第二章-蛋白质化学.pptx

生物化学生物化学BiochemistryBiochemistry第二章第二章蛋白质化学蛋白质化学第一节第一节蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成第二节第二节蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构一级结构蛋白质的蛋白质的结构层次结构层次四级结构二级结构三级结构氨基酸一、蛋白质的一级结构（一）蛋白质一级结构的概念指多肽链中氨基酸（残基）的排列顺序。含有二硫键也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置区分不同蛋白质最基本、最重要的标志之一是空间结构的基础二、蛋白质的空间结构蛋白质分子中各个原子、各个基团在三维空间的相对位置。决定蛋白质性质和功能的结构基础（一）维持蛋白质空间结构的化学键共价键次级键氢键盐键疏水键范德华引力（二）蛋白质的二级结构的概念及类型指多肽链指多肽链主链骨架主链骨架盘旋盘旋折叠形成折叠形成的局部有规则的空间结构的局部有规则的空间结构不涉及氨基酸残基不涉及氨基酸残基R侧链的构象侧链的构象1.-螺旋螺旋绝大部分是绝大部分是右手右手螺旋螺旋氨基酸残基的R-侧链位于螺旋外侧蛋白质多肽链像螺旋蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，每一样盘曲上升，每3.63.6个氨基酸残基螺旋上个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的升一圈，每圈螺旋的高度为高度为0.54nm0.54nm，每个，每个氨基酸残基沿轴上升氨基酸残基沿轴上升0.15nm0.15nm。在同一肽链内在同一肽链内相邻的螺圈相邻的螺圈之间形成氢之间形成氢链。链。2.-折叠折叠是肽键中比较伸展的空间结构是肽键中比较伸展的空间结构肽链的主链略呈锯齿状或扇形肽链的主链略呈锯齿状或扇形折叠构象折叠构象-折叠可由折叠可由25个肽段之间经个肽段之间经C=O与与N-H形成氢键形成形成氢键形成,氢键方氢键方向与肽链长轴方向垂直。向与肽链长轴方向垂直。氢键氢键组成组成-折叠的氨基酸分子通常较小折叠的氨基酸分子通常较小,R基团处于折叠的上下基团处于折叠的上下-折叠折叠可塑性大可塑性大蚕丝蚕丝蜘蛛羊很多科学家把蜘蛛丝叫做很多科学家把蜘蛛丝叫做“生物钢生物钢”，有，有着超强的抗张强度。研究人员称，如果把很多着超强的抗张强度。研究人员称，如果把很多蜘蛛丝拧成一股绳的话，它足够强韧，可制成蜘蛛丝拧成一股绳的话，它足够强韧，可制成防弹背心、降落伞绳，或者从飞机到航母等设防弹背心、降落伞绳，或者从飞机到航母等设备。备。蜘蛛丝还可被制成人造韧带和人造腱，支蜘蛛丝还可被制成人造韧带和人造腱，支撑组织、骨骼和神经细胞，让它们在生长期间撑组织、骨骼和神经细胞，让它们在生长期间保持稳定。保持稳定。2010年年11月月29日美国科学家把蜘蛛日美国科学家把蜘蛛DNA添加到添加到山航山航DNA中，使得羊奶经过提炼晒干后变成蜘中，使得羊奶经过提炼晒干后变成蜘蛛丝。蛛丝。-折叠折叠 -折叠有两种类型。一种为平行式，折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的即所有肽链的N-端都在同一边。另一种端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。反。3.转角转角(-turn）肽链出现肽链出现1801800 0回折的转角处形成回折的转角处形成的的U U型结构称为型结构称为-转角。转角。多发生在含甘氨酸或脯氨酸残基多发生在含甘氨酸或脯氨酸残基处处对球蛋白形成很重要对球蛋白形成很重要大多存在球蛋白分子表面大多存在球蛋白分子表面由四个氨基酸残基组成由四个氨基酸残基组成,弯曲处的第一个弯曲处的第一个氨基酸残基的氨基酸残基的 -C=O-C=O 和第四个残基的和第四个残基的 N-N-H H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。状结构。没有共同规律的空间结构没有共同规律的空间结构,无序构象总称无序构象总称,也象其他二级也象其他二级结构结构 一样是明确而稳定的结构，这类结构常构成酶活性一样是明确而稳定的结构，这类结构常构成酶活性部位和其他一些蛋白质特异的功能部位。