第三章 蛋白质的结构与功能教学要求 掌握蛋白质的生物学重要性。掌握蛋白质的分子组成特点和基本单位。掌握蛋白质的分子结构及其与功能的关系。熟悉蛋白质的重要理化性质。了解蛋白质的重要分离和纯化方法。 目录第一节 蛋白质生理功能、元素组成及分类第二节 蛋白质的基本结构单位氨基酸第三节 肽第四节 蛋白质的分子结构第五节 蛋白质的分子结构与功能的关系第六节 蛋白质的重要性质蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能 第一节 蛋白质生理功能、元素组成及分类蛋白质的主要生理功能主要功能：催化功能；酶 结构功能；动物的皮，毛等防御功能；抗体，补体，凝血酶运动功能；肌球蛋白，肌动蛋白运输功能；血红蛋白 信息功能；膜蛋白贮存功能； 卵清蛋白，蛋白质主要元素组成：C、H、O、N、S 及 P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se 等微量元素。碳 50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫 0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼蛋白质平均含N量为16,这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据：蛋白质含量蛋白质含N量6.25 三聚氰胺结构式如下，试说明为什么 添加三聚氰胺可以增加乳汁中蛋白含 量的原理？三聚氰胺中含氮66.67%蛋白质的分类 （1） 按组成： 简单蛋白：此类蛋白完全水解的产物为-氨基酸， 不含其它物质； 按其溶解度等理化性质的差异又可分为以下几类。 简单蛋白质：水解只产生AA 结合蛋白：由简单蛋白质与非蛋白质组分结合而成 ，其非蛋白质组分通常称为辅基。 结合蛋白质：蛋白质+辅基简单蛋白质分类结合蛋白质分类结合蛋白：由简单蛋白质与非蛋白质组分结合而成，其非蛋 白质组分通常称为辅基。（2）按蛋白质来源分类动物性蛋白质：肉类蛋白质、乳类蛋白质、蛋类蛋白 质植物性蛋白质：蔬菜蛋白、谷类蛋白、油料种子蛋白单细胞蛋白质（3）、按分子外形的对称程度：球状蛋白质 纤维状蛋白质、膜蛋白质（4）、按功能分：酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白 、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。 第二节 蛋白质的基本结构单位氨基酸一、 氨基酸的通式二、蛋白质氨基酸、稀有的蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸的概念三、二十种常见的蛋白质氨基酸分类、结构及三字符号四、氨基酸的性质五、氨基酸的生产和应用蛋白质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。氨基酸的通式氨基酸的通式注:L型的-NH2基写在分子的左边，D型的写在右边。 D型AA在自然界中存在于细菌细胞壁，短杆菌肽中。脯氨酸 （Pro,P）氨基酸是具有氨基（-NH2 ）或亚氨基和羧基（- COOH）的有机分子。氨基 酸种类多，但构成蛋白质 具有遗传密码的氨基酸只 有20种，且都是L-型的 -型氨基酸，C是不对称C（除Gly）， 则：1.具有两种立体异构体 D-型和L-型2. 具有旋光性 左旋（- ）或右旋（+）氨基酸结构共同点 常见的氨基酸有20种（自然界的氨基 酸大于20种） 氨基酸结构上的共同点：一个氨基， 一个羧基，一个H原子与-C相连（ 脯氨酸为-亚氨基酸 ）。 除甘氨酸外，其余的AA -C都是 不对称C原子，具有L和D型。氨基酸的分类l 按其侧链R结构的不同，可分为脂肪 族、芳香族和杂环氨基酸三大类 根据其侧链R有无极性再分为中性极 性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚 类.中性极性氨基酸（polar AA）较亲 水, （hydrophilic）亲水性大的极性较 大。中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic） 二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号据营养 学分类必需非必需据R基团化 学结构分类 脂肪族A（中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）芳香族A(Phe、Tyr、Trp)杂环(His、Pro)人的必需氨基酸 Lys Trp Phe Val Met Leu Ile ThrArg、His 婴儿期：Arg和His供给不足，属半必需氨基酸 据R基团 极性分类 极性R基团AA非极性R基团AA（种）不带电荷（种）带电荷：正电荷（种）负电荷（种）非极性R基团氨基酸不带电荷极性R基团氨基酸带电荷R基团氨基酸甘氨酸 （Gly,G）丙氨酸 （Ala,A）缬氨酸 （Val,V）亮氨酸 （Lue,L）异亮氨酸 （Ile,I）中性脂肪族氨基酸R基均为中性烷基，R基对分子酸碱性影响很小，它们 几乎有相同的等电点。（6 .00.03） Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性 从Gly至Ile，R基团疏水性增加 含羟基或硫脂肪族氨基酸丝氨酸 （Ser,S）苏氨酸 （Thr,T）半胱氨酸 （Cys,C）甲硫氨酸 （Met,M）Ser的-CH2 OH基（pKa=15）在生理条件下不解离,但在大多数酶的 活性中心都发现有Ser残基存在。 Ser和Thr的-OH往往与糖链相连，形成糖蛋白。 Cys的R中含巯基（-SH）， 具有两个重要性质： （1）在较高pH值条件，巯基离解。 （2）两个Cys的巯基氧化生成二硫键，生成胱氨酸。 Met在生物合成中是一种重要的甲基供体。