南开生化课件chapter1.ppt
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1、蛋白质化学 第 一 章 chemistry of Protein 本章的重点和难点 重点:掌握组成蛋白质的氨基酸的结构特点、分类、 三个字母代号及重要理化性质; 掌握蛋白质1-4级结构特点、作用力; 了解蛋白质结构与功能的关系; 了解蛋白质的重要理化性质。 难点:氨基酸结构特点、酸碱性质、等电点;蛋白质 各级结构的概念和特点、结构与功能的关系; 蛋白质重要理化性质的应用。 第一节 概 述 一、什么是蛋白质? 蛋白质是一切生物体中普 遍存在的,由20种左右天然-氨 基酸通过肽键相连形成的高分 子含氮化合物;其种类繁多, 具有一定的相对分子量、复杂 分子结构和特定生物学功能; 是表达生物遗传性状的
2、一类主 要物质。 二、蛋白质在生命中的重要性 恩格斯曾指出:“生命是蛋白体的存在方式,这种 存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的 自我更新。” 第一,蛋白体是生命的物质基础; 第二,生命是物质运动的特殊形式,是蛋白体的存在 方式; 第三,这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然 界不断 的新陈代谢。 1.蛋白质是生物体内必不可少的重要成分,是构成生物体 最基本的结构物质和功能物质。 蛋白质占干重 人体中(中年人) 人体 45% 水55% 细菌 50%80% 蛋白质19% 真菌 14%52% 脂肪19% 酵母菌 14%50% 糖类1% 白地菌 50% 无机盐7% 三、 蛋白质具有
3、重要的生物学功能 2.蛋白质是一种生物功能的主要体现者,它参与 了几乎所有的生命活动过程。 1)作为生物催化剂(酶) 2)代谢调节作用 3)免疫保护作用 4)物质的转运和存储 5)运动与支持作用 6)参与细胞间信息传递 3.外源蛋白质有营养功能,可作为生产加工的对 象。 Fireflies emit light catalyzed by luciferase(荧光素酶) with ATP A few examples on protein diversity Erythrocytes(红细胞) contain a large amount of hemoglobins(血红蛋白), the o
4、xygen-transporting protein. The protein keratin (角蛋白) is the chief structural components of hair, horn, wool, nails and feathers. 四、蛋白质的元素组成 1.主要有C、H、O、N和S,有些蛋白质含有少量磷或 金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼,个别蛋白质还含有碘。 碳 50 氢 7 氧 23 氮 16% 硫 0-3 其他 微量 (1)一切蛋白质都含N元素,且各种蛋白质的含氮量很接近, 平均为16; (2)蛋白质系数:任何生物样品中每1g N的存在,就表示 大约有100/1
5、6=6.25g 蛋白质的存在, 6.25被称为蛋白质 系数 100克样品中蛋白质的含量 ( g ) = 每克样品含氮的克数 6.25100 1/16% 2.蛋白质元素组成的特点: 凯氏定氮法测定粗蛋白含量 五、蛋白质的分类 (一)、依据蛋白质的外形分为球状蛋白质和纤维状蛋白 质 1.球状蛋白质:外形接近球形或椭圆形,溶解性较好,能形成结晶, 大多数蛋白质属于这一类。 2.纤维状蛋白质:分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋 白质和不溶性纤维状蛋白质。 (二)、依据蛋白质的组成分为简单蛋白和结合蛋白 1.简单蛋白:又称为单纯蛋白质;这类蛋白质只含由-氨基酸组成的 肽链,不含其它成分。 (1
6、)清蛋白和球蛋白:广泛存在于动物组织中,易溶于水,球蛋白 微溶于水,易溶于稀酸中。 (2)谷蛋白和醇溶谷蛋白:植物蛋白,不溶于水,易溶于稀酸、稀 碱中,后者可溶于7080乙醇中。 (3)精蛋白和组蛋白:碱性蛋白质,存在与细胞核中。 (4)硬蛋白:存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中,分为角 蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。 2.结合蛋白:由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成 (1)色蛋白:由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白 和细胞 色素等。 (2)糖蛋白:由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。 (3)脂蛋白:由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-、-脂蛋白等。 (4)
