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1、蛋白质的化学,第 四 章,目的与要求：,课时：3,第一节 了解 第二节 掌握 第三节 重点掌握 第四节 重点掌握 第五节 理解，部分掌握，如蛋白质的变性等 第六节 了解 第七节 自学,一、蛋白质是构成生物体的基本成分,分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,第一节 蛋白质是生命的物质基础,二、 蛋白质具有多样性的生物学功能,蛋白质,生物催化,运动、支持,免疫防御,代谢调节,转运、贮存,控制生长和分化,信息接受和传递,组成生物膜,第二节 蛋白质的化学组成,一、蛋白
2、质的元素组成,主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。,蛋白质的含量 = 蛋白质含氮量 6.25,二、蛋白质结构的基本单位,（一）氨基酸的结构,R,L-氨基酸的通式,1. 氨基酸都是两性电解质,2.组成蛋白质的氨基酸都是-氨基酸（脯氨酸例外）,3.各种氨基酸的侧链R的结构和性质不同,碳原子,4. 组成蛋白质的氨基酸都是L-氨基酸（甘氨酸例外）,1非极性R基氨基酸, 8种。 2极性不带电荷R基氨基酸, 7种。 3带负电荷的R基氨基酸, 2种 4带正电荷的R基氨基酸，3种,（二）氨基酸的分类 P
3、63,1、非极性疏水氨基酸,“一家写两三本书来”,氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,氨基酸等电点(pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,（三）、氨基酸的两性解离及等电点,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,K1,C,O,O,H,2,N,CH3,K2,Ala+,Ala ,Ala,H,C,Asp+,Asp,Asp,Asp=,C,C,CH2,N +,3,H,O,O,H,举例：,,.紫外吸收,苯丙氨酸：max259nm 酪氨酸：max278nm 色氨酸：
4、max279nm,含有这三种氨基酸的蛋白质在280nm波长下有最大光吸收，可以测定蛋白质的含量。,,.茚三酮的反应,A. 灵敏度0.5-50g/ml B. 氨基酸与茚三酮生成的蓝紫色物质，在570nm测定吸光值 C.脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮生成黄色物质，在440nm处测吸光值,（三）氨基酸的分离与分析,1. 自动氨基酸分析仪 1.蛋白质完全酸水解 2.水解液于PH 2上样于钠型阳离子交换柱 3.用PH 3.5 0.2mol/L柠檬酸钠溶液洗脱 4.用PH 4.25 0.2mol/L柠檬酸钠溶液洗脱 5.分析洗脱谱上各峰的位置和面积，与标准氨基酸图谱比较分析 P66 2. 高效液相色谱 3. 离
5、子交换层析 4. 生物质谱,蛋 白 质 的 分 子 结 构,第 三 节,蛋白质的分子结构包括 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 二硫键：两个半胱氨酸的-SH通过缩去一份子H2形成 的-S-S-键。,（一）肽键和肽链,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。,* 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基
6、酸相连形成的肽称多肽。,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 体内多肽和蛋白质生物合成时，是从氨基端开始，延长到羧基端终止。,多肽链有两端,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,生物活性肽,谷胱甘肽(GSH),,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,（三）蛋白质一级结构测定的原理,C末端氨基酸分析,N末端氨基酸分析,N末端氨基酸分析,A.二硝基氟苯（DNFB）法：P70 B.二甲氨基萘磺酰氯法（DNS-Cl）灵敏度：110-9mol。,C.Edman法（苯异硫氰酸，PITC法）：P71，蛋白质自
7、动分析仪 D.氨肽酶法：肽链外切酶，从多肽链的N-端逐个水解氨基酸。,A.肼解法:,C末端氨基酸分析,B.羧肽酶法：肽链外切酶，从多肽链的C-端逐个水解氨基酸。,大分子多肽氨基酸顺序的确定：裂解 A.化学裂解法：溴化氰裂解法；羟胺NH2OH裂解法 B.酶裂法:胰蛋白酶，胃蛋白酶等,确定肽段在多肽链中的次序：重叠法 P72 利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序。 16肽，端H 端 法裂解：ONS PS EOVE RLA HOWT B法裂解：SEO WTON VERL APS HO 重叠法确定序列：HOWTONSEOVERLAPS,分析已纯化蛋白质的氨基酸残
