蛋白质的化学

null生 物 化 学Biochemistry 生 物 化 学Biochemistry 生 物 化 学 的 概 念生 物 化 学 的 概 念生物化学：生物化学是在分子水平研究和剖析生命本质的科学。即用化学的理论和基本方法研究生命的现象。其研究对象, 是生命体内的各类物质的结构, 功能和作用过程与机理。null1.共13章内容。 2.根据教学大纲的要求：掌握、熟悉、了解。 生化课共64/32学时课堂讲解/32学时自学。 教学基本要求： 重点在掌握及部分熟悉内容，也是上课重点讲解的部分。自学课程可一般了解。 课程内容和学习要点：null3. 教学内容上课时段完成，最后4节课为总复习。 4.考试内容以课堂内容为主 5.希望及时复习。 6.如有疑问请通过BBS与我联系，一般我会在一周内答复。第一章 蛋白质的化学 Structure and Function of Protein第一章 蛋白质的化学 Structure and Function of Protein掌握：蛋白质的分子组成，蛋白质的分子结构（蛋白质的一、二、三、四级结构：定义、主要化学键、举例） 熟悉：蛋白质结构与功能，蛋白质的理化性质。 null蛋白质(protein)是由氨基酸（amino acid）为单位组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础。 第一节 蛋白质是生命的物质基础第一节 蛋白质是生命的物质基础蛋白质的功能 1.生物催化功能 2.代谢调节作用 3.协调运动作用 4.转运和贮存作用 5.免疫保护作用 6.其他如：运动与支持作用；控制生长和分化作用；接受和传递信息的作用；生物膜的功能 第二节 蛋白质的分子组成 第二节 蛋白质的分子组成蛋白质分子中主要的元素组成是：C、H、O、N、S等。其中N元素的含量相对稳定，约为16%，故每克氮相当于6.25克蛋白质。 一、氨基酸(amino acid)一、氨基酸(amino acid)组成蛋白质的基本单位是氨基酸。如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约二十种不同的氨基酸。除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-α-氨基酸。L-α-氨基酸的结构通式（一）氨基酸的分类：（一）氨基酸的分类：根据R侧链基团解离性质的不同进行分类： 1.酸性氨基酸 Glu，Asp； 2.碱性氨基酸 His，Arg，Lys； 3.极性氨基酸：Tyr，Cys，Ser，Thr， Asn，Gln，Met，Trp 4.非极性氨基酸：Gly，Ala，Val，Leu， Ile，Pro，Phe。(二)氨基酸的分离与(二)氨基酸的分离与分析 氨基酸的分离与分析是测定蛋白质分子组成和结构的基础 自动氨基酸分析：蛋白质完全水解成氨基酸，再经过离子交换层析(Ion-exchange chromatography) 液相色谱（HPLC) 生物质谱（Mass Spectrometry, MS) 按荷质比的大小进行排列第三节 蛋白质的分子结构第三节 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构：组成蛋白质的氨基酸的种类和排列顺序。 空间结构（二、三、四级结构）： （一）肽键与肽链： 蛋白质是由若干氨基酸的脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽。null两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。 多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。null 胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。 二、蛋白质一级结构分析 二、蛋白质一级结构分析 （一）基本内容：纯化，鉴定肽链数目，氨基酸的组成分析 （二）N及C末端氨基酸的分析： N末端分析：Edman降解法，采用苯异硫氰酸（PITC)仅仅水解释放多肽链N末端残基，可用于自动分析 C末端分析：误差较大 大分子多肽氨基酸顺序的测定：水解为小片断，再将其拼接起来 核酸推导法 Edman降解法测定氨基酸序列Edman降解法测定氨基酸序列异硫氰酸苯酯（三）测定蛋白质的一级结构的主要意义（三）测定蛋白质的一级结构的主要意义 1.一级结构是研究高级结构的基础。 2.可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。 3.可以为生物进化理论提供依据。 4.可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。null细胞色素c的一级结构与生物进化的关系null蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即构象。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。三、蛋白质的空间结构蛋白质分子中的非共价键(次级键)蛋白质分子中的非共价键(次级键)氢键(hydrogen bond) 疏水键(hydrophobic bond) 离子键（盐键， ionic bond） 配位键（dative bond) 二硫键（disulfide bond） 范德华引力（van der Waals)蛋白质分子中的非共价键(次级键)蛋白质分子中的非共价键(次级键)氢键(hydrogen bond) 疏水键(hydrophobic bond) 离子键（盐键， ionic bond） 配位键（dative bond) 二硫键（disulfide bond） 范德华引力（van der Waals)一、蛋白质分子中的非共价键(次级键)一、蛋白质分子中的非共价键(次级键) 1. 氢键： 氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。 氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。 氢键的键能较低(~12kJ/mol)，因而易被破坏。 null蛋白质分子中氢键的形成null 2. 疏水键： 非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。 蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。 