第十七章氨基酸、多肽和蛋白质.ppt

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1、第十七章 氨基酸和蛋白质,蛋白质是具有极其重要作用的生物大分子，它们与生命密切相关,是生命的物质基础。 没有蛋白质就没有生命。,1.是构成人体的最主要物质，肌肉、各种组织器 官以及骨骼都含有大量的蛋白质； 2. 对体内各种生化反应起催化作用的酶都是蛋白 质; 3. 对人类生理活动有重要调节作用的某些酶、 在防御疾病过程中起免疫作用的抗体、具有输 送氧和二氧化碳作用的血红蛋白等也都是蛋白 质； 4. 蛋白质在遗传信息的传递和控制、细胞膜的通 透性、高等动物的思维和记忆等方面也具有重要 作用。,氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元，如果把蛋白质分子看成是一座大厦，氨基酸则是构成这座大厦的砖、瓦。,第一

2、节 氨基酸,蛋白质是复杂的高分子化合物。各种来源的蛋白质在酸、碱或酶的催化下，都可发生水解，经过胨、多肽、二肽等中间体，最后生成各种不同的 a-氨基酸的混合物。因此，a-氨基酸是组成蛋白质的基本结构单元。,一、氨基酸的结构、构型、分类及命名,氨基酸是一类取代酸，相当于羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基取代。目前在自然界发现的氨基酸有三百多种，但由天然蛋白质水解所得的氨基酸仅二十种左右，见 P2 82表 17-1，它们都是 a-氨基酸。在结构上的共同特点都是 氨基连于羧基的 a-碳原子上，可用通式 R-CHNH2COOH 表 示。,各种 a-氨基酸都含有一个手性碳原子，故具有旋光性和旋光异构体，有两

3、种构型。但是，由蛋白质水解得到的二十种 a-氨基酸用 D/L 构型标记法标记时，都是 L-型。,L-型氨基酸,L-丙氨基酸,氨基酸的分类,根据 R 基的结构分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸等三类。 根据分子中羧基和氨基的相对数目分为酸性、中性和碱性氨基酸等三类，注意中性的含义。 根据 R 基的性质分为非极性 R 基的中性氨基酸、极性 R 基的中性氨基酸、带负电荷 R 基的酸性氨基酸、带正电荷 R 基的碱性氨基酸等四类，注意极性和非极性的含义。,氨基酸的命名,可以用系统命名法，也可以用俗名，但是更常用的是俗名，蛋白质中的氨基酸的结构及名称 见有关表,氨基酸的俗名缩写可以用三句顺口溜来描述： 天天谷

4、谷丙甘脯（天天光顾饼干铺）， 半丝精酪羟脯组（半丝斤两强补足）， 蛋色缬赖，苯丙苏亮异亮（蛋色邪赖，棒冰说凉亦凉）。,上述二十种氨基酸中，有一些氨基酸人体自身不能合成或合成量不足以维持健康，必须依靠外源供给，这些氨基酸称为营养必须氨基酸。含有全部营养必须氨基酸的蛋白质称为完全蛋白质，如牛乳中的酪蛋白，含有19 种氨基酸和全部 8 种营养必须氨基酸； 不含有全部营养必须氨基酸的蛋白质称为非完全蛋白质，如玉米中所含的醇溶谷蛋白，缺乏赖氨酸，是非完全蛋白质。,二、氨基酸的性质,（一）物理性质 氨基酸分子中既含有酸性基团，又含有碱性基团，一般以内盐的形式存在，有较大的极性，因此，氨基酸是结晶固体，有较

