《生物化学教学课件》第四章(一)生化.ppt
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1、第二章,蛋 白 质 化 学,第一节 概 述,一.蛋白质是一种重要的生物大分子 18世纪中叶,Beccari首次报道了从面粉中能分离到一种粘性很高的物质,现知为谷蛋白。尔后的一系列研究都证明,应用稀酸、稀碱、盐类都可从植物、动物组织中分离到类似的物质。,19世纪中叶,荷兰化学家Gerardus Mulder 从动植物体中提取得到一种共有的物质。根据瑞典化学家Berzelius的提议,Mulder 将之命名为Protein(由希腊文 Proteios而来,意指“第一重要的”。,100多年前,革命导师恩格斯就指出:“无论在什么地方,只要我们遇到生命,我们就发现生命是和某种蛋白体相联系的,并且无论在什
2、么地方,只要我们遇到不处于解体过程的蛋白体,我们也无例外地发现生命现象。”,迄今为止的研究证明,蛋白质是细胞中含量最高的组分之一。蛋白质是组成简单、分布广泛、同时又是结构和功能多样化、种类最多、最为活跃的一类生物大分子。其分子质量为D,由20种氨基酸以特定的排列组合形成不同的多肽链,各种多肽链又折叠成不同的空间构象。,蛋白质结构上的多样性 决定其功能上的多样性,酶蛋白催化细胞内几乎所有的化学反应,控制生物的新陈代谢。如淀粉酶等。运输蛋白负责在细胞间与细胞器之间转运小分子和离子。如血红蛋白。,运动蛋白负责生物机体的组织、器官或整体的运动。如肌动蛋白。调节蛋白调节有机体的各种新陈代谢。一如激素,如
3、胰岛素。二如参与基因表达调控的蛋白。贮藏蛋白贮藏营养。如大豆球蛋白。,防御蛋白防御致病微生物或病毒的侵入。如免疫球蛋白。结构蛋白具有很强的抗张力作用,对机体的组织、细胞起机械支撑作用。如动物的皮肤与骨骼中广泛存在的胶原蛋白以及动物的毛、发、角、爪中的角蛋白。,受体蛋白接受和传递调节信息。如钙调蛋白。毒蛋白侵入动物体内能引起中毒症状甚至死亡。如蛇毒。,异常功能蛋白应乐果甜蛋白有极高的甜度,可做人工增甜剂;昆虫翅膀的结合部的节肢弹性蛋白,有特殊的弹性;支架蛋白通过蛋白-蛋白相互作用识别并结合其它蛋白中的某些结构元件,将多种不同的蛋白质装配成一个复合体,参与对激素和其它信号分子胞内应答协调和通信。,
4、二.蛋白质的化学元素组成,蛋白质是一类含氮有机化合物.除含有碳、氢、氧外,还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其它一些元素,主要是磷、铁、碘、锌和铜等。,这些元素在蛋白质中的组成百分比,碳 50 氢 7 氧 23 氮 16%硫 03 其它 微 量。,蛋白质中氮元素的平均含量为16%这是蛋白质元素组成的一个特点!这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的根据。样品中蛋白质含量(g)=氮含量(g)6.25(即100/16),第二节 氨基酸,1819年,法国化学家布拉孔诺(H.Braconnot)把纤维素放在酸里加热,成功地把纤维素水解为葡萄糖,从而知道纤维素是由许许多多的葡萄糖“手拉手”组成的。他想,能不能像研
5、究纤维素那样来研究蛋白质的组成呢?,首先,他把明胶放在酸里加热,结果从酸水解液中分离到一种分子量比蛋白质小得多的含氮化合物,后来取名为甘氨酸;他又用同样方法从肌肉水解液中提取出另一种含氮化合物,因它的结构中含氨基和羧基,故取名为氨基酸。,现已确证,蛋白质的基本组成单位是氨基酸。迄今为止,在各种生物体内已发现了180多种氨基酸(又说是超过200种)。但是,只有20种蛋白质氨基酸。,氨基酸是蛋白质的基本结构单位,故又叫构件分子。所有生物都以相同的20种氨基酸作为蛋白质的结构单位,故这些氨基酸也叫标准氨基酸。这些氨基酸是由基因编码的,故又叫编码氨基酸。,近几十年的研究发现,在原核与真核生物的少数蛋白
6、中还有第21种氨基酸,硒代半胱氨酸,其半胱氨酸中的硫被硒取代。在微生物中还有第22种氨基酸,吡咯赖氨酸。这两种氨基酸也属于编码氨基酸。,一.氨基酸的一般结构特点,蛋白质的20种基本氨基酸,除脯氨酸是一种-亚氨基酸外,其余的都是-氨基酸。除甘氨酸外,其它蛋白质氨基酸均为L-型氨基酸。,这些氨基酸中,它们分子中的a-碳(分子中第2个碳,Ca)结合着一个氨基和一个酸性的羧基。此外,Ca还结合着一个H原子和一个侧链基团(用R表示)。每一种氨基酸的侧链基团R都是不同的。,手性碳,二.氨基酸的分类与结构(1)根据氨基酸分子中所含氨基和羧基数目的不同,可将组成蛋白质的20种氨基酸分为三大类:中性氨基酸,分子
7、中含一个氨基,一个羧基;酸性氨基酸,分子中含一个氨基,两个羧基;碱性氨基酸,分子中含一个羧基,两个氨基。,(2)根据侧链R基团极性性质分类 非极性R侧链氨基酸;在生理pH条件下,极性带电荷的氨基酸;在生理pH条件下,极性不带电荷的氨基酸。,三蛋白质中不常见的氨基酸修饰性氨基酸,除上述20种氨基酸外,有些蛋白质中尚含有少数特殊的氨基酸,也叫稀有氨基酸。它们在蛋白质中出现的机率小,往往是标准氨基酸的衍生物。它们无自己的密码子,是在蛋白质合成后经氨基酸修饰后形成的,有重要的生物学意义。它们属于非标准氨基酸。,如弹性蛋白和胶原蛋白中含有羟脯氨酸和羟赖氨酸(5-羟赖氨酸);-羧基谷氨酸,存在于凝血酶原中
