第4章　蛋白质的化学 主讲教师：刘琳

4.1　蛋白质是生命的物质基础 　　蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。

4.1.1 蛋白质是构成生物体的基本成分 人体 占人体总固体量45% 细菌 含50%～80% 干酵母 含45% 4.1.1　蛋白质是构成生物体的基本成分 人体　　　　占人体总固体量45% 细菌　　　　含50%～80% 干酵母　　　含45% 病毒　　　　除少量核酸外，其余皆为蛋白质 植物　　　　植物细胞原生质和种子中含量较多

4.1.2 蛋白质具有多样性的生物学功能 生物催化作用（酶） 代谢调节作用（激素） 免疫保护作用 （抗体） 4.1.2　蛋白质具有多样性的生物学功能 生物催化作用（酶） 代谢调节作用（激素） 免疫保护作用 （抗体） 转运和贮存作用（血红蛋白、血浆蛋白） 运动与支持作用（肌动蛋白、胶原蛋白） 控制生长和分化作用（核蛋白） 接受和传递信息作用（受体蛋白） 生物膜的功能

4.2 蛋白质的化学组成 4.2.1 蛋白质的元素组成 主要有C、H、O、N和S。 4.2　蛋白质的化学组成 　4.2.1 蛋白质的元素组成 主要有C、H、O、N和S。 体内的含氮物质以蛋白质为主，因此测定生物样品中的含氮量就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 蛋白质的含量 =蛋白质含氮量×100/16=蛋白质含氮量×6.25

4.2.2 蛋白质结构的基本单位──氨基酸（amino acid） 天然存在的氨基酸约180种，但组成蛋白质的氨基酸共有20种，称为基本氨基酸。

1．氨基酸的结构 R L-氨基酸的通式

2．氨基酸的分类（侧链R基团的结构和性质） 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类见书中表4-3

4.3　蛋白质的分子结构 一级结构（决定空间结构） 空间结构 二级结构 三级结构 四级结构

4.3.1　蛋白质的一级结构 定义: 　　蛋白质中不同氨基酸的种类、数量和排列顺序，通过肽键而构成的高分子有机化合物。

1．肽键和肽链 肽键（peptide bond） 　　肽键是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的化学键。

-HOH O NH2-CH-C R1 OH NH-CH-C R2 H NH2-CH-C-N-CH-C 肽键 +

肽（peptide） 　　肽是氨基酸通过肽键相连的化合物。 　　两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……十个氨基酸以下组成的肽称为寡肽（oligopeptide）。十个氨基酸以上组成的肽称为多肽（polypeptide ）。

　　肽链中的氨基酸分子因参与肽链的形成，已非原来完整的分子，被称为氨基酸残基（residue）。 　　多肽链中的骨干是由氨基酸的羧基与氨基形成的肽链部分规则的重复排列而成，称为共价主链。 　　多肽链中R基部分，称为侧链。

H2N C N COOH Rn H O R3 R1 R2 R4 ------ N-末端 C-末端 氨基酸残基

N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 多肽链有两端： 书写方式： N端写在左边，C端写在右边。 命名 从N端到C端

OH CH3 O CH2 O H2N C C N N CH2COOH CH C H H 丙氨酸 丝氨酸 甘氨酸 丙丝甘肽

主要的化学键： 肽键 有些蛋白质还包括二硫键

+ -OOC-CH-CH2-S H -OOC-CH-CH2-S 二硫键 H S-CH2-CH-COO- +NH3 S-CH2-CH-COO- -HH

4.3.2 蛋白质的构象 定义: 蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布和肽链的走向。 二级结构 三级结构 蛋白质的构象 四级结构 4.3.2　蛋白质的构象 定义: 　　蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布和肽链的走向。 二级结构 三级结构 四级结构 蛋白质的构象 以一级结构为基础，表现蛋白质的生物学功能或活性。

1．维持蛋白质构象的化学键 氢键 疏水键 盐键 配位键 二硫键 范德华力

2．蛋白质的二级结构（secondary structure） 　　多肽链的主链骨架中若干肽单位，各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键形成有规则的构象。 定义: 主要的化学键： 氢键

