第1章蛋白质组成成分和氨基酸

第一章蛋白质第一节蛋白质通论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。一、蛋白质的功能多样性1.催化功能2.结构功能3.运输功能4.贮存功能5.运动功能6.防御功能7.调节功能8.信息传递功能9.遗传调控功能10.其它功能蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。二、蛋白质的分类（一）按分子组成特点分类：单纯蛋白质结合蛋白质（二）按分子形状分类：球状蛋白质纤维状蛋白质（三）按生物学功能分类：活性蛋白质非活性蛋白质（四）按溶解度分类：可溶性蛋白质醇溶性蛋白质不溶性蛋白质二、蛋白质的分类（一）按分子形状分类1.球状蛋白球形，多溶于水，多具有活性，长度与直径之比一般小于10。如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。2.纤维状蛋白细长，分子量大，多是结构蛋白。如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等。二、蛋白质的分类（二）按分子组成分类1.简单蛋白由氨基酸组成7类：清蛋白球蛋白组蛋白精蛋白谷蛋白醇溶蛋白和硬蛋白。2.结合蛋白由蛋白质和非蛋白成分组成，后者称为辅基。7类：核蛋白脂蛋白糖蛋白磷蛋白血红素蛋白黄素蛋白和金属蛋白。三、蛋白质的元素组成与分子量元素组成：Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ含Ｎ量：１６％１克Ｎ＝6.25克蛋白质每克样品中含N克数×6.25×100=100克样品中蛋白质的含量（克%）四、蛋白质的水解1、酸水解蛋白质氨基酸混合物6mol/LHCl或4mol/L的H2SO4105℃20小时四、蛋白质的水解2、碱水解蛋白质氨基酸混合物5mol/LNaOH煮沸10h-20h四、蛋白质的水解3、酶水解蛋白质肽段蛋白酶（proteinase）第二节氨基酸一、氨基酸的结构与分类（一）基本氨基酸（二）不常见的蛋白质氨基酸（三）氨基酸的生物学功能二、氨基酸的性质（一）物理性质（二）化学性质一、氨基酸的结构与分类（一）基本氨基酸组成蛋白质的氨基酸，20种。（二）稀有氨基酸是多肽合成后由基本氨基酸经酶促修饰而来。（三）氨基酸的生物学功能（一）基本氨基酸1、２０种氨基酸的化学名称及结构通式：2、构型：从蛋白质水解得到的α－氨基酸属L－α－氨基酸COOH︱H2N－C－H︱RＲ代表氨基酸的侧链（Ｒ基团）。不同的氨基酸，Ｒ基团不同。氨基酸的分类根据氨基酸的侧链R基团的化学结构分类：①脂肪族氨基酸：甘、丙、缬、亮、异亮、蛋、半胱、丝、苏、谷、谷酰、天、天酰、赖、精②芳香族氨基酸：苯丙、酪、色③杂环氨基酸：组、脯④杂环亚氨基酸：脯氨基酸Ｒ基团Ｒ基团上有功能基团丝Ser－ＯＨ羟基半胱Cysh－ＳＨ巯基天酰Asn－ＣＯ－ＮＨ酰胺基谷酰Gln天冬Asp－ＣＯＯＨ羧基谷Glu赖Lys－ＮＨ2氨基精Arg胍基组His咪唑基①极性氨基酸：⑴极性不带电荷：甘、丝、苏、天酰、谷酰、酪、半胱⑵极性带负电荷：天、谷⑶极性带正电荷：组、赖、精②非极性氨基酸：丙、缬、亮、异亮、苯丙、蛋、脯、色根据氨基酸的侧链R基团的极性分类：必需氨基酸：机体维持正常代谢、生长所必需，而自身不能合成，需从外界获取的氨基酸。如：Phe、Trp、Lys、Met、Leu、I1e、Thr、Val、His、Arg。非必需氨基酸：体内能合成的氨基酸。12种（二）不常见蛋白质氨基酸NHHOCOOH4-羟基脯氨酸H2NCH2CHCH2CH2CHCOOHOHNH25-羟基赖氨酸NH2CH3NHCH2CHCH2CH2CHCOOH6-N-甲基赖氨酸HOIICH2CHCOOHNH23,5-二碘酪氨酸r-氨基丁酸（GABA）谷氨酸脱羧酶谷氨酸r-氨基丁酸ＣＯ2r-氨基丁酸的功能:它是一种抑制性神经递质，对中枢神经原有普遍抑制作用，对突触前、突触后也有一定抑制作用。（三）氨基酸的生物学功能1、合成蛋白质，以满足机体生长发育和组织的更新修复等需要。2、转变成具有重要生理功能的含氮化合物（如核苷酸、尼克酰胺、儿茶酚胺类激素、甲状腺素等）。3、转变成糖类或脂肪。