第四章蛋白质化学

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第四章 蛋白质化学
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蛋白质一、二、三、四级结构示意图
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第四章 蛋白质化学
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五、维持蛋白质分子空间构象的主要化学键
氢键、疏水键、离子键、范德华力、二硫键等
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第四章 蛋白质化学
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蛋白质分子中的主要次级键
氢键
范德华力
离子键
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疏水键
二硫键
第四章 蛋白质化学
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第四章 蛋白质化学
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（二）透析 (dialysis)
用透析袋（半透膜）把大分子和小分子分开的方法
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第四章 蛋白质化学
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（三）沉淀(precipitation)
定义：蛋白质分子相互聚集从溶液中析出的现象 原理：破坏同种电荷和水化膜
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第四章 蛋白质化学
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（一）一级结构与功能的关系
一级结构的改变可引起某些疾病的发生 由于蛋白质分子的变异或缺失而产生的疾病，称为
分子病（molecular disease）。 如镰状红细胞性贫血
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第四章 蛋白质化学
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（二）空间结构与功能的关系
空间构象决定蛋白质功能 构象改变，功能改变
第四章 蛋白质化学 （Chemistry of Protein)
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第四章 蛋白质化学
1
导学
1. 掌握蛋白质的分子组成与结构 2. 熟悉蛋白质的理化；常用分离、纯化技术的
基本原理。 3. 了解蛋白质分子结构与功能的关系；蛋白质
的分类以及重要的活性肽。
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第四章 蛋白质化学
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教学内容
任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力
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环境氧浓度高时 Hb快速吸收氧分子
动脉
环境氧浓度低时 Hb快速释出氧分子
静脉
第四章 蛋白质化学
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第三节 蛋白质的理化性质与分离纯化
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第四章 蛋白质化学
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一、蛋白质的理化性质 （一）蛋白质的一般性质
1.蛋白质的紫外吸收特征
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第四章 蛋白质化学
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三、肽 （一）肽的形成和命名
1. 肽键
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肽键的形成
第四章 蛋白质化学
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肽键平面
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第四章 蛋白质化学
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2.肽的形成与命名
肽、寡肽(oligopeptide)、多肽(polypeptide) 多肽链（polypeptide chain） 主链骨架（backbone） 侧链部分（side chain） 羧基末端或C-末端（C-terminus） 氨基末端或N-末端（N-terminus）
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第四章 蛋白质化学
氢键
α-碳原子 侧链
0.54nm
0.50nm
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2. β-折叠 （β-sheet）
锯齿状
顺向平行、逆向平行
俯俯视视
作用键：氢键
侧侧视视
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平反行平行 26
3.β-转角（ β-turn）
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4．无规卷曲（random coil）
定义 蛋白质分子中由于肽键平面的相对旋转，构成 的局部空间构象。
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第四章 蛋白质化学
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（一）二级结构的类型
α-螺旋 β-折叠 β-转角 无规则卷曲
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1.α-螺旋（α-helix）
• 右手螺旋 • 每周含3.6个残基 • 螺距0.54nm • 作用键：氢键
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H
N-末端
多肽链的结构
侧链
主链骨架
OH
C-末端
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（二）体内重要的肽
Glu-Cys-Gly
谷胱甘肽（GSH）的结构
• 功能基：-SH • 解毒剂、抗氧化剂
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第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质的分子结构
基本结构
蛋白质分子大，扩散速度慢 沉降：通过超速离心克服布朗运动使
蛋白质颗粒下沉的现象 沉降系数（S）可粗略反映蛋白质分子大小
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3.蛋白质的变性与复性
变性剂
蛋白质空间 构象破坏
生物学活性丧失 理化性质改变
加热蛋、白酸质碱非、共有价机键溶剂、 尿素和、二盐硫酸键胍破、坏去，污剂
空间结构
一级结构 二级结构 三级结构 四级结构
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一、一级结构
概念：多肽链中氨基酸的组成与排列顺序 主键：肽键 意义：决定蛋白质的空间结构
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胰岛素的一级结构
B链 A链
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二、二级结构 （secondary structure）
离子键
极性基团
二硫键
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四、四级结构 （quaternary structre）
定义：两个或两个以上独立三级结构的多肽链 通过次级键结合而形成的空间结构
疏水键、氢键、盐键
亚 基
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血红蛋白四级结构示意图
4个亚基构成 2α-亚基 2β-亚基
定义： 在二级结构基础上，所有原子（主链+侧链） 相互作用形成的空间构象
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三、三级结构 （tertiary structure）
化学键 --氢键、疏水键、离子键、二硫键等次级键 --亲水基团：分子表面；疏水基团：分子内部
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三级结构示意图
肽链的肽键平面不规则排列，形成松散的二级 结构。
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（二）超二级结构与结构域
超二级结构（super secondary structure） 二级结构单元进一步聚集和组合在一起——模
序（motif） 如αα、βαβ、βββ等
亮氨酸拉链和锌指结构
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蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质的理化性质与分离纯化 蛋白质的分类