8、基组成,测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基,把肽链水解成片段，分别进行分析,测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用Edman降解法,一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基酸顺序的结果。,蛋白质一级结构测定,按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列,分离编码蛋白质的基因,测定DNA序列,排列出mRNA序列,5.核酸推导法测定蛋白质一级结构,蛋白质链,DNA,mRNA,二、蛋白质的构象,又称为空间结构，立体结构，高级结构，三维构象等。蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列，分布及肽链的走向。,（一）维持蛋白质构象的化学键,1.氢键 2
9、.疏水键 3.离子键（盐键） 4.范德华引力 5.配位键 6.二硫键,c,c,二硫键,（二）蛋白质的二级结构,定义：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。,主要的化学键： 氢键,-螺旋 -折叠 -转角 无规线团,蛋白质二级结构的主要形式,肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，称为肽键平面或肽单元 。,1.肽单位,2. -螺旋,结构特点： 右手螺旋 每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基 氨基酸侧链伸向螺旋外侧，对-螺旋的形成有一定影响。,3.-折叠,要点： 肽键平面折叠成锯齿状
10、（折纸状）R基团交错位于齿状结构上下方 氢键维持稳定与主链长轴垂直 两条以上肽链并列时，-片层有顺式和反式平行 (4)R-基团太大时，-折叠不易形成,-折叠：顺式和反式中的氢键,4. -折角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,5.无规卷曲,角蛋白中的-螺旋和二硫键,（三）超二级结构-模体,多肽链顺序上相邻的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成有规则的二级结构聚集体，是蛋白质发挥特定功能的基础。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,纤连蛋白分子的结构域,（四）结构域,在较大的蛋白质分子中，由多肽链上相邻的超二级结构紧密的联系，进一步折叠形成一个或多个相对独立的三
11、维实体，各行使其功能，称为结构域 。,结构域特点：,结构域与分子整体以共价键相连 具有相对独立的空间构象和生物学功能,免疫球蛋白G的立体结构,疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。,主要的化学键：次级键,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,(五）蛋白质的三级结构,具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性，三级结构一旦破坏，蛋白质的生物学功能丧失。,胰岛素分子的三级结构,溶菌酶的三级结构,（六）蛋白质的四级结构,血红蛋白的四级结构,蛋白质结构示意图,视频：蛋白质的折叠,三、蛋白质和多肽合成的基本原理,（二）采用生物技术合成蛋白质,（一）化学合成法的基本原理
12、1. 氨基酸的基团保护：氨基保护、羧基保护、侧链基团保护 2. 多肽的液相合成 P80 3. 多肽的固相合成 P81,1. 基因工程 2. 细胞工程 3. 酶工程 P82,基因工程合成蛋白质,基因工程药品,（1）.传统的蛋白质药品（如动物激素）：,控制某种物质合成基因,转基因“工程菌”,基因工程药品,基因表达产物,从动物组织中提取，生产量小，价格昂贵。,（3）基因工程生产的药品,发酵罐,（2）基因工程方法生产药品的方法：,杂交瘤细胞,蛋白质结构与功能,第 四 节,一级结构是蛋白质生物学功能的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,1、一级结构不同，功能不同,2. 一级结构中关健部分相同，其功能相
13、同,人,猪,牛,剩2-10,丧失活性,活性仍100,3.一级结构中“关键”部分变化，其生物活性也改变,例：镰刀形红细胞贫血,4. 一级结构的变化与疾病的关系,这种由遗传物质DNA突变引起的、在分子水平上仅存在微观差异而导致的疾病，称为“分子病”。,二、蛋白质空间结构与功能的关系,1. 蛋白质前体的活化,蛋白质分子特定的空间构象是蛋白质实现其功能或活性所必需,蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，而一级结构没有变化，称为变构效应。,2. 蛋白质的变构现象,3.蛋白质构象改变与疾病,因蛋白质折叠错误或折叠导致构象异常变化引起的疾病，称为蛋白质构象病。,疯牛病是由朊病毒蛋白( PrP)引起的一组人和
