蛋白质化学-蛋白质的共价结构.ppt

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1、第4章 蛋白质的共价结构,一、蛋白质通论二、肽三、蛋白质一级结构的测定四、蛋白质氨基酸序列与生物功能五、肽与蛋白质的人工合成,一、蛋白质通论,（一）蛋白质的化学组成和分类（二）蛋白质的形状和大小（三）蛋白质分子的构象与结构层次（四）蛋白质功能的多样性,（一）蛋白质的化学组成和分类,1、化学组成(元素组成)(Proteins element composing)元素 百分含量 平均(%)C 50-55 52 H 6.9-7.7 7 O 21-24 23 N 15.0-17.6 16 S 0.3-2.3 2 P 0.4-0.9 0.6 凯氏定氮：粗蛋白质含量=蛋白氮6.25,2.蛋白质的结构组成(

2、Proteins building-block units),蛋白质(Pr)分子量很大，可水解成简单有机化合物氨基酸（amino acids)，氨基酸按固定的排列顺序以共价键的形式连接形成长的不分支的链。蛋白质是由多肽组成的。蛋白质：分子量6000时，有完整的生物学功能，至少40个aa。多肽：分子量6000时，不完全有生物学功能。,3、蛋白质的水解(Hydrolysis of proteins),酸水解：碱水解:酶水解：,4、蛋白质的分类(Classification of proteins),根据蛋白质的化学组成 简单蛋白质和结合蛋白质根据蛋白质的溶解性和组成根据蛋白质分子形状 球状蛋白质和

3、纤维状蛋白质根据蛋白质生物功能 活性蛋白质和非活性蛋白质,按分子组成分类,1.单纯蛋白质 完全由氨基酸组成，不含非蛋白成分。根据溶解性的不同，可将简单蛋白分为以下7类。2.结合蛋白（又称缀合蛋白）由蛋白质和非蛋白成分组成，后者称为辅基。根据辅基的不同，可将结合蛋白分为以下7类。,按分子形状分类,1.球状蛋白 外形近似球体，多溶于水，大都具有活性，如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。球状蛋白的长度与直径之比一般小于10。2.纤维状蛋白 外形细长，分子量大，大都是结构蛋白，如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等。纤维蛋白按溶解性可分为可溶性纤维蛋白与不溶性纤维蛋白。前者如血液中的纤维蛋白原、肌肉中的肌球蛋白

4、等，后者如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等结构蛋白。,按结构与功能分类（p158页表4-3）,1、酶 2、调节蛋白：某些激素、一切激素受体和许多其他调节因子都是蛋白质3、转运蛋白：血红蛋白4、贮存蛋白：蛋类中的卵清蛋白、奶类中的酪蛋白和小麦种子中的麦醇溶蛋白等。肝脏中的铁蛋白可将血液中多余的铁储存起来，供缺铁时使用5、收缩和游动蛋白：肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白，它们构象的改变引起肌肉的收缩；细菌中的鞭毛蛋白有类似的作用6、结构蛋白 7、支架蛋白：能同时结合两个或多个蛋白质.保证了信号传递的特异和高效.锚定蛋白8、保护和进攻蛋白：抗体 毒蛋白 9、异常蛋白：应乐果甜蛋白 节肢弹性蛋白（昆虫）,（二）

5、蛋白质的形状和大小,蛋白质分子的形状：球状蛋白 纤维状蛋白 膜蛋白蛋白质分子的大小：6000-106 表4-4,（三）蛋白质分子的构象与结构层次,二、肽(peptides),（一）肽和肽键及结构（二）肽的理化性质（三）自然界中存在的小肽,（一）肽和肽键及结构,1、蛋白质通过肽键连接蛋白质肽链结构学说的证据：肽键是一个酰胺键。（1）蛋白质水解前后的结果分析。（2）人工合成的多肽和天然蛋白质，都可被蛋白水解酶水解，人工合成多肽中氨基酸是肽键连接的。（3）天然蛋白质有双缩脲反应。（4）人工合成的聚合aa的X-光衍射谱和红外光谱与天然纤维蛋白相似。（5）结晶牛胰岛素的成功，完全证明了蛋白质肽链结构学说