7、核蛋白:由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等 。 (5)磷蛋白:由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白 、弹性 蛋白、丝心蛋白等。 (三)、按功能分为活性蛋白和非活性蛋白 (四)、按营养价值分为完全蛋白和不完全蛋白 蛋白质的互补作用 第 二 节 氨基酸化学(重点) 组成蛋白质的基本单位 存在自然界中的氨基酸有300余种,但组 成人体蛋白质的氨基酸仅有20种,且均属 L- 氨基酸(甘氨酸除外)。 一、氨基酸的结构与分类 (2). 除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的-碳原子都为不对称碳原 子。 A. 氨基酸都具有旋光性; B. 每一种氨基酸都具有D-型和L-型两种立体异构
8、体。目前已 知的天然蛋白质中氨基酸都为L-型。 (一)氨基酸的结构 氨基酸是蛋白质水解的最终产物,是组成蛋白质的基本单位。从 蛋白质水解物中分离出来的氨基酸有二十种,除脯氨酸和羟脯氨酸外 ,这些天然氨基酸在结构上的共同特点为: (1). 分子中同时含有羧基和氨基,且与羧基相邻的-碳原子上都有一 个氨基,因而称为-氨基酸。 COOH H2N CH -碳原子基团 R R基团 -氨基酸基本结构通式 这些基本术语要清楚? n-碳原子 n不对称碳原子 n旋光性 nD-型和L-型两种立体异构体 H 甘氨酸 CH3 丙氨酸 L-氨基酸的通式 R (二)氨基酸的分类 * 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类
9、如下: 中性AA (1)按R基团的酸碱性分 酸性AA 碱性AA (2)按R基团的疏水性和亲水性分 疏水性R基团AA 亲水性R基团AA (3)按R基团的化学结构分 脂肪族A 芳香族AA 杂环族AA 甘氨酸 glycine Gly G 5.97 丙氨酸 alanine Ala A 6.00 缬氨酸 valine Val V 5.96 亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48 脯氨酸 proline Pro P 6.30 1. (非极性)疏水性氨基酸 色氨酸 tryptophan T
10、ry W 5.89 丝氨酸 serine Ser S 5.68 酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸 methionine Met M 5.74 天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸 threonine Thr T 5.60 2. 极性(亲水)中性氨基酸 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97 谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22 赖氨酸 lysine Lys K 9.74 精氨酸 arginine Arg R
11、10.76 组氨酸 histidine His H 7.59 3. 酸性氨基酸 4. 碱性氨基酸 由两种酸性氨基酸衍生的两种酰胺 nGln(谷氨酰胺) nAsn(天门冬酰胺) 脂肪族氨基酸: 中性aa:甘、丙、缬、亮、异亮、丝、苏 酸性aa及酰胺:谷氨酸、谷氨酰胺、天门冬氨酸 及天门冬酰胺 碱性aa:精、赖、组 芳香族aa: 苯丙、色、酪 杂环aa: 脯、组 课后自己总结: 含S的aa? 含酚羟基的aa? 含羟基的aa? 含酰胺基的aa? 含二硫键的aa? (三)人体所需的八种必需氨基酸 赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 蛋氨酸(Met) 色氨酸(Trp) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile
