第二章 蛋白质化学
一, 蛋白质的生物学意义
二, 蛋白质的元素组成
三, 蛋白质的氨基酸组成
四, 肽
五, 蛋白质的结构
六, 蛋白质分子结构与功能的关系
七, 蛋白质的性质
八, 蛋白质的分类
蛋白质 (protein,1838年提出,最
重要的 /最原始的 /最根本的 ) (是由
许多不同的 α -氨基酸按一定的序列
通过酰胺键(肽键)缩合而成的,具
有较稳定的构象并具有一定生物功能
的大分子。 )
一, 蛋白质的生物学意义
蛋白质存在于所有的生物细胞中,
是构成生物体最基本的结构物质和
功能物质。
蛋白质是生命活动的物质基础,它
参与了几乎所有的生命活动过程。
1.生物体内的蛋白质是除水以外,机体组
织中最多的组分,占人体干重的 45%,占细
菌干重的 50~ 70% 。
1.作为生物催化剂,在体内催化各种物质
代谢反应的酶几乎都是蛋白质。
2.调节代谢反应,一些激素是蛋白质或肽,
如胰岛素、生长素。
3.运输载体,如红细胞中运输 O2,CO2要靠
Hb(Hemoglobin血红蛋白 )、运输脂类物质
的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫
载体蛋白。
4.参与机体的运动,如心跳、胃肠蠕动等,依靠与
肌肉收缩有关的蛋白质来实现,如肌球蛋白、肌动
蛋白。
5.参与机体的防御,机体抵抗外来侵害的防御机
能,靠抗体,抗体也称免疫球蛋白,是蛋白质。
6.接受传递信息,如口腔中的味觉蛋白、视网膜中
的视觉蛋白。
7.调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。
8.其它,如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和
储存蛋白;胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。
还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功
能。
所以,我们不难理解,为什么说 没有蛋白
质就没有生命 。
综上所述, 蛋白质存在于所有的生物细
胞中,是构成生物体最基本的结构物质
和功能物质。
蛋白质是生命活动的物质基础,它参与
了几乎所有的生命活动过程。 在细胞结
构、生物催化、物质传输、运动、防御、
调控以及记忆、识别等各方面都起着极
其重要的作用。
1.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
蛋白质还含有其他一些元素, 主要是磷, 铁,
碘, 钼, 锌和铜等 。 这些元素在蛋白质中的组
成百分比约为:
碳 50% -55%
氢 6.5-7.3%
氧 19-24%
氮 16%
硫 0-3%
其他 微 量
二、蛋白质的元素组成
蛋白质的含氮量
大多数蛋白质的含氮量接近于 16%,这是
蛋白质元素组成的一个特点, 也是凯氏
( Kjedahl) 定氮法测定蛋白质含量的计
算基础 。 所以, 可以根据生物样品中的
含氮量来计算蛋白质的大概含量:
蛋白质含量 =蛋白氮 ? 6.25
6.25为蛋白质系数, 即 1克氮所代表的蛋
白质量 ( 克数 )
三、蛋白质的氨基酸组成
氨基酸 是蛋白质的基本组成单位。从细
菌到人类,所有蛋白质都由 20种 标准氨基
酸 ( 20 standard amino acids)组成。
蛋白质的水解
蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样
可以被酸碱或蛋白酶催化水解,酸或碱能
够将多肽完全水解,酶水解一般是部分水
解,
完全水解得到各种氨基酸的混合物,部分
水解通常得到多肽片段。最后得到各种
氨基酸的混合物。
所以,氨基酸是蛋白质的基本结构单元 。
大多数的蛋白质都是由 20种氨基酸组成。
这 20种氨基酸被称为 基本氨基酸 。
1、酸水解
? 常用 6 mol/L的盐酸或 4 mol/L的硫酸在
105-110℃ 条件下进行水解, 反应时间约
20小时 。
? 此法的优点是不容易引起水解产物的消
旋化, 得到的是 L-氨基酸 。 缺点是 色氨
酸 被沸酸完全破坏;
? 含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有
一小部分被分解; 天门冬酰胺和谷氨酰
胺 侧链的酰胺基被水解成了羧基 。
2、碱水解
? 一般用 5 mol/L氢氧化钠煮沸 10-20小时 。
? 由于水解过程中许多氨基酸都受到不同
程度的破坏, 产率不高 。
? 部分的水解 产物发生消旋化, 其产物是
D-型和 L-型氨基酸的混合物 。
? 该法的优点是 色氨酸 在水解中不受破坏 。
3、酶水解
? 目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶
( proteolytic enzyme)或称蛋白酶
( proteinase)已有十多种。
? 应用酶水解多肽不会破坏氨基酸, 也不
会发生消旋化 。 水解的产物为较小的 肽
段 。
? 最常见的蛋白水解酶有以下几种,胰蛋
白酶, 糜蛋白酶, 胃蛋白酶, 嗜热菌蛋
白酶 。
?-氨基酸:
C O O H
C HH 2 N
R
不变部分
可变部分
(一)氨基酸的 结构通式, 19种氨基酸具
有一级氨基( -NH3+)和羧基( -COOH)
结合到 α碳原子( Cα),同时结合到( Cα)
上的是 H原子和各种侧链( R); Pro具有
二级氨基( α-亚氨基酸 )
蛋白质中常见氨基酸的结构