5、高的熔点，加热时，有时分解而不熔化，有时两个过程同时发生。氨基酸一般易溶于水，难溶于有机溶剂如酒精，都不溶于乙醚。不同的氨基酸味道不同，有些有甜味如甘氨酸，有些有鲜味如谷氨酸。由于谷氨酸钠特鲜，因此是味精的主要成分。,（二）化学性质,1. 与亚硝酸的反应 a-氨基酸中除脯氨酸外，都含有一个伯氨基，能够与亚硝酸作用定量的放出氮气。 2. 与水合茚三酮的反应 a-氨基酸与水合茚三酮在水溶液中加热，可生成蓝紫色物质，称为罗曼氏紫。,3、 脱羧反应,a-氨基酸与氢氧化钡共热或在高沸点溶剂中回流，可脱去羧基生成相应的胺类化合物。 在生物体内，脱羧反应可在一些酶的催化下进行。例如，动物尸体腐烂变臭，是因为

6、蛋白质腐败时，鸟氨酸脱羧生成腐胺，赖氨酸脱羧生成尸胺。,NH,2,RCHCOOH,Ba(OH),2,RCH,2,NH,2,+ CO2,Heating,4. 两性电离与等电点,氨基酸分子中既含有酸性的羧基，又含有碱性的氨基，因此，氨基酸总是以内盐的形式存在。在水溶液中，氨基酸存在两性电离，既可以电离出质子, 形成氨基酸负离子，又可以电离出氢氧根离子, 形成氨基酸正离子。,实际上，氨基酸在水溶液中以三种形式存在，各种形式的含量既与氨基酸的性质有关，也与溶液的 pH 值有关。 对于中性氨基酸，在近中性溶液中，主要以两性离子存在。当向溶液中加入酸时，溶液 pH 值减小，氨基酸的酸式电离受到抑制，碱式电

7、离受到促进，在溶液中氨基酸主要以正离子形式存在，如果将此溶液放在电场中时，氨基酸离子向电场的负极移动；反之，当向溶液中加入碱时，在溶液中氨基酸主要以负离子形式存在，向电场的正极移动。,如果控制溶液的pH 在某一特定的值，使氨基酸基本上以两性离子形式存在，而在两性离子中，离子所带正电荷与负电荷相同，放在电场中时，既不向正极移动，也不向负极移动。因此，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点，用 pI 表示。,正离子 两性离子(zwitterion） 负离子 pH pI,几类不同类型的氨基酸，其等电点有明显的差异。其中，中性氨基酸由于羧基的电离大于氨基的电离，等电点一般小于 7，pI = 5 6 附近；

8、酸性氨基酸由于具有两个羧基，等电点进一步降低，在 pI = 3 附近；碱性氨基酸，由于有两个碱性基团，碱式电离作用较强，因此，等电点大于 7，但不同的碱性氨基酸，碱性基团的碱性大小不同，因此，等电点有较大的差别。如精氨酸为 10.76, 组氨酸为 7.59。,在一定 pH 的溶液中，不同氨基酸，由于等电点不同，因此，有不同的形态，放在电场中有不同的溶液行为。如溶液的 pH = 6.0 时，丙氨酸（6.02）、谷氨酸（3.22）和赖氨酸（9.74）在溶液中有不同的形态，在电场中移动方向也不同。 同一 氨基酸，在不同pH 的溶液中，也有不同的形态，放在电场中也有不同的溶液行为。,5. 成肽反应,在

9、一定条件下，一个氨基酸分子之中的氨基可与另一分子的羧基脱水生成一类含有酰胺键的化合物，称为肽。由两个氨基酸脱水形成的肽称为二肽，三个氨基酸脱水可形成三肽。肽分子中的酰胺键称为肽键。许多氨基酸分子通过肽键形成多肽。,甘丙二肽,丙甘二肽,关于肽的几个问题 肽键的结构，肽键是构成多肽及蛋白质分子最基本的化学键 肽平面 肽单位 肽的命名 肽的分类 多肽中的氨基末端（N-末端） 多肽中的羧基基末端（C-末端) 多肽与蛋白质的关系,第三节 蛋白质,一、元素组成 蛋白质都含有碳、氢、氧和氮，绝大多数蛋白质还含有硫和磷，少数蛋白质含有少量的铜、铁、锰、锌等金属元素和碘等非金属元素。 碳 氢 氧 氮 硫 505

