第三章 蛋白质的化学(二),海洋学院制药工程系 齐兴柱,蛋白质的结构,蛋白质结构是通过四种水平描述的：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。,一级结构,-Ala-Glu-Val-Thr-Asp-Pro-Gly-,二级结构,四级结构,三级结构,蛋白质结构的主要层次,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 超二级结构和结构域 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),说明： 1.实际上在二级结构和三级结构之间还有超二级结构和结构域2个结构层次。 2.不是所有蛋白质都有四级结构 3. 二、三、四级结构都是空间立体结构 4.蛋白质越复杂，其空间立体结构也越复杂,第一节 蛋白质的一级结构（Primary structure）,(一).定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序,又称为共价结构或基本化学结构。,维持蛋白质一级结构的作用力，即主要的化学键有： 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,二硫键：由多肽链2个半胱氨酸残基的侧链的-SH基之间形成,（二）肽键与肽链,1.肽键（酰胺键）：一个氨基酸的-COOH 和相邻的另一个氨基酸的-NH2脱水形成共价键。如下图：,肽键和肽的结构,2. 氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质.,1）肽的命名：某氨基酰某氨基酰某氨基酸 2）二肽；寡肽；多肽 3）氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有自由-NH2和-COOH，自由-NH2端称为N-末端（氨基末端）自由-COOH端称为C-末端（羧基末端）； 4）构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基； 5）肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH2端开始，由N指向C，即多肽链有方向性，N端为头，C端为尾。一般习惯把氨基写在左端，羧基写在右端;注意氨基酸残基顺序的差别：如：甘-丙；丙-甘。,C,肽键的酰胺氮和羰基氧之间发生共振相互作用产生几个重要结果: 1.肽键的实质是介于图A、B两种极端形式的平均中间态，即图C，所以肽键具有部分双键的性质。 2.限制绕肽键的自由旋转 3.组成肽基的4个原子和2个相邻的C原子倾向于共平面,称酰胺平面或肽平面.,第二 节 天然活性肽,自然界中有自由存在的活性肽，主要有：,1. 谷胱甘肽（GSH）：三肽（Glu-Cys-Gly），广泛存在于生物细胞中，含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使它们处于活性状态。,还原性,谷胱甘肽的生理功能十分广泛，其主要功能有： (1)清除自由基、过氧化物、重金属及黄曲霉 毒素等毒物； (2)参与氨基酸(谷氨酰氨、半胱氨酸及其它中性氨基酸)的转运； (3)利于铁的 吸收、硒的吸收、钙的吸收，谷胱甘肽还可以使饲料中的过氧化脂肪酸在吸收时或吸收后恢复 为正常的脂肪；(4)保护胃肠道黏膜上皮，防止因炎症、局部缺血、氧化物质等对肠黏膜的损 伤； (5)贮存并提供其组成氨基酸(1尤其是半胱氧酸)； (6)参与蛋白质和DNA的合成; (7)作为 还原物质，利于维生素E、维生素c的还原，维持巯基酶活性，并可作为甘油醛磷酸脱氢酶的辅 基，也是乙二醛酶、磷酸丙糖脱氢酶的辅酶； (8)谷胱甘肽在免疫系统抗感染和炎症反应中发 挥着重要作用，它对于淋巴细胞增殖及正常功能的发挥起着重要的作用； (9)参与胰岛素的代 谢，一降低雌激素、前列腺素、白细胞三烯的活性； (10)作为抗癌、抗肿瘤及治疗艾滋病的辅助药物。,2.促甲状腺素释放激素：三肽（焦谷氨酰组氨酰脯氨酸），可促进甲状腺素的释放。,3.