null 3. 离子键（盐键）： 离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。null蛋白质分子中离子键的形成null4．范德华氏（van der Waals)引力： 原子之间存在的相互作用力。蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。null1. 由于C=O双键中的π电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。 2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称为肽单元或肽键平面。但由于α-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。null（二）蛋白质二级结构的类型：（二）蛋白质二级结构的类型：蛋白质的二级结构主要包括： α-螺旋，β-折迭，β-转角及无规卷曲等几种类型。 nullα-螺旋(α-helix）是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为： ⑴ 为右手螺旋； ⑵ 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为5.44埃； ⑶ 螺旋以氢键维系。 α- 螺 旋null肌红蛋白null影响α-螺旋稳定的因素有： ⑴ 极大的侧链基团（存在空间位阻）； ⑵ 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）； ⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。 α- 螺 旋β- 折 叠β- 折 叠β-折叠（β－pleated sheet structure)是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象，其结构特征为： ⑴ 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状 结构； ⑵ 主链骨架伸展呈锯齿状； ⑶ 借相邻主链之间的氢键维系。 nullnullβ- 转 角β- 转 角 β-转角(β-bend, β-turn)是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为： ⑴ 主链骨架本身以大约180°回折; ⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; ⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 3. β-转角：3. β-转角：null β-转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为： ⑴ 主链骨架本身以大约180°回折; ⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; ⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 无 规 卷 曲无 规 卷 曲无规卷曲(random coil)是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。nullRNase的分子结构α-螺旋β-折迭β-转角无规卷曲null超二级结构（super-secondary structure) 相邻二级结构构成 结构域（domain） 相对独立的致密的三维实体null在蛋白质分子中，若干具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成具有特殊功能的结构区域，称模序（motif)或超二级结构。锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模序)锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模序)转录因子MyoD的螺旋-环-螺旋模序转录因子MyoD的螺旋-环-螺旋模序null一条多肽链中所有原子或基团在三维空间的整体排布称为三级结构。稳定力：非共价键，主要作用力是疏水键 蛋白质的四级结构(quarternary structure)：蛋白质由多个肽链构成，肽链之间的联系为非共价键，亚基与亚基之间的排布称为四级结构，主要作用力是疏水键蛋白质的三级结构(tertiary structure)第四节 蛋白质的结构与功能第四节 蛋白质的结构与功能蛋白质一级结构与功能的关系 蛋白质的空间构象与功能的关系 蛋白质的结构与生物进化 null一、蛋白质一级结构与功能的关系 （一）一级结构是空间构象的基础 蛋白质特定的三级结构是以氨基酸顺序为基础的。null蛋白质的一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列。蛋白质的天然立体结构一般是自由能最低的状态。 Anfinsen （诺贝尔奖获得者）用极其简单的实验证明了蛋白质的一级结构决定其高级结构。 蛋白质一级结构决定立体结构null有些蛋白质被合成以后，自己不能独立形成自由能最低的立体结构，而需要一类蛋白质来催化，这类蛋白质称为分子伴侣 （ molecular chaperone）。它们普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使用ATP的能量帮助其它蛋白质形成自由能最低的立体结构，但不改变自己。自由能最低null牛核糖核酸酶一级结构与空间结构的关系null蛋白质一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系 1、一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能 也相似。 2、蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代， 都会严重影响空间构象乃至生理功能，如分子病。null 一条肽链对应一个特定的空间结构 这条法则的破坏是灾难性的。疯牛病的prion就是一个例子。