6、的正确性。,2、肽的定义与结构,一分子氨基酸的-羧基与另一分子氨基酸-氨基脱水缩合的化合物叫做肽，氨基酸之间通过酰胺键（蛋白质化学中将这类酰胺键专称为肽键）连接。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。,3、肽的结构分析,4、

7、肽的书写,写法：从左右，从N末端C末端。三字母用连线，也有用单字母的。读法：酰 酰 酸。例：Ser-Gly-Try-Ala-Leu 或SGTAL，丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-亮氨酸 结构式：,5、肽键的特点,A pure double bond between C and O would permit free rotation around the C N bond.,The other extreme would prohibit C N bond rotation but would place too great a charge on O and N.,The true elec

8、tron density is intermediate.The barrier to C N bond rotation of about 88 kJ/mol is enough to keep the amide group planar.,肽键的特点,（1）肽键虽是单键却有双键性质，不能自由旋转（2）肽键周围六个原子在同一平面（酰氨平面）上（3）相邻两个氨基酸的-carbon 在对角(trans)，反式（4）肽键亚氨基在pH 0-14内不解离。,6、Pro形成的肽键,Pro形成的肽链肽平面是可以反式也可以顺式,多肽链可以看成由C串联起来的数个酰胺平面组成,（二）肽的物理化学性质,1、旋光

9、性 一般短肽的旋光度等于其各个氨基酸的旋光度的总和，但较大的肽或蛋白质的旋光度不等于其组成氨基酸的旋光度的简单加和。2、肽的酸碱性质 短肽在晶体和水溶液中是以偶极离子形式存在。肽的酸碱性质主要取决于N端-NH和C端-COOH 以及侧链R上可解离的基团。在长肽或蛋白质中，可解离的基团主要是侧链基团。肽的滴定曲线和氨基酸的很相似。3、肽的等电点 可以根据它的pK值确定,4、肽的化学反应（1）肽的-羧基，-氨基和侧链R基上的活性基团都能发生与游离氨基酸相似的反应。（2）双缩脲反应，是肽和蛋白质特有的反应。（双缩脲），能与 CuSO4-NaOH产生颜色反应。一般含有两个或两个以上肽键的化合物都能与Cu

10、SO4碱性溶液发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物。利用这个反应可以定量分析蛋白质的含量。游离氨基酸无此反应。,（三）天然存在的活性肽,1、谷胱甘肽（GSH）p168 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。GSH和GS-SG,2.促甲状腺素释放激素：三肽（焦谷氨酰组氨酰脯氨酸），可促进甲状腺素的释放。3.短杆菌素S：环十肽，含有D-苯丙氨酸、鸟氨酸，对革兰氏阴性细菌有破坏作用，主要作用于细胞膜。4.青霉素：含有D半胱氨酸和D缬氨酸的二肽衍生物。主要破坏细菌的

11、细胞壁粘肽的合成引起溶菌。5.牛催产素与加压素：均为九肽 6.舒缓激肽：促进血管舒张，促进水、钠离子的排出。7.脑啡肽：为五肽，具有镇痛作用。8.蕈（mushrooms）产生的毒素-鹅膏蕈碱,脑啡与其受体结合后可以产生镇痛效果,麻啡可以模拟脑啡的作用，因此有类似的效用,鹅膏蕈碱,鬼笔鹅膏，又名毒鹅膏菌，此菌极毒，目前尚无有效解毒办法，鹅膏蕈碱（鹅膏毒肽）是鹅膏蕈所含的最重要致死毒素，为双环八肽，食入后，可迅速被消化道吸收进入肝脏，并能迅速与肝细胞RNA聚合酶结合，抑制mRNA的生成，造成肝细胞坏死，导致急性肝功能衰竭为主的多器官衰竭。,图4-6-鹅膏蕈碱的化学结构,三、蛋白质一级结构的测定,（

