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蛋白质化学
本科药学 生物化学 蛋白质化学
编辑于2022-03-12 13:51:18- 药学 生物化学 蛋白质化学
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蛋白质化学
什么是蛋白质
蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物
第一节 概述
蛋白质的含量和分布
蛋白质的主要生理学作用
蛋白质的分类
根据组成成分
单纯蛋白质
结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分
根据蛋白质形状
纤维状蛋白质
球状蛋白质
第二节 蛋白质的化学组成
蛋白质的元素组成
主要：C、H、O、N、S等
N元素含量相对稳定，约为16%，故每克氮相当于6.25g蛋白质
蛋白质含量计算：每100g样品中蛋白质含量（g%）=每克样品含氮量*6.25*100
蛋白质的基本单位
氨基酸结构
蛋白质的基本单位--氨基酸
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-氨基酸结构通式：
氨基酸的分类
R侧链基团解离性质的不同
非极性的R基氨基酸
侧链基团无极性
极性不带电荷的R基氨基酸
（Gly）侧链基团有极性;但在中性溶液中不发生解离，故不带电荷
带负电荷的R基氨基酸
（Glu、Asp） 侧链基团在 中性溶液中解离后带负电荷
带正电荷的R基氨基酸
（His，Arg，Lys）侧链基 团在中性溶液中解离后带正电荷
附：编码氨基酸（甲硫氨酸）与非编码氨基酸 修饰氨基酸
氨基酸的性质
一般物理性质：无色晶体，熔点一般较高（230~300）等
化学性质
两性解离与等电点
氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度
等电点 (isoelectric point,pl) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。
紫外吸收性质
芳香族氨基酸含有苯环共轭双键系统280nm附近有最大吸收值
茚三酮反应
氨基酸与茚三酮加热反应产生蓝紫色物质
氨基酸的功能
氨基酸的分离与分析
第三节 蛋白质的分子结构
蛋白质概念
由许多氨基酸通过肽键连接起来、具有特定分子结构的高分子化合物
一、蛋白质的一级结构（共价结构或基本结构)
概念
蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序及二硫键的连接方式即多肽链的线状结构
主要化学键：肽键，还有一些包括二硫键
肽键与肽链
一个氨基酸分子的a-羧基与另一个氨基酸分子的a-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽
两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键
两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽 , 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。 一般而论，蛋白质通常含50个氨基酸以上多肽则为50个氨基酸以下。
多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基
多肽链(polypeptide chain)具有方向性，头端为氨基端(N端)，尾端为羧基端(C端)
生物活性肽
概念
生物体内具有一定生物活性的肽类物质
分类
谷胱甘肽（GSH）
简介
由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成的三肽
有还原型（GSH）和氧化型（GSSG）两种形式
生理作用
解毒作用:与毒物或药物结合，消除其毒性作用
参与氧化还原反应:作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应
保护巯基酶的活性:使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态
维持红细胞膜结构的稳定:消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用
多肽类激素及神经肽
催产素
肾上腺皮质激素
多肽类抗生素
其他
蛋白质一级结构测定的原理
二、蛋白质的构象
概念：蛋白质分子内原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。 （又称为蛋白质的空间结构、高级结构）
（一）维持蛋白质构象的化学键
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。
疏水键
非极性基团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。
离子键
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。
配位键
蛋白质与金属离子结合时可存在。
二硫键
两个半胱氨酸的巯基脱氢而成。
范德华力
原子、基团等之间存在的相互作用力
（二 ）蛋白质的二级结构
概念
是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构。(不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容)
维系的键：主要氢键
1.肽单位
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。 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。 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。
2.分类
形成原因：蛋白质主链构象的结构单元－－肽单位上Cα所连的两个单键的自由旋转角度，决定两个相连肽单位的相对空间位置。由于旋转角度的不同，形成了几种二级结构
α-螺旋
α-螺旋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
特征
为一右手螺旋； 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm； 螺旋以氢键维系。
稳定性影响因素
极大的侧链基团（存在空间位阻）； 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）； 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。
β-折叠
β-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象
特征
由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构； 主链骨架伸展呈锯齿状； 借相邻主链之间的氢键维系。
β-转角
β-转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构
特征
