1、第二章第二章 蛋白质化学蛋白质化学 (Protein Chemistry)(Protein Chemistry)第二节第二节 蛋白质的基本结构蛋白质的基本结构-氨基酸氨基酸一、蛋白质的水解一、蛋白质的水解 蛋白质可以被酸、碱和蛋白酶酸、碱和蛋白酶水解，逐渐降解直到最后成为氨基酸的混合物。ProteinH+orOH-or酶各种混合物分离各种电泳、色谱、离子交换等（均为L 型）二、氨基酸的结构与分类二、氨基酸的结构与分类1 1、氨基酸的结构通式、氨基酸的结构通式 AAAA的结构特点的结构特点是是-AA(-AA(除脯氨酸外）；除脯氨酸外）；都具有光学性都具有光学性(有有D-D-和和L-L-型两种光学
2、异构型两种光学异构体体)-除甘氨酸外除甘氨酸外。组成蛋白质的二十种基本氨基酸组成蛋白质的二十种基本氨基酸（二）、氨基酸的两性解离及等电点（二）、氨基酸的两性解离及等电点 两性化合物（两性化合物（ampholytesampholytes）两性离子（两性离子（zwitterionzwitterion）(三）、氨基酸的重要化学反应三）、氨基酸的重要化学反应 1 1、氨基的反应氨基的反应 （A A）与亚硝酸的反应）与亚硝酸的反应 （B B）与醛类反应）与醛类反应（C C）与酰化试剂反应）与酰化试剂反应（D D）烃基化反应）烃基化反应2.-2.-羧基的反应羧基的反应成盐成盐成酯成酯3.3.氨基和羧基共同
3、参与的反应氨基和羧基共同参与的反应（A A）成肽反应）成肽反应（B B）与茚三酮的反应）与茚三酮的反应水合茚三酮水合茚三酮注意：与注意：与ProPro反应产物是反应产物是黄色，黄色，AsnAsn棕色棕色氨基酸与茚三酮水合氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成物共热，可生成蓝紫蓝紫色色化合物，其最大吸化合物，其最大吸收峰在收峰在570nm570nm处。由于处。由于此吸收峰值与氨基酸此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定因此可作为氨基酸定量分析方法。量分析方法。4 4、氨基酸的分离制备和分析鉴定、氨基酸的分离制备和分析鉴定 （目前分离分析常用方法（目前分离分析常用方
4、法层析法）层析法）第三节第三节 蛋白质的结构蛋白质的结构肽的概念肽的概念 肽肽(peptide(peptide）：氨基酸通过肽键连接形成的链）：氨基酸通过肽键连接形成的链状化合物状化合物u 肽是氨基酸的线性聚合物，因此常称为肽链肽是氨基酸的线性聚合物，因此常称为肽链(peptide(peptide chainchain）。肽键肽键(peptide bond)(peptide bond)：是由一个氨基酸的：是由一个氨基酸的 -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合而形成氨基脱水缩合而形成的酰胺键。的酰胺键。H2NCCHR1OHO+N CHHHR2COOHH2OH2N CCHR1
5、ONCHR2COOHH肽键 肽链中的酰胺基（肽链中的酰胺基（COCONHNH）称为肽基或肽单位；称为肽基或肽单位；肽链的骨干是由肽链的骨干是由N NC CC C序列重复排列而成，称为共序列重复排列而成，称为共价主链（价主链（main chainmain chain或或backbonebackbone）；）；肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，称为残基肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，称为残基amino-terminal peptide bondresiduescarboxyl-terminal寡肽和多肽寡肽和多肽 通常将含几个至十几个氨基酸残基的肽链称通常将含几个至十几个氨基酸残
