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2019年最新-第一章蛋白质化学1-PPT精品文档-精选文档_图文


Protein
第1章 蛋白质的化学

蛋白质存在于所有生物细胞中,是构成
生物体最基本的结构物质和功能物质。
蛋白质是生命活动最基本的物质基础, 参与了几乎所有的生命活动过程。如,生
物专有的催化剂——酶
一个细胞中约含有104种蛋白质,分子的数量 达1011个。

原生质中各种物质的平均值

物质

质量 平均相对 分数 分子质量

水 85

18

蛋白质 10 3.6×104

DNA 0.4

106

RNA 0.7 4.0×105

脂类 2

700

糖类等 0.4 250

无机盐 1.5

55

种类 自由水和结合水 清、球、组、核蛋白质等
脂肪、磷脂等 单糖、双糖、多糖 Na+,K+,Ca+,Mg+,Cl-,SO42-等

一、蛋白质通论
(一)、蛋白质的化学组成和分类
1、元素组成

2、蛋白质的含氮量
?蛋白氮占生物组织所有含氮物质的绝大部分。 ?大多数蛋白质含氮量接近于16%
蛋白质含量 = 每克样品中含氮的克数?6.25
?凯氏定氮法

奶粉-三聚氰胺事件
? 三聚氰胺其分子中含有大量氮元素。用普通的全氮测
定法测饲料和食品中的蛋白质数值时,根本不会区分 这种伪蛋白氮。添加在食品中,可以提高检测时食品 中蛋白质检测数值。目前三聚氰胺被认为毒性轻微, 大鼠口服的半数致死量大于3克/公斤体重。据1945年 的一个实验报道:将大剂量的三聚氰胺饲喂给大鼠、 兔和狗后没有观察到明显的中毒现象。动物长期摄入 三聚氰胺会造成生殖、泌尿系统的损害,膀胱、肾部 结石,并可进一步诱发膀胱癌。
? 由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷,三
聚氰胺也常被不法商人用作食品添加剂,以提升食品 检测中的蛋白质含量指标,因此三聚氰胺也被人称为 “蛋白精”。

? 蛋白质主要由氨基酸组成,其含氮量一般不超过
30%,而三聚氰胺的分子式含氮量为66%左右。通用 的蛋白质测试方法“凯氏定氮法”是通过测出含氮量 来估算蛋白质含量,因此,添加三聚氰胺会使得食品 的蛋白质测试含量偏高,从而使劣质食品通过食品检 验机构的测试。有人估算在植物蛋白粉和饲料中使测 试蛋白质含量增加一个百分点,用三聚氰胺的花费只 有真实蛋白原料的1/5。三聚氰胺作为一种白色结晶 粉末,没有什么气味和味道,掺杂后不易被发现。
? ? “有厂商承认饲料里添加微毒三聚氰胺在中国习以为
常,在动物饲料中添加三聚氰胺,将提高饲料的氮含 量,让人误以为该饲料的蛋白质比较丰富,其营养价 值实际上却没有增加。猪、鸡、鱼饲料与宠物食品的 制造商因此趋之若鹜。”

氨基酸
(Amino Acid, AA, Aa, aa)

一、氨基酸 ——蛋白质的构件分子
Protein Architecture

(一) 蛋白质水解

蛋白质——月示——胨——多肽——肽——AA

1*104

5*103 2*103 1000 200 100

-500

?蛋白质和多肽的肽键可被催化水解

?酸/碱能将蛋白完全水解

得到各种AA的混合物
?酶水解一般是部分水解

得到多肽片段和AA的混合物

氨基酸是蛋白质的基本结构单元

(二) 氨基酸的结构
地球上天然形成的AA200种以上。 构成蛋白质的AA只有20余种,且基 本是α-氨基酸。

什么是氨基酸?
氨基酸是指含有氨基的羧酸。蛋白质是由20种氨基酸组成的, 除脯氨酸外,均为α-氨基酸。即羧酸分子中α-碳原子上的一个 氢原子被氨基取代而成的化合物。

什么是α-氨基酸?
? ----C-C-C-C-COOH
γβα
? ----C-C-C-C(NH2)-COOH α-氨基酸 ? ----C-C-C(NH2)-C-COOH β-氨基酸
? ----C-C(NH2)-C-C-COOH γ-氨基酸

