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1、蛋白质化学,概述 氨基酸 蛋白质的结构 蛋白质的理化性质 蛋白质结构-功能,概述,元素：C、H、O、N（1518%）、S 生物学意义：蛋白质是一切生物体的细胞和组织的主要组成成分，也是生物体形态结构的物质基础； 辅基 不含辅基的简单蛋白质 氨基酸残基数=相对分子质量/110,简单蛋白质,缀合蛋白质,蛋白质的功能*,催化（酶） 调节（胰岛素） 转运（Mb、Hb） 贮存（卵清蛋白、酪蛋白、铁蛋白） 运动（肌球蛋白、肌动蛋白） 结构成分（-角蛋白、-丝心蛋白） 支架作用（锚定蛋白） 防御和进攻（免疫球蛋白、抗冻蛋白） 异常功能（应乐果甜蛋白）,分类,纤维状蛋白,球状蛋白,膜蛋白,单体蛋白质,寡（聚）
2、蛋白质,蛋白质的结构*,1. 蛋白质的一级结构：由共价键结合在一起的氨基酸残基的排列序列； 2. 蛋白质的二级结构：主链上原子的局部空间排列，不包括与其它链段之间的相互关系及侧链结构；-螺旋结构（、310）、-片层结构（ 折叠）、 卷曲 、无规卷曲结构、其它结构,蛋白质的结构*,3. 蛋白质的三级结构： 螺旋、折叠、卷曲及无规卷曲等二级结构的多肽链在三维空间的排列方式。 4. 蛋白质的四级结构：具有三级结构的蛋白质亚单位通过非共价键缔合的结果，稳定四级结构的力或键与稳定三级结构的那些键相同。,肽,一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物为肽; A氨基酸的-羧基和B氨基酸的-
3、氨基缩合的二肽为AB。（NH2末端氨基酸残基放在左边，COOH末端氨基酸残基放在右边） 命名：Ser-Thr-Gly-Ala “丝氨酰苏氨酰甘氨酰丙氨酸”,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。 氨基酸的顺序是从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,肽键*,1. 蛋白质中氨基酸连接的基本方式是肽键 2. 除肽键外还有-S-S-键 酰氨氮 与羰基氧 发生了共振相互作用 使肽键
4、具有部分双键性质。,C-N,C=O,肽键,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。 组成肽键的原子处于同一平面。 肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。 在大多数情况下，以反式结构存在。,蛋白质一级结构的作用力*,除肽键外还有-S-S-键,是连接肽键内与肽链间的主要桥键 二硫键: 起稳定肽链空间结构的作用,与生物活性有关 胰岛素,胰岛素 由51个氨基酸组成 A链+B链 A链：由21个氨基酸组成 B链：由30个氨基酸组成 A链和B链由2对-S-S-键连起来，A链内部有1对-S-S-键,理化性质,1. 短肽的晶体为离子晶格，在水溶液中以偶极离子存在； 2. 肽的酸碱性质-
5、游离末端氨基、羧基及侧链R基团上的可解离功能团； pHpKa HAA- 3. 颜色反应：茚三酮、双缩脲 4. 旋光度：短肽的旋光度为组成该肽的所有氨基酸的旋光度之和,谷胱甘肽（GSH）,三肽：由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成；分子中有一-肽键，由谷氨酸的-羧基和-氨基缩合而成； GSH含一个巯基，易氧化为GSSG。 GSH是某些酶的辅酶，在体内氧化还原过程中起重要作用。,蛋白质一级结构的测定*,测序策略：,多肽链数目的确定,氨基酸组成分析,重建多肽链的一级结构,裂解多肽链成小片段,鉴定N-末端和C-末端,断开-S-S-键,拆分多肽链,测定各肽段的氨基酸序列,确定-S-S-位置,1. N端和C端氨
