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第三章蛋白质化学1.了解蛋白质对生物体的重要意义。2.了解蛋白质的分类，掌握蛋白质元素组成的特点。3.掌握蛋白质的基本构成单体：氨基酸的结构特点，从各氨基酸的结构特点上理解氨基酸的分类。4.掌握氨基酸的理化性质，重点掌握两性电离与等电点含义、茚三酮反应及其应用。5.掌握蛋白质一级结构的概念；了解蛋白质一级结构的测定方法与思路，学会分析简单多肽的氨基酸顺序。6.理解并掌握蛋白质二级结构的概念；二级结构的基本类型：α—螺旋及β—折叠的结构特点；了解几种常见纤维状蛋白质的结构特性；了解超二级结构及结构域的概念。7.了解蛋白质三级结构、四级结构的概念及稳定因素。8.充分理解蛋白质结构与功能的关系；从核糖核酸酶的变性与复性实验理解一级结构与空间结构的关系；以细胞色素C等为例充分理解一级结构与蛋白质生物学功能的关系；从血红蛋白与肌红蛋白的结构特性理解蛋白质空间结构与生物学功能的关系。9.掌握蛋白质的理化性质：胶体性质、两性电离与等电点、沉淀作用、变性作用以及这些性质的生理意义及实践意义。10.了解蛋白质分离提纯的常用方法及基本原理。蛋白质的生物学意义（一）、蛋白质是生命活动的物质基础生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的45%。占细菌干重的50—70%。（二）、蛋白质的生物学功能1、作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。2、调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。3、运输载体：如红细胞中运输O2、CO2要靠Hb（Hemoglobin血红蛋白）、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。4、参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。5、参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。6、接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。7、调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。8、其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。不难理解，为什么说没有蛋白质就没有生命。第一节蛋白质的分子组成——氨基酸一、蛋白质的元素组成蛋白质是有机化合物，离不开C、H、O三种元素，还含有N、P、S、金属元素等。元素组成CHONS其它含量%50—556—720—2315—170.3—3蛋白质中N是特征元素，且含量恒定，为16%左右，即16克氮/100克蛋白质，故可以用定氮法测量蛋白质含量，即：每100克蛋白质含氮16克，100/16=6.25克蛋白质含氮1克。所以，每克样品含氮量×6.25×100=100克样品蛋白质含量（克%）。有些蛋白质含有其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等。二、蛋白质分子的基本组成单位--氨基酸（一）、氨基酸的结构通式：如下图所示：从氨基酸的结构通式可以看出：1.构成蛋白质的氨基酸均为L—α—氨基酸。2.除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。20种氨基酸的区别在于侧链R基上。（二）氨基酸的构型：构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有α—碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L—构型与D—构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：镜子COOHNH2CNH2COOHCRL-构型D-构型HRH氨基酸的镜像结构生物体内构成蛋白质的20种编码氨基酸均为-氨基酸；除甘氨酸(其R基团为氢原子)外，其余的氨基酸均为L-构型（三）、氨基酸的结构与分类1.按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：(1).酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有天冬氨酸、谷氨酸、(2).碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸，有赖氨酸、精氨酸、组氨酸(3).中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。2.按侧基R基的结构特点分：(1).脂肪族氨基酸(2).芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸（或加上色氨酸）(3).杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸3.按侧基R基与水的关系分：4.按氨基酸是否能在人体内合成分：(1).必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、笨丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。(2).非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。(3).半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。八种氨基酸的另一种巧记方法方法：借一两本淡色书来注释：借（颉）一（异亮）两（亮）本（笨丙）淡（蛋）色（色）书（苏）来（赖）二十种氨基酸的名称和结构如图所示:注：二十种氨基酸的结构特点支链氨基酸有：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸含羟基的氨基酸有：丝氨酸、苏氨酸含硫的氨基酸有：半胱氨酸（含巯基）、甲硫氨酸（含硫甲基）含苯环的氨基酸有：苯丙氨酸、酪氨酸含胍基的氨基酸有：精氨酸含咪唑基的氨基酸有：组氨酸亚氨基酸有：脯氨酸含酰胺的氨基酸有：天冬酰胺、谷氨酰胺含吲哚基的氨基酸有：色氨酸含ε-氨基的氨基酸有：赖氨酸（三）氨基酸的理化性质1.物理性质(1)形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。(2)溶解性：不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。(3)熔点：氨基酸的熔点一般比较高，都大于200℃，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。(4)光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸（Trp,Tyr,Phe）有光的吸收。