第3章 蛋白质化学02(结构)
蛋白质的化学—蛋白质的分子结构(生物化学课件)
具备三级结构的多肽链才可能具有生物学功能
肌红蛋白三级结构示意图
肌红蛋白分子表面，有一
个疏水洞穴，结合一个含
Fe2+ 的 血 红 素 辅 基 ， 起 着
结合并储存氧的功能，供
肌肉剧烈收缩氧供应相对
C
不足时的需要。
端
N端
**
蛋白质的化学
2.蛋白质的分子结构
2.1
目录 2.2
CONTENTS
2.3
肽键与肽 一级结构 二级结构
2.4
三级结构和四级结构
**
2.2
肽键与肽
一、一级结构
一级结构是指蛋白质分子中氨基酸残基的排列 顺序。 考点 主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
不同蛋白质单链数不同： 牛核糖核酸酶由一条链组成；胰岛素分子由两条链
维持蛋白质分子构象的化学键
N+ H3 盐键
O
O =C
S
二硫键
S
CH
CH2 CH3
CH3
CH3
CH3 CH2
CH
疏水键
疏水键
N H氢
键
O
• 蛋白质分子的二级结构
蛋白质二级结构 指多肽链主链骨架盘旋、折 叠形成的局部有规则的空间结构，不涉及氨基酸残 基R侧链的构象。
考点 主要的化学键：氢键
考点 主要类型
考点 镰刀状红细胞性贫血症就是典型例子
Hb A
链
Hb S
N 末端 N 末端
1 2 3 456 Val His Leu Thr Pro Glu
Val His Leu Thr Pro Val
第三章 蛋白质化学
应用：用于蛋白质的部分水解。一级结构分析。
二、氨基酸的结构和分类
（一）常见氨基酸
１、结构通式
R
R
2、20种氨基酸在结构上的共同特点 （1）除脯氨酸以外都是α-氨基酸；脯是 α-亚氨基酸。 （2）除了甘氨酸均有手性碳，具有旋光性。 （3）除甘氨酸外，蛋白质分子中的氨基酸都是L-氨基酸。 （4）不同的α-氨基酸其R基侧链不同，其余部分都相同。
[质子受体] pH=pK’+lg
[质子供体]
应用：
（1）已知各离子浓度，求溶液的pH值。
（2）根据氨基酸解离基团的pK值，可计算出任何pH 条件下，各离子浓度的比例。
例题1：计算赖氨酸的ε -NH3+20%被解离时 的溶液pH值。
解：首先写出解离方程
根据： 所以：
pK3=10.53 pH=pK’+lg
等电点时，氨基酸的溶解度最小
小结
引入等电点概念之后，AA的解离情况与环境PH的关 系可以描述为：
A、当环境PH=PI时氨基酸以两性离子形式存在。 B、当环境PH<PI时（相当于加入了H+）氨基酸带正
电荷，环境PH偏离等电点越远，氨基酸带正电荷越 多；电泳时移向负极。 C、当环境PH>PI时（相当于加入了OH-）氨基酸带 负电荷，环境PH偏离等电点越远，氨基酸带负电荷 越多；电泳时移向正极。
①解离方程：略 ②Glu-和Glu=各50%时pH为9.67 ③pH<3.22时 Glu总带正电荷 ④Glu±和Glu-缓冲范围pH4.25左右
（三）氨基酸的重要化学性质
1、α -NH2参与的重要的反应 （1）与亚硝酸的反应
NH2 R-CH-COOH + HNO2
第三章蛋白质化学
第三章蛋⽩质化学第三章蛋⽩质化学3.1、蛋⽩质的重要性和⼀般组成蛋⽩质：蛋⽩质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的⾼分⼦含氮化合物。3.1.1 蛋⽩质的⽣物学重要性1.⽣物体的组成成分（结构蛋⽩）2.催化（酶蛋⽩）3.运输4.运动5.抗体免疫(球蛋⽩)6.⼲扰素7.遗传信息的控制8.细胞膜的通透性9.⾼等动物的记忆、识别机构3.1.2 蛋⽩质的化学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他⼀些元素，主要是磷、铁、碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋⽩质中的组成百分⽐约为：
碳50％氢7％氧23％氮16% 硫0—3％其他微量N的含量平均为16%——凯⽒（Kjadehl）定氮法的理论基础。蛋⽩质含量的测定：凯⽒定氮法(测定氮的经典⽅法)优点：对原料⽆选择性，仪器简单，⽅法也简单；缺点：易将⽆机氮(如核酸中的氮)都归⼊蛋⽩质中,不精确。⼀般，样品含氮量平均在16%，取其倒数100/16=6.25，即为蛋⽩质换算系数，其含义是样品中每存在1g元素氮，就说明含有6.25g 蛋⽩质）；故：※蛋⽩质含量=氮的量×100/16=氮的量×6.25
