大学生物化学课件 第2章 蛋白质化学.pdf

第二章蛋白质化学第二章蛋白质化学Chapter 2 Protein chemistry第一节 通论第一节 通论Section 1 Introduction一.蛋白质的化学概念一.蛋白质的化学概念Chemical concept of protein蛋白质是由蛋白质是由20种种a-氨基酸通过肽键连接而成的，具有特定空间结构和生物活性的高分子有机化合物。氨基酸通过肽键连接而成的，具有特定空间结构和生物活性的高分子有机化合物。蛋白质的重要生理功能：蛋白质的重要生理功能：Important physiological functions of protein：1.蛋白质是构成细胞的重要物质To be important substances of cells2.负责生物化学反应的催化作用 To be catalysts of biochemical reactions3.对生物机体起免疫作用 To be related to immunization of organisms4.与物质的运输有关 To be related to transportation of substances5.与生物的运动有关 To be related to movement of organisms6.与生物的防御有关 To be related to defence of organisms 7.作为激素 To be hormones二二.蛋白质的分类蛋白质的分类Classification of proteins1.根据蛋白质的分子形状分类Classification according to the shape of protein molecules球状蛋白质 Globulins纤维状蛋白质 Fibrins2.根据蛋白质的功能分类 Classification according to the functions of proteins活性蛋白质 Active proteins酶，转运蛋白，调节蛋白，信号蛋白，防御蛋白等。非活性蛋白质 Passive proteins结构蛋白等。3.根据组成分类 Classification according to the composition of proteins简单蛋白质 Simple proteins结合蛋白质 Conjugated proteins结合蛋白质又可以分为：1）色蛋白Chromoprotein2）金属蛋白质 Metalloproteins2）磷蛋白 Phosphoproteins3）核蛋白 Nucleoproteins4）脂蛋白 Lipoproteins5）糖蛋白Glycoproteins4.根据溶解度不同分类 Classification according to the solubility of proteins1）清蛋白 Albumin2）球蛋白 Globulin3）组蛋白 Histone4）精蛋白 Protamine5）醇溶蛋白 Prolamine6）硬蛋白 Scleroprotein7）谷蛋白 Glutelin三三.蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成Element composition of proteins主要元素：C，H，O，N，S微量元素：Fe，P，I，Mo，Mg等。蛋白质含N较稳定，一般为16%左右，1克N相当于6.25克蛋白质.第二节 蛋白质的组成单第二节 蛋白质的组成单位位-氨基酸氨基酸Section 2 The composition units of protein:Amino acids一.氨基酸的一般结构特征一.氨基酸的一般结构特征The structural characteristics of amino acids氨基酸的基本结构是：氨基酸的基本结构是：氨基酸的氨基和羧基都连在同一个a-碳原子上，因而称这类氨基酸为a-氨基酸氨基酸。a-氨基酸除甘氨酸外，都有不对称的碳原子，因而使氨基酸具有L-型型和D-型型。L-型和型和D-型氨基酸型氨基酸二二.氨基酸的分类和结构氨基酸的分类和结构Classification structure of amino acids1.按照氨基和羧基的数量分类按照氨基和羧基的数量分类 Classification according to the amounts of amino and carboxyl groups中性氨基酸 Neutral amino acid：一氨基一羧基碱性氨基酸 Basic amino acid：二氨基一羧基酸性氨基酸Acidic amino acid：一氨基二羧基2.根据氨基酸与羧酸的结构比较根据氨基酸与羧酸的结构比较According to the structure comparison between amino acids and carboxyl acids 分为：脂肪族氨基酸 fatty amino acids芳香族氨基酸 aromatic amino acids杂环氨基酸 heterocyclic amino acids3.按照按照R-基团的物理性质分类基团的物理性质分类 Classification according to the physical properties of R-groups亲水氨基酸 Hydrophilic amino acid：含有亲水基团。疏水氨基酸 Hydrophorbic amino acid：含有疏水基团。4.按照按照R-基团的极性性质分类基团的极性性质分类 Classification according to the polar properties of R groups非极性氨基酸 Nonpolar amino acid：含有不亲水的R-基团。极性带电荷氨基酸 Polar charged amino acid：含有带正电或负电基团。极性不带电氨基酸 Polar uncharged amino acid：含有不带电的极性基团。氨基酸的符号氨基酸的符号Symbol of amino acids：除少数外，一般用氨基酸的英文名称的前3个字母作为该种氨基酸的代号，称为三字母代号三字母代号。有时为了简便，各种氨基酸也用一个特定的字母来代表，称为单字母代号单字母代号。请熟记各种氨基酸的代号。三三.