12、) 苏氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe) 婴儿时期所需: 精氨酸(Arg)、组氨酸(His) 早产儿所需:色氨酸(Trp)、半胱氨酸(Cys) n必需氨基酸 生命活动所必需的,但人体自身不能合成 ,必须从食物中摄取的氨基酸。 n半必需氨基酸 在人体内合成速度很低,特别是新生儿或 患病期,但又需要给予补充的氨基酸。 n非必需氨基酸 人体自身能够合成的氨基酸。 (四)几种特殊的氨基酸 脯氨酸 (唯一的亚氨基酸) 什么是亚氨基酸? 半胱氨酸 + 胱氨酸二硫键 -HH 氨基酸衍生物 课后思考! n非蛋白质氨基酸有哪些? n什么是天然氨基酸? nD-型氨基酸的存在? 二、氨基酸的重要理化性质 1. 两性
13、解离及等电点 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, pI) 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。 pH=pI +OH- pHpI +H+ +OH- +H+ pHpI 氨基酸的兼性离子 阳离子阴离子 氨基酸等电点的计算 侧链不含离解基团的中性氨基酸:pI = (pK1 + pK2 )/2 酸性氨基酸:pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 碱性氨基酸:pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2 An acidic amin
14、o acid pI=(pK1+pKR)/2 A basic amino acid pI=(pKR+pK2)/2 2. 紫外吸收 大多数蛋白质含有 色氨酸、酪氨酸和苯丙 氨酸这三种氨基酸残基 ,所以在280nm有最大 吸收,测定蛋白质溶液 的光吸收值是分析溶液 中蛋白质含量的快速简 便的方法。 芳香族氨基酸的紫外吸收 氨基酸与水合茚三酮共热,发生氧化脱氨反应,生成NH3与酮酸 。水合茚三酮变为还原型茚三酮; 加热过程中酮酸裂解,放出CO2,自身变为少一个碳的醛。水合 茚三酮变为还原型茚三酮; NH3与水合茚三酮及还原型茚三酮脱水缩合,生成蓝紫色化合物 。 3. 与茚三酮的反应 n反应要点: A.
15、 该反应由NH2与COOH共同参与,-氨基酸特有的反 应; B. 茚三酮是强氧化剂; C. 该反应非常灵敏,可在570nm测定吸光值; D. 测定范围:0.550g/mL; E. 脯氨酸与茚三酮直接生成黄色物质,在440nm测定 (不释放NH3),谷氨酰胺和天门冬酰胺与茚三酮直接生成 棕色物质。 n应用: A. 氨基酸定量分析(先用层析法分离) B. 氨基酸自动分析仪: 用阳离子交换树脂,将样品中的氨基酸分离,自动定 性定量,记录结果。 蛋白质的水解性质 n酸水解:可以获得除Trp外的全部氨基酸 n碱水解:目的是测定Trp,消旋 n酶水解:慢,但不破坏任何氨基酸 n课后比较三种水解方法的优缺点
16、? 蛋白质的分子结构包括: 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure) 高级 结构 第三节、蛋白质的分子结构 (一)基本概念 * 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的- 羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合 而形成的化学键。 一、肽(peptide) + -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键 * 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化 合物。 * 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 * 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而
17、基团 不全,被称为氨基酸残基(residue)。 * 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)。 N 末端:多肽链中有自由氨基的一端 C 末端:多肽链中有自由羧基的一端 多肽链的表示方法:从N端开始到C端 可用aa中文第一个字或英文连字体或单字母 中间用 “”或”-”连接 多肽有两端: 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基 酸之间以肽键连接而成的一种结构。 氨基酸顺序氨基酸顺序是指在多肽链中,氨基酸残是指在多肽链中,氨基酸残 基按一定的顺序排列。基按一定的顺序排列。 N末端 C末端 牛核