6、基的肽链称为为寡肽寡肽（oligopeptideoligopeptide）2020个以上氨基酸残基的肽链称为个以上氨基酸残基的肽链称为多肽多肽（polypeptidepolypeptide）蛋白质是由一条或多条具有确定氨基酸序列蛋白质是由一条或多条具有确定氨基酸序列的多肽链构成的大分子的多肽链构成的大分子生物活性肽生物活性肽 生物体内一些具有特殊功能的肽，称为生物体内一些具有特殊功能的肽，称为生物生物活性肽活性肽（天然肽）（天然肽）一般多为寡肽和分子较小的多肽一般多为寡肽和分子较小的多肽 生物活性肽一般与机体的免疫防御、代谢调生物活性肽一般与机体的免疫防御、代谢调节等功能有关。节等功能有关。如
7、：谷胱甘肽（如：谷胱甘肽（GSHGSH）、神经肽、抗菌肽）、神经肽、抗菌肽几种生物活性肽几种生物活性肽（1 1）谷胱甘肽）谷胱甘肽(glutathione,GSH(glutathione,GSH，还原型，还原型)谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽 SHSH为活性基团为活性基团 是体内重要的是体内重要的还原剂还原剂 具有还原型和氧化型具有还原型和氧化型Glu-Cys-Gly S SGlu-Cys-GlyGlu-Cys-GlyGSHGSH，还原型，还原型GS-GSGS-GS，氧化型，氧化型GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原
8、酶还原酶NADPH+H+NADP+主要功能主要功能:肽类激素：肽类激素：u 催产素、加压素等催产素、加压素等 神经肽神经肽(neuropeptideneuropeptide)：u 脑啡肽、内啡肽、强啡肽脑啡肽、内啡肽、强啡肽（2 2）肽类激素及神经肽）肽类激素及神经肽蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括：一级结构一级结构 (primary structure)(primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)(secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)(tertiary structur
9、e)四级结构四级结构 (quaternary structure)(quaternary structure)一、蛋白质分子的基本化学结构（共价一、蛋白质分子的基本化学结构（共价结构）结构）一级结构一级结构 根据国际纯化学与应用化学联合会根据国际纯化学与应用化学联合会(IUPAC)1969(IUPAC)1969年的规定年的规定，一级结构专指一级结构专指氨基酸序列，而蛋白质的化学结构则包氨基酸序列，而蛋白质的化学结构则包括肽链数目、端基组成、氨基酸序列和括肽链数目、端基组成、氨基酸序列和二硫键的位置，又称共价结构二硫键的位置，又称共价结构。主要化学键：主要化学键：肽键；而且肽键；而且二硫键二硫键
10、的位的位置也属于一级结构研究范畴。置也属于一级结构研究范畴。蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(primary structureprimary structure)指它指它的的氨基酸序列氨基酸序列 。例子：牛胰岛素例子：牛胰岛素牛胰岛素原分子氨基酸序列。牛胰岛素分子由牛胰岛素原分子氨基酸序列。牛胰岛素分子由A A、B B两条链两条链组成，酶原激活时，将组成，酶原激活时，将C C链除去链除去牛牛胰岛素分子一级结构（氨基酸序列）胰岛素分子一级结构（氨基酸序列）一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。能的基础。CHNH2COOHCH2SHCHNH2COO
