化学生物学导论蛋白质化学.ppt
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1、Chapter 1 Protein chemistry,第一章 蛋白质化学,化学与材料科学学院分析化学学部王骊丽,本章内容,第一节 蛋白质的组成(Protein composition)第二节 多肽(Polypeptide)第三节 蛋白质的结构(Protein structure)第四节 蛋白质的分类(Protein classification),主要知识点,熟练掌握构成蛋白质的20种氨基酸的基本结构、分类和简写方式;熟练掌握氨基酸的结构特点和物理化学性质(光学性质、两性电解质性质);掌握蛋白质一级结构的基本测定方法和高级结构的定义;掌握二级结构类型和特征,三级结构和四级结构的特性和区别。熟
2、练掌握蛋白质的理化性质及其应用;了解多肽的合成方法。,:,第一节 蛋白质组成,一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的基本单位-氨基酸三、氨基酸的性质,一、蛋白质元素组成(按干重计算),在任何生物样品中,每克氮的存在,大约表示该样品含100/16=6.25g蛋白质。凯氏定氮法以生物样品中的含氮量计算蛋白质含量(质量分数,)每克样品中氮含量g 6.25 100%,主要元素:C、O、N、H、微量元素:S、P、Fe、Zn、Cu、Mo、I,1克氮相当于6.25克蛋白质为测定样品中蛋白质含量的依据,二、蛋白质基本单位-氨基酸,除甘氨酸外,组成蛋白质结构单元氨基酸均属于 L-氨基酸,具有旋光性 左旋(-)或右旋(
3、+)天然蛋白质由20种氨基酸组成;天然蛋白质含有若干种不常见的氨基酸衍生物;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。,1、氨基酸的结构和分类,氨基酸均具有如下结构通式,L-氨基酸(甘氨酸除外),R为侧链,构成蛋白质的20种氨基酸,L-构型与D-构型,-氨基酸有两种构型:D构型和L构型 它们是与甘油醛或乳酸相比较而决定的。凡是与L甘油醛(或L乳酸)构型相同的,就定义为L氨基酸,反之为D氨基酸。,20种氨基酸的侧链结构及极性迥然不同,氨基酸分类,按R基和氨基酸性质的不同可分为脂肪族氨基酸芳香族氨基酸碱性氨基酸含羟基或含硫氨基酸环氨基酸以及酸性氨基酸及其酰胺,此类氨基酸由丙氨酸、缬氨酸
4、、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和脯氨酸六个或称为疏水性氨基酸此类氨基酸在水溶液中溶解度小。,氨基酸分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,此类氨基酸有甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺;半胱氨酸侧链的巯基失去质子的倾向较此类其他氨基酸为大,其极性最强。,氨基酸分类,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,此类氨基酸有苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸;其侧链分别由苯基、酚基和吲哚基;苯基的疏水较强;酚基和吲哚基在一定的条件下可解离。,氨基酸分类,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,此类氨基酸有天冬氨酸、谷氨酸
5、;其侧链都含有羧基,均可解离而带负电荷;,氨基酸分类,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,此类氨基酸有赖氨酸、精氨酸和组氨酸;其侧链分别含有氨基、胍基、和咪唑基,均可发生质子化,使之带正电荷。,氨基酸分类,侧链R基分类后排布,按营养状况分,必需氨基酸:人和动物体内需要而又不能自身合成,必须由食物供应的氨基酸。,半必需氨基酸:尽管自身可以合成,但合成量不能满足需要,尤其是婴幼儿,不能自身合成的氨基酸。,非必需氨基酸:其他可已在体内合成以满足需要的氨基酸。,氨基酸分类,必须氨基酸共八种:蛋氨酸(Met),苏氨酸(Thr),色氨酸(Trp),缬氨酸(Val),赖氨酸(Lys),苯丙氨酸(
6、Phe),异亮氨酸(Ile),亮氨酸(Leu)。非必须氨基酸共两种:组氨酸(His),精氨酸(Arg),体内合成效率较低,尤其婴幼儿时期可体外补充。,氨基酸分类,脯氨酸-含有环状二级氨基(亚氨基酸),特殊氨基酸,半胱氨酸,胱氨酸,特殊氨基酸,2、几种不常见的重要氨基酸,蛋白质肽链在合成过程中或合成后,某些氨基酸残基经酶催化修饰,改变其侧链的化学结构生成一些修饰(modified)氨基酸,具有新的结构和功能,胶原中出现的羟基氨基酸残基是形成坚韧的胶原纤维的必要条件;甲状腺球蛋白中带有甲状腺素等碘化酪氨酸残基。,3、非蛋白氨基酸,自然界中还存在一些并不是蛋白质组分的非蛋白氨基酸,已经发现有200余
7、种,具有不同的功能;(见教科书p9中表1-2)细菌中含有多种-氨基酸:细菌细胞壁丙氨酸、短杆菌肽D和多粘菌肽中D-亮氨酸,下页,返回,三、氨基酸的性质,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,这些天然氨基酸具有共同或特异的理化性质。氨基酸为无色晶体,不同氨基酸晶体形状不相同,构成蛋白质20种氨基酸中,除甘氨酸外,均含有一个手性-碳原子,都具有旋光性,能使偏振光平面向左或向右旋转,左旋者通常用(-)表示,右旋者用(+)表示;各种氨基酸都有特定的比旋光度,可作为各种氨基酸的定性、定量测定的依据;比旋光度是氨基酸重要物理常
