蛋白質化學1

1、第一節(jié) 氨基酸第二節(jié) 蛋白質的分子結構第三節(jié) 蛋白質結構與功能的關系第四節(jié) 蛋白質的理化性質第五節(jié) 蛋白質的分離與鑒定,第一章 蛋白質的化學,掌握蛋白質的元素組成、蛋白質的基本組成單位—氨基酸及其連接方式；掌握肽鍵和多肽鏈；掌握蛋白質的一、二、三、四級結構、模體、結構域；了解蛋白質的重要性，生物活性肽的作用，蛋白質的分類；了解蛋白質的一級結構與空間結構和功能的關系；了解蛋白的理化性質及其提取、純化原理。,蛋白質（Pr

2、otein）是一類生物大分子，由一條或多條肽鏈構成，每條肽鏈都由一定數量的氨基酸按一定順序以肽鍵連接形成。,引言：蛋白質概述,蛋白質存在于所有生物細胞中，是構成生物體最基本的結構物質和功能物質；蛋白質是生命活動最基本的物質基礎，參與了幾乎所有的生命活動過程。如生物專有的催化劑—酶；,引言：蛋白質概述,一、蛋白質的生物學功能:,1.作為生物催化劑：在體內催化各種物質代謝反應的酶幾乎都是蛋白質。(已發(fā)現3,000多種)2.調節(jié)代謝反應：

3、一些激素是蛋白質或肽，如胰島素、生長素。3.運輸載體：如紅細胞中運輸O2、CO2要靠血紅蛋白、運輸脂類物質的是載脂蛋白、運鐵蛋白等轉運蛋白或叫載體蛋白。4.參與機體的運動：如心跳、胃腸蠕動等，依靠與肌肉收縮有關的蛋白質來實現，如肌球蛋白、肌動蛋白。,5.參與機體的防御：機體抵抗外來侵害的防御機能，靠抗體，抗體也稱免疫球蛋白，是蛋白質。 6.接受傳遞信息：如口腔中的味覺蛋白、視網膜中的視覺蛋白。7.結構成分：建造和維持生物體的結構

4、。（如α-角蛋白、阻遏蛋白及轉錄因子等）8.其它：如雞蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是營養(yǎng)和儲存蛋白；還有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特異的生物學功能。,所以，我們不難理解，為什么說沒有蛋白質就沒有生命。,一、蛋白質的生物學功能:,1、元素組成,碳（50～55%）氫（6～7%）氧（19～24%）氮（13～19%）硫（0～4%）,主要元素,Others：P、Cu、Fe、Zn、Mn、Co、Se、I。,二、蛋白質的化學組成和分類,蛋白氮占生

5、物組織所有含氮物質的絕大部分。大多數蛋白質含氮量接近于16%。因此，可用定氮法來推算樣品中蛋白質的含量：,每克樣品含氮克數×6.25 = 每克樣品中蛋白質含（g）,2、蛋白質的含氮量,奶粉-三聚氰胺事件,三聚氰胺結構式,NH3 + 3 CO2,6,+,硅膠,,密胺、蛋白精,——蛋白質的構件分子,Protein Architecture,一、氨基酸,(Amino Acid, AA, Aa, aa)

6、,第一節(jié)、氨 基 酸,寡肽——10個以下氨基酸殘基組成的肽；多肽或蛋白質——10個或以上氨基酸殘基組成的肽。多肽鏈中的氨基酸分子因脫水縮合而殘缺，故稱為氨基酸殘基。將氨基酸殘基連接成一條長鏈多肽的主鍵是肽鍵；由肽鍵連接各氨基酸殘基形成的長鏈骨架稱為多肽主鏈；各氨基酸側鏈基團統稱為多肽側鏈。,（一） 蛋白質水解,氨基酸通過肽鍵連接成的化合物稱為肽。根據氨基酸殘基的數目分別稱為寡肽、多肽或蛋白質。,蛋白質和多肽的肽鍵可被催化水解酸