11、HCH2SHCHNH2COOHCH2SCHNH2COOHCH2SH2二二 硫硫 键键半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸胱氨酸二硫键具有稳定蛋白质结构的作用提问：维持蛋白质一级结构的作用力是什么键？答案：肽键和二硫键维持蛋白质一级结构的化学键为共价键（肽键和二维持蛋白质一级结构的化学键为共价键（肽键和二硫键），主要是肽键，因此蛋白质分子的一级结构硫键），主要是肽键，因此蛋白质分子的一级结构称为共价结构称为共价结构 1 1、蛋白质分子中氨基酸的连接方式、蛋白质分子中氨基酸的连接方式肽键肽键 2 2、多肽链的数目、多肽链的数目 3 3、每条多肽链中氨基酸的数目、种类及排列顺序、每条多肽链中氨基酸
12、的数目、种类及排列顺序 4 4、多肽链间或链内二硫键的位置和数目、多肽链间或链内二硫键的位置和数目蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定（氨基酸序列分析（氨基酸序列分析）氨基酸序列分析的一般步骤：氨基酸序列分析的一般步骤：(1)(1)测定蛋白质分子中多肽链的数目；测定蛋白质分子中多肽链的数目；(2)(2)拆分蛋白质分子的多肽链；拆分蛋白质分子的多肽链；(3)(3)断开多肽链内的二硫桥；断开多肽链内的二硫桥；(4)(4)分析每一多肽链的氨基酸组成；分析每一多肽链的氨基酸组成；(5)(5)鉴定多肽链的鉴定多肽链的N N一末端和一末端和C C一末端残基；一末端残基；(6)(6)裂解多肽链成较小的片
13、段；裂解多肽链成较小的片段；(7)(7)测定各肽段的氨基酸序列；测定各肽段的氨基酸序列；(8)(8)重建完整多肽链的一级结构；重建完整多肽链的一级结构；(9)(9)确定半胱氨酸残基间形成的确定半胱氨酸残基间形成的S-SS-S交联桥的位置交联桥的位置 蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定(氨基酸序列分析氨基酸序列分析)构型与构象构型与构象构型：是由于化合物中某一不对称碳原子四种不构型：是由于化合物中某一不对称碳原子四种不同的取代基团的空间排列所形成的一种光学活性同的取代基团的空间排列所形成的一种光学活性立体结构。立体结构。构型的转变必须发生化学键的断裂构型的转变必须发生化学键的断裂构象：是分
14、子内所有原子和原子团的空间排布所构象：是分子内所有原子和原子团的空间排布所形成的一种立体结构。形成的一种立体结构。只要分子中发生只要分子中发生C CC C键的转动，就会发生构象的键的转动，就会发生构象的变化。变化。二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构空间结构（又称构象）空间结构（又称构象）构象是由于分子中构象是由于分子中存在可自由旋转存在可自由旋转的原子的原子，形成的分子空间特殊的结，形成的分子空间特殊的结构状态。构状态。内力内力(内因内因)：蛋白质分子内各原子间作用力蛋白质分子内各原子间作用力外力外力(外因外因)：与溶剂及其他溶质作用力与溶剂及其他溶质作用力内因为主，外因通过改变内因起作
15、用内因为主，外因通过改变内因起作用按按不同种类内力不同种类内力以及以及产生的构象变化产生的构象变化把构象把构象划分为二、三、四级层次。划分为二、三、四级层次。影响蛋白质构象的作用力有哪些？影响蛋白质构象的作用力有哪些？蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身（主链或骨架）的折叠方式，它（主链或骨架）的折叠方式，它借助于借助于氢键氢键排列排列成自己特有的成自己特有的-螺旋和螺旋和-折叠等片段折叠等片段，它是一，它是一种有规则的重复构象象弹簧的螺圈延种有规则的重复构象象弹簧的螺圈延一维一维方向伸方向伸展。展。它是指它是指多肽链骨架多肽链骨架中原子的中原子