4、氧化供能。二、氨基酸的重要理化性质（一）物理性质（二）化学性质氨基酸的构型、旋光性和光吸收1、氨基酸的构型与旋光性Gly一种构型,无旋光性Thr和Ile有四种光学异构体。其余17种氨基酸有两种光学异构体：L型、D型。构成蛋白质的氨基酸均属L-型（L-苏氨酸）。（一）物理性质氨基酸的旋光性（符号和大小）取决于它的R基的性质，并与溶液的PH值有关。外消旋物：D-型和L-型的等摩尔混合物。L-苏氨酸和D-苏氨酸组成消旋物。★内消旋物：分子内消旋胱氨酸有三种立体异构体：L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。L-胱氨酸和D-胱氨酸是外消旋物2、氨基酸的光吸收性构成蛋白质的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;①与苯异硫氰酸酯(PITC)的反应COOH|+H2N-CH|R在弱碱中-NH-C-NH-CH-COOH苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸)S|RH+环化-N=C=S苯异硫氰酸酯(PITC)-NOCCH-RCNHS苯乙内酰硫脲氨基酸(PTH-氨基酸)无色Edman反应（二）化学性质②与2,4-二硝基氟苯反应COOH|+H2N-CH|R在弱碱中O2N-|NO2-F2,4-二硝基氟苯(DNFB或FDNB)O2N-|NO2-2,4-二硝基苯-氨基酸(DNP-氨基酸)黄色COOH|NH-CH|R+HF★Sanger反应★Sanger反应2.4一二硝基氟苯（DNFB）DNP-氨基酸，黄色，层析法鉴定，被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸③与茚三酮的反应R—CH—COOHNH2∣氨基酸O‖‖O∕OHOH2+沸腾蓝紫色化合物④成肽反应R1R2︱︱H2N—CH—COOH﹢H2N—CH—COOHR1R2︱︱H2N—CH—CO—HN—CH—COOH肽键二肽-H2O⑤两性解离和等电点氨基酸的兼性离子形式氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在。①晶体熔点高→离子晶格，不是分子晶格。②不溶于非极性溶剂→极性分子③介电常数高→水溶液中的氨基酸是极性分子。氨基酸的等电点当溶液为某一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（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。不同的氨基酸，其等电点（pI）不同。氨基酸的等电点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’2)/2碱性氨基酸：pI=(pK’2+pK’3)/2对于丙氨酸等一氨基一羧基的中性型氨基酸来说,由于羧基电离度略大于氨基电离度,所以溶于水时,其负离子数将多于正离子数,因而在纯水中显微酸性.CH2—SHCH—NH2COOHCH2CH—NH2COOHHS+CH2—SCH—NH2COOHCH2CH—NH2COOHS+-2H+2H第三节肽一、肽键及肽链二、肽的命名及结构三、天然存在的活性寡肽蛋白质的基本结构单位是氨基酸，由20种氨基酸组成了各种各样的蛋白质。研究证明，蛋白质是由许多氨基酸按照一定的排列顺序通过肽键连接起来的生物大分子。一、肽键及肽链肽键（peptidebond）是蛋白质分子中氨基酸之间的主要连接方式，它是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基缩合脱水而形成的酰胺键。R1R2︱︱H2N—CH—COOH﹢H2N—CH—COOHR1R2︱︱H2N—CH—CO—HN—CH—COOH肽键二肽-H2O一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间失去一分子水相互连接而成的化合物称为肽（peptide），由2个氨基酸缩合形成的肽叫二肽（dipeptide），由3个氨基酸缩合形成的肽叫三肽（tripeptide），少于10个氨基酸的肽称为寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸形成的肽叫多肽（polypeptide）。