第一章蛋白质化学

生物化学基础杨晶生命科学与技术学院北京化工大学科技大厦西配楼613室[e-mail]教材：1.罗纪盛等，生物化学简明教程（第三版）高等教育出版社，1999年2.张洪渊等，生物化学（第三版）化学工业出版社，2006年3.王希成，生物化学，清华大学出版社，2001年参考书：1.沈同，王镜岩著。生物化学（第二/三版）高等教育出版社，1990/2002年2.Biochemistry(secondedition)Hames&Hooper教学方法：讲授为主，对讲课的意见要求及时提出——内容、深度、速度。学习方法：1、课后复习，多看书，笔记尽量详细。2、注意各章节联系，善于综合分析总结教学内容。3、不懂的地方及时提出。考核方法：1、平时40％2、期末60％3、成绩：百分制绪论1、生物化学发展史简述2、生物化学的涵义：生物化学是生命的化学。它主要是利用化学的理论和方法研究生命现象的一门科学。3、生物化学的研究对象和目的生物化学研究生物体的化学组成和生命中的化学变化。l研究范围：1.生物体由那些物质组成？其结构、性质和功能如何？2.这些物质在生命体内发生什么变化？怎样变化的？变化过程中能量是怎样转变的？——物质在体内怎样进行物质代谢和能量代谢。3.物质的结构，代谢和生物功能及生命现象（生长、繁殖、遗传、运动等）之间的关系。l目的：不仅要了解上述现象，而且要利用已经了解的知识去改造自然，并使其更好的为社会为人类造福。课时安排：32学时第一章：蛋白质化学4学时第二章:核酸化学4学时第三章：酶4学时第四章：生物氧化3学时第五章：糖及糖代谢4学时第六章：脂及脂代谢4学时第七章：核酸代谢4学时第八章：蛋白质代谢3学时期末考试1学时第一章蛋白质化学本章主要内容一、蛋白质的生物学意义——重要性二、蛋白质的元素组成三、蛋白质的基本结构单位——氨基酸四、蛋白质的结构五、蛋白质分子结构与功能的关系六、蛋白质的性质七、蛋白质的分类——按组成八、蛋白质及氨基酸的分离纯化与测定（自学）蛋白质是生命的物质基础——生命是物质运动的高级形式，这种运动形式是通过蛋白质来实现的。含量：人体干重的45%，占人体体重的15-18%。蛋白质在生物体内的重要性不仅在于数量的多少，还在于它功能的多样性，主要的生命活动都有蛋白质参加。第一节蛋白质的生物学意义——重要性功能1、作为生物体新陈代谢的催化剂——酶。几乎绝大多数的酶其化学本质都是蛋白质。2、运输的功能如一些小分子物质的运输；脊椎动物红细胞的血红蛋白在呼吸过程中运输O2和CO2；细胞色素起传递电子的作用。第一节蛋白质的生物学意义——重要性第一节蛋白质的生物学意义——重要性3、运动功能如：肌肉收缩——肌动蛋白和肌球蛋白。4、防御功能机体中起免疫反应的抗体，一类高度特异性的蛋白质。能识别病毒、细菌以及其他机体的细胞，并与之结合消除它们的病理作用，对机体起到保护作用。功能第一节蛋白质的生物学意义——重要性5、信息传递细胞膜表面或细胞内的激素受体是蛋白质，可接受激素信息并予以传递。6、调节功能有些激素化学本质是蛋白质，对机体代谢起调节作用。如：垂体激素，下丘脑激素等。功能第一节蛋白质的生物学意义——重要性7、组成生物膜。8、毒性作用：病毒蛋白质、异体蛋白进入动物体引起中毒病状。9、其它：凝血、营养，动物记忆等。功能第二节蛋白质的元素组成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50％氢7％氧23％氮16%硫0-3％其他微量P、Fe、I、Cu等第二节蛋白质的元素组成组成蛋白质的诸元素中“N”是特征元素。∵（1）一切蛋白质均含“N”。（2）各种蛋白质的含“N”量很接近，15-18%平均16%。即：1gN6.25蛋白质（100/16=6.25）（3）体内的含N物质绝大部分是蛋白质，因此测量生物样品中的N含量，就可推算出蛋白质的大致含量。(6.25是蛋白质的系数)∴蛋白质含量（g%）=每克样品的含N克数×6.25×100第三节蛋白质的基本结构单位氨基酸（aminoacid）一、氨基酸（AA）的定义：含有氨基的羧酸。实验证明氨基酸是蛋白质的基本组成单位。在各种生物体内发现的AA有180多种，参与蛋白质组成的AA只有20种——基本AA。只有这20种氨基酸是受遗传密码直接控制的。