短杆菌素S：环十肽，含有D-苯丙氨酸、鸟氨酸，对革兰氏阴性细菌有破坏作用，主要作用于细胞膜。,4.青霉素：含有D半胱氨酸和D缬氨酸的二肽衍生物 。主要破坏细菌的细胞壁粘肽的合成引起溶菌。,5.牛催产素与加压素：均为九肽，分子中含有一对二硫键，两者结构类似。前者第九位为Gly或Lys或Phe，后者为Arg。前者可刺激子宫的收缩，促进分娩。后者可促进小动脉收缩，使血压升高，也有抗利尿作用，参与水、盐代谢的调节。,牛催产素 :,S S CysTyrIleGlnAsnCysProLeuGly-NH2,牛加压素 :,7.脑啡肽：为五肽，具有镇痛作用。,S S CysTyrPheGlnAsnCysProAryGly-NH2,6.舒缓激肽：促进血管舒张，促进水、钠离子的排出。,据路透社健康新闻2003年3月24日纽约讯研究人员在本周一召开的美国化学协会年会上报告说，由葡萄糖、麦芽糖或者麦芽三糖这样的糖类与神经肽结合形成糖基化脑啡肽在药效方面是吗啡的两到三倍，而不具备其它一些造成使用者成瘾的特性 来自Arizona大学的Robin Polt介绍了如何将这种简单的糖分子与神经肽相结合，这类糖基化脑啡肽与吗啡一样能够穿透血脑屏障。Polt告诉路透社记者说，糖基化脑啡肽的效果十分特异，不仅在作用方面十分特异，就是在不作用方面也十分特异。他介绍说，动物实验的结果显示，这类化合物并不会造成吗啡使用后的欣快感，但是它的镇痛效果却是吗啡的两到三倍。来自Arizona大学的Robin Polt介绍了如何将这种简单的糖分子与神经肽相结合，这类糖基化脑啡肽与吗啡一样能够穿透血脑屏障。,第三节 蛋白质的一级结构研究,蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。,Sanger简介 Sanger 英国剑桥大学 2次获诺贝尔奖（1958， 1980）,（1）. 确定胰岛素分子的一级结构,（2）. 双脱氧链终止法DNA序列分析,F.Frederick Sanger (1918)国生物化学家。1918年 8月13日生于格洛斯特郡伦德库姆。曾在剑桥大学学习化学，1943年以研究赖氨酸的课题获博士学位。曾任英国医学委员会分子生物学研究所蛋白质化学实验室主任。1954年当选为英国皇家学会会员。现任剑桥大学教授。 桑格在50年代以前，主要研究蛋白质的结构。经过多年的研究，找到一种试剂，名为2，4二硝基氟化苯（桑格试剂），用以测定胰岛素的分子结构，获得成功。后经10年的努力，应用逐段分解和逐步递增的方法，测定出胰岛素两条肽链分别含21个和30个氨基酸的排列顺序和位置，于1955年测定了胰岛素的一级结构，因此获1958年诺贝尔化学奖。60年代后，桑格的工作转向核酸方面，致力于对核糖核酸和脱氧核糖核酸结构的分析研究。他利用酶的生物活性，用生物学的处理方法，正确地确定了核糖核酸中每种碱基的排列顺序和脱氧核糖核酸中核苷酸的排列顺序。他还发展了脱氧核糖核酸的精确快速分析法。他用此法于1977年成功地测定了细菌病毒-174脱氧核糖核酸分子的全部共5386个核苷酸的排列顺序。桑格因设计出一种测定 DNA内核苷酸排列顺序的方法而与W.吉尔伯特、P.伯格共获1980年诺贝尔化学奖。,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,蛋白质一级结构的存在有三种形式: 1.无分支的开链多肽; 2.有分支的开链多肽; 3.环状多肽,蛋白质一级结构的测定,1.测定蛋白质一级结构的要求： a、样品必须是均一的，纯度应在97%以上； b、知道蛋白质的分子质量，其误差允许在10%左右；,2. 测定一级结构的基本原理和方法 基本策略： 氨基酸顺序直测法片段重叠法 基本步骤： (1)测定末端氨基酸数目，确定蛋白质分子是由几条肽链构成的； (2)拆分蛋白质分子的多肽链，断开多肽链内二硫键并分离出每条肽链。 (3)将肽链完全水解，测定每条多肽链的氨基酸组成 (4)鉴定多肽链N末端、C末端氨基酸残基 (5)至少用两种方法将多肽链水解成较小的片段； (6)分离并测定各肽段的氨基酸序列； (7)片段重叠法重建完整多肽链一级结构； (8)确定半胱氨酸残基间形成二硫键交联桥的位置。