第三章蛋白质的化学-2011.ppt
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1、,Chapter 3 Structure and Function of Protein,内容简介,蛋白质的分类及生理学功能 氨基酸的结构和性质 肽的结构和生理功能 蛋白质的多级结构和性质 蛋白质的研究技术,第一节 蛋白质的分类及生理学功能,蛋白质(protein) 是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物,1.1 蛋白质的化学组成,蛋白质的元素组成,蛋白质含量(克)=每克生物样品中含氮的克数 6.25,三聚氰胺性状为纯白色单斜棱晶体,无味,在水中溶解度随温度升高而增大,在20时,约为3.3 g/L 三聚氰胺的含氮量为66左右。因此
2、,添加三聚氰胺会使得食品的蛋白质测试含量虚高 三聚氰胺进入人体后,发生取代反应(水解),生成三聚氰酸,三聚氰酸和三聚氰胺形成大的网状结构,造成结石。,1.2 蛋白质的分类,1、根据分子形状,2、根据蛋白质组成: 简单蛋白质:水解为 -氨基酸 结合蛋白质:单纯蛋白质+辅基,如色蛋白、 糖蛋白、磷蛋白、核蛋白、脂蛋白等。,3、根据蛋白质溶解度:,4、根据蛋白质功能 活性蛋白质(识别) 非活性蛋白质(保护),1.3 蛋白的生理功能,1 酶 2结构成分(结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白) 3贮藏(卵清蛋白、种子蛋白) 4物质运输(血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂
3、蛋白、电子传递体) 5运动(肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白) 6激素功能(胰岛素) 7抗体(免疫信号) 8接受、传递信息(受体蛋白,味觉蛋白) 9调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达(组蛋白、阻遏蛋白),1 酶,2结构成分,3贮藏,4物质运输,5运动,6激素功能,7抗体,8接受、传递信息,甜味受体由T1R2 和T1R3组成,鲜味受体T1R1 和T1R3,9调节、控制细胞生长,第二节 氨基酸的结构和性质,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸的物理性质 氨基酸的化学性质,不变部分,可变部分,2.1 氨基酸的结构,-氨基酸的结构通式,C,O,O,H,C,H,H,2,N,R,氨基酸的立体异构体,(1
4、)常见的天然氨基酸 (2)不常见的稀有氨基酸是正常氨基酸的衍生物,在遗传上没有直接的三联密码。 (3)非蛋白质氨基酸不在蛋白质分子中 出现的氨基酸。,2.2 氨基酸的分类,甘氨酸,丙氨酸,缬氨酸,丝氨酸,脯氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,甲硫氨酸,(1)常见的天然氨基酸,20种氨基酸的名称及缩写代号,常见的天然氨基酸分类,也称修饰氨基酸,是在蛋白质合成后,由基本氨基酸 修饰而来。 (1) 4-羟脯氨酸 (2) 5-羟赖氨酸 这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白中。 (3) 6-N-甲基赖氨酸(存在于肌球蛋白中) (4) -羧基谷氨酸:存在于凝血酶原及某些具有结合 Ca2+离子功能的蛋白质中。 (
5、5) Tyr的衍生物: 3.5 -二碘酪氨酸、甲状腺素 (甲状腺蛋白中) (6) 锁链素由4个Lys组成(弹性蛋白中)。,(2)非编码的蛋白质氨基酸,不组成蛋白质,但有生理功能 (1)L-型 氨基酸的衍生物 L-瓜氨酸、L-鸟氨酸是尿素循环的中间物 (2)D-型氨基酸 D-Glu、D-Ala(肽聚糖中)、D-Phe(短杆菌肽S) (3)-、-、-氨基酸 -Ala(泛素的前体)、-氨基丁酸(神经递质)。,(3)非蛋白质氨基酸,2.3 氨基酸的一般物理性质,(1)无色晶体,熔点极高,一般在200以上 (2)不同氨基酸有不同的味感 (3)能溶于稀酸或稀碱,不溶于有机溶剂(酸性的COOH基和碱性的NH