第三节蛋白质的基本结构单位氨基酸（aminoacid）二、氨基酸的结构特点：结构通式不带电形式两性离子形式第三节蛋白质的基本结构单位氨基酸（aminoacid）氨基酸的结构特征：1．所有AA分子的-C上都连有一个氨基，故称为-AA（脯氨酸除外，-亚氨基酸）。2．两性电解质具有酸性的COOH（COOHCOO-）和碱性的-NH2（-NH2-NH3+）。第三节蛋白质的基本结构单位氨基酸（aminoacid）3．光学异构现象和旋光性除R为氢原子之外，所有-氨基酸分子中的-碳原子都为不对称碳原子。因此，-氨基酸具有旋光性，能使偏振光平面向左或向右旋转。CCOOHH2NHH甘氨酸L、D构型确定——与甘油醛构型比较确定：羧基写在-C上端；α-NH2在左侧为L-型；在右侧为D-型。从蛋白质水解得到的-氨基酸都属于L-型。虽然组成成分中没有D-型氨基酸，但某些细菌产生的抗菌素中含有D-AA。4．不同的AA只是R不同。第三节蛋白质的基本结构单位氨基酸（aminoacid）三氨基酸的分类缬氨酸甘氨酸丙氨酸脯氨酸异亮氨酸亮氨酸蛋氨酸（-氨基-γ-甲硫基丁酸）：侧链上带有一个非极性的甲基硫醚基，不过其中的硫原子是亲核的。半胱氨酸（-氨基-β-巯基丙酸）：侧链含有巯基（-SH），又称为巯基丙氨酸，-SH是一个高反应性的基团。蛋氨酸半胱氨酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸极性不带电荷非极性杂环氨基酸色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的紫外吸收谱，在中性pH条件下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在280nm，而苯丙氨酸的在260nm大多数蛋白质中都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中280nm吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。赖氨酸精氨酸组氨酸极性氨基酸：9个组氨酸（-氨基-β-咪唑基丙酸）：侧链有一个咪唑环。赖氨酸（,-二氨基己酸）：含有-和-氨基。精氨酸（-氨基-δ-胍基戊酸）：侧链含有胍基。天冬氨酸谷氨酸天冬氨酸（-氨基丁二酸）：侧链含有一个-羧基；谷氨酸（-氨基戊二酸）：侧链含有一个-羧基。天冬酰胺谷氨酰胺丝氨酸苏氨酸不带电荷的极性氨基酸四、氨基酸的物理性质1．一般物理性质α-AA都是白色晶体，熔点很高，大多在200℃，味道各异，其中谷氨酸单钠有鲜味——味精，溶于极性溶剂（水，乙醇等）不溶于非极性溶剂（苯、己烷、乙醚等）。2．两性解离和等电点（1）AA的存在形式——两性离子实验证明：AA在水溶液中及晶体状态均以两性的形式存在，很少以不带电荷形式存在。不带电形式两性离子（2）两性解离和等电点AA的氨基和羧基解离度，以及AA的带电状况取决于它所处溶液的酸碱环境——AA的解离度与溶液的pH有关。氨基酸的等电点（pI）pH﹤pIpH﹦pIpH﹥pI等电点时：（1）AA在电场中即不向阴极也不向阳极移动。（2）AA溶解度最小，易沉淀。（3）AA的解离的pH及pI的求法（自学）。五、AA的化学性质AA的化学性质由α-NH2、α-COOH、R基参与化学反应。（1）与茚三酮的反应特征：脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质，其余所有的-氨基酸与茚三酮反应均产生兰紫色物质。（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法RCHNH3+COO-RCHNH2COO-+H+OH-中和HCHORCHNHCH2OHCOO-HCHORCHN(CH2OH)2COO-羟甲基氨基酸二羟甲基氨基酸（3）与2，4-二硝基氟苯的反应（DNFB）：（4）与异硫氰酸苯酯的反应FNO2O2NCHRCOOHH2N+NHNO2O2NCHCOOHR+HFDNFBDNP-氨基酸纸层析上黄色斑点NCS+NHHCHRCOOHpH8.3HNCSNHCHRCOOHNNOSHRHHF(PTC-氨基酸)(PTH-氨基酸)此法确定肽链的N端氨基酸种类;多肽顺序自动分析仪的原理第四节肽蛋白质中的氨基酸是通过肽键连接一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基缩合，通过形成的酰胺键将两个氨基酸连接在一起，这个酰胺键称之肽键，氨基酸缩合生成的产物称之肽。