生物化学-蛋白质.ppt
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1、第三章 蛋白质(氨基酸),第一节 蛋白质通论第二节 蛋白质组成第四章 蛋白质结构第四节 几种重要的蛋白质类型 第五章 蛋白质的性质第六节 蛋白质的结构和功能的关系,蛋白质化学,蛋白质存在于所有的生物细胞中,是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础,它参与了几乎所有的生命活动过程。,Protein,第一节 蛋白质通论 一、蛋白质化学研究史,1838年 Muller研究了血清、蛋清、蚕丝等物质的元素组成后,发现它 们均可以用C40H62N10O12 来表示,命名为Protein(意为to take the first place),并发展成 基团 学说 19世纪末 从蛋白
2、质水解产物分离得到了13种氨基酸,基团学说消声匿迹1902年 Fischer同Hofmeiste时提出肽键理论1924年 Svedberg 发明超离心机1930年代 Bergmann合成出只含L型氨基酸的多肽1950年 Pauling提出蛋白质的二级结构的基本单位:-螺旋和-折叠1953年 Sanger确定了牛胰岛素的一级结构1958年 Perutz&Kendrew用X光衍射法确定了肌红蛋白的立体结构1961年 Anfinsen证明蛋白质的一级结构决定其立体结构1980年代 蛋白质工程的兴起1997年 蛋白组研究的概念1999年 蛋白质芯片技术出现,二、蛋白质的分类,1、依据蛋白质的外形分类按
3、照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。球状蛋白质:globular protein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。纤维状蛋白质:fibrous protein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。,clasification,2、依据蛋白质的组成分类,按照蛋白质的组成,可以分为:简单蛋白(simple protein)结合蛋白(conjugated protein),(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。A、清蛋白和球蛋白:albumin and globulin广泛存
4、在于动物组织中。清蛋白易溶于水,球蛋白微溶于水,易溶于稀酸中。B、谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin):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。C、精蛋白和组蛋白:碱性蛋白质,存在与细胞核中。D、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,A、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。B、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。C、脂蛋白:由简单蛋白与脂类结合而成。如血清-,-脂蛋白等。D、核蛋白:由简
5、单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。,E、金属蛋白 由蛋白质和金属组成,如:铁硫蛋白、细胞色素等。F、磷蛋白 由磷酸和蛋白质组成。如:胃蛋白酶、酪蛋白等。,(2)、结合蛋白,三、蛋白质的功能,1、催化功能 酶(淀粉酶)2、调节功能 激素(胰岛素)3、运动功能 肌球蛋白4、运输功能 血红蛋白5、防御功能 免疫球蛋白6、营养功能 酪蛋白7、结构成分 胶原蛋白 8、支架作用 微管蛋白9、异常功能 甜蛋白(应乐果蛋白),返回,第二节、蛋白质的组成一、元素组成,大量元素C 5055%H 6-8%O 20-23%N 15-18%S 0-4%,微量元素Fe Cu MnZn Co MgI,二、蛋白
6、质的构件单位-氨基酸,除甘氨酸和脯氨酸外,其他均具有如下结构通式。,各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。20种基本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。,-氨基酸,可变部分,不变部分,Amino acid,(一)、氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,脂肪族氨基酸,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine,脂肪族氨基酸,氨基酸的
7、结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine脯氨酸 Proline,亚氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine脯氨酸 Proline甲硫氨酸 Methionine,含硫氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨
