第一章 蛋白质化学
教学目标:
1.掌握蛋白质的概念、重要性和分子组成。
2.掌握α-氨基酸的结构通式和20种氨基酸的名称、符号、结构、分类;掌握氨基酸的重要性质;熟悉肽和活性肽的概念。
3.掌握蛋白质的一、二、三、四级结构的特点及其重要化学键。 4.了解蛋白质结构与功能间的关系。 5.熟悉蛋白质的重要性质和分类
导入:100年前,恩格斯指出“蛋白体是生命的存在形式”;今天人们如何认识蛋白质的概念和重要性?
1839年荷兰化学家马尔德(G.J.Mulder)研究了乳和蛋中的清蛋白,并按瑞典化学家Berzelius的提议把提取的物质命名为蛋白质(Protein,源自希腊语,意指 “第一重要的” )。德国化学家费希尔(E.Fischer)研究了蛋白质的组成和结构,在1907年奠立蛋白质化学。英国的鲍林(L.Pauling)在1951年推引出蛋白质的螺旋;桑格(F.Sanger)在1953年测出胰岛素的一级结构。佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁(J.C.kendrew) 在1960年测定血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构。1965年,我国生化学者首先合成了具有生物活性的蛋白质——胰岛素(insulin)。
蛋白质是由L-α-氨基酸通过肽键缩合而成的,具有较稳定的构象和一定生物功能的生物大分子(biomacromolecule)。蛋白质是生命活动所依赖的物质基础,是生物体中含量最丰富的大分子。
单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质,而人体有10万种以上结构和功能各异的蛋白质,人体干重的45%是蛋白质。生命是物质运动的高级形式,是通过蛋白质的多种功能来实现的。新陈代谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进行
的,已发现的酶绝大多数是蛋白质。生命活动所需要的许多小分子物质和离子,它们的运输由蛋白质来完成。生物的运动、生物体的防御体系离不开蛋白质。蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性,以及高等动物的记忆、识别机构等方面都起着重要的作用。随着蛋白质工程和蛋白质组学的兴起和发展,人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越深刻。
第一节 蛋白质的分子组成 一、蛋白质的元素组成
经元素分析,主要有 C(50%~55%)、H(6%~7%)、O(19%~24%)、N(13%~19%)、S(0%~4%)。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。
各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16%。因此,可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。
每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质含量(g%) 二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸
蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下,最终水解为游离氨基酸(amino acid),即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余种,但合成蛋白质的氨基酸仅20种(称编码氨基酸),最先发现的是天门冬氨酸(1806年),最后鉴定的是苏氨酸(1938年)。 (一)氨基酸的结构通式
组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点:
1.氨基连接在α- C上,属于α-氨基酸(脯氨酸为α-亚氨基酸)。
2.R是側链,除甘氨酸外都含手性C,有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸都是L-型。
注意:构型是指分子中各原子的特定空间排布,其变化要求共价键的断裂和重
新形成。旋光性是异构体的光学活性,是使偏振光平面向左或向右旋转的性质,(-)表示左旋,(+)表示右旋。构型与旋光性没有直接对应关系。 (二)氨基酸的分类
1.按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。 2.按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸、极性不带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。
带有非极性R(烃基、甲硫基、吲哚环等,共9种):甘(Gly)、丙(Ala)、缬(Val)、亮(Leu)、异亮(Ile)、苯丙(Phe)、甲硫(Met)、脯(Pro)、色(Trp) 带有不可解离的极性R(羟基、巯基、酰胺基等,共6种):丝(Ser)、苏(Thr)、天胺(Asn)、谷胺(Gln)、酪(Tyr)、半(Cys)
带有可解离的极性R基(共5种):天(Asp)、谷(Glu)、赖(Lys)、精(Arg)、组(His),前两个为酸性氨基酸,后三个是碱性氨基酸。
蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成,胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸,凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质加工修饰而成。 (三)氨基酸的重要理化性质 1.一般物理性质