,蛋白质顺序测定基本方法路线,1、测定蛋白质分子中多肽链的数目。 通过测定末端氨基酸残基的摩尔数与 之间的关系，即可确定多肽链的数目。 2、拆分蛋白质的多肽链，断开多肽链内二硫键,二硫键的断裂,几条多肽链通过二硫键交联在一起。可在8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的-巯基乙醇(还原法)处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂（ICH2COOH）保护生成的巯基，以防止它重新被氧化。,3、分析每一条多肽链的氨基酸组成,经分离、纯化的多肽链一部分样品进行完全水解，测定它的氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比或各种残基的数目。 4、鉴定多肽链N末端、C末端氨基酸残基,Sanger法（二硝基氟苯反应） DNS法（丹磺酰氯反应） Edman法（异硫氰酸苯脂反应） 氨肽酶法 肼解法 羧肽酶法 LiBH4还原法,N端,C端,(1) Sanger法 DNFB （二硝基氟苯）反应,黄色:根据它在薄层层析或纸电泳中的迁移特性进行鉴定,在弱碱中发生亲核芳环取代反应,（l中）,多肽,(2) （DNS法）丹磺酰氯(二甲氨基萘磺酰氯)反应,多肽,多肽,DNS-氨基酸,具有荧光,(3)Edman法（异硫氰酸苯脂反应）,用层析法分离,(4) 氨肽酶法 从多肽链的N末端依次向内切 NH2 -aa-aa-aa-aa. 据一定时间内释放出的AA的数量和种类来推测.,C-未端的测定方法 1.肼解法 是目前最好的方法 用色谱法鉴定 多肽与肼在无水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与C-端氨基酸分离。 注:末端若为半胱氨酸、天冬酰胺、精氨酸在肼解过程中易被破坏。,（n-1）个氨基酸酰肼,C-末端氨基酸,氨基酸酰肼可与苯甲醛反应生成沉淀，与C-末端氨基酸分离,3.LiBH4还原法 多肽+ LiBH4 水解 -氨基醇+ n氨基酸,含C端氨基酸,用层析法鉴定,2. 羧肽酶的方法 是目前最有效也是最常用的方法。 羧肽酶是一类肽链外切酶，它专一地从肽链的C端依次切下一个氨基酸残基，释放出游离的氨基酸。据一定时间内切下的数量来测氨基酸的数量。,酶解法：如胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 化学法：如溴化氰法 羟胺法,5、裂解多肽链成较小的片段,胰蛋白酶,R1=Lys和Arg侧链(即Lys和Arg的羧基参与形成的肽键)（专一性较强，水解速度快）。 R2=Pro时抑制水解,糜蛋白酶,或称胰凝乳蛋白酶： R1=Phe,Trp,Tyr时水解快; R1= Leu，Met和His水解稍慢。 R2=Pro时抑制水解,胃蛋白酶,R1和R2Phe, Trp, Tyr; Leu以及其它疏水性氨基酸水解速度较快。 R1=Pro 水解受抑 最适PH=2,嗜热菌蛋白酶,R2=Phe, Trp, Tyr; Leu，Ile, Met以及其它疏水性强的氨基酸水解速度较快。 R2=Pro或Gly 水解受抑。 R1或R3=Pro 水解受抑。,化学法：可获得较大的肽段 溴化氰水解法：它能选择性地切割由甲硫氨酸（Met）的羧基所形成的肽键。 羟胺（NH2OH）：专一性断裂-Asn-Gly-之间的肽键。也能部分裂解-Asn-Leu-之间的肽键以及-Asn-Ala-之间的肽键。,6、测定各肽段的氨基酸序列,基本方法： Sanger法 Edman降解法 DNS-Edman测序法 蛋白质顺序仪测序,Edman化学降解法,PH=9,第一步 偶联反应：,PTC-肽（苯氨基硫甲酰肽）,第二步 环化断裂反应：,CF3COOH（强酸性）,无水,+,ATZ（噻唑啉酮苯胺）,减少一个残基的肽,第三步 环化反应：,ATZ,H2O,1mol/L HCl,PTC-氨基酸,PTH-氨基酸（苯乙内酰硫脲氨基酸）,注：1. PTH-氨基酸可用各种层析技术分离. 2. 反应的多肽的羧基与不溶性树脂偶联，这样多肽挂在树脂上，便于前一轮反应后剩下多肽的回收