16、的局部空间局部空间排列，排列，不涉不涉及侧链及侧链的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置。维持二级结构的力量为对空间位置。维持二级结构的力量为氢键氢键。1、蛋白质的二级结构、蛋白质的二级结构(Secondary Structure)肽链的骨干是由（肽链的骨干是由（NHNHCHRCHRCOCO）单位规则）单位规则地、重复排列而成，称之为地、重复排列而成，称之为共价主链共价主链由于蛋白质主链的基本构象都是以酰胺平面为基本结构由于蛋白质主链的基本构象都是以酰胺平面为基本结构单位，有规则的盘曲而成，因此，在讨论主链构象之前单位，有规则的盘曲而成，因此，在讨论
17、主链构象之前先认识酰胺平面先认识酰胺平面酰胺平面与二面角酰胺平面与二面角(、)酰胺平面酰胺平面(amide plane)(amide plane)或称肽平面或称肽平面(peptide(peptide planeplane)：每个肽单位（肽单元）的六个原子（每个肽单位（肽单元）的六个原子（CCCOCONHNHCC）都被酰胺键固定在同一个平面上，该都被酰胺键固定在同一个平面上，该平面称为酰胺平面（或肽平面）。平面称为酰胺平面（或肽平面）。它是蛋白质构象它是蛋白质构象的基本结构单位。的基本结构单位。肽单元肽单元RCCCOORNCN肽键中肽键中C-N C-N 键具有部分双键性质，因此组成酰胺的键具有部
18、分双键性质，因此组成酰胺的 原子处于同一平面原子处于同一平面CONCON+-CON+-共 振 形 式肽键具有部分双键性质肽键具有部分双键性质二面角二面角(、)：绕绕CCC C键旋转的角度称键旋转的角度称角；绕角；绕 N NCC键旋转的角称键旋转的角称角。角。思考问题：是不是蛋白质可以有无数种构象？思考问题：是不是蛋白质可以有无数种构象？在特定状态下呢？与什么有关？在特定状态下呢？与什么有关？多肽链的二级结构主要有以下几种方式多肽链的二级结构主要有以下几种方式(1)-螺旋结构（螺旋结构（Helix）(2)-折叠结构（折叠结构（pleated sheet）(3)-转角（转角（bend or tur
19、n）(4)无规卷曲无规卷曲(random coil)（蛋白质最常见的二级结构形式）（蛋白质最常见的二级结构形式）螺旋是肽链的盘绕形式螺旋是肽链的盘绕形式 螺旋螺旋有左右手之分有左右手之分天然蛋白质大部分为天然蛋白质大部分为右手螺旋右手螺旋-螺旋结构螺旋结构特点特点 1)1)主链绕中心轴按主链绕中心轴按右手螺旋方向盘旋，右手螺旋方向盘旋，侧链伸向螺旋外侧。侧链伸向螺旋外侧。每每3.6 3.6 个氨基酸残基个氨基酸残基前进一圈，每圈前进前进一圈，每圈前进距离是距离是0.54nm(0.54nm(螺距），螺距），每个氨基酸残基占每个氨基酸残基占0.15nm0.15nm。2)2)每个氨基酸残基每个氨基酸
20、残基的亚氨基与它前面第的亚氨基与它前面第四个氨基酸残基的羰四个氨基酸残基的羰基氧原子形成氢键，基氧原子形成氢键，氢键与螺旋轴近似平氢键与螺旋轴近似平行。行。影响螺旋形成及稳定性影响螺旋形成及稳定性的因素：的因素：氨基酸组成和序列氨基酸组成和序列R基的电荷性质和大小基的电荷性质和大小丙氨酸丙氨酸赖氨酸赖氨酸异亮氨酸异亮氨酸脯氨酸脯氨酸氢氢 键键(a)(a)一般形式。一般形式。D D代表代表donordonor；A A代表代表acceptoracceptor。(b)(b)水分子之间的氢键水分子之间的氢键 。(c)(c)在弯曲的多肽链内，例如在弯曲的多肽链内，例如 a-a-螺旋螺旋 螺旋螺旋的稳定性