α-氨基酸为无色晶体,熔点一般在200 oC以上。各种氨基酸在水中的溶解度差别很大(酪氨酸不溶于水)。一般溶解于稀酸或稀碱,但不能溶解于有机溶剂,通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析出。
芳香族氨基酸(Tyr、Trp、Phe)有共轭双键,在近紫外区有光吸收能力,Tyr、Trp的吸收峰在280nm,Phe在265 nm。由于大多数蛋白质含Tyr、Trp残基,所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值,是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。 2.两性解离和等电点(isoelectric point, pI)
氨基酸在水溶液或晶体状态时以两性离子的形式存在,既可作为酸(质子供体),又可作为碱(质子受体)起作用,是两性电解质,其解离度与溶液的pH有关。
在某一pH的溶液中,氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和程度相等,成为兼性离子,呈电中性,此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。氨基酸的pI是由α-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定的。计算公式为:pI=1/2(pK1+ pK2)。
若1个氨基酸有3个可解离基团,写出它们电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值,即为此氨基酸的等电点(酸性氨基酸的等电点取两羧基的pK值的平均值,碱性氨基酸的等电点取两氨基的pK值的平均值)。
3.氨基酸的化学反应 氨基酸的化学反应是其基团的特征性反应。重要的有: (1)茚三酮反应
所有具有自由α-氨基的氨基酸与过量茚三酮共热形成蓝紫色化合物(脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质)。用分光光度法可定量测定微量的氨基酸。蓝紫色化合物的最大吸收峰在570nm波长处,黄色在440nm波长下测定。吸收峰值的大小与氨基酸释放的氨量成正比。 (2)与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应
在弱碱性溶液中,氨基酸的α-氨基很容易与DNFB作用生成稳定的黄色2,4-二硝基苯氨基酸(DNP-氨基酸),这一反应在蛋白质化学的研究史上起过重要作用,Sanger等人应用它测定胰岛素一级结构。
多肽顺序自动分析仪是根据相类似的原理设计的,即利用多肽链N端氨基酸的α-氨基与异硫氰酸苯酯PITC反应(Edman降解法)。 三、肽(peptide) 1.肽键与肽链
一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水形成的酰胺键称为肽键。由氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽。肽键及其两端的α-碳原子相连所形成的长链骨架,即?Cα—C—N—Cα—C—N—Cα—C—N—Cα?称为多肽主链,
—CαCN—是重复单位。肽键是蛋白质分子中的主要共价键。多肽链的方向性是从N末端指向C末端。
肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基。肽按其序列从N端到C端命名。一般10肽以下属寡肽,10肽以上为多肽。 2.生物活性肽
(1)谷胱甘肽(glutathione,GSH)
是由Glu、Cys、Gly组成的一种三肽,又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸(含γ-肽键)。Cys的-SH是主要功能基团,GSH是一种抗氧化剂,是某些酶的辅酶,可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化,保护巯基蛋白和酶的活性。在GSH过氧化物酶的作用下,GSH还原细胞内产生的H2O2,生成H2O,2分子GSH被氧化成GSSG,后者在GSH还原酶催化下,又生成GSH。 (2)多肽类激素和神经肽
人体内有许多激素属寡肽或多肽,如下丘脑—垂体分泌的催产素(9肽)、加压素(9肽)、促肾上腺皮质激素(ACTH,39肽)等。催产素和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同,前者使平滑肌收缩,有催产和使乳腺泌乳的作用;后者能使小动脉收缩,增高血压,也有减少排尿的作用。
神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。如脑啡肽(5肽)、β-内啡肽(31肽)、强啡肽(17肽)等。随着脑科学的发展,会发现更多的生物活性肽。
第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质是生物大分子,结构比较复杂,人们用4个层次来描述,包括蛋白质的一级、二级、三级和四级结构。一级结构描述的是蛋白质的线性(或一维)结构,即共价连接的氨基酸残基的序列,又称初级或化学结构。二级以上的结构称高级结构或构象(conformation)。
一、蛋白质的一级结构(primary structure)
王镜岩生物化学笔记(整理版)
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