7、/堿能將蛋白完全水解（HCl/NaOH） 酶水解一般是部分水解,得到各種AA的混合物,得到多肽片段和AA的混合物,氨基酸是蛋白質的基本結構單元,地球上天然形成的AA 300種以上。構成蛋白質的AA只有20余種，稱蛋白質氨基酸，不參與蛋白組成的稱為非蛋白質氨基酸。,（二） 氨基酸的結構,氨基酸是指含有氨基的羧酸。蛋白質是由20種氨基酸組成的，除脯氨酸外，均為α-氨基酸（且其化學結構均為L-氨基，除甘氨

8、酸外）。即羧酸分子中α-碳原子上的一個氫原子被氨基取代而成的化合物。,什么是氨基酸？,非解離形式,解離形式,半胱氨酸是含硫氨基酸，在蛋白質分子中，有時2個半胱氨酸殘基上的巰基脫氫，以二硫鍵相連形成胱氨酸。脯氨酸是唯一的環(huán)狀亞氨基酸，其可羥化生成羥脯氨酸。,六伴窮光蛋，酸谷天出門，死豬肝色臉，只攜一兩錢。一本落色書，揀來精讀之。芳香老本色，不搶甘肅來。,半胱、胱、蛋（甲硫）氨酸→含硫氨基酸谷氨酸、天冬氨酸→酸性氨基酸絲

9、、組、甘、色氨酸→一碳單位來源的氨基酸纈、異亮、亮氨酸→支鏈氨基酸異亮、苯丙、酪、色、蘇氨酸→生糖兼生酮賴氨酸、精氨酸、組氨酸→堿性氨基酸酪、苯丙、色氨酸→芳香族氨基酸脯、羥脯、甘、蘇、賴氨酸→不參與轉氨基的氨基酸,甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、色氨酸、絲氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、蘇氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸、精氨酸和組氨酸,,,二十種氨基酸:,（三）氨基酸的分類,纈

10、,組,丙,脯,賴,異亮,亮,天冬,苯丙,酪,天酰,谷酰,谷,精,色,甘,絲,半胱,蘇,甲硫,1、按酸堿性質,(1) 酸性氨基酸：2種 天冬、谷氨酸(2) 堿性氨基酸：3種 賴、組、精氨酸(3) 中性氨基酸：15種,2、按R基團的化學結構分,(1)脂肪族氨基酸：15種，丙、纈、亮、異亮、蛋、天冬、谷、賴、精、甘、絲、蘇、半胱、天冬酰胺、谷氨酰胺。(2)芳香族氨基酸：3種，苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。(3)雜環(huán)氨基酸：2種，組氨酸、脯

11、氨酸。,3、根據側鏈R基團是否有極性分,(1)極性帶正電荷的氨基酸：精氨酸、賴氨酸、組氨酸 (2)極性帶負電荷的氨基酸： 天冬氨酸、谷氨酸(3)極性不帶電荷的氨基酸：絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺. (4)非極性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。,非極性氨基酸在維持蛋白質的三維結構中起著重要作用（蛋白質的疏水核心）。,（1）極性氨基酸R帶正電荷：,（2）極性

12、氨基酸R帶負電荷：,（3）極性氨基酸不帶電：,（4）非極性氨基酸：,4、根據人體能否自身合成,(1)必需氨基酸：8種，賴氨酸(Lys)、纈氨酸(Val)、甲硫氨酸(Met)、色氨酸(Try)、亮氨酸(Leu)、 異亮氨酸(Ile)、蘇氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe)(2)半必需氨基酸：2種，Arg、His嬰兒期供給不足(3)非必需氨基酸：其余,假設來借一本書,在少數蛋白質中分離出一些不常見的氨基酸，通常稱為不常見蛋白質氨基酸。這

13、些氨基酸都是由相應的基本氨基酸衍生而來的。,5、幾種重要的不常見氨基酸,,1、溶解度2、氨基酸的旋光性甘氨酸除外，無手性碳原子。,二、氨基酸的溶解度、旋光性、光吸收,說明： (1)蘇氨酸，異亮氨酸，羥脯氨酸，羥賴氨酸，有二個不對稱碳原子。 蘇氨酸的四個異構體如下：,(2) 胱氨酸光學異構體的特殊性。,外消旋體：一對對映體右旋體和左旋體的等量混合物。旋光方向相反、旋光能力相同的分子等量混合而成，其旋光性因這些分子間的作用