修饰性氨基酸修饰性氨基酸 Modified amino acids在蛋白质中除了正常的20种氨基酸外，还有一些修饰性氨基酸，如：-羧基谷氨酸羟基脯氨酸磷酸丝氨酸羟基赖氨酸四四.非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸 Amino acids not occur in proteins生物体内有些氨基酸不参与蛋白质的构成，但在代谢中起重要作用。如：鸟氨酸胍氨酸高丝氨酸牛磺酸五五.氨基酸的一般物理性质氨基酸的一般物理性质Physical properties of amino acids紫外光吸收特性：紫外光吸收特性：酪氨酸酪氨酸 275-278nm苯丙氨酸苯丙氨酸 257-259nm色氨酸色氨酸279-280nm六六.氨基酸的化学性质氨基酸的化学性质Chemical property of amino acids1.两性解离和等电点 Amphoterism and isoelectric point在酸性条件：带正电在碱性条件：带负电在某一pH条件下，氨基酸分子带的正电和负电相等，外观上不带电，此时的pH叫该氨基酸的等电点（等电点（isoelectricpoint）。）。2.由氨基和羧基参与的几种重要化学反应Several important reactions of amino acids1）茚三酮反应 Ninhydrin reaction茚三酮+氨基酸蓝紫色化合物*茚三酮反应茚三酮反应天冬酰胺+茚三酮棕色化合物谷氨酰胺+茚三酮棕色化合物脯氨酸+茚三酮黄色化合物2）离子交换反应ion exchanging reaction这是指在分离氨基酸时氨基酸的羧基或氨基在一定条件下所表现的带电性使氨基酸与离子交换树脂的结合和解离的过程。阳离子交换树脂可以交换阳离子，阴离子交换树脂可以交换阴离子。3.由氨基参与的反应 reaction participated by amino group氨基是个活泼基团，可以启动多种反应。在生物化学中，重要的有：2，4-二硝基氟苯反应苯异硫氰酸反应与2，4-二硝基氟苯反应 Reaction with 2，4-dinitro-fluorobenzene氨基酸+2，4-二硝基氟苯二硝基苯基氨基酸此反应在蛋白质末端测定中起重要作用与苯异硫氰酸反应 Reaction with phenylthioisocyanate氨基酸+苯异硫氰酸苯氨基硫甲酰氨基酸（PTH氨基酸）此反应是蛋白质测序的重要反应。4.由羧基参与的反应 reaction participated by carboxyl group氨基酸的羧基可以与碱反应生成盐类。5.氨基酸侧链的反应 reaction participated by side chain of amino acid侧链可以进行多种反应，如米伦反应，福林反应，坂口反应，乙醛酸反应等。这些反应生成有色物质，可以用来鉴定蛋白质的存在。第三节 蛋白质的结构第三节 蛋白质的结构Section 3 Structure of protein molecules两个基本概念两个基本概念 Two basic concepts构象构象 Conformation：一个分子中不改变共价键结构，仅在单键周围的原子旋转所产生的原子空间排列。一种构象变为另一种构象不涉及共价键的断裂。构型构型 Configulation：一个分子中各原子特有的固定的空间排列。当一种构型变为另一种构型时，一定涉及到共价键的断裂和形成。一.蛋白质的一级结构一.蛋白质的一级结构Primary structure of protein1.肽键和肽链肽键和肽链 Peptide bond and peptide chain一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱去一分子水后连接起来的化合物称为一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱去一分子水后连接起来的化合物称为肽（肽（Peptide）。*这样所形成的键称为这样所形成的键称为肽键（肽键（Peptide bond）C NOH肽键的参数Parameter of peptide bond肽键的参数肽键的参数2.肽的命名肽的命名 Nomenclature of peptides两个氨基酸连接起来的化合物称为二肽（二肽（Dipeptide）三个氨基酸连接起来的化合物称为三肽（三肽（Tripeptide）少数氨基酸连接起来的化合物称为寡肽（寡肽（Oligopeptide）多个氨基酸连接起来的化合物称为多肽（多肽（Polypeptide）肽链上的氨基酸不是完整的氨基酸，因而称为氨基酸残基（氨基酸残基（Amino acid residues）。一条肽链有两端。具有游离氨基的一端称为氨基末端（氨基末端（Amino terminal,或叫或叫N端）端）。具有游离羧基的一端称为羧基末端（羧基末端（Carboxyl terminal，或叫或叫C端）端）。3.肽的书写方法 Calligraph of peptides书写肽链时，习惯把N端写在左边，把C端写在右边。两个氨基酸之间用或-分开，也可以用圆圈将氨基酸符号圈开。4.蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构Primary structure of proteins一级结构：一级结构：指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序及二硫键的位置。指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序及二硫键的位置。因此，一级结构是指蛋白质共价键联结的全部情况。因此，一级结构是指蛋白质共价键联结的全部情况。测定蛋白质的一级结构是一项艰苦的工作。测定蛋白质的一级结构是一项艰苦的工作。胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构Primary structure of insulin牛胰牛胰RNA酶的一级结构酶的一级结构Primary structure of ox RNase二二.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构Sceondary structure of proteins1.