第二章蛋白質的化學

第一節

蛋白質是生命的物質基礎蛋白質（protein）是由許多氨基酸（aminoacids）通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物。一、蛋白質是構成生物體的基本成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，約占人體干重的45％，某些組織含量更高。1）生物催化作用（酶）2）代謝調節作用（激素）3）免疫保護作用（抗體）4）物質的轉運和存儲（血紅蛋白）5）運動與支持作用（肌動蛋白）6）控制生長和分化作用（核蛋白）7）參與細胞間信息傳遞（受體蛋白）二、蛋白質具有多樣性的生物學功能

第二節

蛋白質的化學組成一、蛋白質的元素組成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘。

各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。

由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：

蛋白質的含量=蛋白質含氮量×100/16=蛋白質含氮量×

6.25

蛋白質元素組成的特點二、蛋白質結構的基本單位

—氨基酸天然存在的氨基酸約180余種，但組成人體蛋白質的編碼氨基酸僅有20種，稱為基本氨基酸。且均屬

L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R（一）氨基酸結構上的共同特點：均為

-氨基酸，脯氨酸為-亞氨基酸。R側鏈不同。除甘氨酸外，均具有旋光性。皆為L-

－氨基酸。非極性R基氨基酸極性不帶電荷R基氨基酸帶負電荷的R基氨基酸（酸性氨基酸）帶正電荷的R基氨基酸（堿性氨基酸）（二）氨基酸的結構與分類（R側鏈）*20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:幾種特殊氨基酸+胱氨酸二硫鍵-HH稀有氨基酸

多肽合成后由基本氨基酸經酶促修飾而來，無翻譯密碼。如羥脯氨酸、羥賴氨酸。非蛋白質氨基酸不是蛋白質的組成成分；以游離或結合的形式存在于生物界；大都是常見氨基酸的衍生物；一些是代謝中間產物，如瓜氨酸、鳥氨酸；γ-氨基丁酸等。

第三節

蛋白質的分子結構一級結構（AA序列）二級結構超二級結構結構域三級結構（球蛋白）四級結構（聚合體）

蛋白質結構的層次性一、蛋白質的一級結構*肽鍵（peptidebond）是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）肽鍵和肽+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵*肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。*

兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*

肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基（residue）。*

由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽（polypeptide）。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端*多肽鏈（polypeptidechain）是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。N末端C末端牛核糖核酸酶1、定義蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。（二）蛋白質的一級結構主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。

“一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。”目錄（三）生物活性肽

生物體內存在著許多由幾個或多個氨基酸構成的低分子量的肽，它們在代謝調節和神經傳導等方面起著重要作用，故稱為生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、多肽類激素、神經肽及多肽類抗生素等。

體內許多激素屬寡肽或多肽2.多肽類激素及神經肽3.多肽類抗生素

一類能抑制或殺死細菌的多肽，如短肽桿菌S、短桿菌肽A、纈氨霉素等。三1、測定意義：一級結構是研究高級結構的基礎?？梢詮姆肿铀疥U明蛋白質的結構與功能的關系?？梢詾樯镞M化理論提供依據?？梢詾槿斯ず铣傻鞍踪|提供參考順序。將肽段順序進行疊聯以確定完整的順序

將肽段分離并測出順序專一性裂解末端氨基酸測定二硫鍵拆開純蛋白質蛋白質順序測定基本方法路線

二硝基氟苯法（DNFB法）1945年由Sanger發明此法曾用此方法測定了胰島素的N-末端。DNP-氨基酸用有機溶劑抽提后，通過層析位置可鑒定它是何種氨基酸。（DNP-氨基酸）DNFB丹磺酰氯法（DNS-Cl法）1956年hartley等提出靈敏度較高（比FDNB法提高100倍）樣品量小于1毫微摩爾