6、基酸残基分析,N端 二硝基氟苯法（DNFB or FDNB） 丹磺酰氯（DNS） 苯异硫氰酸酯法（PITC） 氨肽酶法：亮氨酸氨肽酶,C端 肼解法 还原法：硼氢化锂 羧肽酶法：A、B、C、Y,2. 二硫键的断裂及氨基酸组成分析,二硫键断裂 过甲酸氧化法 巯基化合物还原法 氨基酸分析 酸水解 碱水解,3. 裂解多肽链及肽段分离纯化,酶裂解法 胰蛋白酶 糜蛋白酶 噬热菌蛋白酶 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 葡萄球菌蛋白酶和羧菌酶,化学裂解法（获得肽段较大，适于自动序列仪中测序） 溴化氢断裂 羟胺断裂 肽段的分离纯化,4. 氨基酸序列分析,肽段氨基酸序列测定 Edman化学降解法 酶降解法 质谱法 核苷酸序
7、列推定法,肽段在多肽链中的次序 借助重叠肽在原多肽链中的正确位置，拼凑出整个肽链的氨基酸序列,5.二硫键位置的确定,用胃蛋白酶水解原来的含二硫键的蛋白质 对角线电泳 Ex：一个肽与FDNB反应后，用5.7mol/LHCl水解后得到DNP-Ser和6种其它氨基酸，用胰蛋白酶可将此肽切为3个小肽：Ser-Met-Lys、Thr- Arg ,Ala-Glu；后用酶2将之切为3段：Lys-Ala、Ser-Met及Glu-Thr-Arg ；确定此肽序列,蛋白质的氨基酸序列与生物功能,1. 同源蛋白质 不变残基&可变残基 细胞色素C中28个位置上的氨基酸残基相同 可变残基可能是一些“填充”或间隔的区域，氨
8、基酸残基的变换不影响蛋白质的功能 来自任何两个物种的同源蛋白质，其序列间的氨基酸差异数目与物种间的系统发生差异成比例 2. 同源蛋白质具有相同的进化起源 3. 血液凝固与氨基酸序列的局部断裂,蛋白质的三维结构,研究方法 1. X射线衍射法 2. 溶液中蛋白质构象的光谱学方法,紫外差光谱,荧光和荧光偏振,圆二色性,核磁共振（NMR）,维持蛋白质分子构象的化学键,维持蛋白质分子构象 的化学键有,氢键,疏水键,范德华力,盐键,二硫键,稳定蛋白质三维结构的作用力*,氢键（稳定蛋白质二级结构的主要作用力）：多肽主链上-C=O和N-H-，氢键还可在侧链与侧链、侧链和水、 主链肽基与侧链间形成；1）方向性；
9、2）饱和性 范德华力：相互作用数量大且具有加成效应和位相效应； 静电相互作用: 疏水作用：水介质中球状蛋白质的折叠趋向于把疏水残基埋藏在分子内部（主要动力为蛋白质溶液系统的熵增加）； 二硫交联键：-S-S-不规定多肽链的折叠，但对此构象起稳定作用。,蛋白质的二级结构*,二级结构: 蛋白质多肽的折叠和盘绕方式 螺旋： 折叠：平行和反平行结构 转角： 自由回转：没有一定规律的松散肽链结构 超二级结构和结构域,螺旋*,每隔3.6个氨基酸残基,螺旋上升一圈沿螺旋轴方向上升0.54nm. 螺旋中氨基酸侧链伸向外侧,相邻的螺圈之间形成氢键 螺旋在N端积累了部分正电荷，在C端积累了负电荷，“帽化” ns：天
10、然蛋白质大多为右手螺旋,3.613 不常见的螺旋：310，,俯视图,影响螺旋形成的因素,1. R基不带电荷易形成：Ala（）;Lys,Glu（） 2. R基的大小: R基大不易形成, Leu,Pro(),折叠*,肽链按层排列，依靠相邻肽链上的C=O与N-H形成的氢键来维持结构的稳定性 平行结构：所有肽链的N端都处于同一端，是同一方向的； 反平行结构：肽链的N端一顺一倒排列 （更稳定） 纤维状蛋白质中折叠主要为反平行,而球状蛋白质中反平行和平行方式同时存在,折叠-反平行,折叠-平行,转角,转角,多肽链需具有弯曲,回折和重新定向 转角 第1个残基的C=O和第4个残基的N-H氢键键合 脯氨酸和甘氨酸