18、糖核酸酶 环状肽:指没有自由的-氨基端和- 羧 基 端的肽。 (一)定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列 顺序,指蛋白质的aa组成和排序、二硫键数目、 肽链数目、末端aa的种类等等。 二、蛋白质的一级结构 主要的化学键 肽键,有些蛋白质还包括二硫键。 目 录 (二)、多肽链中氨基酸序列分析 分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成 测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基 把肽链水解成片段,分别进行分析 测定各肽段的氨基酸排列顺序,一般采用Edman降解法 一般需用数种水解法,并分析出各肽段中的氨基酸顺序,然 后经过组合排列对比,最终得出完整肽链中氨基酸顺序结果。 蛋白质顺序测定的基本战
19、略 将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序 将肽段分离并测出顺序 专一性裂解 末端氨基酸测定 二硫键拆开 纯蛋白质 测定N末端AA的方法 nDNFB法 nPITC法 nDNS-氯法 n反应特点: A. 为- NH2的反应; B. 氨基酸- NH2的一个H原子可被烃基取代(卤代烃) ; C. 在弱碱性条件下,与DNFB发生芳环取代,生成二 硝基苯 氨基酸。 n应用: 鉴定多肽或蛋白质的N-末端氨基酸,首先由Sanger 应用,确定了胰岛素的一级结构,肽分子与DNFB反应,得DNP-肽 ,水解DNP-肽,得DNP-N端氨基酸及其他游离氨基酸,分离DNP- 氨基酸。 (1) 与2,4-二硝基氟苯(DNF
20、B)反应 nEdman 降解法(苯异硫氰酸酯法):氨基酸顺序分析法实际上 也是一种N-端分析法。此法的特点是能够不断重复循环,将肽链N- 端氨基酸残基逐一进行标记和解离。 n肽链(N端氨基酸)与PITC偶联,生成PTH-氨基酸,分离 PTH-氨基酸。 n氨基酸自动测序仪就是根据这个原理设计的。 (2) 与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应 n用DNS-氯(二甲基萘磺酰氯)测定N端氨基酸 n水解后的DNS-氨基酸不需分离,可直接用电泳或层析法鉴定, 由于DNS有强烈荧光,灵敏度比DNFB法高100倍,比Edman法高几到 十几倍,可用于微量氨基酸的定量。 (3) DNS-DNS-氯法氯法 C末端测定
21、法 n肼解法 n羧肽酶法(重点) 羧肽酶A 羧肽酶B 常用的断裂多肽链的方法 n溴化氰裂解法: 专一性水解Met的羧基端 ; n胰蛋白酶水解法: 专一性水解Lys、Arg的羧基端 ; n胰凝乳蛋白酶水解法: 专一性水解Tyr、Phe、Trp的羧基端 ; n胃蛋白酶水解法: 专一性断裂键两端都是疏水氨基酸 ; n金黄色葡萄球菌蛋白酶水解法:专一性水解Glu、 Asp的羧 基 端; n梭状芽孢杆菌蛋白酶水解法: 专一性水解Arg的羧基端 ; 用于氨基酸顺序分析的其他颜色反应 n坂口反应-Arg n米伦反应-tyr n福林反应- tyr n乙醛酸反应-trp n半胱氨酸反应-cys nPauly反应
22、- tyr,his 例如:p70第5题 三、蛋白质的二级结构 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结 构,即该段肽链主链骨架盘绕折叠,依靠氢 键维持固定所形成的有规律性的结构。它并 不涉及氨基酸残基侧链的构象。 定义 主要的化学键: 氢键 (一)肽单元 参与肽键的6个原子C1、C 、O、N、H、C2位于同一平面 ,C1和C2在平面上所处的位 置为反式(trans)构型,此同一 平面上的6个原子构成了所谓的 肽单元 (peptide unit) 。 组成肽键的原子处于 同一平面; 肽键中的C-N键具有 部分双键性质,不能 自由旋转; 在大多数情况下,以 反式结构存在。 肽键的特点 几个基本概念 n肽
23、单位:指多肽链上从一个a-碳原子到相邻的a-碳原子 之间的结构,它是肽链主链骨架中的重复结构。 n肽平面:由于肽键具有部分双键的性质,因而不能自由 旋转,使得肽键所连接的6个原子处于同一个平面上。这个 平面称为肽平面。 na-碳原子的二面角:多肽链中C-N和C-C之间都是单 键,可以自由旋转,其中C-N旋转角度由表示。 C-C间 旋转角度由表示,它们被称为a-碳原子的二面角。 n肽单位的三个显著特征:肽平面、a-碳原子的二面角、 反式结构。 n一级结构的最小单位是aa残基,高级结构的最小单位是 肽单位。 (二)、蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleate
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