基酸Pro.氨基酸结构式三字母符单字母符丙氨酸AlaA缬氨酸ValV亮氨酸LeuL异亮氨酸IleI甲硫氨酸MetMCHCOONH3_+CH3CHCOONH3_+CH3CHCH3CHCOONH3_+CH3CHCH3CH2CHCOONH3_+CH2CHCH3CH3CHCOONH3_+CH3SCH2（一）非极性（疏水）侧链R基团的氨基酸疏水性的氨基酸有8种，在水中溶解度较极性氨基酸小。它们是5种脂肪烃的Ala、Leu、Val、Met、Ile,2种芳香环的Phe、Trp，1种仲胺侧链的α-亚氨基酸Pro.氨基酸结构式三字母符单字母符苯丙氨酸PheF色氨酸（吲哚基）TrpW脯氨酸ProPCHCOONH3_+CH2CHCOONH3_+CH2NH2COO_+这组氨基酸共7种，比疏水氨基酸易溶于水，因其R基团是不解离的极性基团，能与水形成氢键。-OH、-SH、-CO-NH2都是极性基团。Gly不带R基团，但氨基和羧基又很强极性占分子很大比例，也属极性分子。-SH和Tyr酚羟基失质子倾向最大氨基酸结构式三字母符单字母符甘氨酸GlyG丝氨酸SerS苏氨酸ThrT半胱氨酸CysCHCHCOONH3+_（二）极性但不带电荷R基团的氨基酸CH2CHCOONH3OH+_CHCHCOONH3CH3OH+_+_CH2CHCOONH3SH这一组氨基酸共7种，比疏水氨基酸易溶于水，因其R基团是不解离的极性基团，能与水形成氢键。-OH、-SH、-CO-NH2都是极性基团。Gly不带R基团，但氨基和羧基又很强极性占分子很大比例，也属极性分子。-SH和Tyr酚羟基失质子倾向最大氨基酸结构式三字母符单字母符酪氨酸(对甲基苯酚)TyrY天冬酰胺（乙酰胺）AsnN谷氨酰胺（丙酰胺）GlnQ（二）极性但不带电荷R基团的氨基酸+_CH2CHCOONH3OH+_CH2CHCOONH3CONH2+_CH2CHCOONH3CH2CONH2（三）R基团带负电荷的氨基酸这一类的是两种酸性氨基酸，Asp和Glu都含有远端羧基，第二个-COOH在pH6-7时完全解离，因此分子在近中性介质中，带负电荷。氨基酸结构式三字母符单字母符天冬氨酸（乙酸基）AspD谷氨酸（丙酸基）GluE+_CH2CHCOONH3OOC_+_OOCCH2CH2CHCOONH3_这是一类碱性氨基酸，在pH7介质中携带净正电荷。Lys除α-NH2外，还有远端ε-NH2；Arg含带正电荷的胍基；His有咪唑基，它是pK值在7.0附近唯一的Aa。氨基酸结构式三字母符单字母符赖氨酸LysK精氨酸ArgR组氨酸HisH（四）R基团带正电荷的氨基酸+_CH2CH2CH2CHCOONH3CH2NH3++_CH2CH2CH2CHCOONH3NHCNH2NH2++_HNNHCH2CHCOONH3+二十种氨基酸的结构特点含支链Aa：Val、Leu，Ile含羟基的Aa：Ser、Thr、（Tyr）含硫的Aa：Cys（含巯基）、Met（含硫甲基）含苯环的Aa：Phe、Trp、Tyr含胍基的Aa：Arg含咪唑基的Aa：His亚氨基酸：Pro含酰胺的Aa：Asn、Gln含吲哚基的Aa：Trp含ε-氨基的Aa：Lys非蛋白氨基酸（近二百种）氨基酸蛋白氨基酸20种常见氨基酸稀有氨基酸四、其它分类常见的天然氨基酸－－20种稀有氨基酸－－是正常氨基酸的衍生物，在遗传上没有直接的三联密码。非蛋白质氨基酸－－不在蛋白质分子中出现的氨基酸。概念：蛋白质合成后在基本氨基酸基础上经加工修饰而生成的氨基酸4—羟基脯氨酸NHCOOHNHCOOHOHNH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2赖氨酸OH5—羟基赖氨酸OH（一）稀有氨基酸（不常见氨基酸）（二）非蛋白氨基酸NH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CH2CH2CHCOOHNH2SHNH2CH2CH2CH2COOH鸟氨酸高半胱氨酸g-氨基丁酸D-谷氨酸、D-丙氨酸等生物学功能：代谢物前体、氮素的贮藏和运输、调节生长、杀虫防御、种属识别等（三）必需氨基酸（8种）：氨酸非极性R基氨基酸：亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸、色氨酸必需氨基酸——人体不能自我合成，必须从外界中摄取的氨基酸。