14、而相互抵消，因而是不旋光的。 內消旋體：分子內，含有構造相同的手性碳原子，但存在對稱面的分子。分子內雖然含有兩個不對稱碳原子C*，但由于它們具有對稱因素，一半分子的右旋作用被另一半分子的左旋作用在內部所抵消，因此是一個不旋光性化合物 。,3、氨基酸的吸光性在遠紫外光區(qū)域無吸光值；在近紫外光區(qū)域（220—300nm）只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力；酪氨酸的最大光吸收波長（λmax）在275nm，ε275=1400；

15、苯丙氨酸的λmax在275nm，ε275=200；色氨酸的λmax在280nm, ε280 =5600。利用分光光度法很方便地測定蛋白質的含量。,兼性離子（兩性離子）：所謂兩性離子是指在同一個氨基酸分子上帶有能放出質子的—NH3+正離子和能接受質子的—COO-負離子。因此，氨基酸是兩性電解質。,三、氨基酸的酸堿性質,（一）兼性離子,非解離形式,解離形式,pIpH 帶正電，向陰極移動；pI＝pH不帶電，不移動,氨基酸可以做緩沖試劑,（

16、二）氨基酸的解離,當溶液為某一pH值時，AA的氨基和羧基的解離度完全相等，正負離子濃度相等。AA主要以兼性離子的形式存在，分子中所含的正負電荷數目相等，凈電荷為0。這一pH值即為AA的等電點（pI）。在pI時，AA在電場中既不向正極也不向負極移動，即處于兩性離子狀態(tài)。 在pI時，AA的溶解度最小。,（三）氨基酸的等電點,側鏈不含離解基團的中性AApI = (pK’1 + pK’2 )/2,甘氨酸滴定曲線,對于側鏈含有可解離基團的

17、AApI 取決于兩性離子兩邊pK’值的算術平均值酸性AA：pI = (pK’1 + pK’R-COO- )/2 堿性AA：pI = (pK’2 + pK’R-NH2 )/2,酸性氨基酸：,堿性氨基酸：,四、氨基酸的化學反應,（1）α-氨基參加的反應（2）α-羧基參加的反應（3）α-氨基和α-羧基共同參加的反應（4）側鏈R基參加的反應,氨基酸的化學反應,亞硝酸鹽反應烴基化反應?；磻摪被磻鞣饓A反應,側鏈反應,成鹽

18、成酯反應成酰氯反應脫羧基反應疊氮反應,(1) α-氨基參加的反應,①與亞硝酸反應（范斯萊克法測定氨基酸含量的依據）可用來進行氨基酸定量和蛋白質水解程度的測定。除脯氨酸,,室溫下,②氨基酸的甲醛滴定(用于氨基酸定量分析),氨基酸不能直接用酸、堿滴定來進行定量測定。,OH-,中和滴定,應用：氨基酸定量分析—甲醛滴定法（間接滴定）A.直接滴定，終點pH過高（12），沒有適當指示劑。B.與甲醛反應，滴定終點在9左右，可用酚酞作指示劑

19、。C.簡單快速，一般用于測定蛋白質的水解速度。,是生物化工產品、食品和發(fā)酵物等產品中氨基氮的測定原理和方法,③與2,4－二硝基氟苯（DNFB或FDNB，Sanger試劑）,首先被英國的Sanger鑒定多肽蛋白質的N末端氨基酸。,二硝基苯基氨基酸,Frederick Sanger  (桑格),英國化學家，在生物化學領域的貢獻很大，他兩次獲諾貝爾獎1958和1980年；1953年確定了牛胰島素一級結構；1975年和1977年確定