6、2基,为两性电解质) (4)极性,(5)具有旋光性,如果RH,则具有不对称碳原子, 因而氨基酸大多是光活性物质(Gly除外R为H原子无手性碳原子) 天然氨基酸除脯氨酸和甘氨酸外,其余属于L-氨基酸。,色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右,以色氨酸吸收最强。,氨基酸的紫外吸收光谱,(6)紫外吸收性质,可用于蛋白定量检测,(7)两性解离及等电点,pK1,pK2,给定的pH下,可根据Henderson-Hasselbalch方程确定出占优势的电离态,pH=pK+lg(质子受体 / 质子供体),pHpK HAA- (质子供体浓度小于质子受体浓度) 解离基团主要以共轭碱的形
7、式存在 pH pK HA A- (质子供体浓度大于质子受体浓度) 解离基团主要以共轭酸的形式存在,甘氨酸的解离曲线,起点:100% Gly+ 净电荷:+1 第一拐点:50%Gly + ,50%Gly 平均净电荷:+0.5 pH=pK1+lgGly/Gly+(羧基解离) (pK1 = 2.34) 对于氨基来说,pHpK2,因此只有供体形式,即带正电状态NH3+ 第二拐点:100%Gly 净电荷: 0 等电点pI 第三拐点:50%Gly, 50%Gly- 平均净电荷:-0.5 pH=pK2+lgGly/Gly(氨基解离) (pK2=9.6) 对于羧基来说,pHpK1,因此只有质子受体形式,COO-
8、 终点: 100% Gly- 净电荷:-1,等电点偏酸在于羧基解离度大于氨基解离度,看成多元酸的滴定,突跃点(拐点)即缓冲能力最强的点,所量pH值即pK值,在适当的酸碱度时,氨基酸溶液中-NH3+和COO-解离度完全相同,此时正离子和负离子浓度相同,净电荷为零;在电场中既不向阳极移动也不向阴极移动,成为两性离子(或兼性离子),这时氨基酸所处溶液中的pH值就是该氨基酸的等电点(pI)。 等电点(pI)时溶解度最小。 等离子点VS 等电点(等电点受离子浓度干扰),等电点的概念,等电点的推导,中性氨基酸:pI = (pK1 + pK2 )/2 酸性氨基酸:pI = (pK1 + pKR-COO- )
9、/2 碱性氨基酸:pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2 pK1指-羧基离解常数的负对数值; pK2指-氨基离解常数的负对数值; pKR指侧链R基离解常数的负对数值。,氨基酸等电点计算,对谷氨酸:A+ Ao A- A2-,2.19,4.25,9.67,pI(2.19+4.25)/23.22,对赖氨酸:,A2+ A+ Ao A-,2.18,8.95,10.53,pI(8.95+10.53)/29.74,如果有多个功能基团,逐步解离质子,则等电点为带一负电形式和带一正电形式两旁pK值的平均值,(1)与亚硝酸的反应(氧化还原性) (2)成盐作用(HCl,碱性) (3)与甲醛的反应(亲核性)
10、(4)酰基化与烃基化反应(亲核性) (5)脱氨反应(氨基酸的代谢,酶催化),2.4 氨基酸的化学通性,(一)由氨基参加的反应,氨基酸氨基同其它伯氨一样,室温下与亚硝酸作用生成氮气 AA + 亚硝酸 -羟基酸 + 氮气+ 水 用途:范斯莱克氨基氮测定法,用于氨基酸 定量和测蛋白质水解进行程度(氮气一半来自氨基酸,一半来自亚硝酸) 生产上用来测定氨基酸含量和蛋白质水解程度。因为蛋白质总氮量(凯氏定氮)不变,亚硝酸法测定的氨基氮却在不断上升,用氮气量的一半除以总氮量,可以表示蛋白质的水解程度。,(1)与亚硝酸反应,用途:由于氨基为弱酸,不容易滴定定量(弱酸或物质浓度低,滴定突跃范围小都很难找到指示剂
11、在其范围内),通过甲醛衍生,是其变为较强酸,滴定终点范围可用酚酞标示),羟甲基氨基酸,二羟甲基氨基酸,(2)甲醛反应:AA + 甲醛 二羟甲基氨基酸,用途:N末端氨基酸测定,AA与丹磺酰氯的反应,(3)酰基化与烃基化反应,(荧光),荧光性质,使检测灵敏度可以达到110-9mol。,(黄色),实际上也是一种N-端分析法。此法能够不断重复 循环,将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。,PTH-AA,Edman (苯异硫氰酸酯法)-氨基酸顺序分析法,(1)成酯和成盐反应(+ 醇) (2)成酰胺反应(Asn,Gln) (3)酰氯化反应(酰化氨基酸) (4)叠氮反应 (5)脱羧反应(+ 酶),(二)