二肽氨基酸氨基酸肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。组成肽键的原子处于同一平面。大多数情况下，以反式结构存在。肽键CCNCCNCCNCCNCCH2CHCH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C-端肽键在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序。通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。肽的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln丝-缬-酪-天冬-谷氨酰胺肽第五节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链按各自特殊方式组合成具有完整生物活性的分子。随着肽链数目、氨基酸组成及其排列顺序的不同，就有不同的三度空间结构也就形成了不同的蛋白质。研究蛋白质结构需要搞清以下问题：1．由哪些AA组成？2．AA之间是如何连接的？3．AA的排列顺序。4．各基团在空间的排布——构象。蛋白质的结构可分为：一级结构（初级结构）高级结构（空间、三维）二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构过渡（一）蛋白质的一级结构1．定义：蛋白质分子中氨基酸（残基）的排列顺序。维持力（连接方式）：肽键（酰胺键）肽键：是由一个AA的α-COOH与另一个AA基的α-NH2缩合失水而成的化学键。蛋白质分子是由多个AA分子连接而成的多肽链。N末端C末端R1，R2，R3……Rn——侧链。lAA残基：组成多肽链的AA单位已不是完整的AA分子，因此每个单位称为AA残基。l两端：一条多肽链，其中一端保留着一个α-NH2，将此端叫做氨基末端（或N-端），通常将N端写在左边；另一端保留着一个自由的α-COOH叫羧基末端（或C-端），通常将C端写在右边。l主链：由-NH-CH-CO-单位规则地重复排列而成。l侧链：多肽链上的各种R基团维持蛋白质分子的立体结构和行使蛋白质功能。各种蛋白质，其AA种类、数目、比例、排列顺序各不相同。由胰脏中的胰岛细胞分泌分子量5734，51个AA。结构：由A和B两条肽链组成，A链：21个AA，B链：30个AA，两条链间以二硫键相连：A7-B7，A20-B19；一条链内二硫键：A6-A11一级结构举例二硫键在蛋白质分子中起着稳定肽链空间结构的作用，与生物活力有关。二硫键数目越多，蛋白质结构稳定性越强。（二）蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构：通常称为蛋白质的构象（又称高级结构），是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。1．蛋白质的二级结构二级结构：在一级结构的基础上，多肽链本身折叠和盘绕方式。维持力：氢键几种形式：α-螺旋β-折叠β-转角无规则卷曲（1）α-螺旋：蛋白质分子最常见、稳定的一种构象；1951年Pauling提出要点：l肽链卷曲成右手螺旋，每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈；每圈沿轴上升的距离为0.54nm，两个相邻AA残基之间距离为0.15nm；每个AA残基绕轴旋转100度。l维持螺旋的作用力是氢键，相邻螺圈之间形成链内H键，H键的取向几乎与轴平行。H键位置：由每个残基的C＝O基与其相邻的第四个残基的－NH－的形成H键，所有肽键的NH和CO都参与氢键的形成，故α-螺旋很稳定。l天然蛋白质的α-螺旋几乎都是右手螺旋（极个别例外