甘氨酸
Glycine 脂肪族氨基酸
H 2 N C H C
H
O H
O
氨基乙酸
氨基酸的结构
脂肪族氨基酸
H 2 N C H C
C H 3
O H
O
甘氨酸
Glycine
丙氨酸
Alanine
?-氨基丙酸
氨基酸的结构
甘氨酸
Glycine
丙氨酸
Alanine
缬氨酸
Valine
脂肪族氨基酸
H 2 N C H C
C H
O H
O
C H 3
C H 3
?-氨基异戊酸
氨基酸的结构
甘氨酸
Glycine
丙氨酸
Alanine
缬氨酸
Valine
亮氨酸
Leucine
脂肪族氨基酸
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C H C H
3
C H
3
?-氨基异己酸
氨基酸的结构
甘氨酸
Glycine
丙氨酸
Alanine
缬氨酸
Valine
亮氨酸
Leucine
异亮氨酸
Ileucine
脂肪族氨基酸
?-氨基 -?-甲基戊酸
氨基酸的结构
甘氨酸 Glycine
丙氨酸 Alanine
缬氨酸 Valine
亮氨酸 Leucine
异亮氨酸
Ileucine
脯氨酸
Proline
亚 氨基酸
H
N
C
O H
O
?-吡咯烷基 -?-羧酸
氨基酸的结构
甘氨酸 Glycine
丙氨酸 Alanine
缬氨酸 Valine
亮氨酸 Leucine
异亮氨酸
Ileucine
脯氨酸 Proline
甲硫氨酸
Methionine
含硫氨基酸
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C H
2
S
C H
3
? -氨基 -?-甲硫基丁酸
氨基酸的结构
甘氨酸 Glycine
丙氨酸 Alanine
缬氨酸 Valine
亮氨酸 Leucine
异亮氨酸 Ileucine
脯氨酸 Proline
甲硫氨酸
Methionine
半胱氨酸
Cysteine
含硫氨基酸
? -氨基 -?-巯基丙 酸
氨基酸的结构
芳香族氨基酸
苯丙氨酸
Phenylalan
ine
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
? -氨基 -?-苯基丙 酸
氨基酸的结构
芳香族氨基酸苯丙氨酸
Phenylalan
ine
酪氨酸
Tyrosine
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
O H
? -氨基 -?-对羟苯基丙 酸
氨基酸的结构
芳香族氨基酸
苯丙氨酸
Phenylalan
ine
酪氨酸
Tyrosine
色氨酸
Tryptophan
Trp
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
H N
? -氨基 -?-吲哚基丙 酸
氨基酸的结构
碱性 氨基酸精氨酸
Arginine
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C H
2
C H
2
N H
C
N H
2
N H
? -氨基 -?-胍基戊 酸
氨基酸的结构
碱性 氨基酸精氨酸
Arginine
赖氨酸
Lysine
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C H
2
C H
2
C H
2
N H
2
?,?-二氨基己酸
氨基酸的结构
碱性 氨基酸精氨酸
Arginine
赖氨酸
Lysine
组氨酸
Histidine
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
N
N H
? -氨基 -?-咪唑基丙 酸
氨基酸的结构
天冬氨酸
Aspartate
酸性氨基酸H 2 N C H C
C H 2
O H
O
C
O H
O
? -氨基丁二酸
氨基酸的结构
天冬氨酸
Aspartate
谷氨酸
Glutamate
酸性氨基酸
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C H
2
C
O H
O
? -氨基戊二酸
氨基酸的结构
丝氨酸 Serine 含羟基 氨基酸
H 2 N C H C
C H 2
O H
O
O H
? -氨基 -?-羟基丙 酸
氨基酸的结构
丝氨酸 Serine
苏氨酸
Threonine
含羟基 氨基酸
H 2 N C H C
C H
O H
O
O H
C H 3
? -氨基 -?-羟基丁 酸
氨基酸的结构
天冬酰胺
Asparagine
含酰胺氨基酸
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C
N H
2
O
氨基酸的结构
天冬酰胺
Asparagine
谷酰胺
Glutamine
含酰胺氨基酸
H
2
N C H C
C H
2
O H
O
C H
2
C
N H
2
O
不带电形

H2N— Cα— H
COOH
R
+H3N— Cα— H
COO-
R
两性离子形

氨基酸的分类
(一)根据来源分,内源氨基酸和外源氨基酸
(二)从营养学角度分:必需氨基酸和非必需氨基
酸 Ile Met Val Leu Trp Phe Thr Lys
一 家 写 两 三 本 书 来
(三)根据是否组成蛋白质来分:蛋白质
中常见氨基酸、蛋白质中稀有氨基酸和非
蛋白氨基酸
(二)氨基酸的分类
1.根据 R的化学结构
( 1)脂肪族氨基酸,1)疏水性,Gly,Ala、
Val,Leu,Ile,Met,Cys; 2)极性:
Arg,Lys,Asp,Glu,Asn,Gln,Ser、
Thr
( 2)芳香族氨基酸,Phe,Tyr
( 3)杂环氨基酸,Trp,His
( 4)杂环亚氨基酸,Pro
2.根据 R的极性
( 1)极性氨基酸,1)不带电,Ser,Thr、
Asn,Gln,Tyr,Cys; 2)带正电,His、
Lys,Arg; 3)带负电,Asp,Glu
( 2)非极性氨基酸,Gly,Ala,Val,Leu、
Ile,Phe,Met,Pro,Trp
3.蛋白质中几种重要的稀有氨基酸
? 在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸,
通常称为 不常见蛋白质氨基酸 。
? 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来
的 。
? 其中重要的有 4-羟基脯氨酸, 5-羟基赖氨酸,
N-甲基赖氨酸, 和 3,5-二碘酪氨酸等 。 这些不
常见蛋白质氨基酸的结构如下 。
N
H
HO
C O OH
4- 羟基脯氨酸
H 2 N C H 2 C H C H 2 C H 2 C H C O O H
O H N H
2
5- 羟基赖氨酸
N H 2
C H 3 N H C H 2 C H C H 2 C H 2 C H C O O H
6 - N - 甲基赖氨酸
HO
I
I
C H 2 C H C O O H
N H 2
3,5 - 二碘酪氨酸
4.非蛋白氨基酸
广泛存在于各种细胞和组织中,呈游离或结合
态,但并不存在蛋白质中的一类氨基酸,大部
分也是蛋白质氨基酸的衍生物。
H2N-CH2-CH2-COOH H2N-CH2-CH2-CH2-COOH
?-丙氨酸 ?-氨基丁酸
1.作为细菌细胞壁中肽聚糖的组分,D-Glu D-
Ala
2.作为一些重要代谢物的前体或中间体,?-丙氨酸
( VB3)、鸟氨酸( Orn)、胍氨酸( Cit) (尿素 )
3.作为神经传导的化学物质,?-氨基丁酸
4.有些氨基酸只作为一种 N素的转运和贮藏载体
(刀豆氨酸)
5.调节生长作用
6.杀虫防御作用
绝大部分非蛋白氨基酸的功能不清楚。
5.非蛋白氨基酸存在的意义
氨基酸的理化性质
除甘氨酸外,氨基酸含有一个手性 ?-碳原子,
因此都具有旋光性 。具有旋光性 [左旋( -)
或右旋( +)比旋光度 (表 1-2,P.3)是氨基酸
的重要物理常数之一,是鉴别各种氨基酸的
重要依据。
(一)氨基酸的一般物理性质
1.氨基酸的旋光性及立体异构
构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸
外,均含有 α -碳原子,在空间各
原子有两种排列方式,L-构型与 D-
构型,它们的关系就像左右手的关
系,互为镜像关系,下图以丙氨酸
为例:
2.氨基酸的光吸收
? 构成蛋白质的 20种氨基酸在可见光区都没有
光吸收,但在 远紫外区 (<220nm)均有光吸收。
? 在 近紫外区 (220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨
酸和色氨酸有吸收光的能力。
? 酪氨酸的 ?max= 275nm,苯丙氨酸的 ?max=
257nm,
色氨酸的 ?max= 280nm,
3.高熔点
4.一般均溶于水,溶于强酸、强碱;不溶于乙
醚。
5.氨基酸一般有味,如 Lys…
(二) 氨基酸的两性性质和等电点
从上图可知:氨基酸在酸性环境中, 主要以阳离
子的形式存在, 在碱性环境中, 主要以阴离子的形
式存在 。 在某一 pH环境下, 以两性离子 ( 兼性离子 )
的形式存在 。 该 pH称为该氨基酸的等电点 。 所以氨
基酸的等电点可以定义为:氨基酸所带正负电荷相
等时的溶液 pH。
氨基酸等电点
( isoeletric point)
的计算
中性氨基酸:
pI=(pK’1 + pK’2)/2
pK’1为 α -羧基的解
离常数,
pK’2为 α -氨基的解
离常数 。
推导过程
丙氨酸的解离:
N+H3 N+H3
OH- [ Ala ] [H+]
H3C C COOH H3C C COO- + H+ K’1=
[Ala+]
H H
Ala+ Ala
N+H3 NH2
OH- [Ala-] [H+]
H3C C COO- H3C C COO- + H+ K’2=
[Ala ]
H H
Ala Ala-
二十种氨基酸的 pK,及等电点:
(三)氨基酸的化学反应
C O O H
C HH 2 N
R
亚硝酸盐反应
烃基化反应
酰化反应
脱氨基反应
西佛碱反应
成盐成酯反应
成酰氯反应
脱羧基反应
叠氮反应
侧链反应
1.与茚三酮反应
脯氨酸与 茚三酮反应的产物:
N+
黄色化合物
2,与亚硝酸反应:
放出氮气,氮气的一半来自氨基氮,一半来自
亚硝酸,在通常情况下测定生成的氮气的体积
量可计算氨基酸的量,此反应可用于测定蛋白
质的水解程度。
3.与甲醛的反应
用过量的中性甲醛与氨基酸反应,可游离出
氢离子,然后用 NaOH滴定,从消耗的碱量可
以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定
法。
4,与 2,4-二硝基氟苯( 2,4-DNFB)的反应
( Sanger反应):
生成黄色的二硝基苯 -氨基酸衍生物。
5,与苯异硫氰酸酯( PITC)反应( Edman反应):
生成苯乙内酰硫脲 -氨基酸。
6,与丹磺酰氯( DNS-Cl)的反应:生成荧光物质
DNS-氨基酸。
4,5,6.反应用于蛋白质的 N-末端的测定。
黄色 (水相)(有机相)