DNS-氨基酸穩定性較高此法優點Edman降解法（異硫氰酸苯脂法）

（1）通過異硫氰酸苯脂與蛋白質和多肽的N-端殘基的偶聯，生成PTC-肽；（2）PTC-肽在酸性中環化裂解，轉化為PTH-氨基酸和剩余多肽（N－末端減少一個氨基酸的多肽）。（3）PTH-氨基酸用醋酸乙酯抽提、鑒定。每個循環從蛋白質與多肽裂解一個氨基酸殘基，同時暴露出新的游離的氨基酸進行下一個Edman降解，最后通過轉移的PTH-氨基酸鑒定實現蛋白質序列的測定。Edman降解法的優點是樣品用量少，靈敏度高。Edman反應測定蛋白質N末端：此法能夠不斷重復循環，將肽鏈N-端氨基酸殘基逐一進行標記和解離。PTH-AA肽鏈外切酶:從多肽鏈N-端開始逐個水解掉氨基酸；根據不同反應時間測出釋放的AA種類和數量，最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶

—水解以Leu殘基為N-末端的肽鍵速度最大。B、氨肽酶法C-末端分析肼解法（hydrazinolysis)：羧肽酶法(carboxypeptidase)：借助重疊肽確定肽段次序：

末端殘基HS末端肽段HOWT

APS第一套肽段HOWT

OUS

EOVE

RLA

PS第二套肽段HO

WTOU

SEO

VERL

APS

推斷全順序HOWTOUSEOVERLAPS

二、蛋白質的構象

蛋白質結構的主要層次一級結構四級結構二級結構三級結構primarystructuresecondary

structureTertiarystructurequariernarystructure超二級結構結構域

supersecondarystructureStructuredomain維持蛋白質構象的化學鍵---次級鍵（副鍵）1、氫鍵：發生于負電性很強的原子(O,N)與一個已和氧或氮形成共價結合的氫原子之間。

2、疏水鍵：由非極性基團受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力。3、離子鍵：由異性電荷間的靜電吸引形成的鍵。4、二硫鍵：5、范德華引力：原子、基團、分子間相互作用力。

（一）蛋白質的二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象

。定義

主要的化學鍵：

氫鍵

1、肽單位參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單位

。雖是單鍵卻有雙鍵性質周邊六個原子在同一平面上前后兩個a-carbon在對角CNCHaNCOCa0.123nm0.132nm0.153nm0.147nmC-N0.149nmC=N0.127nm

肽平面和二面角示意圖多肽鏈可以看成由Cα串聯起來的無數個肽單位組成，肽單位是蛋白質結構的最小單位。2、蛋白質二級結構的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉角(

-turn)

無規卷曲(randomcoil)

-螺旋橫截面觀α-螺旋要點：

①右手螺旋，每隔3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距0.54nm，殘基高度0.15nm；②氫鍵是α螺旋穩定的主要次級鍵，相鄰螺圈之間形成鏈內氫鍵。

③R側鏈分布于螺旋的外側，并影響螺旋的形成和穩定。影響α-螺旋穩定的因素：

⑴極大的側鏈基團（存在空間位阻）；

⑵連續存在的側鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基（同種電荷的互斥效應）；

⑶有Pro等亞氨基酸存在（不能形成氫鍵）。

-折疊

β-折疊要點：

a、肽鍵平面之間折疊成鋸齒狀；

b、相鄰肽鏈之間的氫鍵是維持結構穩定的主要次級鍵；

c、肽鏈平行的走向有順式和反式兩種；

d、R側鏈分布在片層的上下。

β－折疊

β-折疊的平行式和反平行式

-折角β-折角要點:

主鏈骨架本身以大約180°回折；回折部分通常由四個氨基酸殘基構成；構象依靠第一個殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。

-折角：

無規線團

無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。

蛋白質二級結構的主要形式

（二）基序（超二級結構、模序、模體）指多肽內順序上相鄰的二級結構單元常常在空間折疊中相互靠近，彼此相互作用，形成有規則的二級結構聚集體。充當三級結構的構件單元或結構域的組成單位，稱超二級結構，又稱基序（motif）。三種基本形式：（αα）、（βαβ）、（βββ）ααββββαβ