8、酸 Ileucine脯氨酸 Proline甲硫氨酸 Methionine半胱氨酸 Cysteine,含硫氨基酸,氨基酸的结,芳香族氨基酸,苯丙氨酸Phenylalanine,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸 Trytophan,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine赖氨酸 Lysine,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine赖氨酸 Lysine组氨酸 Histidine,氨基酸
9、的结构,天冬氨酸 Aspartate,酸性氨基酸,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate,酸性氨基酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine,含羟基氨基酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine,含羟基氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asparagine,含酰胺氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asparagine谷酰胺 Glutamine,含酰胺氨基酸,(二)、几种重要的不常见氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸,通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-
10、甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。,(三)非蛋白天然氨基酸,高丝氨酸高半胱氨酸瓜氨酸鸟氨酸,(五)氨基酸的物理性质 1、一般物理性质,无色晶体,熔点较高(200一300),水中溶解度各不同,取决于侧链。在紫外有特征吸收的仅三个芳香族的氨基酸Trp、Tyr、Phe,利用这一特点,可以通过测定280nm处的紫外吸收值的方法对蛋白溶液进行定量。,Trp,Tyr和Phe的紫外吸收,2、氨基酸的旋光性,除甘氨酸外,氨基酸均含有一个手性-碳原子,因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一,是鉴别各种氨基酸的重要依据,3、氨基酸的构型L型氨基酸 与 D型氨基酸,
11、L-amino acid,D-amino acid,L和D型氨基酸,4、两性解离及等电点,(1)氨基酸的离解性质 氨基酸在结晶形态或在水溶液中,并不是以游离的羧基或氨基形式存在,而是离解成两性离子。在两性离子中,氨基是以质子化(-NH3+)形式存在,羧基是以离解状态(-COO-)存在,在不同的pH条件下,两性离子的状态也随之发生变化。,PH 1 7 10净电荷+1 0-1 正离子 两性离子 负离子 等电点PI,(2)、氨基酸的等电点,当溶液浓度为某一pH值时,氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等,净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点,简称pI。在等电点时,氨基酸既不向正极也
12、不向负极移动,即氨基酸处于两性离子状态。等电点的计算 侧链不含离解基团的中性氨基酸,其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值:pI=(pK1+pK2)/2 同样,对于侧链含有可解离基团的氨基酸,其pI值也决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。酸性氨基酸:pI=(pK1+pKR-COO-)/2 硷性氨基酸:pI=(pK2+pKR-NH2)/2,(六)氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,(1)与甲醛发生羟甲基化反应,用途:可以用来直接测定氨基酸的浓度。,(六)氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,(2)与亚硝酸反应,用途:范斯来克法定量测定氨基酸的基本反应。,(六)氨基酸的化学性质,1-氨基参
13、与的反应,(3)酰化反应,用途:用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等。,(六)、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,(4)烃基化反应,用途:是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法。,(六)、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,(5)生成西佛碱的反应,用途:是多种酶促反应的中间过程。,(六)、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,(6)脱氨基和转氨基反应,用途:酶催化的反应。,(六)、氨基酸的化学性质,氨基酸与碱作用生成相应的盐。氨基酸的碱金属盐能溶于水,而重金属盐则不溶于水。,2-羧基参与的反应,(1)成盐反应,用途:识别溶液 食品等里有无重金属的存在,(六)、氨基酸的化学性质,1,1-氨基参与的