4,与 2,4-二硝基氟苯( 2,4-DNFB)的反应
( Sanger反应)
用途,可以用来鉴定多肽或蛋白质 NH2末端氨基酸,
亦称 Sanger反应
PTH-AA
5,与苯异硫氰酸酯( PITC)反应( Edman反应):
生成苯乙内酰硫脲 -氨基酸
— N=C=S + N— CH— COOH
H
H R
PITC
— N— C— N— CH— COOH
H H R
S PTC-氨基酸
— N— C
H R
S
NC
C
O PTH-氨基酸
pH8.3
无水 HF
重复测定
多肽链 N端
氨基酸排
列顺序,
设计出
,多肽顺
序自动分
析仪,
N ( C H
3
)
2
S O
2
C l
H
2
N C H C
R O
H N C H C
R O
S O
2
N ( C H
3
)
2
+
水解
N ( C H
3
)
2
S O
2 H N C H C
R O
O H
+ 氨基酸
丹磺酰氯
多肽 N- 端
丹磺酰 N- 端氨基酸
丹磺酰氨基酸
6,与丹磺酰氯( DNS-Cl)的反应:生成荧光物
质 DNS-氨基酸
7.侧链反应(颜色反应)
(1) Millon反应,检测 Tyr或含 Tyr的蛋白质的反应 。
Millon试剂,汞的硝酸盐与亚硝酸盐溶液 。
产物,红色的化合物 。
(2) Folin反应,检测 Tyr或含 Tyr的蛋白质的反应 。
Folin试剂,磷钼酸, 磷钨酸混合溶液 。
产物,蓝色的钼蓝, 钨蓝 。
(3) 坂口反应,检测 Arg或含 Arg的蛋白质的反应 。
坂口试剂,α — 萘酚的碱性次溴酸钠溶液 。
产物,砖红色的沉淀 。
(4) Pauly反应,检测 His,Tyr及含 His,Tyr蛋白质
的反应。
试剂,对氨基苯磺酸盐酸溶液、亚硝酸钠、碳酸钠混
合溶液
产物,橘红色的化合物。
(5) 乙醛酸的反应,检测 Trp或含 Trp蛋白质的反应。
当 Trp与乙醛酸和浓硫酸在试管中叠加时,产生分
层现象,界面出现紫色环。
(6) Cys的反应,Cys或含 Cys蛋白质与亚硝基亚铁氰
酸钠在稀氨的溶液中,产生一种红色的化合物。
四、肽 ( peptide)
—— 一个氨基酸的 α-羧基和另一个氨基酸的
α-氨基脱水缩合而成的化合物。氨基酸之间
脱水后形成的键称肽键(酰胺键)。
当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽,
在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧基,
每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽键相互
连接形成长的、不带支链的寡肽( 25个氨基酸残
基以下)和多肽(多于 25个氨基酸残基)。多肽
仍然有游离的 α -氨基和 α -羧基。
? 一个氨基酸的羧基与另
一个氨基酸的氨基之间
失水形成的酰胺键称为
肽键,所形成的化合物
称为 肽 。
肽与肽键
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 。 组成多肽的氨基酸单元 称
为 氨基酸残基 。
C C N C C N C C N C C N C
C H
2
C H C H
2
C H
2
C H
2
C O O
-
O H C O
2
H C H
2
C O N H
2
O H
C H
3
H
3
N
+
O O O O
H H H H H
H H H H
S e r V al T y r A s p G l n
C H
3
N- 端 C- 端
肽键
? 在多肽链中,氨基酸残基按一定的顺序排列,这
种排列顺序称为 氨基酸顺序
? 通常在多肽链的一端含有一个游离的 ?-氨基,称
为氨基端或 N-端; 在另一端含有一个游离的 ?-羧
基,称为羧基端或 C-端。
? 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。如上述五肽可
表示为:
? Ser-Val-Tyr-Asp-Gln
肽链写法,游离 α -氨基在左,游离 α -羧基在
右,氨基酸之间用, -”表示肽键。
H2N-丝氨酸 -亮氨酸 -苯丙氨酸 -COOH
Ser-Leu-Phe
( S-L-F)
肽的重要理化性质
1.每种肽也有其晶体,晶体的熔点都很高。
2.在 pH0-14范围内,肽的酸碱性质主要来自游离
末端 ?-NH2和游离末端 ?-COOH以及侧链上可解
离的基团。
3.每一种肽都有其相应的等电点,计算方法与 AA
一致且复杂。
4,肽的化学反应:也能发生茚三酮反应、
Sanger反应,DNS反应和 Edman反应;还可发
生双缩脲反应。
5,多肽的双缩脲反应是多肽特有的颜色
反应 ;双缩脲是两分子的尿素经加热失去
一分子 NH3而得到的产物 。
双缩脲能够与碱性硫酸铜作用,产生兰
色的铜 -双缩脲络合物,称为双缩脲反应。
含有两个以上肽键的多肽,具有与双缩
脲相似的结构特点,也能发生双缩脲反
应,生成紫红色或蓝紫色络合物。这是
多肽定量测定的重要反应。
天然存在的重要多肽
在生物体中,多肽最重要的存在形式是作为蛋白
质的亚单位。
但是,也有许多分子量比较小的多肽以游离状态
存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能,
常称为活性肽( active peptide)。
如:脑啡肽;激素类多肽;抗生素类多肽;谷胱
甘肽;蛇毒多肽等。
L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val
? ?