12、由羧基参加的反应,a.AA + NaOH 氨基酸钠盐(氨基酸的碱金属盐能溶于水,重金属盐不溶于水) b. HCl AA + EtOH 氨基酸乙酯的盐酸盐,成盐成酯反应,屏蔽羧基化学反应性的方法,形成酰卤的反应,用途:这是使氨基酸羧基活化的一个重要反应。,保护基简写(胺基酰化),酰化胺基,叠氮化反应,用途:常作为多肽合成活性中间体,活化羧基。,经过酰化、酯化变成酰化氨基酸甲酯,再与联氨和亚硝酸作用,生成叠氮化合物。,脱羧反应,用途:酶催化的反应。,(三)由氨基和羧基共同参加的反应,(1)与茚三酮的反应 (2)形成肽键,(1)AA与茚三酮反应,蓝紫色,(2)形成肽键(peptide bond),氨
13、基酸残基与肽单位,(四)由支链R基产生的反应,二硫硝基苯甲酸反应,NTNB,第三节 肽的结构和生理功能,谷胱甘肽(GSH)的一级结构,肽概述,(1)形成:脱水缩合 (2)命名:NC,A 肽也是以两性离子形式存在,一般为链式结构。羧基端为C-端,氨基端为N-端。书写时,N-端在左,C-端在右。,N-端,C-端,肽键,B 肽的结构不仅取决于氨基酸的种类和数目,而且还取决于它们之间的连接次序。如,甘氨酰丙氨酸,丙氨酰甘氨酸,这是少数几种氨基酸可以形成各式丰富多彩的蛋白质的基础。 C 肽的命名以C-端的氨基酸为母体,称为某氨酸。其它氨基酸残基则从N-端开始,依次用某氨酰表示,放在母体前。如,谷氨酸残基
14、,半胱氨酸残基,甘氨酸残基,g-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸 谷胱甘肽,简称:g-Glu-Cys-Gly; g-谷-胱-甘,(3)分类:寡肽 VS 多肽 (构成单元大于10称为多肽) (4)酸碱性:肽链中的游离氨基和羧基的间隔比一般氨基酸中的要大,因此它们之间的静电引力较弱。肽中的a-COOH的pK值要比游离氨基酸中的大一些,而末端的a-NH2的pK值要比氨基酸中的小一些,R基区别不大(酸的偏向不酸;碱的偏向不碱),小肽的滴定曲线和氨基酸的滴定曲线很相似,随着电离基团的增加,滴定曲线变得复杂,以至很难用单个侧链基团的解离来分析,因为在同一pH范围内可以有几个侧链解离。 但在给定的pH下,可根据Hend
15、erson-Hasselbalch方程确定出占优势的电离态,我们只需应用这样一个规则:当溶液pH大于解离侧链的pK值,占优势的离子形式是该侧链的共轭碱,当溶液的pH小于解离侧链的PK值时,占优势的离子形式是它的共轭酸,即 PHPK HAA- PH PK HA A-,溶液的PH,功能团解离(带电)状况,-COOH 侧连COOH -NH2 -NH2,占优势离子的净电荷,小于3.5 COOH COOH +NH3 +NH3 +2 3.5-4.5 COO COOH +NH3 +NH3 +1 4.5-7.8 COO COO +NH3 +NH3 0 7.8-10.2 COO COO NH3 +NH3 -1
16、大于10.2 COO COO NH3 NH3 -2,四肽甘氨酰谷氨酰赖氨酰丙氨酸的酸碱性质 所以此肽的等电点为:(7.8+4.5)/2=6.15,(PK=3.5),(PK3=7.8),(PK2=4.5),(PK4=10.2),谷胱甘肽(GSH)的一级结构,生物活性肽,活性肽,在生物体中,多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。 但是,也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能,常称为活性肽。 如:脑啡肽;激素类多肽;抗生素类多肽;谷胱甘肽;蛇毒多肽等。(多为激素),谷胱甘肽的生理功用 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
17、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。,肽,肽的生理功能-活性肽与氨基酸生理差别,肽以完整的形式被机体吸收(肽通过小肠肠吸收后,直接进入血液循环,将自身能量营养输送到人体各个部位),小肽也是逆浓度梯度转运,主要依赖H+浓度或Ca2+离子浓度转运。小肽转运系统具有转运速度快、耗能低、不易饱和等特点。 较氨基酸吸收快速。 氨基酸只有20种,功能可数,而肽以氨基酸为底物,可合成上百上千种,可执行复杂生理功能(激素)。此外,肽可作载体运载营养因子和离子的载体,带动它们一起运输。,肽是信息的