14、反应,(2)形成酯的反应,用途:是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体。,2-羧基参与的反应,(六)、氨基酸的化学性质,1,(3)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。,2-羧基参与的反应,(六)、氨基酸的化学性质,(4)叠氮化反应,用途:常作为多肽合成活性中间体。,2-羧基参与的反应,(六)、氨基酸的化学性质,1,(5)脱羧反应,用途:酶催化的反应。,2-羧基参与的反应,(六)、氨基酸的化学性质,1,(1)与茚三酮反应,用途:常用于氨基酸的定性或定量分析。,3-氨基和羧基共同参与的反应,茚三酮,水合茚三酮,(六)、氨基酸的化学性质,1,(2)成肽反应,用途:是多肽和蛋白质生物
15、合成的基本反应。,3-氨基和羧基共同参与的反应,4侧链基团的化学性质,巯基(-SH)的性质,1,作用:这些反应可用于巯基的保护。,4侧链基团的化学性质,巯基(-SH)的性质,作用:与金属离子的螯合性质可用于体内解毒。,4侧链基团的化学性质,(1)巯基(-SH)的性质,作用:可用于比色法定量测定半胱氨酸的含量。,硝基苯甲酸二硫化合物(DTNB),4侧链基团的化学性质,(1)巯基(-SH)的性质,作用:氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或端裂。,胱氨酸,4侧链基团的化学性质,(2)羟基的性质,1,作用:可用于修饰蛋白质。,二异丙基氟磷酸酯,4侧链基团的化学性质,(3)咪唑基的性质,组氨酸含有咪
16、唑基,它的pK2值为6.0,在生理条件下具有缓冲作用。组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应,形成磷酸组氨酸,从而使酶活化。组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷基咪唑衍生物,并引起酶活性的降低或丧失,作用:。,4侧链基团的化学性质,(4)甲硫基的性质,1,作用:。,(七)、氨基酸的分离分析,1、分配柱层析:支持剂是一些具有亲水性的不溶性物质,如纤维素、淀粉、硅胶等。2、滤纸层析:3、薄层层析:4、离子交换层析:阴离子交换树脂-N(CH3)3OH,阳离子交换树脂-SO3H5、电泳:,(八)、氨基酸的化学合成,目前氨基酸的合成方法有5种:(1)直接发酵法;(2)添加前
17、体发酵法;(3)酶法;(4)化学合成法;(5)蛋白质水解提取法。通常将直接发酵法和添加前体发酵法统称为发酵法。,合成方法,(八)、氨基酸的合成,通过对菌株的诱变处理,产生的新微生物某代谢物在体内积累,从而达到生产的目的。直接发酵法以葡萄糖,氨等为原料。应用直接发酵法生产氨基酸产量最大的是谷氨酸,其次是赖氨酸,其余可以生产的品种有苏氨酸、异亮氨酸、结氨酸、精氨酸。组氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸等。,1、直接发酵法,(八)、氨基酸的化学合成,又称为微生物转化法。这种方法使用葡萄糖作为发酵碳源、能源,再添加特异的前体物质,以避免氨基酸合成途径的反馈抑制作用,经微生物作用将其有效地转化为目的氨基酸。目
18、前成功地用邻氨基苯甲酸作为前体,工业生产色氨酸;用甘氨酸作为前体工业化生产丝氨酸。,2添加前体发酵法,(八)、氨基酸的化学合成,用微生物产生的酶作催化剂,直接使底物转化为目标氨基酸。具有工艺简单,周期短、耗能低、专一性强、收率高等特点。,3、酶法,(八)、氨基酸的化学合成,反丁烯二酸 NH3 L-天冬氨酸,3、酶法,天冬氨酸酶,(八)、氨基酸的化学合成,L-天冬氨酸 H2OL-丙氨酸CO2,3、酶法,天冬氨酸-脱羧酶,(八)、氨基酸的化学合成,-氯-L-丙氨酸H2S-L-半胱氨酸HCl,3、酶法,半胱氨酸脱硫基酶,(八)、氨基酸的化学合成,甘氨酸 甲醛-L-丝氨酸,3、酶法,丝氨酸转羟甲基酶,
19、(八)、氨基酸的化学合成,甘氨酸 乙醛 L-苏氨酸,3、酶法,苏氨酸醛缩酶,(八)、氨基酸的化学合成,醛与氢氰酸和氨反应得到氰氨化物,经水解得到外消旋的氨基酸。,4.化学合成法,(1)Strecker合成法,(八)、氨基酸的化学合成,-酮酸与氨作用,生成亚胺,再还原成外消旋的氨基酸。,4.化学合成法,(2)还原氨化法,(八)、氨基酸的化学合成,此法是先制得-溴代羧酸,再在封管内或高压釜内和氨气反应得到外消旋氨基酸。,4.化学合成法,(3)-溴代羧酸氨化法,(八)、氨基酸的化学合成,丙二酸酯经亚硝化、催化氢化得到乙酰氨基丙二酸酯。在不同反应条件下,可以进一步得到各种氨基酸,4、化学合成法,(4)
20、丙二酸酯合成法 a.乙酰氨基丙二酸酯合成法,(八)、氨基酸的化学合成,丙二酸酯溴化后与邻苯二甲酰亚胺钾反应得到邻苯二甲酰亚胺基丙二酸酯。它作为中间体,可以进一步与多种试剂发生反应制得不同的氨基酸,4.化学合成法,(4)丙二酸酯合成法B.溴代丙二酸酯合成法,(八)、氨基酸的化学合成,通常可以使消旋体与一个具有光学活性的化合物反应得到非对映体,然后利用二者的物理或化学性质的不同进行分离。常用的光学活性化合物有生物碱(如马钱子碱)或有机酸(如酒石酸)等。L-氨基酸+纯手性碱(或酸)L-氨基酸盐 分离D-氨基酸 D-氨基酸盐,5.外消旋氨基酸的拆分,(1)化学法,(八)、氨基酸的化学合成,5.外消旋氨