14、动物神经退行性病变。,不同生物与人的Cytc的AA差异数目,生物 AA差异数目 黑猩猩 0 恒河猴 1 兔 9 牛、猪、羊、狗 10 响尾蛇 14 海龟 15 金枪鱼 21 蛾 31 小麦 35 酵母 44,三、蛋白质的一级结构与生物进化,第五节,蛋白质的性质,一、蛋白质分子的大小、形状及分子量测定,1、分子筛层析,P87 表4-9,2、SDS-PAGE,SDS-十二烷基硫酸钠,3.生物质谱（MS）测定蛋白质分子量大小,二、蛋白质的变性,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象发生改变或破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,天然状态，有催化活性,非折叠状态，无活性,尿素、 -巯基
15、乙醇,生物活性的丧失 理化性质的改变 如：黏度增加，失去结晶能力，易被蛋白酶水解等。,2、变性蛋白的特征,3、变性作用的因素 加热、紫外线、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,酒精、紫外线消毒； 高温灭； 除去杂蛋白； 避免活性成分变性。,4、变性作用的意义,视频：蛋白质的变性,三.蛋白质的两性电离,* 蛋白质的等电点（pI) 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。P91表4-10 蛋白质在其等电点时溶解度最低。,四、蛋白质的胶体性质,蛋白质分子大小在胶粒范围之内。,* 蛋白质胶体稳定的
16、因素 颗粒表面电荷 水化层,水化膜,水化膜,2. 低温有机溶剂沉淀蛋白质：04低温操作，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积，沉淀后，应立即分离，以防蛋白质会变性，也可用乙醇沉淀。,1. 中性盐沉淀蛋白质：在蛋白质溶液中加入大量的硫酸铵，硫酸钠或氯化钠等中性盐，破坏蛋白质的水化膜和同种电荷，使蛋白质颗粒相互聚集，发生沉淀。,五、蛋白质沉淀反应,3. 加热沉淀反应 4. 重金属盐沉淀法 蛋白质在溶液PH稍大于其等电点时，蛋白质解离成负离子，易与重金属离子结合，生成不溶性的蛋白质盐沉淀。,5. 生物碱试剂沉淀法 蛋白质溶液PH小于其等电点时，蛋白质解离成 正离子，易与生物碱试剂结合，生成不溶性的 盐
17、而沉淀。,六、蛋白质的颜色反应,（一）茚三酮反应：氨基,（二）双缩脲反应：肽键,（三）酚试剂反应,P93 图4-11,七、蛋白质的免疫学性质,1.抗原，抗原性 2.抗体 单克隆抗体 多克隆抗体 3.蛋白质免疫性质的应用 免疫预防：疫苗 免疫、诊断治疗,一、蛋白质的提取,第六节 蛋白质的分离和纯化基本原理,二、蛋白质的分离纯化,1、等电点沉淀： 蛋白质在等电点时溶解度最小。但是单纯使用此方法不易使蛋白质沉淀完全，常与其他方法配合使用。,（一）根据溶解度不同的分离纯化方法,视频：血红蛋白的提取,是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。,2
18、、盐析沉淀：,视频：蛋白质的盐析,超过滤,加压,蛋白质溶液,半透膜,支持膜的栅板,超滤液,透析,（二）根据分子大小不同的分离纯化方法,1.透析及超滤法,2.分子排阻层析,未知,logMr,洗出液中的蛋白质浓度,洗脱体积（mL）,层析的主要设备,3. 密度梯度离心,蔗糖密度梯度,滴加样品,CsCl密度梯度离心,1.电泳法,蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳。,（三）根据电离性质的分离纯化方法,几种重要的蛋白质电泳 *SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。 *等电聚焦电泳，通过蛋
19、白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。 *双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。,视频,等电聚焦,双向电泳，2DE,2. 离子交换层析：,*亲和层析法： 生物体内有许多高分子化合物，具有和某些对应的专一分子可逆结合的特性。例如，酶蛋白和辅酶、抗原和抗体、激素与其受体等都具有这种特性。这种生物大分子和配基之间形成专一的可解离的络合物的能力称为亲和力。 特点： 1. 高度特异性 2. 可逆行,（四）根据配基特异性的分离纯化方法,三、蛋白质的纯度鉴定、含量测定和结构分析,（一）蛋白质的纯度鉴定 1. 层析法：层析纯 2. 电泳法：电泳纯 3. 免疫化学法：免疫纯,（二）蛋白质含量测定,凯氏定氮法 福林（Folin ）-酚试剂法（Lowry法） 双缩脲法 紫外分光光度法 BCA比色法 Bradford蛋白分析法,视频：蛋白质含量测定,X射线衍射法和核磁共振技术（NMR)是研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。,（三）蛋白质结构鉴定技术,* 二级结构测定 通常采用圆二色光谱（CD)测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。-螺旋的CD峰有222nm处的负峰、208nm处的负峰和198 nm处的正峰三个成分；而-折叠的CD谱不很固定。,第一次作业：,1、氨基酸通式 2、氨基酸两性解离定义 3、蛋白质一级结构定义,1、蛋白质二级结构类型 2、分子病 3、构象病 4、蛋白质的变性定义,第二次作业：,