二、肽的命名及结构肽链中的氨基酸由于参加肽键的形成已经不是原来完整的分子，因此称为氨基酸残基（aminoacidresidues）。肽的命名是从肽链的N-末端开始，按照氨基酸残基的顺序而逐一命名。氨基酸残基用酰来称呼，称为某氨基酰某氨基酰…某氨基酸。例如，由丝氨酸、甘氨酸、酪氨酸、丙氨酸和亮氨酸组成的五肽就命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸。甘·丙·丝·缬·亮·蛋·赖·赖·精·谷……Gly-Ala-Ser-Val-Leu-Met-Lys-Lys-Arg-Glu……G-A-S-V-L-M-K-K-R-E……在书写时，含自由氨基的一端总是写在左边，含自由羧基的一端总是写在右边。多肽链R1R2R3︱︱︱H2N—CH—CO—HN—CH—CO—HN—CH—COOH多肽链中单位—氨基酸残基；多肽链有两端：氨基末端（Ｎ端）羧基末端（Ｃ端）多肽链的主链：－ＣＨ－ＣＯ－ＨＮ－侧链：各－Ｒ基团谷胱甘肽的结构：SH︱CH2γ︱H2N-CH-CH2-CH2-CO-HN-CH-CO-HN-CH2-COOH︱COOH-2H2G-SH→→G-S-S-G（还原型）+2H（氧化型）巯基三、天然存在的活性寡肽谷胱甘肽的功能GSH可与氧化剂如H2O2起反应，从而保护一些含巯基的蛋白质或酶免遭氧化而丧失正常结构与功能。如红细胞中的GSH可以保护细胞膜上含巯基的蛋白质和酶，以维护膜的完整性和酶活性。谷胱甘肽的功能H2O22H2O2GSHGSSGNADP+NADPH+H+GSH过氧化物酶GSH还原酶生物体中还有许多其它的多肽，也具有重要的生理意义。如牛加压素、催产素、舒缓激肽都是具有激素作用的多肽。第四节蛋白质的分子结构蛋白质的结构可以分为四个层次来研究，即一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。其中一级结构又称蛋白质的化学结构（chemicalstructure）、共价结构或初级结构。而二级结构、三级结构和四级结构又称为蛋白质的空间结构或三维结构(threedimensionalstructure)。一、蛋白质的一级结构1.蛋白质的一级结构所谓蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置。一级结构是蛋白质分子结构的基础，它包含了决定蛋白质分子所有结构层次构象的全部信息。蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质的氨基酸组成、氨基酸排列顺序和二硫键的位置，肽链数目，末端氨基酸的种类等。一级结构是蛋白质的肽键维系的。2.蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定就是测定蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，这是揭示生命本质，阐明结构与功能的关系，研究酶的活性中心和酶蛋白高级结构的基础，也是基因表达、克隆和核酸顺序分析的重要内容。蛋白质一级结构的测定主要包括以下基本步骤：①测定蛋白质的分子量和氨基酸组成获取一定量纯的蛋白质样品，测定其分子量。将一部分样品完全水解，确定其氨基酸种类、数目和每种氨基酸的含量。②进行末端分析，确定蛋白质的肽链数目及N-端和C-端氨基酸的种类测定N-末端氨基酸的方法有多种，常用的有二硝基氟苯（DNFB）法和异硫氰酸苯酯（PTH）法（如氨基酸的化学性质中所介绍的）。还可以用丹磺酰氯（DNS-CL）法测定N-末端氨基酸。测定C-末端氨基酸常用的方法有肼解法和还原法等。肼解法的原理为：多肽链和过量的无水肼在100℃反应5～10h，所有肽键被水解，除C-末端氨基酸自由存在外，其他氨基酸都转变为氨基酸酰肼。③拆开二硫键并分离出每条多肽链拆开二硫键最常用的方法是用过甲酸（即过氧化氢＋甲酸）将二硫键氧化，或用过量的β-巯基乙醇处理，将二硫键还原。还原法应注意用碘乙酸（烷基化试剂）保护还原生成的半胱氨酸中的巯基，以防止二硫键的重新