8、数。参见表1-3,1、氨基酸的光学活性,2、氨基酸的光吸收性质,构成蛋白质20种氨基酸在可见光区都没有光吸收,远紫外区(220 nm)均有紫外吸收;在近紫外区220-300nm只有酪氨酸,苯丙氨酸、色氨酸有吸收光能力。,重要知识点!,大多数蛋白质含有这三种氨基酸残基,所以测定蛋白质溶液280 nm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,酪氨酸的max275nm色氨酸的max280nm苯丙氨酸的max257nm,酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸有紫外光吸收能力,前者二个最大吸收峰在280nm 附近;,考马斯亮兰法(Bradford法)folin酚试剂法(Lowry法)
9、紫外吸收法,蛋白质含量测定方法,知识延伸,作业:查阅这三种方法测定原理?,3.两性解离和等电点,从结构上看,氨基酸分子中含有羧基(-COOH)和氨基(-NH2)从物理化学性质上看,氨基酸具有盐的某些属性:白色晶体、熔点很高(200以上分解),不同程度溶于水,水溶液具有较高的介电常数;不同一般的羧酸和胺;氨基酸在结晶形态或水溶液中,并不是以游离的羧基或氨基形式存在;氨基酸以解离成两性离子,氨基以质子化(-NH3+)形式存在,羧基以离解状态(-COO-)存在。,氨基酸的酸碱性质,氨基酸在水溶液中或在晶体状态时主要时以两性离子的形式存在。,氨基酸的理化性质,氨基酸的兼性离子(净电荷0),阳离子(净电
10、荷+1)质子受体,阴离子(净电荷-1)质子供体,水溶液中形式,氨基酸的理化性质,氨基酸的理化性质,氨基酸的可解离基团的pK值:氨基酸的每一功能基因可被酸碱所滴定,可根据氨基酸的滴定曲线来推算pK值。,氨基酸的酸碱性质两个重要概念,氨基酸的等电点 pI,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。,等电点的定义,重要知识点!,在等电点时,氨基酸既不向正极也不向负极移动,即氨基酸处于两性离子状态;,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,在不同的pH条
11、件下,两性离子的状态也随之发生变化。,由甘氨酸(Gly)的两性解离和滴定曲线可以看出,在pH2.34和pH9.60处,Gly具有缓冲能力。,pK1和pK2分别代表碳上COOH和NH3+的解离常数负对数。曲线的转折点pK1=2.34,在此pH条件下,有一半发生电离。可以将1mol/甘氨酸溶于水时,溶液的pH约为6,用标准盐酸溶液进行滴定,得到滴定曲线A。曲线的转折点pK2=9.6,另一半电离。用标准NaOH溶液滴定,得到曲线B。,等电点的确定,pI=1/2(pK1+pK2)=(2.34+9.6)/2=5.97,图1-3 甘氨酸的酸碱滴定曲线,pI=1/2(pK1+pKR)1/2(2.19+4.2
12、5)=3.22,pK1、pKR代表分别代表两性离子两边的解离常数pK值;谷氨酸的等电点计算,谷氨酸的滴定曲线,Titration curve for histidine,组氨酸的滴定曲线,侧链没有可解离基团的中性氨基酸,其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值:,等电点计算公式,(pK1、pK2和pKR分别代表a-C上COOH、NH3+以及侧链基团的解离常数负对数,通过测定滴定曲线的实验方法求得。,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。,蛋白质的pK和pI值,所带净电荷为零,氨基酸主要是两性离子形式;氨基酸的电解(或解离)处于动态平衡;易沉淀(失去静
13、电斥力)。,等电点时氨基酸的特性,混合氨基酸的分离或制备;,判断在某一pH值下氨基酸的带电性。,pH pI时,氨基酸带净负电荷,在电场中将向正极移动;pH pI时,氨基酸带净正电荷,在电场中将向负极移动;pH=pI时,氨基酸所带净电荷为零,在电场中在原点不动。,当pH=pH pI,则|pH|越大,氨基酸所带电量越高。,氨基酸等电点特征的应用,知识延伸,(一)氨基酸的制备,制备氨基酸有4种途径:,从蛋白质水解液中分离提取;,应用发酵法生产;,应用酶的催化反应生成氨基酸;,有机合成法。,适宜于中小规模的生产,可大规模生产,氨基酸的制备和应用状况,知识延伸,(二)氨基酸的用途,蛋白质的基本组成对生物
14、体具有其他特殊的生理作用;参与许多代谢作用,不少已用来治疗疾病;用于食品强化剂、调味剂、着色剂、甜味剂和增味剂用于饲料添加剂;调节皮肤pH值和保护皮肤的功能,氨基酸的制备和应用状况,知识延伸,-氨基酸的重要化学反应,氨基酸既含有氨基,又含有羧基,其性质集中地表现在这两个官能团上。,知识延伸,氨基酸分子的氨基、羧基和一些侧链活性官能团发生多种化学反应:-氨基参与的反应-羧基参与的反应-氨基和羧基共同参与的反应不同侧链基团性质决定的化学反应,知识延伸,1)-氨基参与的反应,与甲醛发生羟甲基化反应与亚硝酸反应酰化反应烃基化反应生成西佛碱的反应脱氨基和转氨基反应,知识延伸,例1.与亚硝酸反应(nitr