正常prion异常prion蛋白质立体结构的特定和唯一的null二、蛋白质空间结构与功能的关系（一）肌红蛋白和血红蛋白的结构null蛋白质空间结构与功能的关系（二）血红蛋白的构象变化与结合氧协同效应：一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应（positive cooperativity）；反之则为负协同效应（negative cooperativity）。当血红蛋白的一个α亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚 基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子 的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。这 种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变 的现象称为变构效应。null肌红蛋白（Mb）与血红蛋白（Hb）的氧解离曲线蛋白质的结构与功能： 永远的课题蛋白质的结构与功能： 永远的课题结构与功能第四节 蛋白质的理化性质及分离纯化第四节 蛋白质的理化性质及分离纯化一、蛋白质的理化性质 （一）蛋白质的两性解离与等电点： 由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链上存在游离的氨基和游离的羧基，因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质，因而也具有特定的等电点。null1．两性解离及等电点： 氨基酸分子是一种两性电解质。 通过改变溶液的pH可使氨基酸分子的解离状态发生改变。 氨基酸分子带有相等正、负电荷时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。 null蛋白质的性质蛋白质的性质 蛋白质分子的大小、形状及分子量的测定 分子筛层析法 SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳法（SDS-PAGE) 生物质谱分离： 待分离物质荷质比不同第四节 蛋白质的理化性质第四节 蛋白质的理化性质一 蛋白质的两性解离与等电点： 由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链上存在游离的氨基和游离的羧基，因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质，因而也具有特定的等电点。二 蛋白质的高分子性质：二 蛋白质的高分子性质： 蛋白质分子的颗粒直径已达1~100nm，处于胶体颗粒的范围。因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。 蛋白质分子面的水化膜和表面电荷是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。 三、 蛋白质的变性：三、 蛋白质的变性： 在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，称为蛋白质的变性(denaturation)。null 引起蛋白质变性的因素有： ① 物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等； ② 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。 null 变性蛋白质的性质改变： ① 物理性质：旋光性改变，溶解度下降，沉降率升高，粘度升高，光吸收度增加等； ② 化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解。 ③ 生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性改变。 null 蛋白质变性的可逆性： 蛋白质在体外变性后，绝大多数情况下是不能复性的； 如变性程度浅，蛋白质分子的构象未被严重破坏；或者蛋白质具有特殊的分子结构，并经特殊处理则可以复性。核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复性四、蛋白质的沉淀四、蛋白质的沉淀 蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀。 变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质。null （一）盐析： 在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉淀析出，称为盐析。null 常用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、硫酸钠等。 盐析时，溶液的pH在蛋白质的等电点处效果最好。 盐析沉淀蛋白质时，通常不会引起蛋白质的变性。null分段盐析： 半饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆球蛋白，而饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆清蛋白。 null （二）有机溶剂沉淀蛋白质： 凡能与水以任意比例混合的有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可用于沉淀蛋白质。 沉淀原理是：① 脱水作用；② 使水的介电常数降低，蛋白质溶解度降低。 （三）重金属盐沉淀蛋白质（三）重金属盐沉淀蛋白质（四）生物碱试剂沉淀蛋白质（四）生物碱试剂沉淀蛋白质自学五、蛋白质的呈色反应及紫外吸收性质五、蛋白质的呈色反应及紫外吸收性质 蛋白质在280有较强的紫外吸收性质 自学第五节 蛋白质的分类第五节 蛋白质的分类自学null蛋白质的变性(denaturation) 在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变蛋 白 质 的 理 化 性 质null 变性作用的特征： 生物活性的丧失， 某些理化性质的改变 变性作用的因素和程度 变性作用的意义null蛋白质的两性电离与等电点 蛋白质的胶体性质 蛋白质的沉淀反应：中性盐沉淀，有机溶剂沉淀，加热沉淀，重金属盐沉淀，生物碱试剂的沉淀反应 蛋白质的颜色反应 茚三酮反应 双缩脲反应 酚试剂反应 蛋白质的免疫学性质