3.2 氨基酸——组成蛋⽩质的基本单位存在⾃然界中的氨基酸有300余种，但组成⼈体蛋⽩质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（⽢氨酸除外）。氨基酸的结构特点：(1). 与羧基相邻的α-碳原⼦上都有⼀个氨基，因⽽称为α-氨基酸(2). 除⽢氨酸外,其它所有氨基酸分⼦中的α-碳原⼦都为不对称碳原⼦,所以：A.氨基酸都具有旋光性。B.每⼀种氨基酸都具有D-型和L-型两种⽴体异构体。⽬前已知的天然蛋⽩质中氨基酸都为L-型。3.2.2 氨基酸的分类蛋⽩质氨基酸：蛋⽩质中常见的20种氨基酸稀有的蛋⽩质氨基酸：蛋⽩质组成中，除上述20种常见氨基酸外，从少数蛋⽩质中还分离出⼀些稀有氨基酸，它们都是相应常见氨基酸的衍⽣物。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等。⾮蛋⽩质氨基酸：不参与蛋⽩质组成，在⽣物体内呈游离或结合态的氨基酸。p74常见蛋⽩质氨基酸的分类根据侧链基团的结构将20中常见氨基酸分为3⼤类A、脂肪族氨基酸：中性氨基酸（⼀氨基⼀羧基氨基酸)（5种）含羟基氨基酸(2种)含硫氨基酸（2种）（⼀氨基⼆羧基氨基酸）及其酰胺（4种）碱性氨基酸（⼆氨基⼀羧基氨基酸）（2种）B、芳⾹族氨基酸: Phe，Tyr，TrpC、杂环族氨基酸: His，Pro中性氨基酸：⽢氨酸（Gly,G）、丙氨酸（Ala, A）、缬氨酸（Val, V）、亮氨酸（Leu, L）异亮氨酸（Ile, I）（异亮氨酸含有两个⼿性碳）
生物化学第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系
RR O2 O2
波尔效应
定效中义应吸：可CO是解2排指释氧HH+b。和为C什O么2促在进肺H中b释吸放氧O排2的CO现2，象而。在波肌尔肉 原进因Hb：从是R态H+转和变CO为2能T态够，与释H放b特O定2 位点结合，而促 与H+引发的波尔效应相关的基团有：亚基的N端
氨基、亚基的His122咪唑基以及b亚基的His146咪 唑基。 这三个基团在Hb处于T态的时候都是高度质子化的， 而当氧气与Hb结合以后，质子发生解离。如果溶 液中的pH降低，将有利于这三个基团处于质子化 状态，从而稳定T态，抑制氧气的结合。
2. 参与糖酵解的3-磷酸甘油醛脱氢酶以四聚体的形式存在于细胞液， 而当以单体的形式存在于细胞核的时候，它却是一种尿嘧啶DNA糖苷酶，参与DNA的碱基切除修复；
3. 大肠杆菌的生物素合成酶兼做其生物素操纵子的阻遏蛋白。
蛋白质结构与功能关系的一般原则
① 每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。 一旦结构（特别是高级结构）破坏，其功能随之丧失。
α角蛋白的结构层次
烫发或直发的原理
β角蛋白
一级结构：富含Ala和Gly，具有重复序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser； 二级结构：主要是有序的反平行β折叠，还有一些无序的α螺旋和无
规则卷曲环绕在β折叠的周围。 β折叠赋予蛛丝强度，而α螺旋赋予蛛丝柔韧性。
蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次
体积最小的Gly正好位于螺旋 的内部，构成紧密的疏水核 心，而Pro和Hyp 的侧链位于 三股螺旋的表面，面向外， 以尽量减少空间位阻。
每个Gly残基的NH与相邻的X 残基C=O形成氢键。
胶原蛋白的三股螺旋
原胶原的三股螺旋内和三股螺旋之间进一步形成共价交 联，增强稳定性，提高胶原蛋白机械强度。
第三章 蛋白质化学 第1-2节
=
-C-C-C-N-C-N
N+
Aromatic Trp W
-C-OH -CN
Amino Acid Subway Map
Arg R Basic
Lys K
-C-C-C-C-NH3
+
Tyr Y
-C-
-C-CONH2
-C-C-CONH2
Asn N
Asp D
-C-COOH
Gln Q Amide
Glu E Acidic
(1) α- 氨基参加的反应
①与亚硝酸反应（范斯莱克法测定氨基酸氮的依据）
可用来进行氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。 室温下
NH2 R-CH-COOH + HNO2
OH R-CH-COOH + N2 + H2O
②氨基酸的甲醛滴定(用于氨基酸定量分析)
氨基酸不能直接用酸、碱滴定来进行定量测定。
元素组成特点：蛋白质的含氮量接近于16%。 蛋白质系数：1克氮所代表的蛋白质质量(克数)。即6.25。
蛋白质系数是凯氏定氮法测定蛋白质含量的基础。
粗蛋白含量 ＝样品含氮量 6.25
蛋白质含量 = 样品蛋白氮 6.25
元
素
C
50~55
H
6~8
O
20~23
N
15~18
百分比
有些还含有Ｓ／Ｐ／Ｆe/Cu/Zn/Mn等.
