生物化学_03 蛋白质化学

第三章蛋白质化学主要内容：介绍蛋白质的构件单位氨基酸的结构、分类、性质及肽的概念，重点讨论蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系。思考目录第一节蛋白质通论.第二节蛋白质的基本构件单位──氨基酸.第三节蛋白质的一级结构和肽.第四节蛋白质的立体结构.第五节蛋白质的结构与功能的关系.第六节蛋白质的重要性质.思考第一节蛋白质通论一、蛋白质的元素组成.与分类.二、蛋白质的大小和分子量.三、蛋白质的构象及结构的组织层次.四、蛋白质功能的多样性.主要组成元素：C(50-55%)、H(5-7%)、O(20-24)、N(15-17%)、S(0-5%)。微量的元素：P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se等。一、蛋白质的元素组成.与分类.大多数蛋白质含氮量较恒定，平均含N量为16％。即1g氮相当于6.25g蛋白质，6.25称为蛋白质系数。这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据：样品中蛋白质含量＝样品中的蛋白质含N量×6.25蛋白质(Protein)是由不同氨基酸按照一定顺序，肽键连接而成的一条或多条肽链构成的生物大分子。蛋白质的分子组成蛋白质月示胨多肽二肽氨基酸1045×1032×103103~5×1022×102d102蛋白质的其他组分简单蛋白质结合蛋白质氨基酸部分非氨基酸部分糖脂核酸辅因子蛋白质的分类根据分子形状分类球状蛋白质纤维状蛋白质结合蛋白质.根据组成分类简单蛋白质.活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、受体蛋白…...）根据功能分类非活性蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）(1)简单蛋白质分类结合蛋白质（Conjugatedproteins)分类：单纯蛋白质和非蛋白质结合而成，如：（3）衍生蛋白质(Derivedproteins)：经化学或酶促作用而得到的蛋白质改性物。如：经凝乳酶凝结的酪蛋白，及胨，肽等降解产物。二、蛋白质的大小和分子量蛋白质是由氨基酸以肽键首尾相连而成的共价多肽链,其分子量变化范围大约在6000-1000，000道尔顿之间。如表1-1蛋白质亚基数目分子量胰岛素15733细胞色素C112398溶菌酶114300α-淀粉酶297600血红蛋白464500脲酶6483000醇脱氢酶4150000谷氨酰胺合成酶12600000谷氨酸脱氢酶401000000烟草花叶病毒蛋白213040000000三.蛋白质结构的主要层次一级结构四级结构二级结构三级结构primarystructuresecondarystructureTertiarystructurequariernarystructure超二级结构结构域supersecondarystructureStructuredomain-折叠片-螺旋体松散肽段亚基三级结构四级结构蛋白质分子的构象示意图四、蛋白质的主要生理功能蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能第二节蛋白质的基本构件单位─氨基酸一、常见的蛋白质氨基酸的结构通式.二、20种常见的蛋白质氨基酸分类及结构.三、不常见的蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸.四、氨基酸的性质.一、常见的蛋白质-氨基酸的结构通式.氨基酸的结构生物体内的氨基酸类别蛋白质氨基酸：蛋白质中常见的20种氨基酸稀有的蛋白质氨基酸：蛋白质组成中，除上述20种常见氨基酸外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸，它们都是相应常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等。非蛋白质氨基酸：生物体内呈游离或结合态氨基酸。20种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号据营养学分类必需ＡＡ非必需ＡＡ据R基团化学结构分类脂肪族ＡA.（中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）芳香族ＡA(Phe、Tyr、Trp).