20、了DNA的兩種用酶測序的方法加減法和終止法。,1918.08－2013.11,Edman 降解法原理,④與苯異硫氰酸酯（PITC）,苯乙內酰硫脲氨基酸（PTH肽）,⑤與?；噭┓磻?氨基酸的氨基與酰氯或酸酐在弱堿溶液中發(fā)生作用時，氨基被酰基化。,用于多肽鏈N末端氨基酸的標記和微量氨基酸的定量測定及保護氨基。,,叔丁氧甲酰氯、對甲苯磺酰氯、鄰苯二甲酸酐、丹磺酰氯等。,常用的酰化試劑:,丹磺酰氯,鄰苯二甲酸酐,⑥生成西佛堿的反應（Schif

21、f’base）,西佛堿是以氨基酸為底物的某些酶促反應的中間物。,⑦脫氨基反應,氨基酸在生物體內經氨基酸氧化酶的催化即脫去α-氨基而轉變成酮酸。,,(2)α-羧基參加的反應,1、成鹽和成酯：羧基被保護，氨基被活化，重金屬鹽不溶于水。2、成酰氯反應：氨基被保護，羧基被活化，在多肽人工合成中常用。3、脫羧基反應：4、疊氮反應：常用于多肽的合成。,可以屏蔽羧基活化氨基,R,CH,COOH,NH,2,,,,+,C2H5OH,,干燥， HCl

22、,回流,,R,CH,COOC2O5,NH3Cl-,,,,,+,+,H2O,成酯反應,R,CH,COOH,NH,2,,,,+,NaOH,,R,CH,COONa,NH,2,,,,+,H2O,1、成鹽、成酯反應,氨基被保護后，羧基可與二氯亞砜或五氯化磷反應，生成酰氯，使羧基活化，在多肽的人工合成中常用。,HN-保護基,R-CH-COOH,,+,PCl5,HN-保護基,R-CH-COCl,,+,POCl3,,+,HCl,,？,三氯氧磷,2、成酰

23、氯的反應,氨基酸的氨基通過?；Ｗo后，羧基經酯化轉變?yōu)榧柞?，然后與肼和亞硝酸變成疊氮化合物,,,3、疊氮反應,用于多肽人工合成中的羧基激活,,將?-氨基酸加熱時，可脫去CO2得到胺。,,Ba(OH)2,NH2 R-CH-COOH-------R-CH2-NH2+CO2,脫羧酶,,H,2,N-CH,2,CH,2,CH,2,-NH,2,,H,2,N-CH,2,CH,2,CH,2,CH,COOH,NH,2,,,,CH,CH,2,2,

24、尸胺,,4、脫羧基反應,賴氨酸,1,5-二氨基戊烷,茚三酮在弱酸中與α-氨基酸共熱，引起氨基酸的氧化脫氨，脫羧反應，最后，茚三酮與反應產物——氨和還原茚三酮反應，生成藍紫色物質（λmax=570nm）。,（三）α-NH2和α-COOH共同參加的反應,1、與茚三酮反應,2，2-二羥基二氫化茚-1，3-二酮,,+,+ NH3+RCHO+CO2 +H2O,+,+,,C,C,C,OH,O,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,C,C,O,

25、O,N,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,藍紫色復合物,Pro、Hy-Pro （羥脯氨酸）與直接形成黃色化合物,,茚三酮,還原茚三酮,還原茚三酮,茚三酮,（λmax=570nm）,2024/3/26,62,一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基可以縮合成肽，形成的鍵稱肽鍵。,肽鍵,,,2、成肽反應,氨基酸側鏈功能基團:苯環(huán)—色氨酸、苯丙氨酸羥基—絲氨酸、蘇氨酸巰基—半胱氨酸吲哚基—色氨酸胍基—精氨酸咪唑基—組氨酸非α-

26、氨基—賴氨酸非α-羧基—谷氨酸、天冬氨酸,側鏈基團可與特異試劑發(fā)生特定反應，用于氨基酸的鑒定，氨基酸的修飾。 蛋白質化學修飾：在較溫和的條件下，以可控制的方式使蛋白質某些試劑起特異反應，以引起蛋白質中個別氨基酸側鏈或功能基團發(fā)生共價化學改變。,（四）側鏈R基參加的反應,1、酪氨酸的酚羥基： 在3和5位上容易發(fā)生親電取代反應，例如發(fā)生碘化或硝化，分別生成一碘酪氨酸和二碘酪氨酸或一硝基酪氨酸和二硝基酪氨酸。,酪氨酸