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第一节 蛋白质的分子组成
一、蛋白质元素组成： CH O N S
蛋白质的特征元素，平均含量：16% 蛋白质含量=样品所含氮量×6.25
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二、蛋白质的基本组成单位—氨基酸
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血红蛋白结合氧前后构象的变化
15º
当α1 血红蛋白结合β1 氧以后，α 1β 1与α 2β 2两个 二聚体彼此滑动15°，其构象由T（tense）型 转变为R（relaxed）型。
β2
α2
Hb (T态)
HbO2 (R态)
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血红蛋白对氧的运输
蛋白质（色氨酸、酪氨酸）（苯丙氨酸）
λ=280nm
λ=260nm
紫外吸收（与蛋白质浓度成正比）
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蛋白质的紫外吸收
摩 10,000 尔 吸 光 度 （ 1000
） 100
Trp Tyr
M-1cm-1
10 200
Phe
250
300
波长（nm）
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不涉及肽键
易水解 易沉淀
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3.蛋白质的变性与复性
复性：去除变性因素，蛋白质恢复空间构象 与生物学活性的过程
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核糖核酸酶的变性与复性示意图
8M尿素或 β-巯基乙醇
透析
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某些蛋白质在发生热变性后，松散的多肽链相 互缠绕在一起，变成固体状态，称为蛋白质的 凝固（coagulation）。
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二、蛋白质的分离纯化鉴定技术
蛋白质在细胞内常与核酸、多糖、脂类及 其它小分子物质结合在一起，需要对其进行分 离、纯化与鉴定。
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（一）离心
原理：分子大小、密度不同→沉降速度不同 分类：
普通离心：3~10 kr/min 高速离心：10~25 kr/min 超速离心：＞25 kr/min 常用S值表示蛋白质分子质量相对大小
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极
性
中
性
Cys，
氨
基
酸
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酸性氨基酸
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碱性氨基酸
=
H2N-C-NH— NH
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（三）氨基酸的理化性质 1. 两性电离和等电点
氨基酸具有氨基、羧基等
能接受H+而成——NH3+ 具碱性
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（二）超二级结构与结构域
结构域（domain） 超二级结构的进一步组合、折叠形成的球状区
域。 是蛋白质的功能部位
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免疫球蛋白结构域
结构域
轻链 重链
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三、三级结构 （tertiary structure）
磷钼酸
蓝色化合物
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3.蛋白质的呈色反应
颜色反应→光吸收→定量分析
米伦试剂反应：
米伦试剂 蛋白质
△
红色沉淀
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3.蛋白质的呈色反应
颜色反应→光吸收→定量分析
考马斯亮蓝反应： 考马斯亮蓝
蛋白质
（R-250）红蓝色 （G-250）蓝绿色
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4.生物碱试剂与某些酸类沉淀蛋白质
原理：中和正电荷 条件：pH＜pI 特点：蛋白质变性 常用酸类：苦味酸、鞣酸、钨酸、三氯醋酸、硝
酸、过氯酸等层析 （chromatography）
定义：待分离的液体（流动相mobile phase ）经 过一个固态物质（固定相solid phase)后所发生的 各组分在两相中分布的变化。
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六、蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的一级结构决定其高级结构 蛋白质的空间构象决定蛋白质的生物学功能。
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（一）一级结构与功能的关系
某些蛋白质的一级结构加工后，才具有生物学活 性。
如胰岛素原（proinsulin）的一级结构加工
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第四章 蛋白质化学
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第四章 蛋白质化学
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（二）蛋白质的高分子性质
1.蛋白质的胶体性质 蛋白质分子的直径在胶体颗粒的范围(1~100nm) 蛋白质溶液是稳定亲水胶体溶液 稳定因素：水化膜、同种电荷
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碱
碱
酸
酸
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2.蛋白质的扩散与沉降
能电离出H+而成——COO具酸性
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氨基酸的两性电离
pH<pI
pH=pI（兼性离子）
pH>pI
等电点： 氨基酸所带正负电荷相等时溶液的pH （pI） 值即该氨基酸的等电点
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2.茚三酮反应
（蓝紫色）
脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色化合物
（一）氨基酸的结构
共同结构
CCOOOO H_ +HH2 N3 N -- C C- αH - H
RR
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氨基酸结构特点：
20种编码氨基酸 氨基酸的不同在于R侧链不同 均为L-α-氨基酸 （甘氨酸、脯氨酸除外）
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（二）氨基酸的分类
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2.有机溶剂沉淀蛋白质
原理：破坏水化膜 条件：pH=pI 特点：常在低温下进行 常用有机溶剂：乙醇、丙酮等
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3.重金属盐沉淀蛋白质
原理：中和负电荷 条件：pH＞pI 特点：蛋白质变性
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蛋白质的沉淀示意图
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第四章 蛋白质化学
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（三）沉淀(precipitation)
方法： 盐析法 有机溶剂沉淀法 重金属盐沉淀法 生物碱试剂沉淀法
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1.盐析（salting out）法
定义：高浓度中性盐使蛋白质从溶液中析出沉淀 的方法
原理：破坏水化膜、中和电荷 特点：蛋白质不变性 分段盐析：不同浓度的中性盐分离不同蛋白质
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2.蛋白质的两性电离和等电点
与氨基酸的两性电离、等电点相同
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第四章 蛋白质化学
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3.蛋白质的呈色反应
颜色反应→光吸收→定量分析
双缩脲反应： Cu2+
蛋白质 OH-
紫色络合物
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第四章 蛋白质化学
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3.蛋白质的呈色反应
颜色反应→光吸收→定量分析
酚试剂反应：
磷钨酸 蛋白质
根据R基极性大小分： 1. 非极性中性氨基酸 2. 极性中性基氨基酸 3. 极性酸性氨基酸 4. 极性碱性氨基酸
R基无极性， 呈疏水性
R基有极性， 电离R后基R有基极带性， R基有负极但电性不荷，带电， 电离后R呈基亲带水性
正电荷
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第四章 蛋白质化学
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非
极
性
中
性
氨
CH3 CH2 2
基
酸
N H