10、5% 6.07.5% 1924% 1517% 04% 含氮量都相当接近，约为 16%，每克氮相当于6.25 克蛋白质，这是蛋白质元素组成的一个特点。 6.25 称为蛋白质系数，对任何生物样品，只要测定出其含氮量，就可粗略估算出其蛋白质含量。,二、蛋白质的结构,（一）蛋白质的一级结构 一级结构也叫初级结构，是指蛋白质分子中氨基酸的连接方式和排列顺序。氨基酸的连接方式一般都是肽键，也就是说，蛋白质分子实际上是由一条或几条多肽链组成的，因此，蛋白质的一级结构主要归结为多肽链中氨基酸的排列顺序。,一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定的，它包含着决定蛋白质空间结构的基本因素，也是蛋白质生物功能多样

11、性和种属特异性的结构基础，在蛋白质结构中起决定作用。蛋白质一级结构哪怕有一点微小的变化，其生理活性和生物功能都会有很大变化，甚至丧失功用。 关于蛋白质的一级结构，目前研究的比较清楚的是几种肽链较短的蛋白质。例如，结晶牛胰岛素。,（二）空间结构,空间结构是指蛋白质多肽链在空间的伸展情况，也即是蛋白质的构象。它包括蛋白质的二级、三级和四级结构。 1. 二级结构 蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链在空间的初步盘旋扭曲的情况。研究表明，蛋白质的二级结构是多种多样的，a-螺旋、 b-折叠、-转角、无规则卷曲等。最主要的有 a-螺旋和 b-折叠。,b-折叠与 a-螺旋的差别： （1）b-折叠是高度伸展的结构

12、，而 a-螺旋则是高度卷曲的结构； （2）a-螺旋的氢键是在同一条链中形成的，b-折叠的氢键是在链与链之间形成的。,2. 三级结构,蛋白质的三级结构是指具有二级结构的多肽链，由于链上某些 R 基的反应性，进一步沿某个特定的方向扭曲，使较长的肽链形成更紧密的类似于球形的结构。是一种更复杂的空间结构。例如，哺乳动物的肌红蛋白具有三级结构。,3. 四级结构,几条具有三级结构的多肽链按一定方式缔合在一起，形成的复杂空间结构，称为蛋白质的四级结构。构成蛋白质的四级结构的每条具有三级结构的肽链都称为一个亚基。例如，具有输送氧和二氧化碳功能的血红蛋白具有四级结构，它是由四个亚基组成，其中两条称为 a-链，各

13、含 141 个氨基酸残基，两条 b-链，各含 146 个氨基酸残基。每一条链均与亚铁血红素辅基结合并盘曲为三级结构。,（三）稳定蛋白质空间结构的副键,1. 氢键 2. 二硫键 3. 酯键 4. 疏水键 5. 盐键（离子键),三、蛋白质的理化性质,（一）胶体性质 （二）两性电离与等电点 正离子 两性离子(zwitterion） 负离子 pH pI 蛋白质的两性电离和等电点类似于氨基酸。蛋白质的等电点一般都小于 7，在 5 左右。在体液的 pH（7.4）条件下，都是以负离子的形式存在。,蛋白质位于等电点时，彼此间没有电荷排斥，因此在溶液中最不稳定，容易沉淀，常利用此性质分离和提纯蛋白质。 蛋白质不