27、,,2、組氨酸的側鏈咪唑基：,與重氮苯磺酸也能形成相似的化合物，但顏色稍有差異，呈棕紅色。,,重氮苯磺酸,3、精氨酸的側鏈胍基：,在硼酸鈉緩沖液(pH8-9, 25-35℃)中，與1，2-環(huán)己二酮反應，生成縮合物：,,4、半胱氨酸側鏈上的巰基（－SH）,,（1）與鹵化烷生成穩(wěn)定的烷基衍生物,可保護 -SH 以防被氧化。,CH2COO－,＋ I－,,,,（2）巰基能和各種金屬離子形成絡合物,對羥基汞苯甲酸,-SH 酶遇到重金屬離子而生成硫

28、醇鹽時，將導致酶失活。,（3）巰基易受空氣或其他氧化劑氧化　　　　　 －－形成兩種氧化衍生物,形成二硫化物：胱氨酸的形成。,胱氨酸,,二硫鍵,,,,,SO3H,（4）形成磺酸基：對游離的巰基具有保護作用，保護Cys巰基之間的氧化。,5、羥基（－OH）,絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸－－?磷酸酯。,Pi,,,+,HPO4 2-,1、醫(yī)藥工業(yè)（1）氨基酸輸液：（2）必需氨基酸：蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮

29、氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸、蛋氨酸（3）半必需氨基酸：精氨酸、組氨酸是幼兒所必需的。,八、氨基酸的應用,治療藥劑,（1）精氨酸：對治療高氨血癥、肝機能障礙等疾病頗有效果；（2）天冬氨酸：鉀鎂鹽可用于恢復疲勞；治療低鉀癥心臟病、肝病、糖尿病等。（3）半胱氨酸：能促進毛發(fā)的生長，可用于治療禿發(fā)癥；甲酯鹽酸鹽可用于治療支氣管炎等；（4）組氨酸：可擴張血管，降低血壓，用于心絞痛，心功能不全等疾病的治療。,2、化學工業(yè),（1）維生素B

30、6:可采用丙氨酸或天冬氨酸為原料合成。（2）葉酸：需要用谷氨酸為原料合成。（3）氨基酸表面活性劑：酰基谷氨酸鈉、十六烷基-L-賴氨酰-L-賴氨酸甲酯二鹽酸、月桂酰-L-精氨酸乙酯鹽酸等具有較強的抗菌殺菌活性，且無刺激性。（4）聚合氨基酸：聚谷氨酸甲酯可用于作為合成皮革的表面處理劑；聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基酯與磷酸高級烷基酯結合得到化合物可作為可塑劑，穩(wěn)定劑等。,3、食品工業(yè),營養(yǎng)強化劑——賴氨酸：能促進人體發(fā)育、增強免疫功能，

31、并有提高中樞神經組織功能的作用；谷氨酸鈉－味精；天冬氨酸鈉：可用于清涼飲料，能增加清涼感并使香味濃厚爽口；天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：－甜味素APME,4、農業(yè),殺蟲劑：刀豆氨酸、5-羥色氨酸可使南方毛蟲拒食而死；半胱氨酸可殺死黃瓜蠅；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸鹽具有較強的殺蚜蟲和殺螨效果；殺菌劑：N-月桂酰纈氨酸可作為治療稻瘟病；?-1，4環(huán)己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等；除草劑：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等；,5

32、、化妝品工業(yè),氨基酸能調節(jié)皮膚pH的變動，對細菌的防護作用，也可作為皮膚、毛發(fā)的營養(yǎng)成分，增加皮膚、毛發(fā)的光澤。防止皮膚干燥的自然保濕因子的主要成分是甘氨酸、羥基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、絲氨酸等游離氨基酸。在化妝品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些維生素，可防止皮膚老化。,6、飼料添加劑,用的氨基酸主要有蛋氨酸和賴氨酸。其功效主要是:促進動物生長發(fā)育;改善肉質,提高畜禽生產能力,增加產量;提高飼料利用率,節(jié)省蛋白質飼料;降低成本。如