18、信使,以引起各种各样不同的实效的正性或异性生理活动和生化反应调节(蛋白相比执行其它功能更多,但很多情况下活性肽活性较高) 分子量小,容易吸收,易于改造,易于化学合成,而高蛋白(大分子蛋白质)不具备这一特点,肽的生理功能-活性肽与蛋白质生理差别,若氨基酸为二度深度开发,肽就是高蛋白的三度深度开发产品,第四节 蛋白质的结构和性质,蛋白质的多级结构 蛋白质的结构与功能关系 蛋白质的一些性质,4.1 蛋白质的多级结构,(一)蛋白质一级结构(Primary structure) 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序, 它是蛋白质生物功能的基础。,胰岛素(Insulin)的一级结构,(二) 蛋白质二级结构,蛋
19、白质的二级结构:指一级结构进一步盘绕折叠,其主链形成的局部构象。 二级结构的类型:主要有-螺旋、-折叠、-转角、 无规卷曲。 维持二级结构的力:主要是氢键。,二级结构形成的基础-肽平面,肽平面形成是由于N元素以sp2杂化方式,使其结构中的孤对电子和氧共轭的结果 C元素电子云也以sp2方式杂化导致六个原子在同一平面上,肽平面内各个健的健长和健角,肽健,肽健(酰胺健)CN长度为0.133nm比CN(0.125nm)长,但比一般的CN单健(0.145nm)短,所以肽健具有部分双健特性(约具有40双健特性)。,肽平面绕N-C键旋转角度用表示,绕C-C键旋转的角度用表示,从C沿健轴方向观察,顺时针方向为
20、正,反时针为负。,N,C,羧基碳,Aa基本结构,理论上和可以取180至180 之间的任一个角度。但由于旋转时酰胺氢和羰基氧之间的位阻,所以并不是任意二面角( , )都是立体化学所允许的。,上图表示肽链中的肽单位处于一种伸展状态;下图表示的是肽单位处于一种不稳定构象,这是由于相邻氨基酸残基的羰基氧之间的立体干扰引起的,虚线表示的是羰基氧原子的van der Waals半径。,旋转本身受到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的立体干扰的限制。,原子间作用是限制并形成高级构象的动力,肽平面和二面角示意图,R基分布在螺旋的外侧,并且影响着螺旋的形成。,主链围绕中心轴呈有规律螺旋式上升,形成右手螺旋;,旋
21、转一周为3.6个氨基酸残基;螺距为0.54nm;,其结构靠第一个肽平面上的-NH基与第四个肽平面上的-CO基形成的氢键维持,氢键的取向几乎与轴平行;,(1) -螺旋的特征,二级结构的类型,(4条-螺旋) 原纤维,微原纤维(11条-螺旋),巨原纤维,纺锤体型皮质细胞,角质膜,皮质,髓质,头发,头发结构,烫发实际上是一个生物化学过程,还原,做卷,氧化,纺锤体型皮质细胞含有众多的二硫键,左手/右手- 螺旋,影响-螺旋稳定的因素,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); 有脯氨酸、羟脯氨酸的存在 (不能形成氢键)。,(各种聚合氨基酸成螺旋小结),
22、Gly 能形成(无R基团妨碍氢键形成) Asp lys 不能形成 (侧链带电荷排斥) 在一定pH范围内 Pro 不能形成(不能形成氢键) Leu不容易形成 (R基团较大,妨碍氢键形成),(2)-折迭的特征,由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构;,主链骨架上下折叠呈锯齿状(AA长0.36nm);,借相邻主链之间的氢键维系。,R基交替分布在片层的上下方。,二级结构的类型,-折迭包括平行式和反平行式两种类型,二级结构的类型,(4)无规卷曲 是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象 对于构造蛋白执行功能的所需的柔性结构来说具有重要意义,二级结构的类型,View of conformation
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- 第三 蛋白质 化学 2011
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