杂环ＡＡ(His、Pro).据R基团极性分类极性R基团AA.非极性R基团AA（８种）.不带电荷（７种）据氨基、羧基数分类一氨基一羧基ＡＡ一氨基二羧基ＡＡ(Glu、Asp)20种氨基酸的结构二氨基一羧基ＡＡ(Lys、His、Arg)人的必需氨基酸LysTrpPheValMetLeuIleThrArg、His带电荷：正电荷（３种）负电荷（２种）二、20种常见的蛋白质氨基酸分类及结构.甘氨酸（Gly,G）丙氨酸（Ala,A）缬氨酸（Val,V）亮氨酸（Leu,L）异亮氨酸（Ile,I）中性脂肪族氨基酸含羟基或硫脂肪族氨基酸丝氨酸（Ser,S）苏氨酸（Thr,T）半胱氨酸（Cys,C）甲硫氨酸（Met,M）酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸（Asp,D）谷氨酸（Glu,E）天冬酰胺（Asn,N）谷氨酰胺（Gln,Q）碱性氨基酸赖氨酸（Lys,K）精氨酸（Arg,R）组氨酸（His,H）杂环氨基酸杂环氨基酸组氨酸（His,H）脯氨酸（Pro,P）芳香族氨基酸苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸（Trp,W）三、不常见的蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸.不常见的蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸.四、氨基酸的性质(1)AA的两性电离和等电点.(2)光学活性和光谱性质.(3)重要化学反应：（1)氨基酸的两性解离及等电点（pI）:氨基酸是弱两性电解质pH=pI净电荷=0pHpI净电荷为正pHpI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++OH-+H++OH-(pK´1)(pK´2)当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelectricpoint)。甘氨酸滴定曲线甘氨酸盐酸盐（A+）等电点甘氨酸（A）甘氨酸钠（A-）一氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´2谷氨酸（A）和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´R二氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´2+pK´RBApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的OH-mL数加入的OH-mL数pHpHHis的咪唑基的pKa值是最接近生理pH值的一种（游离氨基酸中为6.00，在多肽链中为7.35），是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸。(2)光学活性和光谱性质.1、旋光性：除甘氨酸外，其它天然α-氨基酸都有不对称碳原子，其它天然氨基酸都有旋光性，均属于L-型。2、紫外吸收光谱：芳香族氨基酸色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为280、275、和257nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此，紫外分光光度法可测定蛋白质含量。TryTyrPhe的紫外吸收光谱摩尔吸收系数波长(3)重要化学反应：与2,4一二硝基氟苯(DNFB)反应（sanger反应）:用于蛋白质N-端测定.与苯异硫氰酯（PITC）的反应（Edman反应）：用于蛋白N-端测定，蛋白质顺序测定仪设计的依据。与茚三酮反应:用于氨基酸定量定性测定成肽反应：氨基酸合成肽的反应基础1、与2,4-二硝基氟苯(DNFB)反应2,4-二硝基氟苯(DNFB)在弱碱溶液中与AA反应生成2,4-二硝基苯基氨基酸,英国的Sanger用这个反应鉴定多肽N-末端的氨基酸,用以测定多肽或蛋白质的AA排序。现在根据此原理设计出了”蛋白质序列测定仪”2、Edman反应与异硫氰酸苯酯（PITC）在弱碱条件下形成相应的苯氨基硫甲酰（PTC)衍生物,与酸发生环化生成PTH-aa,这是著名的Edman降解,进行多肽链N-末端氨基酸测定。