蛋白质化学讲义.docx

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蛋白质化学讲义

第二章蛋白质化学

要求掌握：

氨基酸的种类；蛋白质的结构层次；蛋白质的重要性质；熟悉：

氨基酸的重要化学性质；蛋白质分离纯化技术的基本原理。

了解：

蛋白质的分类；蛋白质的结构与功能的关系；

重点内容：

氨基酸的种类；蛋白质的结构层次；蛋白质的变性、别构和两性性质。

难点内容：

肽键，蛋白质的空间结构。

英文名：

Protein

希腊语：

П，本义为“最原初的”“第一重要的”

有学者建议中文译为朊（ruan）

蛋白质是一类重要的生物大分子

第一节概述

一、蛋白质的化学概念

蛋白质是生命的物质基。

氨基酸是蛋白质的基本组成单位。

二、蛋白质的分类

（一）根据分子形状：

球状蛋白质纤维状蛋白质

（分子轴比小于10（分子轴比大于10）

较易溶解，如血红蛋白）

可溶性不溶性

（如血纤维蛋白原）（角蛋白）

（二）根据化学组成

单纯蛋白质：

仅由氨基酸组成

结合蛋白质：

蛋白部分+非蛋白部分

核蛋白

色蛋白

糖蛋白

脂蛋白

磷蛋白

（三）根据溶解度

清蛋白：

又称白蛋白，溶于水。

精蛋白：

溶于水及酸性溶液。

组蛋白：

溶于水及稀酸溶液。

球蛋白：

微溶于水和稀的中性盐。

谷蛋白：

不溶于水、醇和中性盐，

溶于稀酸稀碱。

醇溶蛋白：

溶于70~80%乙醇，不溶于水。

硬蛋白：

不可溶。

（三）根据功能

催化功能、调节功能、保护和支持功能、运输功能、储存和营养功能、收缩和运动功能、防御功能、识别功能、信息传递功能、基因表达调控功能、凝血功能、蛋白质的其他众多生理功能

第二节氨基酸

一、蛋白质的元素组成的显著特点

----平均含氮量等于16%

这是凯氏定氮法测定样品中蛋白质总含量的理论基础：

蛋白质百分含量=氮百分含量X6.25

注意：

（1）所测为粗蛋白

（2）不同样品中换算系数可不同

二、氨基酸的种类

（一）氨基酸的结构通式

NH2

R–CO–COOH

H

R表示侧链基团，R基不同则氨基酸不同。

氨基酸为两性电解质

天然氨基酸有180多种，其中参与蛋白质组成的氨基酸称为蛋白质氨基酸。

常见蛋白质氨基酸有二十种，这二十种氨基酸称为基本氨基酸

其他称为非蛋白质氨基酸。

（二）二十种基本氨基酸的分类和结构

------见P73表3-2

除脯氨酸外，其他十九种基本氨基酸均为α-氨基酸。

除甘氨酸外，其他十九种基本氨基酸的Cá均为不对称碳原子，均具有旋光活性

氨基酸的旋光异构体是依据与构型标准物-----甘油醛的结构比较而确定的

天然蛋白质氨基酸均为L-氨基酸；氨基酸构型与旋光方向无必然联系

氨基酸的旋光方向和大小取决于它的R基性质，并与测定溶液的pH有关，不同pH件氨基和羧基解离状态有关。

（三）不常见的氨基酸

-------见P75表3-4

三、氨基酸的物理性质

1、溶解度

2、旋光性

3、极性

四、氨基酸的化学性质

（一）-氨基参与的反应

（1）与亚硝酸反应

（2）与甲醛发生羟甲基化反应

（3）酰化反应---P82

（4）烃基化反应-----见P82

（二）-羧基参与的反应

（1）成盐反应

（2）形成酯的反应

（3）形成酰卤的反应

（4）叠氮化反应

（5）脱羧反应

（三）-氨基和羧基共同参与的反应

（1）两性解离及等电点

（3）与茚三酮反应

（2）成肽反应

（四）侧链基团的化学性质

（1）巯基（-SH）的性质

（2）羟基（-OH）的性质

（3）咪唑基的性质

五、氨基酸的分离分析

（一）分配层析：

支持剂是一些具有亲水性的不溶性物质，如纤维素、淀粉、硅胶等。

滤纸层析：

薄层层析：

离子交换层析：

阴离子交换树脂-N（CH3）3OH，阳离子交换树脂-SO3H

电泳：

（二）分离氨基酸的层析技术

滤纸层析----根据溶解度

原理是分配层析。

一种溶质（如氨基酸）在互不相溶的两相溶剂中分配，达到平衡后，该溶质在两相溶剂中的浓度比值等于其在两相溶剂中的溶解度之比，该比值是一常数，称为分配系数。

----见P73

不同溶剂构成层析系统的两相

1、滤纸层析：

支持介质：

滤纸

固定相：

滤纸纤维吸附的水。

极性侧连的氨基酸易溶于水而与固定相亲和，移动较慢。

流动相：

水饱和的有机溶剂,如丁醇-醋酸。

非极性侧连的氨基酸易溶于有机溶剂而与流动相亲和，移动较快。

滤纸层析图解

2、离子交换层析----根据电荷

常用强酸型阳离子交换树脂

SO32-Na2+SO32-AA+

氨基酸自动分析仪利用离子交换层析

3、薄层层析----根据氨基酸

吸附性质

支持物：

玻璃板

固定相：

硅胶粉或纤维素粉

涂布的薄层

流动相：

有机溶剂

氨基酸在硅胶等薄层上反复吸附与解吸附而得以分离。

（三）氨基酸的制备和应用---P93

目前氨基酸的合成方法有5种：

1）直接发酵法；

2）添加前体发酵法；

3）酶法；

4）化学合成法；

5）蛋白质水解提取法。

通常将直接发酵法和添加前体发酵法统称为发酵法。

（四）蛋白质水解----见P93

蛋白质和多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。

肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解。

酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.