11、经常在转角序列中出现 转角大多处于蛋白质分子的表面,在此改变多肽链方向的阻力较小 突起: 折叠中额外插入一个残基,各类氨基酸与蛋白质二级结构关系,纤维状蛋白质,1. -角蛋白 氨基酸序列由富含-螺旋的中央棒状区和两侧的非螺旋区构成 -螺旋 初原纤维 微原纤维 大原纤维 2. 丝心蛋白和其他-蛋白 丝心蛋白主要以反平行-折叠片以平行方式堆积为多层结构,毛发-角蛋白的结构,-螺旋,初原纤维（3股右旋）,微原纤维（9+2）,大原纤维,皮质细胞 磷状细胞,烫发原理,丝心蛋白,抗张强度高，质地柔软 但不能拉伸。是典型的 反平行式折叠片,纤维状蛋白质,3. 胶原蛋白 皮肤胶原蛋白含很高的Gly和Pro，4
12、-羟脯氨酸、3-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸 三股左手螺旋 胶原蛋白 胶原原纤维 3股缠绕的多肽链,胶原蛋白,胶原蛋白,胶原蛋白可通过分子内和分子间的交联得到进一步增强和稳定 Ex：山黧豆中毒（印度等亚洲国家的贫瘠山区 ）：骨病性山黧豆中毒和神经性山黧豆中毒 衰老,超二级结构*,是蛋白质二级结构和三级结构层次中的过渡态构象层次 超二级结构：若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体 ,几种超二级结构,螺旋-转角-螺旋,螺旋-转角- 螺旋与DNA的结合,A. 噬菌体 B. 噬菌体P22,结构域*,是球状蛋白质的折叠单位，在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功
13、能的结构 含100200个氨基酸残基 1条长的多肽链首先折叠成几个相对独立的结构域再缔合成三级结构 结构域是蛋白质分子中能独立操作的功能单位 结构域 结构域,铰链区,免疫球蛋白,弹性蛋白-结构域相似,木瓜蛋白酶-结构域不同,蛋白质的三级结构,是多肽链上的所有原子在三维空间的分布，是由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系 具极性基团侧链的氨基酸残基在分子表面，而非极性的则埋于分子内部,蛋白质的三级结构,肌红蛋白：由153个氨基酸残基和1个血红素辅基组成 8段长度为724个氨基酸残基的螺旋，拐角处，螺旋被破坏；拐角一般为18
14、个氨基酸残基组成的松散肽链 脯氨酸、异亮氨酸及丝氨酸存在于拐角处,球状蛋白质,分类 全-结构蛋白质（反螺旋） ,-结构蛋白质(平行或混合型折叠片) 全-结构蛋白质(反平行折叠片) 富含金属或二硫键(小的不规则)蛋白质,球状蛋白质,球状蛋白质三维结构特征 含多种二级结构元件 具有明显的折叠层次 是紧密的球状或椭球状实体(活性部位密度较低) 疏水侧链埋藏在分子内部,而亲水侧链暴露在表面 表面有一个空穴 疏水环境,膜蛋白的结构,膜周边蛋白质：可溶性球状蛋白质，分布在膜双脂层的表面，通过与膜内在蛋白质的静电相互作用和氢键键合相互作用与膜结合 膜内在蛋白质：与脂双层强缔合的膜蛋白 脂锚定蛋白质：通过共价
15、连接的脂锚钩与膜缔合,膜蛋白,膜内在蛋白质,膜内在蛋白质,1. 通过一段小的疏水肽链锚定于膜，蛋白质大部分位于膜的一侧或两侧伸展于水环境中 2. 近似球形，大部分蛋白质埋在膜中 主要由螺旋或折叠片构成,具单个跨膜肽段的膜蛋白,具7个跨膜肽段的膜蛋白,桶形膜蛋白-膜孔蛋白,脂锚定蛋白质,脂锚钩：瞬时性；是真核细胞中控制信号转导途径,酰胺连接的豆蔻酰锚钩,硫酯连接的脂肪酰锚钩,硫醚连接的异戊二烯基锚钩,糖基磷脂酰肌醇锚钩,膜的结构,亚基缔合与四级结构*,蛋白质的四级结构涉及亚基种类和数目以及各亚基或原聚体在整个分子中的空间排布包括亚基间的接触位置（结构互补）和作用力（主要为非共价相互作用） 亚基缔