12、一）蛋白质一级结构的定义（二）N末端分析（三）C末端分析（四）二硫键的拆开和肽链的分离（五）肽链的完全水解和氨基酸组成的测定（六）肽链的部分水解和肽段的分离（七）多肽链中氨基酸顺序的测定（八）二硫键位置的确定,（一）蛋白质一级结构的定义,蛋白质的一级结构是指肽链的氨基酸组成及其排列顺序和二硫键的位置。氨基酸序列是蛋白质分子结构的基础，它决定蛋白质的高级结构。一级结构可用氨基酸的三字母符号或单字母符号表示，从N-末端向C-末端书写。采用三字母符号时，氨基酸之间用连字符“”隔开。,（二）测定步骤,测定蛋白质的一级结构，要求样品必须是均一的（纯度大于97）而且是已知分子量的蛋白质。一般的测定步骤是：

13、通过末端分析确定蛋白质分子由几条肽链构成 将每条肽链分开，并分离提纯。肽链的一部分样品进行完全水解，测定其氨基酸组成和比例。肽链的另一部分样品进行N末端和C末端的鉴定。拆开肽链内部的二硫键。一部分肽链用部分水解方法降解成一套大小不等的肽段，并将各个肽段分离出来。测定每个肽段的氨基酸顺序。另一部分肽链样品再用另一种部分水解方法水解成另一套肽段，其断裂点与第一种方法不同。分离肽段并测序。比较两套肽段的氨基酸顺序，根据其重叠部分拼凑出整个肽链的氨基酸顺序。测定原来的多肽链中二硫键和酰胺基的位置。,1、N末端分析,（1）蛋白质的末端氨基与2,4-二硝基氟苯(DNFB)（Sanger试剂）在弱碱性溶液中

14、作用生成二硝基苯基蛋白质（DNP-蛋白质），产物黄色，可经受酸性100高温。水解时，肽链断开，DNP-氨基酸能溶于有机溶剂（如乙醚）中，这样可与其他氨基酸和-DNP赖氨酸分开。经双向滤纸层析或柱层析，可以鉴定黄色的DNP氨基酸。,1、N末端分析,（2）蛋白质的末端氨基与丹磺酰氯(DNS-Cl)反应，生成DNS-蛋白质。DNS-氨基酸有强荧光，激发波长在360nm左右，比DNFB法灵敏100倍。肽水解后的DNS-氨基酸不需要提取。,1、N末端分析,（3）末端氨基与异硫氰酸苯酯（PITC）在弱碱性条件下形成相应的苯氨基硫甲酰衍生物，后者在硝基甲烷中与酸作用发生环化，生成相应的苯乙内酰硫脲衍生物而从

15、肽链上掉下来。产物可用气-液色谱法进行鉴定。Edman法 此法是目前应用最广泛方法。优点是剩下的肽链仍是完整的，可依照此法重复测定新生的N末端氨基酸。现在已经有全自动的氨基酸顺序分析仪，可测定含20个以上氨基酸的肽段的氨基酸顺序。缺点是不如丹磺酰氯灵敏，可与之结合使用。（4）N末端氨基酸也可用酶学方法即氨肽酶法测定。,N-末端分析,常见问题及处理方法：经常碰到N-末端残基的氨基被封闭。因此不能与Edman降解试剂发生作用。焦谷氨酰化、乙酰化以及某些环状肽。,2、C末端分析,（1）C末端氨基酸可用硼氢化锂还原生成相应的氨基醇。肽链水解后，再用层析法鉴定。有断裂干扰。（2）多肽与肼在无水条件下加热

16、，可以断裂所有的肽键，除C末端氨基酸外，其他氨基酸都转变为相应的酰肼化合物。肼解下来的C末端氨基酸可用纸层析鉴定。精氨酸会变成鸟氨酸，半胱氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺被破坏。（3）羧肽酶法 将蛋白质在pH 8.0,30与羧肽酶一起保温，按一定时间间隔取样，用纸层析测定释放出来的氨基酸，根据氨基酸的量与时间的关系，就可以知道C末端氨基酸的排列顺序。羧肽酶A水解除精氨酸、赖氨酸和脯氨酸外所有肽键，羧肽酶B水解精氨酸和赖氨酸。,3、二硫键的拆开和肽链的分离,肽链之间不是共价交联的，可用酸、碱、高浓度的盐或其他变性剂处理蛋白质，把肽链分开。如果肽链之间以二硫键交联，或肽链中含有链内二硫键，则必须用氧化或还