（三）結構域多肽鏈在超二級結構基礎上組裝而成的相對獨立的三維實體，稱為結構域（domain）。每個結構域具有特定的功能。

免疫球蛋白的12個結構域

對于較小的蛋白質分子來說，結構域和三級結構往往是一個意思，即單結構域的。大的蛋白質分子可以由2個或更多個結構域組成。（四）蛋白質的三級結構疏水鍵、氫鍵和鹽鍵等。主要的化學鍵整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。

定義

肌紅蛋白（Mb）

N端C端胰島素分子的三級結構溶菌酶分子的三級結構亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。（五）蛋白質的四級結構蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基。血紅蛋白的四級結構

蛋白質的分子結構小結

第四節

蛋白質的結構與功能蛋白質一級結構是空間結構形成的物質基礎；蛋白質的生物學功能是蛋白質分子特定的天然構象所表現的性質或具有的屬性。一、蛋白質一級結構與功能的關系

1、一級結構不同、生物學功能各異

催產素和加壓素都是由垂體后葉分泌的九肽激素。

催產素能使子宮和乳腺平滑肌收縮，具有催產和促使乳腺排乳作用。

加壓素有促進血管平滑肌收縮，升高血壓，減少排尿。

均為9肽，第3位和第8位氨基酸不同。

提示:化學合成ACTH時，不必合成整個39肽。2、一級結構中“關鍵”部分相同，其功能也相同促腎上腺皮質激素(ACTH)是垂體前葉分泌的39肽激素。3、一級結構的變化與疾病的關系例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C（146）HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C（146）

這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。二、蛋白質的空間結構與功能的關系（一）蛋白質前體的活化許多具有一定功能的蛋白質，它們在體內通常以無活性的前體形式產生和貯存。這些前體在機體需要時,經過某種蛋白酶的限制性水解,切去部分肽段之后,才變成有活性的蛋白質。使前體變成活性蛋白質的過程,被稱為激活。如胰島素原的激活過程。胰島素原與胰島素的區別：

（二）蛋白質的變構現象

蛋白質受某些因素的影響，其一級結構不變而空間結構發生一定的變化，導致其生物學功能的改變，稱為蛋白質的變構效應（allostericeffect）或別構作用。

由于血紅蛋白亞基之間存在大量鹽鍵，使其構象呈緊張態，對氧的親和力很低，第一個亞基與O2結合時，鹽鍵的破壞較難，所需要的能量較多。當血紅蛋白的一個亞基結合氧之后引起它的構象從緊張態變成松弛態，其它的鹽鍵也依次破壞，此時破壞鹽鍵所需要的能量也少，構象的變化導致血紅蛋白對氧的親和力大大增強，因此第四個亞基結合氧的能力比第一個大幾百倍。（三）蛋白質構象改變與疾病蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|的折疊發生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發生。蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白（PrP）引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病

正常朊病毒蛋白結構（顯示

-螺旋）

朊病毒結構（顯示

-片層結構）

第五節

蛋白質的性質（一）蛋白質的兩性電離

一、理化性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。

*蛋白質的等電點（pI）當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。（二）蛋白質的膠體性質蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內。*蛋白質膠體穩定的因素顆粒表面電荷水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩定的蛋白質顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉（三）蛋白質的變性、沉淀和凝固*蛋白質的變性（denaturation）在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。

造成變性的因素如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質——

破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質的一級結構。

應用舉例臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。

若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性（renaturation）。

天然狀態，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態，無活性蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發生沉淀，但并不變性。蛋白質的凝固：蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。

（四）蛋白質的紫外吸收由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。練習題：肽鍵是由一個氨基酸的α-碳原子上的

與另一個氨基酸α-碳原子上

，脫去一分子水形成的，它是蛋白質分子中的基本結構鍵。蛋白質一級結構指的是組成蛋白質的多肽鏈中

的排列順序，其主要化學鍵是

。各種蛋白質的含氮量很接近，平均為

。堿性氨基酸包