(三)氨基酸的分类

天然氨基酸的分类
? 蛋白质氨基酸
– 常见氨基酸(基本氨基酸):参与蛋白质组成的只 有二十种左右。
– 不常见的氨基酸:它们都是在已合成的肽链上由常 见的氨基酸经专一酶催化修饰转化而来的。
? 非蛋白质氨基酸

?1、常见氨基酸的分类 ?(1)按R基的化学结构分类: ?脂肪族氨基酸 ?芳香族氨基酸:苯丙氨酸、酪氨酸、(色氨酸)。 ?杂环氨基酸:组氨酸(碱性)、色氨酸。
?杂环亚氨基酸:脯氨酸。
?(2)按R基的极性分类:

按R基的化学结构分类:
1、脂肪族aa (1)中性aa

(2)含羟基或硫aa

胱氨酸

(3)酸性aa及其酰胺

(4)碱性aa

2、芳香族aa

3、杂环aa

按R基的极性性质分类:
1、非极性R基aa

2、不带电荷的极性R基aa

3、带正电荷的R基aa---碱性aa

4、带负电荷的R基aa—酸性aa

2 不常见的蛋白质氨基酸
由常见aa经修饰而来。

3 非蛋白质氨基酸
?150多种 ?多是蛋白质中L型α-AA衍生物 ?有一些是β-,γ-,δ-AA ?有些是D-型AA

鸟氨酸 瓜氨酸

二 氨基酸的溶解度、旋光性、光吸收
?1、溶解度 ?2、氨基酸的旋光性 ?甘氨酸除外,无手性碳原子。 ?

说明:
①苏氨酸,异亮氨酸,羟脯氨酸,羟赖氨酸 ,有二个不对称碳原子。
苏氨酸的四个异构体如下:

? ② 胱氨酸光学异构体的特殊性。

? 外消旋体:一对对映体右旋体和左旋体的等量混
合物。旋光方向相反、旋光能力相同的分子等量 混合而成,其旋光性因这些分子间的作用而相互 抵消,因而是不旋光的。
? 内消旋体:分子内,含有构造相同的手性碳原子,
但存在对称面的分子。分子内虽然含有两个不对 称碳原子C*,但由于它们具有对称因素,一半分 子的右旋作用被另一半分子的左旋作用在内部所 抵消,因此是一个不旋光性化合物 。

③ 氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基的 性质,溶液的pH有关,测定的溶剂有关。

? 3、氨基酸的吸光性 ? 在近紫外光区域(220—
300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸 和色氨酸有吸收光的能力。
? 酪氨酸的最大光吸收波长
(λmax)在275nm,ε275=1400;
? 苯丙氨酸的λmax在275nm,
ε275=200;
? 色氨酸的λmax在280nm, ε280
=5600。
? 利用分光光度法很方便 地测定蛋白质的含量。
?

三、氨基酸的酸碱性质
(一)兼性离子

(二)氨基酸的解离

R
+
H3N—CH—COOH
(pH<pI)

R
+
H3N—CH—COO(pH=pI)

R
H2N—CH—COO(pH>pI)

(三)氨基酸的等电点
? 当溶液为某一pH值时,AA的氨基和羧基的
解离度完全相等,正负离子浓度相等。AA 主要以兼性离子的形式存在,分子中所含 的正负电荷数目相等,净电荷为0。这一pH
值即为AA的等电点(pI)。
? 在pI时,AA在电场中既不向正极也不向负
极移动,即处于两性离子状态。
? 在pI时,AA的溶解度最小.