二级结构的概念 concept of secondary structure肽单位和肽平面Peptide unit and peptide planeH2N-C-C-N-C-C-N-C-C-NR1HOHHR2OHR3HOH肽链主链上的每一个肽链主链上的每一个C-C-N-C称为一个称为一个肽单位肽单位.肽单位的性质肽单位的性质Properties of peptide unit1）肽单位是一个刚性的平面结构，称为肽平面（peptide plane）2）肽键C-N具有部分双键的性质，不能自由旋转；六个原子同在一个平面上。3）在绝大多数情况下，肽单位上的两个基团 呈反式排布，只有在脯氨酸 形成的肽键才有顺式排列的方式。4）a-碳原子两侧的单键 是普通单键，可以自由旋转。a-碳原子左侧的单键 旋转的角度用表示，a-碳原子右侧的单键 旋转的角度用表示，和合称为a-碳原子的二面角碳原子的二面角。C NOH二级结构二级结构 Secondary structure指多肽链彼此靠近的氨基酸残基之间由于氢键的相互作用而形成的空间关系。指多肽链彼此靠近的氨基酸残基之间由于氢键的相互作用而形成的空间关系。2.二级结构的主要类型二级结构的主要类型 main types of secondary structure蛋白质分子的二级结构有各种不同的形式蛋白质分子的二级结构有各种不同的形式:1)螺旋螺旋-Helix这种结构是由Pauling等人提出。在这种结构中,肽链沿着一个中心轴盘绕,每3.6个氨基酸残基上升一周,每上升一周沿中轴的距离是0.54nm(5.4 ),平均每个氨基酸上升的高度是0.15nm(1.5 )。螺旋模型螺旋模型-螺旋在表示螺旋时,国际上用NS表示,N表示每周螺旋中包含的氨基酸残基数,S表示氢键封闭环上的原子数.由于-螺旋每圈有3.6个氨基酸残基,氢键环上有13个原子,因此这样的螺旋称为3.613螺旋.2)折叠 折叠 Pleated sheet 折叠是由多段肽段平行地排列在一起而成的片层状结构。相邻两肽段之间由C=O的氧原子与N-H的氢原子形成氢键。在 折叠中，两个氨基酸残基之间的直线距离是0.35nm（3.5 ）。折叠有平行式和反平行式两种。-折叠折叠:平行式与反平行式平行式与反平行式Parallel and antiparallel-pleated sheet-折叠片折叠片3）转角转角-Turn蛋白质肽链有时往往有180度的回折，在转弯处的结构称为 转角。转角由四个氨基酸残基构成。-转角两种类型转角两种类型三三.纤维状蛋白质的结构纤维状蛋白质的结构Structure of fibrous proteins1.1.角蛋白的结构角蛋白的结构 Structure of keratin这类蛋白质首先由两条或3条 螺旋互相缠绕而形成左手超螺旋结构，这种结构称为原纤维（原纤维（protofibril）。8-11条原纤维平行排列成圆筒，称为微纤维（微纤维（Microfibril）。近百根微纤维结合起来组成纤维束，称为近百根微纤维结合起来组成纤维束，称为大纤维（大纤维（Macrofibril）。-角蛋白角蛋白原纤维原纤维微纤维微纤维大纤维大纤维2.角蛋白的结构角蛋白的结构Structure of -keratin丝心蛋白（丝心蛋白（Fibroin）是典型的 角蛋白，由反平行的角蛋白，由反平行的 折叠片构成，各片层之间用范得华力维系。折叠片构成，各片层之间用范得华力维系。丝心蛋白丝心蛋白3.胶原蛋白的结构胶原蛋白的结构Structure of collagen胶原蛋白的基本组成部分是原胶原（原胶原（Protocollagen）。原胶原是由3条螺旋状的肽链构成，每条肽链含有1000多个氨基酸残基。胶原蛋白（胶原蛋白（Collagen）四四.超二级结构和结构域超二级结构和结构域Super-secondary structure and domain超二级结构：若干个相邻的二级结构单元组合在一起，形成有一定规律的组合体。这种组合体称为超二级结构超二级结构（Super-secondary structure）。）。超二级结构有三种组合形式：1.-型1.-型：由两个螺旋组合成为一个大螺旋。2.型2.型：由两个-折叠与一个螺旋构成。3.型3.型：由若干个-折叠股有规律地组合在一起。超二级结构超二级结构结构域（结构域（Domain）：单链蛋白质分子中可以区分出来的亚级三维实体称为结构域。一个分子可能有一到多个结构域。结构域结构域:酵母己糖激酶酵母己糖激酶五五.球状蛋白质的三级结构球状蛋白质的三级结构Tertiary structure of globulin protein三级结构三级结构：指具有二级结构的多肽链上距离较远的氨基酸之间的相互作用而使多肽链弯曲或折叠形成紧密而具有一定刚性的结构。肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构维持蛋白质三级结构的力维持蛋白质三级结构的力：1.氢键（氢键（Hydrogen bond）：主要由氨基酸的侧链基团之间形成，与二级结构的不同。2.疏水相互作用（疏水相互作用（Hydrophorbic interaction）：氨基酸的疏水侧链集中起来躲在球体的核心部分。这种作用称为疏水力或疏水相互作用。3.范得华力（范得华力（Van der Waals force）：指每两个原子之间的吸引和排斥作用。4.离子键（离子键（Ionic bond）：分子中带正电和带负电基团相互作用的力量，也称为盐键盐键（Salt bond）。5.配位键（配位键（Coordinate bond）：由富电子的原子提供未共用电子对与缺少电子的原子相结合而成的化学键。6.二硫键（二硫键（Disulfide bond）：由两个半胱氨酸的巯基氧化生成。六六.蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构Quaternary structure of proteins四级结构：指具有三级结构的两条或两条以上的多肽链以特殊的方式结合起来成为有完整生物活性的蛋白质分子。血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构肝乙醇脱氢酶的四级结构肝乙醇脱氢酶的四级结构在四级结构中，每一条独立的肽链称为亚基（亚基（Subunit），也叫亚单位亚单位。若各亚基是相同的，称为均一的亚基均一的亚基；若亚基是不相同的，称为不均一的亚基不均一的亚基。