部位和其他一些蛋白质特异的功能部位。4.4.无规卷曲（无规卷曲（random coilrandom coil）H2NCOOH核糖核酸酶分子中的二级结构-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲-螺旋螺旋(三三)蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构1.1.概念概念蛋白质的三级结构是指在二级结构基蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，多肽链再进一步折叠盘绕成更础上，多肽链再进一步折叠盘绕成更复杂的空间结构复杂的空间结构.包括由主链和侧链包括由主链和侧链原子在空间排布所形成的全部分子结原子在空间排布所形成的全部分子结构构.由于多肽链进一步盘曲折叠使得多肽链长轴缩短而成球状或椭圆形一些在一级结构上相距很远的R基团经过折叠后在空间结构上可以相互靠近形成能发挥生物学功能的特定区域如酶的活性中心.2、三级结构的特点亲水基团位于分子表面亲水基团位于分子表面疏水疏水R-侧链内裹形成疏水分子侧链内裹形成疏水分子内核内核分子内部形成疏水键和氢键等分子内部形成疏水键和氢键等维持空间结构维持空间结构分子表面有空穴（裂沟、凹槽分子表面有空穴（裂沟、凹槽或口袋等）往往是活性中心或口袋等）往往是活性中心蛋白质的三级结构研究最早的肌蛋白质的三级结构研究最早的肌红蛋白，肌红蛋白是哺乳动物肌红蛋白，肌红蛋白是哺乳动物肌肉中运输氧的蛋白质，由一条多肉中运输氧的蛋白质，由一条多肽链构成，有肽链构成，有153个氨基酸残基和个氨基酸残基和一个血红素辅基一个血红素辅基鲸肌红蛋白鲸肌红蛋白(四四)蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 两个或以上的具有独立三级两个或以上的具有独立三级结构的多肽链集结结构的多肽链集结,并经非共价键并经非共价键缔合而成的蛋白质空间结构缔合而成的蛋白质空间结构.具有独立三级结构的具有独立三级结构的多肽链多肽链称为亚基称为亚基.一般来说亚基不具有生物活性，一般来说亚基不具有生物活性，即使有也很小，只有当这些亚基即使有也很小，只有当这些亚基聚合成一个完整的蛋白质分子后，聚合成一个完整的蛋白质分子后，才具有生物活性。才具有生物活性。如血红蛋白如血红蛋白 血红蛋白是由四个亚基组成，血红蛋白是由四个亚基组成，2个个-亚基，亚基，2个个-亚基，每个亚基由亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组一条多肽链与一个血红素辅基组成成。个亚基以正四面体的方式。个亚基以正四面体的方式排列，彼此之间以非共价键相连排列，彼此之间以非共价键相连（主要是离子键、氢键）（主要是离子键、氢键）。三蛋白质分子结构与功能的关系(一)蛋白质分子一级结构和功能的关系一级结构不同，生物学功能各一级结构不同，生物学功能各异异蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变会影响其生理功能甚至造成分子病 仅仅由于这一点微细的差别，就使患仅仅由于这一点微细的差别，就使患者的红血球在氧气缺乏时呈镰刀状，者的红血球在氧气缺乏时呈镰刀状，易胀破发生溶血，运氧机能降低，引易胀破发生溶血，运氧机能降低，引起头昏，胸闷等贫血症状。起头昏，胸闷等贫血症状。HbA-链：链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHbS-链：链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys促肾上腺皮质激素或胰岛素促肾上腺皮质激素（促肾上腺皮质激素（ACTH），由），由39个氨基酸残基组成，不同种属动物的个氨基酸残基组成，不同种属动物的ACTH，其，其N端端124的氨基酸残基的氨基酸残基相同，若切去相同，若切去2539片段，余下片段，余下124肽仍具有全部活性，若在肽仍具有全部活性，若在N末端切末端切去一个氨基酸，反而会使活性明显降去一个氨基酸，反而会使活性明显降低。这表明低。这表明124肽是肽是ACTH的的“关键关键”部分。部分。