?侧链不含离解基团的中性AA ?pI = (pK’1 + pK’2 )/2

甘 氨 酸 滴 定 曲 线

? 对于侧链含有可解离基团的AA
? pI取决于两性离子两边pK’值的算术平均

? 酸性AA:pI = (pK’1 + pK’R-COO- )/2 ? 碱性AA:pI = (pK’2 + pK’R-NH2 )/2

四、氨基酸的化学反应
(一)α -氨基参加的反应 (二) α -羧基参加的反应

(一)α -氨基参加的反应
1.与亚硝酸反应 2.与酰化试剂反应 3.烃基化反应 4.形成Schiff’s碱反应 5.脱氨基反应

NH2 R CH COOH + HNO2

OH R CH COOH+H2O+N2

?Van Slyke 法测氨基氮(体积)的基础。 ?N2中的1/2为氨基氮。

氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。

R

O2N

F + H2N—CH—COOH

NO2

DNFP

弱碱性

R

O2N

HN—CH—COOH + HF

NO2 DNP-氨基酸 (黄色)

Sanger 法测定N末端氨基酸基础

在生物体内经AA氧化酶催化 即脱去α-氨基而转变为酮酸。

(二) α-羧基参加的反应
1.成盐或成酯反应 2.成酰氯反应 3.脱羧基反应 4.叠氮反应

(1)与NaOH等形成盐

(2)成酯

NH2 R CH COOH + C2H5OH

干燥,HCl 回流

R CH COOC2H5 + H2O NH3·Cl

保护羧基

HN-保护基 R— CH-COOH + PCl5
HN-保护基 R — CH-COOCl + POCl3 + HCl
保护氨基 活化羧基

NH2 R—CH-COOH

脱羧酶

R-CH2-NH2 +CO2

(三)α-羧基和α-氨基都参加的反应
1、 与茚三酮反应 2、 成肽反应

弱酸 加热

六、氨基酸混合物的分析分离

{ { 层析系统

固定相

固体 附着在固相上的液体

流动相

薄层层析

分配柱层析装置
填充物为亲水性的不溶物质如纤维素、 淀粉、硅胶等,收集的组分用茚三酮 显色定量。

(二 )离子交换层析

(六)高效液相层析
固定相支持剂颗粒细,表面积大; 采取高压,洗脱速度快,高灵敏度的检
测器。

氨基酸的制备
? 目前氨基酸的生产方法分三类: ? (1)直接发酵法; ? (2)化学合成法; ? (3)蛋白质水解提取法(酸、碱、酶)。

八、氨基酸的应用
1、医药工业
? (1)氨基酸输液 ? (2)必需氨基酸:苏氨酸、缬氨酸、亮氨
酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨 酸、蛋氨酸
? (3)半必需氨基酸:精氨酸、组氨酸是幼
儿所必需的。

治疗药剂
? (1)精氨酸:对治疗高氨血症、肝机能
障碍等疾病颇有效果;
? (2)天冬氨酸:钾镁盐可用于恢复疲劳;
治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。
? (3)半胱氨酸:能促进毛发的生长,可
用于治疗秃发症;甲酯盐酸盐可用于治疗 支气管炎等;
? (4)组氨酸:可扩张血管,降低血压,
用于心绞痛,心功能不全等疾病的治疗。

2、化学工业
? (1)维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。 ? (2)叶酸:需要用谷氨酸为原料合成。 ? (3)氨基酸表面活性剂:酰基谷氨酸钠、十六烷基
-L-赖氨酰-L-赖氨酸甲酯二盐酸、月桂酰-L-精氨酸 乙酯盐酸等具有较强的抗菌杀菌活性,且无刺激性。
? (4)聚合氨基酸:聚谷氨酸甲酯可用于作为合成皮
革的表面处理剂;聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基 酯与磷酸高级烷基酯结合得到化合物可作为可塑剂, 稳定剂等。

3、食品工业
? 营养强化剂; ? 谷氨酸钠-味精; ? 天冬氨酸钠:可用于清凉饮料,能增加清
凉感并使香味浓厚爽口;
? 天冬氨酰苯丙氨酸甲酯:-甜味素APM

4,农业
? (1)杀虫剂:刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方
毛虫拒食而死;半胱氨酸可杀死黄瓜蝇;甘氨酸 乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀 螨效果;
? (2)杀菌剂:N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟
病;?-1,4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻 瘟病等;
? (3)除草剂:如N-3,4二氮丙氨酸,硫代氨基酸
酯等;

5、化妆品工业
? 氨基酸能调节皮肤pH的变动,对细菌的防护
作用,也可作为皮肤、毛发的营养成分,增加皮 肤、毛发的光泽。
? 防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是
甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨 酸等游离氨基酸。
? 在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一
些维生素,可防止皮肤老化。