带正电荷R基氨基酸：赖氨酸不带电荷的极性R基氨基酸：苏氨酸半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸人的必需氨基酸MetTrpLysValIleLeuPheThr半必需AAArg、His假设来借一两本书！（一）氨基酸的光吸收1.氨基酸的旋光性除甘氨酸外，19种基本氨基酸都有手性碳原子，因此都有旋光性。NCCCHHHHHHHOO手性碳原子五、氨基酸的理化性质α-碳原子周围四个不同取代基在空间的排列有两种不同的方式，L-型和D-型。彼此为镜像关系，或左右手关系，有机化学称为光学异构体、对映体或立体异构体。•与立体结构标准物甘油醛相似，-NH2在左边书写的为L-Aa，-NH2在右边的书写的为D-Aa.L-AaD-Aa•左旋性异构体（—）；右旋性异构体（+）；DL指异构体的绝对构型，与+—无必然联系。•蛋白质中所有天然氨基酸都属于L-Aa，有生理活性。所有20种基本氨基酸在可见光区都无光吸收在近紫外区三种芳香氨基酸具有紫外吸收2.氨基酸的紫外吸收光谱原因：这三种氨基酸含有苯环共轭双键系统，在λ280nm有最大紫外吸收能力。So，蛋白质含量的测定也用紫外分光光度计。苯丙氨酸（Phe）酪氨酸（Tyr）色氨酸（Trp）（二）氨基酸的两性解离和等电点1.氨基酸的两性离子形式水溶液或固体状态下，以两性离子的形式存在。证明：Aa是离子晶格，类似NaCl；水溶液介电常数增加说明含有极性基团。两性离子（zwitterions）——指同一个氨基酸分子含有等量的正负两种电荷，正负电荷相互中和而呈电中性，这种形式叫两性离子，又叫兼性离子或偶极离子。2.氨基酸的两性解离广义的酸是质子供体，碱是质子受体。HAA-+H+氨基酸的两性离子形式，既可以是酸也可以是碱，会两性解离作为酸NH3+可失去H+，使Aa有酸的性质，失去质子后成为NH2分子，成为它的共轭碱。作为碱COO-可得到H+，使Aa有碱的性质，得质子后成为COOH分子，成为它的共轭酸。Aa的两性离子在一定的酸碱条件下，可有不同的解离方式，解离出不同的带电荷形式；在近中性溶液中，以两性离子形式存在；在pH极小的酸性环境中，两性离子作为碱得质子而使大部分Aa成为带正电荷的阳离子；在pH极大的碱性环境中，两性离子作为酸失去质子，而使大部分Aa成为带负电荷的阴离子；RCHCOO-NH3+RCHCOO-NH2RCHCOOHNH3+k1k2A+A±A–酸碱等电点（isoelectricpoint）——当溶液在某一特定的pH值时，氨基酸主要以两性离子的形式存在，静电荷为零。在电场的作用下，它既不向正极也不向负极移动。此时溶液的pH值为该氨基酸的等电点。用pI（IP）表示。等电点时的特点：每种氨基酸都有其特定的等电点；Aa以两性离子存在，少数解离为阴阳离子，但解离成阴阳离子的数目和趋势相同，故溶液中静电荷为零；Aa处于pI时，净电斥力消失，Aa溶解度最小，最易沉淀；用途：可根据氨基酸的等电点用离子交换法分离不同氨基酸。例：pH5.97溶液中，Gly两性离子，Glu（pI3.22）阴离子，Lys（pI9.74）阳离子。如：味精生产时将pH值调到3.22，谷氨酸沉淀下来。3.氨基酸的等电点氨基酸表观解离常数和等电点氨基酸pKˊ(COOH)PKˊ(NH3+)PKˊ(R基)pI甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸丝氨酸苏氨酸天冬氨酸天冬酰胺谷氨酸谷氨酰胺精氨酸赖氨酸组氨酸半胱氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸脯氨酸2.342.342.322.362.362.212.632.092.022.192.172.172.181.821.712.281.832.202.381.999.609.699.629.609.689.1510.439.828.809.679.139.048.959.178.339.219.139.119.3910.633.86（COOH）4.25(gCOOH)12.48(胍基)10.53（氨基）6.00（咪唑基）10.08（