下列氨基酸中侧链含有羟基的是 (2011)酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸 （Asp,D）谷氨酸 （Glu,E）天冬酰胺 （Asn,N）谷氨酰胺 （Gln,Q）它们是唯一在生理条件下带 有负电荷的的两个 氨基酸 R中含有酰胺基团（2种）酰胺基中氨基 易发生氨基转 移反应 碱性氨基酸赖氨酸 （Lys,K）精氨酸 （Arg,R）组氨酸 （His,H）杂环Lys侧链氨基的pKa为 10.53，生理条件下 ，Lys侧链带有一个 正电荷（NH3+）， 侧链的氨基反应活性 增大。Arg是碱性最强的氨基酸 ，侧链上的胍基是已知 碱性最强的有机碱，pKa 值为12.48，生理条件下 完全质子化。His是pKa值最接近生理 pH值的一种（游离氨基 酸中为6.00，在多肽链 中为7.35 ） ，是在生 理pH条件下唯一具有缓 冲能力的氨基酸。His在酶的酸碱催化机制 中起重要作用杂环氨基酸组氨酸 （His,H）脯氨酸 （Pro,P） Pro的-亚氨基是环的一部分， 因此具有特殊的刚性结构。一般出现在两段-螺旋之间的转 角处，Pro残基所在的位置必然 发生骨架方向的变化，芳香族氨基酸苯丙氨酸 （Phe,F）酪氨酸 （Tyr,Y）色氨酸 （Trp,W）在280nm处，Trp吸收最强，Tyr次之，Phe最弱。蛋白质氨基酸： 蛋白质中常见的20种氨基酸 在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称 为稀有氨基酸。 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的，没 有遗传密码。蛋白质生物合成后，经专一的酶催化形 成。（主要存在于胶原蛋白中）（主要存在于组蛋白中）（主要存在于甲状腺球蛋白中）稀有的蛋白质氨基酸：生物体内的氨基酸类别非蛋白质的氨基酸 不参与蛋白质的组成，而是以游离的状态存在于 生物体之中。 在各种组织和细胞中找到180多种非蛋白质的氨 基酸。总的来说，关于非蛋白质氨基酸的生物功 能，报道的不多。氨基酸的性质 1、氨基酸的物理性质常见氨基酸均为无色结晶,其形状因构型而异(1)溶解性：各种氨基酸在水中的溶解度差别很大 ，并能溶解于稀酸或稀碱中，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 。 (2) 熔点：氨基酸的熔点极高，一般在200以上 。 (3) 味感：其味随不同氨基酸有所不同，有的无 味、有的为甜、有的味苦，谷氨酸的单钠盐有鲜 味，是味精的主要成分。2、氨基酸光学性质1、除甘氨酸外，所有天然-氨基酸都有不对称（手性）碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性。参与蛋白质组成的20种氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在近紫外光区（220-300nm）显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为279、278、和259nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。Trp Tyr Phe 的 紫外 吸收 光谱摩尔吸收系数波长(279)(278)(259)氨基酸的性质（1 ）两性解离和等电点 （2 ）光学性质 （3 ）重要化学反应a. 与茚三酮反应:用于氨基酸定量定性测定.b.与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应（sanger反应）:用于蛋白质N-端测定.c. 与苯异硫氰酯（PITC）的反应（Edman反应），用于蛋白N-端测定，蛋白质顺序测定仪设计原理的依据。氨基酸的两性解离性质 两性离子：带有数量相等的正负两种 电荷的离子两性离子：带有数量相等 的正负两种电荷的离子pH = pI净电荷=0pH pI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3+ H+ OH-+ H+ OH-(pK1)(pK2)当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelectric point，pI)。此时氨基酸的溶解度最小。氨基酸的两性解离性质及等电点3、氨基酸的化学性质氨基酸等电点的应用 等电点是氨基酸的特征常数，氨基酸 不同，其等电点不同。 当氨基酸处于等电点是，由于静电引 力的作用，其溶解度最小，容易发生 沉淀。利用此特点可从氨基酸混合物 溶液中分离某种氨基酸。 在等电点以上的pH,AA带负电荷,在电 场只向正极移动,反之向负极移动.溶液 的pH离等电点愈远,AA携带的净电荷 愈大.氨基酸等电点的计算可见，氨基酸的pI值等于该氨基酸的两性离子状态两侧的基团pK值之和的二分之一。pI=2pK1+pK2一氨基一羧基AA 的等电点计算：pI=2pK2+pKR碱性AA的等电点 计算：pI=2pK1+pKR酸性AA的等电点 计算：练习 甘氨酸的解离常数是pK1=2.34, pK2=9.60 ，它的等 电点（pI）是（ ）。 A、7.26 B、5.97 C 、7.14 D、10.77 谷氨酸的pK1(-COOH)为2.19，pK2(-NH3)为 9.67，pK3R(-COOH)为4.25，其pI是（ ） 。 A、4.25 B、3.22 C、6.96 D、5.93氨基酸与茚三酮反应(可定性定量测定 AA)+3H20水合茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加热水合茚三酮+ 2NH3 +还原性茚三酮氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应 （sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)+ HF弱硷中氨基酸用于测定N末端AA氨基酸与苯异硫氰酯（PITC）的反应 （Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-A