L-Orn L-Orn
? ?
L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu
短杆菌肽 S(环十肽 )
由细菌分泌的多肽, 有时也都含有 D-氨基酸和一
些非蛋白氨基酸 。 如鸟氨酸 ( Ornithine,缩写
为 Orn) 。
五,蛋白质的结构
蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序
列。在蛋白质中,多肽链折叠形成特殊的形状
(构象)( conformation)。在结构中,这种
构象是原子的三维排列,由氨基酸序列决定。
蛋白质有四种结构层次:
一级结构( primary)
二级结构( secondary)
三级结构( tertiary)
四级结构( quaternary)(不总是有)。
Primary secondary tertiary quaternary
(一)蛋白质的一级结构(化学结构)
一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的
排列顺序,即氨基酸的线性序列。在基因
编码的蛋白质中,这种序列是由 mRNA中的
核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共
价键( covalent bonds)主要指肽键
( peptide bond)和二硫键( disulfide
bond)
定义 —— 1969年,
国际纯化学与应用化
学委员会( IUPAC)
规定:蛋白质的一级
结构指蛋白质多肽连
中 AA的排列顺序,包
括二硫键的位置。其
中最重要的是多肽链
的氨基酸顺序,它是
蛋白质生物功能的基
础。
胰岛素的一级结构
(一 )蛋白质的一级结构研究
一级结构的研究包括,蛋白质的氨基酸组成测定,肽链
数目的确定,末端氨基酸种类测定,氨基酸的排列顺序测定,
二硫键位置的测定,酰胺位置的确定。大致步骤如下:
1.获取一定量纯的蛋白质样品,测其分子量,然后将样品
完全水解,确定该蛋白质的氨基酸种类、数目及每种氨基
酸的含量。
2.进行末端测定,确定该蛋白质的肽链数目,N-端和 C-端
是什么氨基酸。
N-末端测定法,常采用 2,4— 二硝基氟苯法,Edman降解
法、丹磺酰氯法。
C-末端测定法,常采用肼解法、羧肽酶法。
3.肽链的拆分,经末端的分析,若该蛋白质含有两条以
上的肽链,而且肽链之间是通过非共价键连接,使用蛋
白质变性剂将其变性后分开;若蛋白质肽链之间通过共
价键相连,则可采取过甲酸氧化法或巯基乙醇还原法将
其分开。
4.各肽链中氨基酸排列顺序的测定,使用两种以上的方
法将肽链部分水解成肽段,测各肽段的氨基酸顺序,然
后使用片段重叠法推测出完整肽链的氨基酸顺序。
5.确定二硫键和酰胺的位置
(二)蛋白质的二级结构
二级结构的概念,多肽链在一级结构的基础
上,按照一定的方式有规律的旋转或折叠形成
的空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方
式。
α -螺旋,β -折叠,β -转角、自由回转
?-螺旋( ?-helix )
? α -螺旋在许多蛋白中存在,如 α -角蛋白、
血红蛋白、肌红蛋白等,主要由 α -螺旋结构
组成。
?多个肽键平面通过 α -碳原子旋转,主链绕一条
固定轴形成右手螺旋。
?每 3.6个氨基酸残基上升一圈,相当于 0.54nm。
?相邻两圈螺旋之间借肽键中 C= O和 N-H形成许多
链内氢健,即每一个氨基酸残基中的 NH和前面相
隔三个残基的 C= O之间形成氢键,这是稳定 α -螺
?肽链中氨基酸侧链 R,分布在螺旋外侧,其形状
、大小及电荷影响 α -螺旋的形成。
结构要点
酸性或碱性氨基酸集中的区域,由于同电荷相斥,
不利于 α -螺旋形成;较大的 R(如苯丙氨酸、色氨
酸、异亮氨酸 )集中的区域,也妨碍 α -螺旋形成;
脯氨酸因其 α -碳原子位于五元环上,不易扭转,
加之它是亚氨基酸,不易形成氢键,故不易形成上
述 α -螺旋;甘氨酸的 R基为 H,空间占位很小,也
会影响该处螺旋的稳定。
影响 α -螺旋稳定的因素
β -折叠结构( β -pleated sheet)
是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列,
依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持
结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片,
氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。

CαCαCα
Cα Cα
RR
RRR
R
N
N
C
N
N
C
C
C 平行
反平行
?多肽链呈 锯齿状 (或扇面状)排列成比较伸展的
结构;
?相邻两个氨基酸残基的轴心距离为 0.35nm,侧链
R基团交替地分布在片层平面的上下方,片层间有
氢键 相连;
?有 平行式 和 反平行式 两种,平行式的折叠其 Φ=-
119。, Ψ=+113。 。反平行折叠其 Φ=-139。,
Ψ=+135。 。