（5）旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。在近紫外区含苯环氨基酸（Trp,Tyr,Phe）有光的吸收2.氨基酸的两性电离及等电点：氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：COOHNH2H+COO-R-C-HNH2H+R-C-HCOO-NH2R-C-HAcidicenvironmentNeutralenvironmentAlkalineenvironment+1-10pK1~2pK2~9Isoelectricpoint5.5氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。在某一pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。该pH称为该氨基酸的等电点(pI)。所以氨基酸的等电点定义为：氨基酸所带正负电荷相等时的溶液pH。对于中性氨基酸：pI=(pK1+pK2)1/2对于酸性氨基酸：pI=(pK1+pKR)1/2对于碱性氨基酸：pI=(pK2+pKR)1/2根据pK/可求出氨基酸的等电点，可由其等电点左右两个pK/值的算术平均值求出。中性及酸性氨基酸：pI=(pK1/+pK2/)/2中性氨基酸：pK1/为α—羧基的解离常数，pK2/为α—氨基的解离常数。酸性氨基酸：pK1/为α—羧基的解离常数，pK2/为侧链羧基的解离常数。碱性氨基酸：pI=(pK2/+pKR/)/2其中：pK2/为α—氨基的解离常数，pK3/为侧链氨基的解离常数。二十种氨基酸的pK/及等电点：3.氨基酸的主要化学反应由α—氨基参加的反应：（1）亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。（2）与2，4—二硝基氟苯（DNFB）的反应（Sanger反应）：生成黄色的二硝基苯—氨基酸衍生物。（3）与苯异硫氰酸酯（PITC）反应（Edman反应）：生成苯乙内酰硫脲—氨基酸。α—羧基参加的反应：（1）与碱反应成盐：（2）与醇反应成酯：α—氨基与α—羧基共同参加的反应与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。侧链反应（颜色反应）：Folin反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。Folin试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。茚三酮反应(ninhydrinreaction)四、肽：（一）、肽键与肽链肽键：一个氨基酸的a-COOH和相邻的另一个氨基酸的a-NH2脱水形成共价键。氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质，即：1.两个氨基酸组成的肽叫二肽；2.三个氨基酸组成的肽叫三肽；3.多个氨基酸组成的肽叫多肽；4.氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有自由-NH2和-COOH，自由-NH2端称为N-末端（氨基末端），自由-COOH端称为C-末端（羧基末端）；5.构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基；6.肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH2端开始，由N指向C，即多肽链有方向性，N端为头，C端为尾。肽键和肽的结构如图所示:（二）天然活性肽自然界中有自由存在的活性肽，主要有：1.谷胱甘肽（GSH）：三肽（Glu—Cys—Gly），广泛存在于生物细胞中,含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。2GSH=1GSSG第二节蛋白质的分子结构蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和空间结构，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。一级结构：氨基酸顺序二级结构：α螺旋、β折叠、β转角，无规卷曲三级结构：球状四级结构：多亚基聚集一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（Primarystructure）又称为共价结构、化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。人胰岛素的一级结构胰岛素由A、B两条多肽链组成，A链含21个氨基酸残基，B链含30个氨基酸残基。A链内有一个链内二硫键，A与B之间有两个链间二硫键。由于两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。二.蛋白质的空间结构（一）构型与构象构型：指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间排布方式。如单糖的α—、β—构型，氨基酸的D—、L—构型。当从一种构型转换成另一种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或破坏。（二）蛋白质构象变化的基础1.主要靠次级键（非共价键，noncovalent）维系固定，主要有：氢键、离子键（盐键）、疏水的相互作用（疏水键）、范德华力、配位键，另外二硫键（共价键）也参与维系三级结构。二、稳定蛋白质三维结构的作用力维持蛋白质三维结构的力主要是非共价力(次级键),包括氢键、范得华力、疏水力和盐键（离子键）。此外共价二硫键在稳定蛋白质构象方面也具有重要作用。维持蛋白质构象的作用力①疏水作用蛋白质分子的非极性基团避开水相互聚集在一起而形成的作用力称为疏水作用，也称疏水键；维持蛋白质构象的作用力②氢键氢键是由极性很强的X-H基上的氢原子与另一个电负性强的原子Y（如O、N、F等）相互作用形成的一种吸引力；维持蛋白质构象的作用力③盐键盐键是带相反电荷的基团之间的静电引力，也称为离子键；维持蛋白质构象的作用力④范德华力范德华力是一种非特异性引力，任何两个相距0.3～0.4nm的原子之间都存在范德华力，范德华力比离子键弱；维持蛋白质构象的作用力⑤二硫键二硫键是很强的共价键，由多肽链内或链间两个半胱氨酸残基的巯基氧化形成；2.肽平面（1）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位。所谓的肽平面是指肽链中从一个Cα原子到另一个Cα原子之间的结构，共包含6个原子（Cα、C、O、N、H、Cα），它们在空间共处于同一个平面。如下图所示：肽平面肽键中C–N之间键长介于单键与双键之间，偏向于双键，不能扭转。和这两个原子相连的其他原子与之夹角的和为360°，所以，肽键的6个原子在一个平面上，此平面称为肽单元。肽单元的羧基碳与-碳之间的键可以旋转（转角为角），氨基氮与-碳之间的键可以旋转（转角为角），其旋转的角度不