17、原的方法将二硫键拆开。最普遍的方法是用过量的巯基乙醇处理，然后用碘乙酸保护生成的半胱氨酸的巯基，防止重新氧化。二硫键拆开后形成的肽链，可用纸层析、离子交换柱层析、电泳等方法进行分离。,4、肽链的完全水解和氨基酸组成的测定,在测定氨基酸顺序之前，需要知道多肽链的氨基酸组成和比例。一般用酸水解，得到氨基酸混合物，再分离测定氨基酸。目前用氨基酸自动分析仪，24小时即可完成。蛋白质的氨基酸组成，一般用每分子蛋白质中所含的氨基酸分子数表示。不同种类的蛋白质，其氨基酸组成相差很大。,5、肽链的部分水解和肽段的分离,胰蛋白酶：专门水解赖氨酸和精氨酸的羧基形成的肽键，所以生成的肽段之一的C末端是赖氨酸或精氨酸

18、。胰凝乳蛋白酶（糜蛋白酶）：水解苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等疏水残基的羧基形成的肽键。其他疏水残基反应较慢。以上方法中，酶不能水解脯氨酸参与形成的肽键 肽段的分离：多肽部分水解后，降解成长短不一的小肽段，可用层析或电泳加以分离提纯。经常用双向层析或电泳分离，再用茚三酮显色，所得的图谱称为肽指纹谱。,酶法裂解总结,胰蛋白酶 Lys X,Arg X(X Pro)胰凝乳蛋白酶 TyrX，TrpX,PheX(X Pro)胃蛋白酶 Phe(Trp、Try、Leu)Phe(Trp、Try、Leu)嗜热菌蛋白酶 X-Phe,Trp,Tyr,Leu,Ile,Val,Met（Pro）Glu蛋白酶 GluXArg蛋

19、白酶 ArgX,6、多肽链中氨基酸顺序的测定,从多肽链中部分水解得到的肽段可用Edman化学法、酶法、质谱法或气谱-质谱连用法测序，然后用小肽段重叠原理拼凑出整个多肽链的氨基酸顺序。,7、二硫键位置的确定,一般用蛋白酶水解带有二硫键的蛋白质，从部分水解产物中分离出含二硫键的肽段，再拆开二硫键，将两个肽段分别测序，再与整个多肽链比较，即可确定二硫键的位置。常用胃蛋白酶，因其专一性低，生成的肽段小，容易分离和鉴定，而且可在酸性条件下作用（pH2），此时二硫键稳定。肽段的分离可用对角线电泳 pH6.5 过甲酸蒸汽断裂二硫键，使含二硫键的肽段变成一对含半胱氨磺酸的肽段。,四、蛋白质氨基酸序列与生物功能

20、,1.同源蛋白质 在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质称同源蛋白质。同源蛋白质一级结构（序列）的特点：（1）同源蛋白质氨基酸序列具有明显的相似性（同源性）。（2）多肽链长度相同或相近有（3）许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称不变残基，不变残基高度保守，是必需的。除不变残基以外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化，称可变残基，可变残基中个别氨基酸的变化 不影响蛋白质的功能。例如各种脊椎动物中血红蛋白和胰岛素。,胰岛素,由51个aa组成，A、B两条链（21+30），2个链间二硫键，1 个链内二硫键 有24个氨基酸残基位置始终不变：6 个Cys不变，其余18个氨基酸多数为非极性侧链

21、，对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。猪与人接近，而狗则与人不同，因此可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。,氧合肌红素蛋白 p184,肌肉内的氧合肌红素蛋白-肌红蛋白分子由一条肽链组成，含153 个氨基酸残基。每个肌红蛋白分子含有一个血红素辅基。红细胞的血红蛋白分子有两个和两个亚基,亚基含141个氨基酸残基,亚基含146个氨基酸残基。血红蛋白的每个亚基都有一个血红素辅基。肌红蛋白的一级结构与血红蛋白的亚基或亚基极为相似。因此推想，它们是从同一个分子进化而来。图4-18,丝氨酸蛋白酶,丝氨酸蛋白酶是一个蛋白酶家族，它们的作用是断裂大分子蛋白质中的肽键，使之成为小分子蛋白质。其激活是通过活性中心一组氨基酸