这种片层在丝心蛋白里大量存在。
结构要点
β -转角,又称 β -弯曲,β -回折或发夹结构。
指蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现
180。 的回折,回折处的结构就称为 β -转角。一
般由四个连续的氨基酸组成,第一个氨基酸的羧
基与第四个氨基酸的氨基形成氢键。也有一些是
由第一个氨基酸的羧基与第三个氨基酸的氨基形
成氢键。
β -转角( β -turn)
为了紧紧折叠成紧密的球蛋白,多肽链常
常反转方向,成发夹形状。一个氨基酸的
羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸
的氨基氢上。
N— 1CH— CC
2CH
N— H
O=C
3CH
N C— 4CH— N
R
R
H
O
H
R
R
O
H
O
β -转角经
常出现在连
接反平行
β -折叠片
的端头。
自由回转
没有一定规律的松散肽链结构。酶的
活性部位。
超二级结构 是指若干相邻的二级结构中
的构象单元彼此相互作用,形成有规则的,
在空间上能辨认的二级结构组合体。是蛋
白质二级结构至三级结构层次的一种过渡
态构象层次。
结构域 是球状蛋白质的折叠单位。多肽链
在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成
紧密的近似球行的结构,具有部分生物功
能。对于较大的蛋白质分子或亚基,多肽
链往往由两个以上结构域缔合成三级结构。
结构域( structural domain)
在一些相对较大的蛋白质分子中,在空间
折叠时往往先分别折叠成几个相对独立的区
域,再组装成更复杂的球状结构,这种在二
级或超二级结构基础上形成的特定区域称为
结构域。它的结构层次介于超二级结构和三
级结构之间。如图所示:
(三)蛋白质的三级结构
一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排
布,称为三级结构,是包括主、侧链在内的空
间排列。大多数蛋白质的三级结构为球状或近
似球状。在三级结构中,大多数的亲水的 R侧基
分布于球形结构的表面,而疏水的 R侧基分布于
球形结构的内部,形成疏水的核心。
(四)蛋白质的四级结构
? 二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链
(亚基 ),彼此借次级键相连,形成一定的空间结
构,称为四级结构。
? 具有独立三级结构的多肽链单位,称为亚基
或亚单位 (subunit),亚基可以相同,亦可以不同
。四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。
? 单独亚基,无生物学功能,当亚基聚合成为
具有完整四级结构的蛋白质后,才有功能。
共价键
次级键
化学键
肽键
一级结构
氢键
二硫键
二、三、四级结构
疏水键
盐键
范德华力
三、四级结构
蛋白质分子中的共价键与次级键
六、蛋白质分子结构与功能的关系
蛋白质分子具有多样的生物学功能,需
要一定的化学结构,还需要一定的空间
构象。
1.4 蛋白质结构与功能的关系⒈ 一级结构是空间构象的基础
RNase是由 124氨基酸残基组成的单肽链,分子中 8 个 Cys
的 -SH构成 4对二硫键,形成具有一定空间构象的蛋白质分子。
在蛋白质变性剂(如 8mol/L的尿素)和一些还原剂(如巯基
乙醇)存在下,酶分子中的二硫键全部被还原,酶的空间结
构破坏,肽链完全伸展,酶的催化活性完全丧失。当用透析
的方法除去变性剂和巯基乙醇后,发现酶大部分活性恢复,
所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他的方法改
变分子中二硫键的配对方式,酶完全丧失活性。这个 实验表
明,蛋白质的一级结构决定它的空间
结构,而特定的空间结构是蛋白质
具有生物活性的保证。
蛋白质一级结构与功能的关系
2,前体与活性蛋白质一级结构的关系
由 108个氨基酸残基构成的前胰岛素原 (pre-
proinsulin),在合成的时候完全没有活性,
当切去 N-端的 24个氨基酸信号肽,形成 84个氨
基酸的胰岛素原( proinsulin),胰岛素原也
没活性,在包装分泌时,A,B链之间的 33个氨
基酸残基被切除,才形成具有活性的胰岛素。
胰蛋白酶原的激活(以后讲)
比较不同来源的细胞色素 C发现,与功能密切
相关的氨基酸残基是高度保守的,这说明不同种
属具有同一功能的蛋白质,在进化上来自相同的
祖先,但存在种属差异。不同种属间的同源蛋白
质一级结构上相对应的氨基酸差别越大,其亲缘
关系愈远,反之,其亲缘关系愈近。
3.同源蛋白质有顺序同源性,
⒋ 蛋白质的一级结构与分子病
现知几乎所有遗传病都与蛋白质分子结构改
变有关,都称之为分子病。例如镰刀型贫血症,
它是由于血红蛋白的 β -亚基上的第六位氨基酸
由谷氨酸变成了缬氨酸,导致血红蛋白的结构
和功能的改变,其运输氧气的能力大大地降低,
并且红细胞呈镰刀状。
镰状细胞贫血( sick-cell anemia)
从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型