用纸电泳法分离氨基酸主要是根据氨基酸的极性不同。 下列氨基酸溶液除哪个外都能使偏振光发生旋转? A.丙氨酸 B.甘氨酸 C.亮氨酸 D.丝氨酸 在生理pH条件下。具有缓冲作用的氨基酸残基是 A.Tyr B.Trp C.His D.Lys 在生理条件下(pH6.0-7.0左右)，蛋白质分子中的 ____侧链和__侧链几乎完全带正电荷，但是___侧链 则部分带正电荷具有缓冲能力。 必需氨基酸包括哪些？
第三章 蛋白质分子构象
第三节 主链构象
肽链中的肽平面
一般认为，驱动蛋白质折叠的主要动力是熵效应。折叠的结果是 疏水基团埋藏在蛋白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。在 形成分子疏水核心的同时，必然有一部分主链也被埋在里面，由 于主链本身是高度亲水的，这样就产生矛盾，只有处于分子内部 的主链极性基团（C=O，N-H）也被氢键中和，矛盾才能解决。 正是在这种能量平衡中，蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有 规则的构象，称为二级结构。因为主链肽键上的C=O和N-H是沿 多肽主链有规则排列的，所以在主链内和主链间常出现周期性的 氢键相互作用（C=O‥‥H-N）。下面介绍几种常见的二级结构元 件。
第一节 蛋白质结构的层次
蛋白质大体分为一级结构和空间结构。空间结构即为蛋白质分子构象 (Conformation) 又称高级结构主要分为二级结构、超二级结构、结构域、 三级结构和四级结构。
蛋白质天然折叠结构决定因素 1.与溶剂分子（一般是水）的查互作用 2.溶剂的pH和离子组成 3.蛋白质的氨基酸序列
第四节 侧链构象
多肽链氨基酸残基的R侧链之间，或与主 链骨架及水分子之间可借助一些共价键 相互作用，从而影响主链的构象。在水 溶液中由于 与水分子的相互作用等原因， 可行成亲水区和疏水区，这些区域往往 与蛋白质的功能有一定联系，并在稳定 蛋白质空间构象中发挥作用。
第四节 侧链构象
1 疏水区：多肽链中具有非极性侧链的氨 基酸，如Leu Ile Val等，其R侧链有避开 水的趋势，当许多这类非极性侧链聚集 在蛋白质分子内部时便形成疏水区。肌 红蛋白分子中有一疏水空穴，血红素分 子，疏水环境对保证分子中的Fe 2+与O2 的可逆结合至关重要
F02蛋白质化学二：蛋白质三维结构与功能s
- 肌红蛋白三级结构
(whale’s myoglobin)
8 -helical segments (~80% of Mb’s 153AA) Heme－His F8 Space-filling model with all AA side chains 疏水裂隙
除去heme以外的多肽链 成分为珠蛋白(脱辅蛋白)
17
6-13
§5. 胶原蛋白中存在 有 不同的螺旋结构
相邻的各股胶原 螺旋均错位排列， 每5行重复一次
结缔组织的增龄性僵直 和脆化主要与某些特殊 的分子内/间共价交联 衍生物的增多有关
去氢羟赖氨酰正亮氨酸 (without Cys)
18
P9-3
Collagen: a triple helix with a unique 2° structure
99%配对不正确 酶活性仅有1%
1972 NP in Chemistry
32
变-复性实验推论…
- 二硫键是在多肽链依据其一级结构提供的信息 自发折叠成其天然构象之后才形成的，以维系/ 锁定蛋白质构象的相对稳定 - 蛋白质的天然构象通常处于某种边缘性稳定 (变性所需能量通常仅相当于3~4个氢键被破坏)
6-11
毛发结构
(角蛋白构建)
右手螺旋 双股左手螺旋链 原细丝
×4
中纤维
×32 ×8
初原纤维 初原/中纤维之间的二硫键交联(未 显示)可进一步增加毛发、皮肤和 指甲等整体结构的稳定性，而且 二硫键愈多质地也愈坚硬
×2
12
b6-2
烫发的生化反应
13
P8-13
§3. b-折叠由伸展的多肽链组成
- 起始结构单元的形成有助于后续结构 单元的正确排列 - 酶催化的异构反应可以协助多肽链折叠