主链骨架本身以大约180°回折; 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; 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。 脯氨酸常出现在β-转角中。
无规卷曲
肽链结构表现为环或卷曲结构。 多肽链主链部分目前还没有确定规律性，习惯称为“无规卷曲”。 无规卷曲结构同样表现重要的生物学功能。
基序
概念：许多蛋白质分子中，由若干（2～3个）具有二级结构的肽段再组合形成具有特殊功能的结构区域，又称模体（motif)或超二级结构（super secondary structure）。
一个基序有其特征性的氨基酸序列，并相关于特定的功能。锌指结构、结合Ca2+的模体
（三）蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构是整条多肽链中全部氨基酸残基（指蛋白质分子或亚基内所有原子）的空间排布，也就是一条多肽链的完整的三维结构（包括主链和侧链的构象）。
三级结构是在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构。
维系三级结构的化学键
主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键、范氏引力等
也有共价键，如二硫键等
结构域
概念：较大的蛋白质分子中，三级结构可包含（分割成）数个球状或纤维状区域，它们折叠紧密，结构相对独立，各具特定功能活性，称为结构域。
结合功能域、催化功能域，等等
结构域大多呈“口袋”、“洞穴”、“裂隙”状；某些还镶嵌有辅基
结构域形成：在某些局部二级结构汇集在一起，从而形成一些在功能上相对独立、结构较为紧凑、在空间上可以明显区别区域。（在一级结构上相距较远的氨基酸残基，通过三级结构的形成，多肽链的弯折，可彼此聚集在一起。）
一般每个结构域约由100-200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，功能上相对独立并承担不同的生物学功能。
结构域是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。结构域可视为三级结构蛋白的组件，而模体可能是结构域的亚单位。
（四）蛋白质的四级结构
由2条或2条以上、具有独立三级结构的多肽链，通过次级键连接而成的在空间上有严格布局的更复杂的空间构象称蛋白质的四级结构。
蛋白质的四级结构就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局。
亚基
亚基(subunit)就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。
维持键：维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。
第四节 蛋白质的结构与功能
一、蛋白质一级结构与功能的关系
1、一级结构不同，生物学功能各异
2、一级结构中的“关键”部分相同，其功能也相同。
3、4、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。
二、蛋白质空间构象与功能的关系
蛋白质特定的空间构象是表现其生物学功能或活性所必需 蛋白质多种多样的功能与其特定的空间构象密切相关
1、蛋白质前体的活化
蛋白质原（酶原）形式 分泌型蛋白质除含信号肽外，还含有前导肽或插入肽
2、蛋白质的变构现象
亦称变构效应、别构作用等 蛋白质常含有多个亚基 酶活性调节的重要形式
氧解离曲线
肌红蛋白（Mb）：直角双曲线 血红蛋白（Hb）：S状曲线
血红蛋白的变构效应
由于小分子（O2）与蛋白质（Hb）亚基结合，使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。
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。 促结合－－正协同效应（positive cooperativity） 促解聚－－负协同效应（negative cooperativity）
蛋白质构象改变与疾病
蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。
如：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。
第五节 蛋白质的理化性质
一、蛋白质分子的大小与形状
蛋白质是高分子化合物
蛋白质的不对称常数
蛋白质分子量的测定
超速离心法、分子筛层析法、SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳、生物质谱等
二、蛋白质的变性与复性
概念
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的改变和生物学活性的丧失，称为蛋白质的变性(denaturation)。
性质改变
物理性质改变：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； 化学性质改变：官能团反应性增加，结晶能力消失，易被蛋白酶水解。 生物学性质改变：原有生物学活性丧失，抗原性改变。
引起蛋白质变性的因素
物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等； 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。
注意：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。
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，称为不可逆性变性
如变性程度较轻，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，在去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性（renaturation）
三、蛋白质的两性解离与等电点
蛋白质与氨基酸一样，具有两性解离的性质（两性电解质），也具有特定的等电点
多肽链的末端氨基、羧基解离 氨基酸残基的R侧链上存在游离的氨基、羧基、胍基、咪唑基等均可解离
蛋白质的等电点
蛋白质处于某一pH值中，所带的正负电荷正好相等，净电荷为0，呈兼性离子，此时溶液pH称为该蛋白质的等电点
溶液pH值和蛋白质等电点的关系： 当pH > pI时，蛋白质为负离子，带负电荷 当pH = pI时，蛋白质为兼性离子，净电荷为0 当pH < pI时，蛋白质为正离子，带正电荷 蛋白电泳
四、蛋白质的胶体性质
蛋白质的分子量为1万～100万之间，球形蛋白质分子颗粒直径为4.3nm左右，处于1～100nm胶体颗粒的范围。
蛋白质亲水基团（羧基、氨基、羟基）在分子表面可起水合作用（每克蛋白质结合水0.3～0.5），因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。
蛋白质溶液在一定条件下相当稳定
稳定蛋白质亲水胶体的重要因素：水化膜，表面电荷
蛋白质分子大，不能透过半透膜
透析：利用半透膜分离纯化蛋白质的方法 蛋白质的沉降系数（S）：单位力场中的沉降速度（与分子量成正比）
五、蛋白质的紫外吸收与呈色反应
紫外吸收光谱
在紫外光280nm处有强吸收峰。 蛋白质分子中的酪氨酸、色氨酸等含有共轭双键。
蛋白质的呈色反应
（1）双缩脲反应 (Biuret Reaction) （2）茚三酮反应 （3）Folin–酚试剂反应