苯乙内酰硫脲衍生物3、茚三酮反应（α-NH2和α-COOH共同参加的反应）茚三酮在弱酸性溶液中与α-氨基酸共热，生成蓝紫色物质,脯氨酸或羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色化合物。4.氨基酸的成肽反应第三节蛋白质的一级结构和肽.一、蛋白质中氨基酸的连接方式和一级结构.二、肽键的结构和性质.三、肽的物理和化学性质四、天然存在的活性肽五、蛋白质一级结构测定六、蛋白质的水解.1一级结构概念：一级结构：指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序和连接方式。共价结构（化学结构）：肽链的数目，AA的序列和二硫键的位置。2.肽和肽链的结构和命名肽：由一AA的羧基和另一AA的氨基脱水缩合而成的化合物。肽键：AA之间脱水后形成的共价键，又称酰胺键。一、蛋白质中氨基酸的连接方式和一级结构.肽的命名是根据氨基酸残基的数目决定的：寡肽：10个以下AA残基组成的肽。多肽：超过10个AA残基组成的肽。多肽链：由多个AA以肽键连接的一条链。酰胺平面或称（肽平面）：由CO和NH构成肽键的四个原子和与之相连的两个α-碳原子构成的刚性平面。AA残基：指的是肽链中的AA单位，不是完整的AA分子。维持一级结构的化学键：共价键，主要为肽键。例：牛胰岛素的一级结构一级结构的书写方式：从N末端到C末端，用氨基酸的三字符号或单符号连续排列。若用三字符，每个氨基酸之间用圆点隔开，单字符表示不用圆点。如三字符表示为Ala.Val.Gly.Thr.Met.Phe.Cys.Ser.Lys等。单字符表示为：AVGTMFCSK。二、肽键的结构和性质.肽单位：多肽中，每个酰胺平面即是一个肽单位。它是研究蛋白质高级结构的最小单位。肽基的C、O和N原子间的共振相互作用共振产生的重要结果：限制绕肽键的自由旋转形成酰胺平面产生键的平均化肽键呈反式构型sp2sp2sp2sp3共振杂化体肽键的结构特点：(1)肽键(C-N键)，键长1.32Ả,比一般的C-N单键(1.49Ả)短，但比一般的C=N双键(1.27Ả)长，具有部分双键的性质，不能沿C-N键自由旋转。(2)羧基氧原子与NH2基氢原子彼此处于N-C两侧，形成反式结构。(3)与N-C键相连的N-Ca和C-Ca可以旋转，其旋转角度分别为φ和ψ，φ和ψ称两面角(构象角)，用于描述多肽的所有可能构象。(4)肽键中四个原子和它相邻的两个Ca处于同一平面，形成酰胺平面。1.在晶体或溶液中以两性离子状态存在。2.熔点高。3.其酸碱性决定于N端氨基、C端羧基和侧链R基。4.双缩脲反应。5.与氨基酸类似的反应：DNFBDNSPITC反应等。三、肽的物理和化学性质类别：激素、抗菌素、辅助因子实例：谷胱甘肽(glutathione)。四、天然存在的活性肽谷胱甘肽（GSH）γ-谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。※GS－SG将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序将肽段分离并测出顺序专一性裂解末端氨基酸测定二硫键拆开纯蛋白质蛋白质序列测定的基本方法路线五、蛋白质一级结构测定基本策略：片段重叠法＋氨基酸顺序直测法基本步骤：(1)测定蛋白质分子中多肽链数目；(2)拆分蛋白质的多肽链，断开多肽链内二硫键；(3)分析每一条多肽链的氨基酸组成；(4)鉴定多肽链N－末端、C－末端氨基酸残基；(5)裂解多肽链成较小的片段；(6)测定各肽段的氨基酸顺序；(7)片段重叠法重建完整多肽链一级结构；(8)确定半胱氨酸残基间形成二硫键交联桥的位置。蛋白质一级结构测定胰岛素-巯基乙醇碘乙酸二硫键的断裂多肽N、C-末端氨基酸的测定N端Sanger法（二硝基氟苯反应）DNS法（丹磺酰氯反应）Edman法（苯异硫氰酸脂反应）氨肽酶法C端肼解法还原法羧肽酶法片段重叠法确定肽段在多肽链中顺序示意图所得资料：氨基末端残基H羧基末端残基S第一套肽段第二套肽段OUSSEOPSWTOUEOVEVERLRLAAPSHOWTHO借助重叠肽确定肽段次序示意图：末端残基HS末端肽段HOWTAPS第一套肽段HOWTOUSEOVERLAPS第二套肽段HOWTOUSEOVERLAPS推断全顺序HOWTOUSEOVERLAPS对角线电泳示意图带有二硫键的肽段偏离对角线而决定二