细胞。
β-链 1 2 3 4 5 6 7
Hb-A N- Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys…
Hb-S N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…
蛋白质空间结构与功能的关系
Hb由 4条肽链组成,2α, 2β,功能是运载 O2 。
在去氧 Hb亚基中有下列几对离子键:
由于血红蛋白亚基之间存在大量离子键,使其
构象呈紧张态,对氧的亲和力很低,第一个亚基
与 O2结合时,离子键的破坏较难,所需要的能量较
多。当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引起它的
构象从紧张态变成松弛态,其它的离子键也依次
破坏,此时破坏离子键所需要的能量也少,构象
的变化导致血红蛋白对氧的亲和力大大增强,因
此第四个亚基结合氧的能力比第一个大几百倍。
总之,各种蛋白质都有特定的
空间构象,而特定的空间构象又
与它们特定的生物学功能相适应
,蛋白质的结构与功能是高度统
一的。
七、蛋白质的性质
( 一)蛋白质的相对分子量
蛋白质相对分子量在 10 000~1 000 000之间。
测定分子量的主要方法有渗透压法,超离心
法,凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。
最准确可靠的方法是 超离心法 ( Svedberg于
1940年设计):蛋白质颗粒在 25~50*104 g
离心力作用下从溶液中沉降下来 。
沉降系数( s):单位( cm)离心场里的沉降
速度。
沉降系数的单位常用 S,1S=1× 10-13( s)
(二)蛋白质的两性电离及等电点
蛋白质在其等电点偏酸溶液中带正电荷,在
偏碱溶液中带负电荷,在等电点 pH时为两性
离子。
电泳:带电颗粒在电场中移动的现象。分子
大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同,迁
移率即异,在电泳时可以分开。
? 蛋白质与多肽一样,能够发生两性离解,也有等
电点。在等电点时 (Isoelectric point pI),蛋
白质的溶解度最小,在电场中不移动。
? 在不同的 pH环境下,蛋白质的电学性质不同。在
外液 pH低于等电点的溶液中,蛋白质粒子带正电
荷,在电场中向负极移动;在外液 pH高于等电点
的溶液中,蛋白质粒子带负电荷,在电场中向正
极移动。这种现象称为蛋白质电泳 —
(Electrophoresis)带电粒子在电场中移动的现
象。
1,自由界面电泳,蛋白质溶于缓冲
液中进行电泳。
2,区带电泳,将蛋白质溶液点在浸
了缓冲液的支持物上进行电泳,不同组分
形成带状区域。
( 1)纸上电泳,用滤纸作支持物。
( 2)凝胶电泳,用凝胶(淀粉、琼脂糖、聚
丙烯酰胺)作支持物。
1)圆盘电泳,玻璃管中进行的凝胶电泳 。
+

2)平板电泳,铺有凝胶的玻板上进
行的电泳。
- +
? 由于蛋白质的分子量很大( 1-100nm),它在
水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体
溶液的典型性质,如丁达尔现象、布郎运动等。
? 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜,因
此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。
透析法,以半透膜提纯蛋白质的方法叫透析法
半透膜,只允许溶剂小分子通过,而溶质大分子
不能通过,如羊皮纸、火棉胶、玻璃纸等
(三)蛋白质的胶体性质
布郎运动、丁道尔现象、电泳现象,不能透
过半透膜,具有吸附能力
蛋白质溶液稳定的原因:
1)表面形成水膜(水化层);
2)带相同电荷。
? 蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量
大小、所带的电荷和水化作用有关。
? 改变溶液的条件,将影响蛋白质的溶解
性质
? 在适当的条件下,蛋白质能够从溶液中
沉淀出来。
? 定义:蛋白质在溶液中靠水膜和电荷保
持其稳定性,水膜和电荷一旦除去,蛋
白质溶液的稳定性就被破坏,蛋白质就
会从溶液中沉淀下来,此现象即为蛋白
质的沉淀作用。
(四)蛋白质的沉淀反应
1,加高浓度盐类(盐析):加盐使蛋白
质沉淀析出。
分段盐析:调节盐浓度,可使混合蛋白
质溶液中的几种蛋白质分段析出。血清
球蛋白( 50%(NH4)2SO4饱和度),清蛋
白(饱和 (NH4)2SO4)。
2,加有机溶剂
3,加重金属盐
4,加生物碱试剂
单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、三氯
乙酸能沉淀生物碱,称生物碱试剂。
(五)蛋白质的变性
天然蛋白质受物理或化学因素的影响,其
共价键不变,但分子内部原有的高度规律
性的空间排列发生变化,致使其原有性质
发生部分或全部丧失,称为蛋白质的 变性 。
变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称
凝固 。