14、在等点电时，则带有一定的电荷，若将其放在电场中，则向带相反电荷电极方向移动，这个现象称为蛋白质的电泳，电泳的方向、速度大小取决于蛋白质的性质，因此，也常利用电泳分离和提纯蛋白质。,（三）变性,天然蛋白质在物理或化学因素影响下，空间结构发生改变，从而导致理化性质改变、生理活性降低等现象称为蛋白质的变性。,1. 影响变性的因素,物理因素：加热、紫外线照射、X-射线辐射、超声波作用、剧烈震荡或搅拌等； 化学因素：强酸、强碱、重金属盐、有机溶剂、尿素等。,2. 变性原因,在变性因素影响下，蛋白质空间结构中的副键遭到破坏，原来较为紧密有序的结构变为松散无序的状态，许多疏水基团原来包在里面，变性后都裸露在

15、外面，以至于蛋白质溶液的粘度增加、溶解度降低。,3. 变性结果,理化性质改变：蛋白质的溶解度降低，溶液的流动性和稳定性降低，容易发生沉淀； 生理活性改变：例如，酶失去催化活性，抗体失去免疫能力，激素失去调节作用等。,4. 变性程度,可逆变性：变性后的蛋白质，在撤除变性因素后，又恢复到原来的结构和性质。 不可逆变性： 变性后的蛋白质，在撤除变性因素后，不能恢复到原来的结构和性质。,5. 变性的应用,卤水点豆腐，使豆浆变成豆腐；鸡蛋加热使其凝固，以利于消化吸收；紫外线或酒精消毒、灭菌；放射性同位素照射肿瘤细胞等都是使相应蛋白质变性。 某些蛋白质制剂（如酶制剂、疫苗等）存放在较低温度下是防止蛋白质变

16、性。,（四）沉淀,蛋白质溶液非常稳定，主要是因为蛋白质带有水化膜和电荷。若除去两种因素或其中的一种因素（视具体情况而论），则蛋白质可以被沉淀下来。,几种常见沉淀蛋白质的方法,1. 盐析 在蛋白质溶液中加入中性盐类致一定浓度时，蛋白质从溶液中析出的现象称为盐析。 所用的盐有氯化钠、硫酸钠、硫酸铵等称为盐析剂，其中硫酸按时最常见的盐析剂。 盐析剂的作用是破坏蛋白质的水化膜。 盐析沉淀的蛋白质其内部结构没有发生变化，一般不致变性而保留原有的生理活性。当向盐析沉淀出的蛋白质中加入水时，蛋白质重新溶解。,使蛋白质沉淀所需盐的最低浓度称为盐析浓度，不同蛋白质盐析浓度不同，借此可通过分段盐析分离和提纯蛋白质

17、。,2. 有机溶剂沉淀,亲水性很强的有机溶剂，具有类似于无机盐的作用，可以破坏蛋白质的水化膜，从而使蛋白质沉淀。常用的有机溶剂有甲醇、乙醇、丙酮等。有机溶剂沉淀与盐析不同的是，一般使蛋白质发生变性。,3. 重金属盐沉淀,当蛋白质在溶液的 pH 值大于其等电点时，以负离子形式存在，可与某些重金属离子如Pb2+、Hg2+、Ag+ 作用形成不溶于水的重金属蛋白质盐沉淀。重金属盐易使人和动物发生中毒是因为它们与蛋白质作用产生沉淀，沉淀的蛋白质发生了变性；牛乳、豆浆可以用于重金属盐的解毒剂也是利用蛋白质与重金属离子生成沉淀这个原理。,4.某些酸类沉淀,当蛋白质在溶液的 pH 值小于其等电点时，以正离子形式存在，某些带负电荷的酸类如苦味酸、三氯乙酸等可与其结合成不溶于水的盐而沉淀下来。临床检验中常利用这个反应除去干扰蛋白质。,(五) 蛋白质的显色反应,蛋白质由氨基酸通过肽键结合而成，如果蛋白质分子中含有某种结构特征的氨基酸时，便可和一些特征的显色剂作用产生一定的颜色。常见的显色反应有与水合茚三酮的反应，蛋白黄反应、米伦反应等。蛋白质分子中含有许多酰胺键（肽键），在碱性条件下，可与硫酸铜作用生成紫红色的物质，即能进行缩二脲反应。,