16、合的驱动力主要是疏水作用和二硫键的形成 概念：同多聚蛋白质、杂多聚蛋白质、原聚体,四级结构,亚基相互作用的方式 亚基结合的专一性由相互作用的表面上的极性基团之间的氢键和离子键提供 相同亚基之间的缔合 不同亚基之间的缔合 四级结构的对称性,同种缔合,异种缔合,四级结构的作用*,1. 增强结构稳定性 2. 提高遗传经济性和效率 3. 使催化基团汇集在一起 4. 具有协同性和别构效应,蛋白质结构与功能的关系,蛋白质一级结构决定高级结构,核糖核酸酶的变性与复性,蛋白质的理化性质,蛋白质的性质与它的分子大小、结构和作为它们基本成分的氨基酸的性质密切相关。除分子量比氨基酸大及结构比氨基酸复杂外，蛋白质的许
17、多性质与氨基酸相同。 蛋白质溶液的渗透压较低；蛋白质分子表面带有水化膜，使蛋白质溶液的流动阻力及粘度都较大；,蛋白质的理化性质,（1） 蛋白质的两性解离及等电点 （2）. 蛋白质的胶体性质 （3）. 蛋白质的沉淀作用 （4）. 蛋白质的变性及凝固 （5）. 蛋白质水解作用 （6）. 蛋白质氧化-还原作用 （7）. 蛋白质的颜色反应,蛋白质的两性解离及等电点,当蛋白质溶液处于等电点时，其溶解度最小；粘度、渗透压、膨胀性及导电能力也降为最低值。 返回,蛋白质的电泳,蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。,应用-分子量的测定,蛋白质的洗脱体积与分子
18、量的对数呈线性关系,蛋白质的胶体性质,1. 具有胶体的一切特性（布郎运动、丁达尔现象、电泳、不能透过半透膜、具有吸附能力） 2. 亲水胶体（稳定性 水合作用、双电层） 3. 溶胶 凝胶 返回 （蛋白质颗粒分散在水中） （水分散在蛋白质颗粒中）,凝胶过滤,蛋白质的沉淀反应,1. 盐析 2. 有机溶剂沉淀反应 3. 重金属盐沉淀反应 4. 沉淀剂沉淀反应,蛋白质的沉淀反应,1.盐析：将中性盐类加于蛋白质溶液中，使其从溶液中沉淀析出。 感胶离子序：Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+Li+Na+K+Rb+Cs+；C6H5O73-C4H4O63-SO42-CH3COO-Cl-NO3- 2. 有机溶剂沉淀：
19、（有机溶剂亲水性蛋白质）,3. 重金属沉淀反应： 蛋白质+重金属（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe2+） 蛋白质金属盐 4. 有机酸沉淀剂的沉淀反应： （苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、鞣酸、三氯醋酸、磺酰水杨酸）+蛋白质 沉淀（pH等电点） 返回,蛋白质的变性及凝固*,概念：蛋白质受到外界因素的影响，使构成空间结构的氢键等遭受破坏，导致二级、三级结构发生变化，天然蛋白质的空间构型解体，使天然蛋白质的理化特性改变并失去原有的生理活性。,影响因素： 温度： 有机溶剂： 酸、碱：,蛋白质的变性,变性蛋白质的特性,1.物理性质的改变：旋光值改变，粘度增加，失去结晶能力，溶解度下降，发生絮凝、沉淀 2.化学性质的改变：变性蛋白质易被酶水解，消化率提高； 3.生物性能的改变：蛋白质变性后抗原性改变，生物功能损失，激素失去生理调节作用，抗体失去与抗原结合的能力。 返回,蛋白质的氧化-还原反应,蛋白质分子中对氧化反应最灵敏的是半胱氨酸的-SH键： -2H R-SH+HS-R R-S-S-R +2H 返回,蛋白质的颜色反应,双缩脲反应（蛋白质含有肽键） 米伦氏反应（酪氨酸及含酪氨酸的蛋白质） 茚三酮反应（肽类、氨基酸及其它伯胺类化合物等具有氨基的化合物） 乙醛酸反应（色氨酸的吲哚基） 坂口反应（精氨酸及含精氨酸的蛋白质） 福林反应（测定蛋白质含量）,