22、残基变化实现的 胰分泌的酶里面有三种是丝氨酸蛋白酶：糜蛋白酶，又称为胰凝乳蛋白酶，由胰以糜蛋白酶原的形式分泌，在小肠内经胰蛋白酶作用而激活。胰蛋白酶属水解酶类，以酶原形式由胰释出，在小肠中转化为活性形式。弹性蛋白酶，对丙氨酸、甘氨酸、异亮氨酸、亮氨酸或缬氨酸等的多肽键起催化水解的作用 这三种酶的一级结构和三级结构相似。它们的活性丝氨酸残基都是在同一位置(Ser-195)。,通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化。亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。进化论有了分子水平上的直接证据。,2.同源蛋白质的物种差异与生物进化,2.同源蛋白质的物种差异与生物进化,

23、细胞色素C，通过分子中的半胱氨酸巯基与血红素共价结合 分子量：12500左右 氨基酸残基：100个左右，单链。25种生物中，细胞色素C的不变残基35个。60种生物中，细胞色素C的不变残基27个。亲源关系越近的，其细胞色素C的差异越小。亲源关系越远的，其细胞色素C的差异越大。细胞色素C的氨基酸顺序分析资料已经用来核对各个物种之间的分类学关系，以及绘制进化树。根据进化树不仅可以研究从单细胞到多细胞的生物进化过程，还可以粗略估计各种生物的分化时间。,五、肽与蛋白质的人工合成,多肽的人工合成有两种类型，一种是由不同氨基酸按照一定顺序排列的控制合成，另一种是由一种或两种氨基酸聚合或共聚合。控制合成的一个

24、困难是进行接肽反应所需的试剂，能同时和其他官能团反应。因此在接肽以前必须首先将这些基团加以封闭或保护，肽键形成后再除去保护基。这样每连接一个氨基酸残基都要经过几个步骤，要得到较长的肽链就必须每步都有较高的产率。如果每一步反应产率都是90%，那么30次反应后总产率只有4.24%。,保护基,保护基必须在接肽时起保护作用，在接肽后容易除去，又不引起肽键断裂。氨基保护基通常用苄氧甲酰基，可用催化加氢或用金属钠在液氨中处理除去。其他还有三苯甲基、叔丁氧甲酰基等，可用稀盐酸或乙酸在室温下除去。羧基保护基通常用烷基，如乙基，可在室温下皂化除去。如用苄基，可用催化加氢除去。,（1）缩合剂促进肽键形成 肽键不能

25、自发形成，常用缩合剂促进肽键形成。接肽用的缩合剂最有效的是N,N-二环己基碳二亚胺(DCCI)。DCCI从两个氨基酸分子中夺取一分子水，自身变为不溶的N,N-二环己基脲，从反应液中沉淀出来，可过滤除去。（2）活化参加形成肽键的羧基和氨基 羧基活化可用叠氮化物法和活化酯法（对硝基苯酯）等；氨基活化一般不需特殊手段，通常在接肽时加入有机碱，如三乙胺，保证氨基在自由状态即可。,肽键形成,固相多肽合成,在固相合成中，肽链的逐步延长是在不溶的聚苯乙烯树脂小圆珠上进行的。合成多肽的羧基端先和氯甲基聚苯乙烯树脂反应，形成苄酯。第二个氨基酸的氨基用叔丁氧甲酰基保护后，以DCCI为缩合剂，接在第一个氨基酸的氨基上。重复这个方法，可使肽链按一定顺序延长。最后把树脂悬浮在无水三氟乙酸中，通入干燥HBr，使多肽与树脂分离，同时除去保护基。整个合成过程现在已经可以在自动化固相多肽合成仪上进行。平均合成每个肽键只需三小时。此法可用于医药工业。人工合成的催产素没有混杂的加压素，比提取的天然药品好。已经成功合成含124个残基的蛋白。,锚定蛋白,是一种比较大的细胞内连接蛋白,每个红细胞约含10万个锚定蛋白，相对分子质量为215,000。锚定蛋白一方面与血影蛋白相连,另一方面与跨膜的带3蛋白的细胞质结构域部分相连,这样，锚定蛋白借助于带3蛋白将血影蛋白连接到细胞膜上，也就将骨架固定到质膜上。,