15、ous acid reaction),在标准条件下测定生成的氮气体积,可对氨基酸进行定量分析(范斯来克-Van Slyke氨基氮测定法);,蛋白质水解程度的测定。,重氮化反应,得到-羟基酸,定量地放出N2气,知识延伸,例2.与2,4二硝基氟苯反应(Sanger反应),应用:DNFB用于测定蛋白质肽链N-末端氨基酸。,知识延伸,成盐反应形成酯的反应形成酰卤的反应叠氮化反应脱羧反应,-羧基参与的反应,知识延伸,例1.与Ba(OH)2共热失去羧基形成相应的胺,知识延伸,例2.人体内通过脱羧酶发生脱羧反应,知识延伸,与茚三酮反应:氨基酸与茚三酮水合物共热,可生成蓝紫色化合物,其最大的吸收峰在570 n
16、m处。由于最大吸收峰值与氨基酸的含量存在正比例关系,因此,可作为氨基酸的含量定量分析;成肽反应:一个氨基酸的羧基可与另一个氨基酸的氨基反应成肽。,3)-氨基和羧基共同参与的反应,知识延伸,例1.与茚三酮反应(ninhydrin reaction),(无色),蓝紫色化合物,加热,(1)利用生成的蓝紫色(比色法),此反应用于氨基酸的定性和定量分析。(2)通过测定反应中释放出的二氧化碳的量可以计算氨基酸的量(3)脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应不释放氨,直接生成黄色化合物。,知识延伸,例2 成肽反应(peptide reaction),肽键,知识延伸,肽链的异构体,由两种氨基酸组成的如A和B形成的二肽,
17、有两种异构体;有三种氨基酸组成的三肽,有六种异构体;四肽有24个异构体;五肽有120种异构体,以此类推,n个氨基酸的异构体,从理论上就有 1234n个异构体。即它们的结构不同,性质相似,但却也不尽相同。,知识延伸,4)不同侧链基团性质决定的化学反应,巯基的性质羟基的性质咪唑基的性质甲硫基的性质芳香环的性质,知识延伸,例1.与异硫氰酸苯脂反应(Edman degradation),应用:用于测定蛋白质肽链N-末端氨基酸排列顺序;蛋白质氨基酸自动测序仪。,知识延伸,例2.与荧光胺的反应,应用:采用荧光光度法测定氨基酸含量,产物的激发波长为:x390nm,发射波长为:M475nm读取发射光的M(荧光
18、强度)即可测定氨基酸含量。,知识延伸,指示:删除样本文档图标,并替换为工作文档图标,如下:在 Word 中创建文档.返回 PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象.”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”,并选择“编辑”单击“确定”,第二节 多肽(peptide),一、多肽的结构二、肽键三、多肽的性质四、天然存在的重要多肽五、多肽的合成,赫尔曼埃米尔费歇尔Hermann Emil Fischer(1852-1919),1902年,Hermann Emil Fischer 提出了蛋白质的多
19、肽结构学说。认为蛋白质分子是由许多氨基酸以肽键(酰胺键)结合而成的长链高分子化合物。,多肽结构学说,一分子氨基酸的-羧基与另一分子氨基酸-氨基脱去一分子水形成的酰胺键称为肽键,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。,指示:删除样本文档图标,并替换为工作文档图标,如下:在 Word 中创建文档.返回 PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象.”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”,并选择“编辑”单击“确定”,多肽的结构,习惯上,含有10个氨基酸
20、构成的肽称为寡肽;由10个以上氨基酸组成的肽称为多肽;,指示:删除样本文档图标,并替换为工作文档图标,如下:在 Word 中创建文档.返回 PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象.”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”,并选择“编辑”单击“确定”,寡肽与多肽,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;多肽链的方向是从氨基末端(N-末端)走向羧基末端(C-末端)。参见蛋白质结构,二肽形成,在多肽链中,氨基酸残基按一定的顺序排列,这种排列顺序
21、称为氨基酸顺序;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。五肽可表示为:,五肽形成,丝氨酰-缬氨酰-酪氨酰-天冬氨酰-谷酰胺或Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,124个氨基酸,多肽是一个线性链状分子,肽链中的氨基酸不是原来完整的分子,多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。,肽键,链状结构,多肽命名,氨基末端,羧基末端,下列五肽命名为丙氨酰谷氨酰亮氨酰缬氨酰组氨酸:,注意:,在开链肽的N端和C端可以有游离的氨基和羧基,而有的开链肽的N端或C端的游离的氨基或羧基被别的基团结合(如烷基化、酰化等)或N端残基自身环化。,由一个氨基酸的
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