8、。哺乳类动物的肌肉中存在N-甲基甘氨酸(肉氨酸);酪蛋白中存在磷酸丝氨酸等。肌球蛋白和组蛋白中含有6-N-甲基赖氨酸;,世界上凡是可食的东西,都有自己特有的味道。氨基酸也不例外。许多山珍海味,给人以美味的感觉享受,莫不与氨基酸的存在有关。大米的香味是由于胱氨酸的存在,而啤酒的苦味,其原因之一是由于三个支链氨基酸的存在。,四非蛋白质氨基酸,除了上述的氨基酸外,自然界中还存在许多的氨基酸。它们多以游离状态存在于生物的某些组织或细胞中,不参与蛋白质的组成。它们也是天然存在的氨基酸,大多为蛋白质氨基酸的衍生物。它们也属于非标准氨基酸。,很多非蛋白质氨基酸的功能尚不很清楚,有的是某些代谢过程的中间产物或
9、重要代谢物的前体;有的可调节生长;有的可影响某些农产品的品质;有的可能在体内起杀虫杀菌的作用;,非蛋白质氨基酸的一个代表牛磺酸,它首先发现于牛黄,在神经系统中也很丰富。先是发现它为婴幼儿和动物早期大脑以及视力发育所必需,继而发现它能降低血脂、胆固醇、血糖及血压,还能改善心肌缺血,防治心律失常。由于它能够促进婴幼儿的生长发育、老年的保健,在上世纪八十年代,就取得了 FDA(食品药品监督管理局)的认证,列入食品添加剂。,它能防治高血压、中风、糖尿病,成为现代人抵抗疾病的四大杀手之一和健康卫士。近几年间,牛磺酸在婴幼儿奶粉、老年保健品中被广泛应用,因此其需求用量大增,已突破万吨,尚供不应求。,五.D
10、-氨基酸研究进展,D-氨基酸在生物界普遍存在,尤其植物组织中。在微生物体内存在的D-氨基酸,多以结合态存在。如短杆菌肽S中存在D-苯丙氨酸,多粘菌肽中含D-丝氨酸和D-亮氨酸。青霉素分子中的D-半胱氨酸若换以L-型的,则失去抗菌效能。,动物体内的D-氨基酸多以自由态形式或小肽形式存在。如家蚕血液和蚯蚓体内含有D-丝氨酸。人牙齿蛋白中含有D-精氨酸,它的含量变化与人的年龄及衰老有关。,D-氨基酸的存在与某些蛋白质的功能密切相关,萤火虫尾部的发光物质荧光素,含有D-半胱氨酸。如果代之以L-半胱氨酸,则不能发光。现在,人们可以用D-氨基酸合成蛋白质。这类蛋白质是天然蛋白质的镜像结构,故人们称之为“D
11、-生命”。,六氨基酸的一般性质,氨基酸均为无色结晶体或粉末状,每种氨基酸都有自己特有的结晶形状,可用于鉴定。与相应的有机酸比较,氨基酸的熔点较高,一般都大于200。如甘氨酸的熔点为232,而相应的乙酸的熔点为16.5。,在可见光区氨基酸均无吸收,在近紫外区(220-300nm),苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸都有吸收,由于三者结构上的差异,其最大光吸收波长不同。酪氨酸的最大吸收波长(max)为275-278nm,苯丙氨酸为257-259nm,色氨酸为279-280nm。,组成蛋白质的氨基酸,除甘氨酸外,均含有不对称碳原子,故具有旋光性。在一定的温度和溶剂系统中,不同的氨基酸都有各自的比旋光值,可用于
12、定性鉴定。,有些氨基酸,如苏氨酸、异亮氨酸等,含有两个不对称碳原子,因此有四个非对映异构体:其中两个分别称为L-和D-型,另外两个称为L-别和D-别,所以有别苏氨酸、别异亮氨酸等名称。,除胱氨酸、半胱氨酸、酪氨酸外,氨基酸一般溶于水。但在稀酸、稀碱中溶解最好。除脯氨酸溶于乙醇、乙醚外,绝大多数氨基酸都不溶于有机溶剂,故可用有机溶剂沉淀法生产氨基酸。脯氨酸极易溶解于水中,故易潮解不易制成结晶。,七氨基酸的化学性质,氨基酸的化学性质是由它的结构决定的。不同氨基酸之间的差异仅在侧链上,故它们具有许多共同的性质。个别氨基酸由于侧链的特殊结构尚有许多特殊的性质。,1.氨基酸的解离性质,氨基酸在结晶形态或
13、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,当溶液为某一pH值时,若氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等,则氨基酸分子的净电荷为0。此时,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 不向负极移动,即氨基酸处于两性离子 状态。,设 K是表观解离常数 K1 表示-C上-COOH的表观解离常数,K2
14、表示-C上-NH3+的表观解离常数。,氨基酸 pI 的计算,侧链不含离解基团的中性氨基酸,其等电点是两性离子两边的pK即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 碱性氨基酸:pI=(pK2+pKR-NH2)/2,An acidic amino acid pI=(pK1+pKR)/2,A basic amino acid pI=(pKR+pK2)/2,3.氨基酸的主要化学反应,(1)茚三酮反应(ninhydrin reaction)在pH 5
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