非关键部位氨基酸残基的改变或缺失不影响生物活性用化学法合成用化学法合成ACTH时，只需合时，只需合成有活性的成有活性的24肽即可，不必合肽即可，不必合成成39肽。肽。一级结构中一级结构中“关键部分关键部分”相同，功相同，功能也相同能也相同不同来源的胰岛素都是由不同来源的胰岛素都是由A链链（21个氨基酸）和个氨基酸）和B链（链（30个氨基个氨基酸）组成，其氨基酸的种类和顺序酸）组成，其氨基酸的种类和顺序不完全相同，但都具有同样的降血不完全相同，但都具有同样的降血糖的作用。糖的作用。对胰岛素的一级结构的研究发对胰岛素的一级结构的研究发现，组成胰岛素的现，组成胰岛素的51个氨基酸个氨基酸中，有中，有22个氨基酸残基恒定不个氨基酸残基恒定不变，其中多数为带有疏水侧链变，其中多数为带有疏水侧链的非极性氨基酸，分子中的非极性氨基酸，分子中6个半个半胱氨酸的数量和排列位置也恒胱氨酸的数量和排列位置也恒定不变。定不变。三对二硫键使不同来源的胰岛素具有相三对二硫键使不同来源的胰岛素具有相同的空间构象同的空间构象这些恒定不变的氨基酸和形成三对这些恒定不变的氨基酸和形成三对二硫键的半胱氨酸是维持胰岛素分二硫键的半胱氨酸是维持胰岛素分子空间构象的子空间构象的“关键关键”部分，而那部分，而那些可变的氨基酸残基对形成和稳定些可变的氨基酸残基对形成和稳定胰岛素分子的空间构象不起决定作胰岛素分子的空间构象不起决定作用，故不影响其生物活性。用，故不影响其生物活性。(二)蛋白质分子空间结构和功能的关系空间结构与生理功能密切相关酶的特异性蛋白质的变构现象蛋白质的变构现象一些蛋白质由于受某些因素的一些蛋白质由于受某些因素的影响，其一级结构不变而空间构影响，其一级结构不变而空间构象发生一定的变化，导致其生物象发生一定的变化，导致其生物学功能的改变，称为蛋白质的变学功能的改变，称为蛋白质的变构效应或别构效应构效应或别构效应。变构现象是蛋白质表现其生物学变构现象是蛋白质表现其生物学功能的一种普遍而十分重要的现功能的一种普遍而十分重要的现象，也是调节蛋白质生物学功能象，也是调节蛋白质生物学功能的极有效的方式。的极有效的方式。血红蛋白的别构效应血红蛋白的别构效应血红蛋白的四聚体，具有稳定的高级结血红蛋白的四聚体，具有稳定的高级结构，和氧的亲和力很弱，但当氧和血红构，和氧的亲和力很弱，但当氧和血红蛋白分子中的一个亚基血红素铁结合后，蛋白分子中的一个亚基血红素铁结合后，即引起该亚基的构象发生改变，一个亚即引起该亚基的构象发生改变，一个亚基构象的改变又会引起另外三个亚基相基构象的改变又会引起另外三个亚基相继发生变化，亚基间的次级键被破坏，继发生变化，亚基间的次级键被破坏，结果整个分子的构象发生改变，使所有结果整个分子的构象发生改变，使所有亚基血红素铁原子的位置都变得适宜于亚基血红素铁原子的位置都变得适宜于与氧结合，所以血红蛋白与氧结合的速与氧结合，所以血红蛋白与氧结合的速度大大加快。度大大加快。第三节蛋白质的重要理化性质一、蛋白质两性电离和等电点蛋白质分子除两端的氨基和羧蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液中某些基团，在一定的溶液pHpH条件下都可解离成带负电荷或条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。正电荷的基团。受蛋白质自身可解离基团的性质、数量、溶液pH影响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。蛋白质溶液的pH大于等电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。可以用来分离蛋白质蛋白质的电泳几种蛋白质的等电点几种蛋白质的等电点每种蛋白质都有其特有的等电点每种蛋白质都有其特有的等电点分离、鉴定分离、鉴定等电点和蛋白质分子中所含氨基酸的种类有关等电点和蛋白质分子中所含氨基酸的种类有关二、蛋白质的亲水胶体性质蛋白质属于生物大分子，分子蛋白质属于生物大分子，分子量可自量可自1万至万至100万万其分子的直径可达其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。为胶粒范围之内。蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜破坏其中一个就可导致蛋白质破坏其中一个就可导致蛋白质析出析出+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉检验蛋白质方法加入生物碱：蛋白质可与生物碱试剂(如苦味酸、鞣酸)结合成不溶性的盐沉淀中草药加入三氯醋酸临床检验磺柳酸检验尿中蛋白质2-羟基-5-磺基苯甲酸蛋白质分子不能通过半透膜蛋白质分子不能通过半透膜利用透析可利用透析可以把蛋白质以把蛋白质与小分子化与小分子化合物分开合物分开三、蛋白质的变性在某些物理和化学因素作用下，在某些物理和化学因素作用下，蛋白质三维构象被破坏，从而导蛋白质三维构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的致其理化性质改变和生物活性的丧失。丧失。变性的本质是次级键的破变性的本质是次级键的破坏（包括二硫键）坏（包括二硫键），不改变蛋白，不改变蛋白质的一级结构。质的一级结构。(一)蛋白质变性的本质及特点导致蛋白质变性的因素导致蛋白质变性的因素物理因素：加热、高压、剧烈搅拌、物理因素：加热、高压、剧烈搅拌、超声波、紫外照射等超声波、紫外照射等化学因素：酸、碱、有机溶剂（苯酚、化学因素：酸、碱、有机溶剂（苯酚、乙醚等）、变性剂（尿素、盐酸胍等）乙醚等）、变性剂（尿素、盐酸胍等）、去垢剂（、去垢剂（SDS：十二烷基硫酸钠）、：十二烷基硫酸钠）、重金属盐等重金属盐等蛋白质复性蛋白质复性(renaturation)变变性性时时间间短短、变变性性程程度度轻轻的的情情况况下下，在在适适合合条条件件下下蛋蛋白白在在去去除除变变性性因因素素后后可可重重新新恢恢复复到到天天然然构构象象，恢恢复复其其生生物物活活性性，这这种种现现象象称称为为蛋蛋白白质质的的复性。复性。天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性生物活性丧失。生物活性丧失。理理化化性性质质变变化化：溶溶解解度度下下降降或或易易于于沉沉淀。淀。变变性性使使得得埋埋藏藏在在分分子子内内部部的的侧侧链链基基团团暴露暴露 出来，易被蛋白酶水解。出来，易被蛋白酶水解。变性蛋白质的特性变性蛋白质的特性(二)蛋白质变性理论在实践中的应用应用防止变性杀菌消毒变性与别构四蛋白质的颜色反应和紫外吸收光谱(一)双缩脲反应双缩脲双缩脲加热NH322H1800双缩脲22222双缩脲反应:碱性环境H2OO=CC=OHNNHR-CHCH-RO=CCuC=OHNNHR-CHCH-RH2O紫色络合物(二)酚试剂反应Folin酚试剂由甲试剂和乙试剂组成。甲试剂由碳酸钠，氢氧化钠，硫酸铜及酒石酸钾钠组成。蛋白质中的肽键在碱性条件下，与酒石酸钾钠铜盐溶液起作用，生成紫红色络合物。乙试剂是由磷钼酸和磷钨酸，硫酸，溴等组成。此试剂在碱性条件下，易被蛋白质中酪氨酸的酚基还原呈蓝色反应，其色泽深浅与蛋白质含量成正比。此法也适用于测定酪氨酸和色氨酸的含量。本法可测定范围是25250ug蛋白质。(三)蛋白质紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。波长处有特征性吸收峰。第四节蛋白质的分离和纯化一根据蛋白质溶解度不同的分离方法(二)低温有机溶剂沉淀法(三)聚乙二醇沉淀法二根据蛋白质分子大小差别的分离方法(一)透析和超滤(二)凝胶过滤三根据蛋白质带电性质进行分离(一)电泳法(二)离子交换层析法四亲和层析法球状蛋白质球状蛋白质纤维状蛋白质纤维状蛋白质 早在早在20世纪世纪30年代，年代，Pauling和和Corey就开始用就开始用X-射线衍射方法研究射线衍射方法研究了氨基酸和肽的结了氨基酸和肽的结构，他们得到了构，他们得到了重重要的结论要的结论:酶的生物催化作用酶的生物催化作用蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能/nm颜色颜色互补光互补光400450紫紫黄绿黄绿450480蓝蓝黄黄480490绿蓝绿蓝橙橙490500蓝绿蓝绿红红500560绿绿红紫红紫560580黄绿黄绿紫紫580610黄黄蓝蓝610650橙橙绿蓝绿蓝650760红红不同颜色的可见光波长及其互补光不同颜色的可见光波长及其互补光蓝绿蓝绿完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光光谱示意表观现象示意6（一）颜色与光的关系（一）颜色与光的关系