四、肽(peptide)
AA-NH2与另一AA-COOH间失水形成的 酰胺键 称肽键,所形成的化合物称肽。

?由两个AA组成的肽称为二肽。 ?由多个AA组成的肽则称为多肽(肽链)。 ?组成多肽的AA单元由于参加肽键的形成已经不是原
来完整的分子,因此称为氨基酸残基。

?游离的末端氨基 ?游离的末端羧基
两个游离的末端基团有时连接而成环状肽键。

肽的物理化学性质
?肽末端α-羧基pKa值比游离AA中的大。 肽末端α-氨基pKa值比游离AA中的小。 ? 等电点(两性)。 ? 酸碱性质取决于: —α-羧基、α-氨基、侧链基团的解离 ? 具有双缩脲反应——肽、Pr特有的反应。
碱性CuSO4

(三)、 天然存在的重要多肽

?谷胱甘肽
? 是存在于动植物和微生物细胞中的一个重要
的三肽,简称GSH,是由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨 酸组成的。

重要激素举例
(一)氨基酸衍生物激素
1、甲状腺激素

(1)结构

甲状腺素(3,5,3?,5?-四碘甲腺原氨酸,简称T4)。

I

I

3'
HO 5' I

3
O 5 I

CH 2 CHCOOH NH 2

三碘甲腺原氨酸(3,5,3?-三碘甲腺原氨酸,简称T3)

I

I

3'
HO 5'

3
O 5 I

CH 2 CHCOOH NH 2

(2)生物合成
Tyr +活性碘 一碘Tyr +活性碘 3,5-二碘Tyr 二分子二碘Tyr作用形成甲状腺素(T4) T3 T4脱碘产生T3
一碘Tyr和二碘Tyr连接而成

(3)生理功能
① 促进体内各物质的代谢,增加代谢率;另外增加耗 氧量和产热量。
② 维持机体的正常生长发育。
1. 甲亢 2. 大脖子病

2.肾上腺素
肾上腺素可使血管收缩;并能刺激心脏,使心肌 收缩力增加,心跳加快,所以使血压升高。(对 心脏 作用大) (临床上被用来作为升压药物,起 抗休克作用)
? 狗急跳墙:血流速度快,血氧、血糖高

生物合成

羟化
Tyr
Tyr羟化酶

CO2 羟化 正肾上腺素(去甲肾上腺素)

+ CH3(由Met供给) 肾上腺素

激素

作用 生理上

代谢上

肾上腺素 正肾上腺素

对心脏作用大 强心剂(使心跳加速)
对血管作用大 加压剂(使血管收缩)

对糖代谢作用大、 升高血糖
对糖代谢作用弱, 约1/20

重要多肽类激素
这类激素包括由垂体(腺垂体、神经垂 体),下丘脑、胰腺、甲状腺、甲状旁腺、胃 肠和胸腺等分泌的激素。

1.腺垂体激素:
1.生长激素(GH) 2.促甲状腺素(TSH) 3.促黄体生成素(LH) 4.促卵泡素(FSH) ? 5.催乳素(LTH) 6.促肾上腺皮质素(ACTH) 7.促黑素(MSH) 8.内啡肽

① 生长激素 (GH)
化学本质:蛋白质
功能:
(1):促进蛋白质和RNA的生成 (2):调节糖和脂肪代谢 (3):刺激软骨的生长(最主要)
过多:幼体—巨人症 成人—肢端肥大
缺乏:侏儒

催乳激素(LTH):
? 一条肽链的蛋白质,人的LTH约由200个氨 基酸组成。
? 催乳激素中有一段氨基酸序列与生长激素相 似
功能:刺激乳腺分泌乳汁, 刺激黄体分泌孕酮。

② 促甲状腺素(TSH) 促卵泡激素(FSH) 促黄体生成素(LH)