21、基酸的拆分,(2)酶解法,(八)、氨基酸的化学合成,不对称加成途径通过加成试剂(一般是加氢)的选择性加成而实现的合成途径,例如Corey法合成手性纯氨基酸,6氨基酸的不对称合成,(1)应用不对称前体合成法,(八)、氨基酸的化学合成,不对称取代途径通过试剂(一般是烷基化)的选择性取代而实现的合成途径,6氨基酸的不对称合成,(1)应用不对称前体合成法,(八)、氨基酸的化学合成,此法的关键是制备一种具有特殊空间结构的加氢催化剂,这种催化剂能够识别底物分子的潜手性面,使氢原子只能从一个方向进行加成,得到光学纯异构体。,6氨基酸的不对称合成,(2)应用不对称催化剂合成法,(八)、氨基酸的化学合成,反应基
22、本过程,6氨基酸的不对称合成,(2)应用不对称催化剂合成法,(九)氨基酸的应用,1、医药工业 氨基酸输液 必需氨基酸:苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸 半必需氨基酸:精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。,治疗药剂,1,精氨酸:对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果;2,天冬氨酸:钾镁盐可用于恢复疲劳;治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。3,半胱氨酸:能促进毛发的生长,可用于治疗秃发症;甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等;组氨酸:可扩张血管,降低血压,用于心绞痛,心功能不全等疾病的治疗。,2、化学工业,维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。叶酸:需要用谷氨酸为原料
23、合成。氨基酸表面活性剂:酰基谷氨酸钠、十六烷基-L-赖氨酰-L-赖氨酸甲酯二盐酸、月桂酰-L-精氨酸乙酯盐酸等具有较强的抗菌杀菌活性,且无刺激性。聚合氨基酸:聚谷氨酸甲酯可用于作为合成皮革的表面处理剂;聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基酯与磷酸高级烷基酯结合得到化合物可作为可塑剂,稳定剂等。,3、食品工业,营养强化剂;谷氨酸钠味精;天冬氨酸钠:可用于清凉饮料,能增加清凉感并使香味浓厚爽口;天冬氨酰苯丙氨酸甲酯:甜味素APM,4、农业,杀虫剂:刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死;半胱氨酸可杀死黄瓜蝇;甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果;杀菌剂:N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟
24、病;-1,4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等;除草剂:如N-3,4二氮丙氨酸,硫代氨基酸酯等;,5、化妆品工业,氨基酸能调节皮肤pH的变动,对细菌的防护作用,也可作为皮肤、毛发的营养成分,增加皮肤、毛发的光泽。防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素,可防止皮肤老化。,返回,第四章、蛋白质的结构,一、肽一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键,所形成的化合物称为肽。由两个氨基酸组成的肽称为二肽,由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。,
25、structure,通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基,称为氨基端或N-端;在另一端含有一个游离的-羧基,称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始,以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为:Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,(一)、肽键及肽平面,肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。组成肽键的原子处于同一平面。,1、肽键,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。,2、肽的结构,肽的二面角,3、天然存在的重要多肽,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
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