蛋白质的变性
? 蛋白质变性后的表现,生物活性丧失;溶解
度降低,对于球状蛋白粘度增加;生化反应
易进行;光吸收系数增大;组分和分子量不
变。
引起蛋白质变性的主要因素:
? 温度(热、冷)
? 强酸、强碱
? 尿素和盐酸胍的影响 (破坏分子内部氢键、破坏疏水效应)
? H2N-C-NH2 H2N-C-NH2+Cl-
? 表面活性剂的影响:如十二烷基硫酸钠( SDS)
CH3-( CH2) 10-CH2-O-S-O-.Na+ ( 1.4gSDS/1g蛋白)
O NH2
o
o
蛋白质的复性
? 定义:当变性因素除去后,变性蛋白质又可恢
复到天然构象,这一现象称为蛋白质的复性
( renaturation)。
? 蛋白质变性的预防和利用:医疗方面;食品方
面;蛋白质制备;酶制剂保存等。
有些蛋白质的变性作用是可逆的,其变性
如不超过一定限度,经适当处理后,可重
新变为天然蛋白质。
反应名称 试 剂 颜色 反应有关基团 有此反应的
蛋白质或氨
基酸
双缩脲反应 NaOH,CuSO2 紫色或粉
红色
二个以上肽键 所有蛋白质
米伦反应 HgNO3,
Hg(NO3)2 及
HNO3混合物
红色 Tyr
黄色反应 浓 HNO3及 NH3 黄色, 橘

Tyr,Phe
乙醛酸反应
(Hopking-Cole 反
应 )
乙醛酸试剂及浓
H2SO4
紫色 Trp
坂口反应
(Sakaguchi反应 )
α-萘酚, NaClO 红色 胍基 Arg
酚试剂反应
(Folin-Cioculteu
反应 )
碱性 CuSO4及磷
钨酸 -钼酸
蓝色 酚基, 吲哚基 Tyr
茚三酮反应 茚三酮 蓝色 自由氨基及羧基 α-氨基酸
(六)蛋白质的颜色反应
— OH
N
? 大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨
酸和色氨酸。
? 这三种氨基酸的在 280nm 附近有最大吸收。因此,
大多数蛋白质在 280nm 附近显示强的吸收。
? 利用这个性质,可以对蛋白质进行定性鉴定和定
量测定。
(七)蛋白质的紫外吸收
八、蛋白质的分类
1,蛋白质形状
球状蛋白
纤维状蛋白
? 依据蛋白质的外形分类
? 按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和
纤维状蛋白质。
? 球状蛋白质,globular protein外形接
近球形或椭圆形,溶解性较好,能形成
结晶,大多数蛋白质属于这一类。
? 纤维状蛋白质, fibrous protein分子类
似纤维或细棒。它又可分为 可溶性纤维
状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质 。
2,分子组成
简单蛋白
(按溶解度)
结合蛋白
(按辅基)
清蛋白
球蛋白
谷蛋白
醇溶蛋白
精蛋白
组蛋白
硬蛋白
核蛋白
糖蛋白与蛋白聚糖
脂蛋白
色蛋白
磷蛋白
依据蛋白质的组成分类
? 按照蛋白质的组成,可以分为
? 简单蛋白 (simple protein)
? 结合蛋白 (conjugated protein) 。
简单蛋白
? 又称为单纯蛋白质;这类蛋白质只由氨基酸组成的肽链,
不含其它成分。
1.清蛋白和球蛋白,albumin and globulin广泛存在于
动物组织中。清蛋白易溶于水,球蛋白微溶于水,易溶
于稀酸中。
2.谷蛋白 (glutelin)和醇溶谷蛋白 (prolamin):植物蛋
白,不溶于水,易溶于稀酸、稀碱中,后者可溶于 70-
80%乙醇中。
3.精蛋白和组蛋白:碱性蛋白质,存在于细胞核中。
4.硬蛋白:存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中,
分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。
结合蛋白
? 由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成。
? 色蛋白:由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、
叶绿蛋白和细胞色素等。
? 糖蛋白:由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖
蛋白等。
? 脂蛋白:由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清 ?-,?-
脂蛋白等。
? 核蛋白:由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核
糖核蛋白等。
? 黄素蛋白:由简单蛋白与黄素核苷酸结合而成。如琥珀
酸脱氢酶,D-氨基酸氧化酶
? 金属蛋白:由简单蛋白与金属结合而成。如铁蛋白、谷
胱甘肽过氧化物酶(硒)、乙醇氧化酶 (锌)
本章较全面地介绍了蛋白质化学的基本知识,
重点阐述了氨基酸和蛋白质的结构、性质和
功能间的依存关系。在学习氨基酸的结构时
应联系有机化学的羧酸结构,在学习氨基酸
的化学性质时应联系氨基酸的结构,再将氨
基酸的结构和特性与蛋白质的结构和特性联
系起来。认识蛋白质的重要生物学意义。