促激素 促激素、促性腺激素

化学本质:都是糖蛋白

功能:
促甲状腺激素:靶腺是甲状腺,促使甲状 腺发育以及分泌甲状腺激素,从而影响全 身代谢。

③ 促肾上腺皮质激素(ACTH)
ACTH是39个氨基酸组成的多肽,有种属差异。
生理功能:
促使肾上腺皮质发育和促使肾上腺皮质分 泌激素。

促黑素
促进皮色素形成和控制皮色素颗粒在细胞质内的 分布
内啡肽
吗啡功能:镇痛

2结、构:神经垂体激素
催产素(oxytocin)和升压素(也称加压素 vasopressin)是含S-S键的9肽。
这两种激素肽 链骨架相似, 都为含二硫键 的二十元环, 差别在第3位和 第8位氨基酸不 相同。

功能:
催产素:使子宫平滑肌收缩,用于催产, 还可使乳腺平滑肌收缩,排出乳汁。
升压素:使毛细血管收缩,增加血压;并 有减少排尿的作用,即抗利尿作用,所以 升压素也称抗利尿激素。

胰岛素(insulin)

功能:

① 促进糖原的生物合成以及葡萄糖的氧 化,降低血糖。

糖原

葡萄糖 Insulin

CO2 + H2O

② 促进蛋白质及脂类的合成代谢。

(2)胰高血糖素(glucagon)
结构:29肽 功能:在许多方面与胰岛素相反。 ① 主要促使肝糖原分解,使血糖↑ ② 促使脂肪分解。

甲状旁腺激素和降钙素
甲状旁腺激素(PTH) 结构:蛋白质激素,有种属差异。 功能:靶器官是骨和肾脏
血钙↑,血磷↓。

降钙素(CT)
结构:由32个氨基酸组成的多肽 功能:靶也是骨和肾脏
血钙↓ 血磷↓

? 甲状旁腺激素:血钙↑,血磷↓。 ? 降血钙素:血钙↓,血磷↓。 ? 1,25-二羟胆钙化醇:血钙↑,血磷↑。

其他激素
? 7.胃肠激素 ? 8.绒毛膜促性腺激素:验孕 ? 9.松弛素:分娩 ? 10.胸腺素:T cell ? 11.白介素:T cell ? 12.调钙素 ? 13.生长因子:表皮、神经

五、蛋白质的结构
? 一级结构:多肽链共价主链的氨基酸顺序。
? 二级结构:多肽链借助氢键排列成沿一维方
向具有周期性结构的构象,如纤维蛋白质中 的α -螺旋和β -折叠片。
? 三级结构:多肽链借助各种次级键(非共价
键)盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状构 象。
? 四级结构:寡聚蛋白质中各亚基之间在空间
上的相互关系或结合方式。寡聚蛋白质中各 个亚基又有自己特定的三维构象。

蛋白质的一级结构
? ☆蛋白质的一级结构
(Primary structure) 包括组成蛋白质的多肽 链数目.
? ☆多肽链的氨基酸顺序, ? ☆以及多肽链内或链间
二硫键的数目和位置。
? ☆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。

一、蛋白质一级结构的测定
? 蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学
研究的基础。自从1953年F.Sanger测定 了胰岛素的一级结构以来,现在已经有 上千种不同蛋白质的一级结构被测定。

前提
? 1.样品必需纯(>97%以上) ? 2.知道蛋白质的分子量 ? 3.知道蛋白质由几个亚基组成 ? 4.测定蛋白质的AA组成并根据分子量计算每
种AA的个数
? 5.测定水解液中的氨量计算酰胺的含量

? (一)、蛋白质测序的策略
? 1 .确定蛋白质的纯度在97%以上(艰难的工作)。 ? 2 .测定多肽链的数目(N-、C-)。 ? 3 .拆分多肽链(包括-S-S-键)。 ? 4 .分析每一条多肽链的氨基酸组成(种类、数量)。 ? 5.鉴定多肽链的N—末端和C—末端氨基酸残基。 ? 6.用两种以上方法裂解多肽链成较小的肽段。 ? 7.测定各肽段的氨基酸序列。 ? 8 .拼接各肽段成完整的多肽链。 ? 9.确定二硫键的位置。

牛胰岛素一级结构
牛胰岛素的分子量为5700道尔顿,分子中含有两条多肽链, 一条称A链(含21个残基)另一条称B链(含30个残基), 三对二硫键,两对链间,一对链内。



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