维持四级结构的力与三级结构的力基本一样，但没有共价键。共价键不参与维系四级结构。问题：下列胰岛素分子有多少个亚基？下列胰岛素分子有多少个亚基？第四节 蛋白质的结构与功能第四节 蛋白质的结构与功能Section 4 Relation between structure and function of proteins本节自学。第五节 蛋白质的性质第五节 蛋白质的性质Properties of proteins一.蛋白质的水合作用与透析一.蛋白质的水合作用与透析 hydration and dialysis of proteins蛋白质是生物大分子,在溶液中表现出明显的胶体性质.球状蛋白质分子表面亲水，核心部分疏水。大分子的蛋白质不能通过半透膜半透膜(semipermeable membrane)，可以用半透膜将之与小分子分开，称为可以用半透膜将之与小分子分开，称为透析。透析。二.两性性质和等电点二.两性性质和等电点 Amphotericproperty and isoelectric point蛋白质在酸性溶液中带正电,在碱性溶液中带负电.使蛋白质分子所带正负电荷相等的pH值称为蛋白质的等电点等电点(isoelectric point).三.变性与复性 Denaturation and renaturation环境因素的改变导致生物大分子天然构象的丧失称为变性变性(denaturation).变性的本质:1)氢键破坏;2)二硫键被还原折断.引起变性的因素有引起变性的因素有:1)热处理热处理(heat treatment):蛋白质在加热到60度以上就开始变性.2)pH改变改变(change pH):强酸强碱性引起变性.3)化学处理化学处理(chemical treatment):尿素、盐酸胍、水杨酸等是强变性剂4)其它因素其它因素(other factors):X射线、紫外线、高压等。复性（复性（renaturation):在适宜的条件下，变性的蛋白质恢复到原来的天然构象的过程叫做复性。四四.沉淀反应沉淀反应precipitation reactions有些物质可以破坏蛋白质胶体表明的电荷,使其不稳定而沉淀.1.可逆的沉淀 reversible precipitation盐析盐析(salting out):有些中性盐可破坏蛋白质的电荷,使蛋白质沉淀析出,叫盐析.2.不可逆的沉淀irreversible precipitation有机溶剂沉淀有机溶剂沉淀(precipitation by organic solvents):脫水剂破坏水膜,而使蛋白质沉淀.重金属离子沉淀重金属离子沉淀(precipitation by heavy metal ions):重金属离子与蛋白质形成不溶解物而使蛋白质沉淀.生物碱沉淀生物碱沉淀(precipitation by alkaloid):如单宁等.强酸沉淀强酸沉淀(precipitation by strong acids):三氯乙酸、钨酸、钼酸等。第六节 蛋白质的分离纯化和测定第六节 蛋白质的分离纯化和测定Section 6 Separation，purification and determination of proteins 本节内容在以后课程中讲授。本节内容在以后课程中讲授。Review of Chapter 2 Protein chemistry1.Definition of proteins:Proteins are very important substances in living things.Proteins are organic macromolecular substances that are made of 20-amino acids by the connection of peptide bonds.2.Protein functions:Proteins have a lot of functions.Some proteins construct every part of cells.These proteins are called constructive proteins.Some proteins are biological catalyst in the cells.These proteins are called enzymes.Some proteins are related to immunization of organisms.These proteins are called immunization proteins.Some proteins are related to the transportation of substances in the cells.These proteins are called transfer proteins.Some proteins are related to the movement of organisms.These proteins are called movement proteins.Some proteins are related to defence of organisms.These proteins are called defencing proteins.Some proteins are related to the regulation of metabolism.These proteins are called hormones.3.Classification of proteins:There are several methods for the classification of proteins.According to the shapes of protein molecules,proteins can be divided into globulins and fibrins.According to the functions of protein molecules,proteins can be divided into active proteins and passive proteins.According to the composition of protein