21、是靠氢键来维持的。的稳定性是靠氢键来维持的。-折叠结构是两条或两条以上充分伸展成锯齿折叠结构是两条或两条以上充分伸展成锯齿状折叠构象的多肽链，侧向聚集，按肽键的长轴状折叠构象的多肽链，侧向聚集，按肽键的长轴方向平行并列，形成折扇状的结构。侧链位于锯方向平行并列，形成折扇状的结构。侧链位于锯齿结构的上下方。齿结构的上下方。-折叠构象靠相邻肽链主链亚氨基和羰基氧原折叠构象靠相邻肽链主链亚氨基和羰基氧原子之间形成有规则的氢键来维系。子之间形成有规则的氢键来维系。两段以上的两段以上的-折叠结构平行排列，两链间可顺折叠结构平行排列，两链间可顺向平行，也可反向平行向平行，也可反向平行 。（2 2）、）、-
22、折叠结构折叠结构(-(-片层结构片层结构)又称又称U U形回折、形回折、-转弯或发夹结构。转弯或发夹结构。蛋白质分子的主链在盘曲折叠运行中，往往发蛋白质分子的主链在盘曲折叠运行中，往往发生生180180度的急转弯，这种回折部位的构象，即所度的急转弯，这种回折部位的构象，即所谓的谓的-转角。转角。-转角是由转角是由4 4个连续的氨基酸残基组成的，第个连续的氨基酸残基组成的，第一个氨基酸残基的羰基氧原子与第四个氨基酸残一个氨基酸残基的羰基氧原子与第四个氨基酸残基的亚氨基连接来稳定构象。基的亚氨基连接来稳定构象。GlyGly、ProPro、AspAsp、AsnAsn和和TrpTrp常常出现在常常出现
23、在-转角转角中中。（3 3）、）、-转角转角3.转角转角作用力：同样是作用力：同样是肽键衍生肽键衍生来的氢键来的氢键但由于只有这一个氢键，但由于只有这一个氢键，只形成只形成转角结构。转角结构。O（氢氢 键键）H C（NHCHCO）N R O（氢氢 键键）H C（NHCHCO）N R自由回转自由回转没有一定规律的松散的肽链结构没有一定规律的松散的肽链结构作用力弱作用力弱维持蛋白质二级结构的作用力是维持蛋白质二级结构的作用力是？肽键衍生而来的氢键肽键衍生而来的氢键纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白肉蛋白（4 4）、无规卷曲）、无规卷曲q它是多肽主链不规则
24、、多向性地随机盘曲所它是多肽主链不规则、多向性地随机盘曲所形成的构象。形成的构象。q球蛋白分子中常见的一种主链构象球蛋白分子中常见的一种主链构象部分蛋白质中部分蛋白质中-螺旋和螺旋和-折叠折叠含量含量蛋白质名称蛋白质名称 -螺旋螺旋 -折叠折叠 （）（）蛋白质名称蛋白质名称 -螺旋螺旋 -折叠折叠（）（）血红蛋白血红蛋白 78 078 0细胞色素细胞色素C 39 0C 39 0溶菌酶溶菌酶 40 1240 12羧肽酶羧肽酶 38 1738 17核糖核酸酶核糖核酸酶 26 3526 35凝乳蛋白酶凝乳蛋白酶 14 4514 45 以上是蛋白质的二级结构的主要构象，它们以上是蛋白质的二级结构的主要
25、构象，它们在不同的蛋白质分子中的分布差别很大。在不同的蛋白质分子中的分布差别很大。螺旋螺旋折叠片折叠片转角转角自由回转自由回转是指二级结构的基本结构单位(-螺旋、-折叠等)相互聚集，形成有规则的二级结构的聚集体。已知的超二级结构有3种基本组合形式p-螺旋的聚集体螺旋的聚集体()()p-螺旋与螺旋与-折叠的聚集体折叠的聚集体()()p-折叠的聚集体折叠的聚集体(和和)蛋白质的超二级结构蛋白质的超二级结构 (super-secondary structure)在较大的球状蛋白质的分子中，多肽链往往形成几个在较大的球状蛋白质的分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象就是结构域球状构象就是结构域(structural domain)(structural domain)。蛋白质的结构域蛋白质的结构域 结构域与分子整体以共价键相连结构域与分子整体以共价键相连 具有相对独立的空间构象和生物学功能具有相对独立的空间构象和生物学功能 同一蛋白质中的结构域可以相同或不同，同一蛋白质中的结构域可以相同或不同，不同蛋白质中的结构域也可能相同或不同不同蛋白质中的结构域也可能相同或不同