1、酸水解：

常用6mol/L的盐酸或4mol/L的硫酸在105-110℃条件下进行水解，反应时间约20小时。

此法优点：

不容易引起水解产物的消旋化。

缺点：

色氨酸被沸酸完全破坏；

含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。

2、碱水解

一般用5mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。

碱水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。

部分的水解产物发生消旋化。

该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。

3、酶水解

目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（proteolyticenzyme）或称蛋白酶（proteinase）已有十多种。

酶水解多肽不破坏氨基酸，也不发生消旋化。

水解的产物为较小的肽段。

第三节　蛋白质的分子结构

一、肽键和肽

肽键（peptidebond）是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。

它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面（图2－3），则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。

肽（peptide）是氨基酸通过肽键相连的化合物，蛋白质不完全水解的产物也是肽。

肽按其组成的氨基酸数目为2个、3个和4个等不同而分别称为二肽、三肽和四肽等，一般含10个以下氨基酸组成的称寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸组成的称多肽（polypeptide），它们都简称为肽。

肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基（aminoacidresidue）。

多肽有开链肽和环状肽。

在人体内主要是开链肽。

开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的α－氨基和α－羧基，故又称为多肽链的N端（氨基端）和C端（羧基端），书写时一般将N端写在分子的左边，并用（H）表示，并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号，而将肽链的C端写在分子的右边，并用（OH）来表示。

目前已有约20万种多肽和蛋白质分子中的肽段的氨基酸组成和排列顺序被测定了出来，其中不少是与医学关系密切的多肽，分别具有重要的生理功能或药理作用。

多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。

其中谷胱甘肽在红细胞中含量丰富，具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、活性状态的功能。

而在各种多肽中，谷胱甘肽的结构比较特殊，分子中谷氨酸是以其γ－羧基与半胱氨酸的α－氨基脱水缩合生成肽键的，且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应，因此有还原型与氧化型两种谷胱甘肽。

近年来一些具有强大生物活性的多肽分子不断地被发现与鉴定，它们大多具有重要的生理功能或药理作用，又如一些“脑肽”与机体的学习记忆、睡眠、食欲和行为都有密切关系，这增加了人们对多肽重要性的认识，多肽也已成为生物化学中引人瞩目的研究领域之一。

多肽和蛋白质的区别，一方面是多肽中氨基酸残基数较蛋白质少，一般少于50个，而蛋白质大多由100个以上氨基酸残基组成，但它们之间在数量上也没有严格的分界线，除分子量外，现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变具有可塑性，而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生理功能的基础，因此一般将胰岛素划归为蛋白质。

但有些书上也还不严格地称胰岛素为多肽，因其分子量较小。

但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物，而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。

二、蛋白质分子结构及其规律性

蛋白质是大分子化合物，一般由一条肽链、上百个氨基酸，即成千上万个原子组成，分为一、二、三、四4级、四个不同的层次（表2－5），以便进行深入研究，其中二、三、四级均属于蛋白质的三维空间结构（three-dimensionalstructure，3D）或构象（conformation）。

随着研究的深入，现在在蛋白质二级和三级结构之间，又增加了一些超二级结构和结构域（domain）。

（一）蛋白质的一级结构（primarystructure）

蛋白质的一级结构，专指多肽链中氨基酸（残基）的排列的序列（sequence）。

若蛋白质分子中含有二硫键，一级结构也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置。

一级结构就是指蛋白质分子中由共价肽键相连的基本分子结构。

不同的蛋白质，首先具有不同的一级结构，因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。

蛋白质一级结构的重要性，首先是由于其序列中不同氨基酸侧链R的大小、性质不同，决定着肽链折叠盘曲形成不同的空间结构和功能。

同时由于蛋白质的一级结构是由遗传物质DNA分子上相应核苷酸序列、即遗传密码决定的，蛋白质与DNA分子均为线状，因此具有“共线性”关系，不同生物具有不同的遗传特征，首先是由于其不同的DNA，编码合成出不同的蛋白质，具有不同的一级结构所决定的，因此蛋白质一级结构的认识对阐明其众多生理功能之分子本质甚为重要。

蛋白质分子中氨基酸序列自动分析仪的问世，使蛋白质一级结构的测定有了飞速的发展。

同时由于DNA分子中核苷酸序列的测定也有了迅猛的发展，且其步骤较蛋白质序列测定方法更快速简便，因此近年来更有通过蛋白质相应基因DNA序列的测定，来推断该蛋白质的一级结构。

自然界亿万种不同的蛋白质，首先是由于它们有亿万种不同的一级结构，这是其不同空间结构与生理功能的分子基础。

（二）蛋白质的二级结构（secondarystructure）

蛋白质的二级结构是指多肽链中相邻氨基酸残基形成的局部肽链空间结构，是其主链原子的局部空间排布。

蛋白质分子的空间结构有一些共同的规律可遵循，其中二级结构主要是周期性出现的有规则的α-螺旋、β-片层、β-转角、π-螺旋和无规则线圈等几种二级结构单元，且这些有序的二级结构单元，主要是靠氢键等非共价键来维持其空间结构的相对稳定的。

1.α-螺旋（α-helix）：

是蛋白质分子中最稳定的二级结构，其基本特征是：

（1）肽链骨架由肽键上的C、N原子与氨基酸残基中的α碳原子组成，交替形成了肽链主链，它从N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构（图2-6、2-7）。

（2）螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，每圈上下螺距为0.54nm（5.4）。

相邻螺旋之间，由第1个氨基酸肽键上C═O，隔三个氨基酸残基，与第5个