molecules,proteins can be divided into simple proteins and conjugated proteins.According to the solubility of protein molecules,proteins can be divided into albumin,globulin,histone,protamin,prolamin,scleroprotein,and glutelin.4.Amino acids and their classification:There are 20-amino acids which compose protein molecules.These amino acids can be classified by several methods.According to the amounts of amino and carboxyl groups,amino acids can be divided into neutral amino acids,alkalic amino acids,and acidic amino acids.According to the physical properties of R-groups,amino acids can be divided into hydrophilic amino acids and hydrophorbicamino acids.According to the polar properties of R-groups,amino acids can be divided into non-polar amino acids,polar charged amino acids,polar uncharged amino acids.According to the structures of R-groups,amino acids can be divided into aliphatic amino acids,aromatic amino acids,heterocyclic amino acids.5.Physical properties of amino acids:There are 3 amino acids which can absorb ultraviolet light.These 3 amino acids are tyrosine(Tyr),phenylalanine(Phe),and tryptophan(Trp).Amino acids carry positive charge in acidic solution,but carry negative charge in basic solution.6.Peptide:The compound,which is formed by composition between the amino group of one amino acid and the carboxyl group of other one amino acid,is called peptide.The covalent bond formed by this reaction is called peptide bond.The compound,which is formed by many amino acids，is called polypeptide.7.Structure of protein molecules:The structure of proteins can be described by the concepts of primary,secondary,tertiary,quaternary structures.Primary structure of protein molecule is refered to the order sequence of amino acids and the position of disulfide bonds.Secondary structure is refered to the folding of polypeptide by the action of hydrogen bonds formed by the nearby amino acids on the same peptide chain.Tertiary structure is refered to the folding of peptide by the action of hydrogen bond,hydrophorbicinteraction,salt bond,Van de Waalsforce,and disulfide bond.Quaternary structure is refered to the composition of two or more polypeptide chains.8.Properties of proteins:Protein molecules are colloidal macromolecules.These molecules can not penetrate semipermeablemembranes.Proteins carry positive charges in acidic environment，and negative charges in basic environment.The pH，which can make protein carry equal positive and negative charges,is called isoelectric point（pI）of that protein.Heat treatment，changing pH，chemical treatment，or other physical factors can make proteins denature.Denatured proteins can resume to their natural structure.This process is called renaturation.