肽单位 （peptide unit）：肽键与相邻的两个α碳原子所组成的基团，又称肽平面。

肽单位的特点： 肽键具有部分双键性质，不能自由旋转； 肽单位是刚性平面结构,肽单位的6个原子都位于同一平面上； 肽单位中与C-N相连的氢和氧原子与两个α碳原子呈反向分布。

蛋白质二级结构的主要形式： α-螺旋 β-折叠 β-转角 无规线团

α-螺旋

β-折叠 氢键

β-转角

无规线团

3．超二级结构 　　多肽内顺序上相邻的二级结构在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成有规则的二级结构聚集体。

4．结构域（domain） 　　多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，进一步折叠形成一个或多个相对独立的致密的三维实体。

5．蛋白质的三级结构（tertiary structure） 定义: 一条多肽链中所有原子或基团在三维空间的整体排布。 主要化学键： 疏水键、氢键、盐键

6．蛋白质的四级结构（quarternary structure） 定义: 　　由两个或两个以上的亚基之间相互作用，彼此以共价键相连而形成更复杂的构象，称为蛋白质的四级结构。 主要化学键：疏水键、氢键、盐键、范德华力等

　　有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，这每条多肽链称为蛋白质的一个亚基。

蛋白质的一、二、三、四级结构

4.4　蛋白质的结构与功能 蛋白质分子的一级结构是形成空间结构的物质基础。 蛋白质分子的空间构象是蛋白质生物功能的体现。

4.4.1 蛋白质一级结构与功能的关系 1．一级结构不同，生物学功能各异 加压素 4.4.1　蛋白质一级结构与功能的关系 1．一级结构不同，生物学功能各异 加压素 H2N-半胱–酪-苯丙-谷胺–天胺–半胱-脯-精-甘-CO-NH2 催产素 H2N-半胱–酪- 亮-谷胺–天胺–半胱-脯-异亮-甘-CO-NH2

-------------------------------- 2．一级结构中关健部分相同，其功能相同 -------------------------------- ACTH活性必需部分 -丝-酪-丝-------24-----丝--谷----苯丙-COO- H3N+ 1 2 3 24 31 33 39 -丝-酪-丝-------24-----亮--谷----苯丙-COO- -丝-酪-丝-------24-----丝--谷胺---苯丙-COO- ---------------------------- 人 猪 牛

3．一级结构关键部分的变化，其生物活性也改变 多肽或蛋白质 氨基酸位置 相对活性 1 10 甘2 蛋5 D-丙 蛋-CO-NH2 脑啡肽（5肽） 衍生物

4．一级结构的变化与疾病的关系 例：镰刀形红细胞贫血 HbA β肽链 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C（146） HbS β肽链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C（146）

4.4.2　蛋白质的空间构象与功能的关系 蛋白质变性 蛋白质前体活化 蛋白质变构

1．蛋白质前体活化 胰岛素原转变成胰岛素示意图

2．蛋白质的变构现象 变构效应（allosteric effect） 　　一些蛋白质由于受某些因素的影响，其一级结构不变而空间构象发生一定的变化，导致其生物学功能的改变，称为蛋白质的变构效应。

4.4.3　蛋白质的结构与生物进化

4.5 蛋白质的性质 4.5.1 蛋白质的变性（denaturation） 　　在某些理化学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，导致其理化性质改变和生物学活性的丧失，称为蛋白质的变性。

1．变性的本质 —— 破坏非共价键和二硫键， 不改变蛋白质的一级结构 2．变性作用的特征 生物活性的丧失 某些理化性质的改变

3．变性的因素和程度 物理因素：高温、紫外线等 化学因素：强酸、强碱等 　　若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。 4．变性的意义（应用） 如变性因素常被用来消毒及灭菌。在分离、制备有生物活性的酶和生物制药时，必需尽量避免蛋白质的变性。

天然状态，有催化活性 去除尿素、 β-巯基乙醇 尿素、 β-巯基乙醇 非折叠状态，无活性

4.5.2 蛋白质的两性电离 蛋白质是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点（isoelectric point，pI） 4.5.2　蛋白质的两性电离 　　蛋白质是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点（isoelectric point，pI） 　　　在某一pH的溶液中，蛋白质所带正负电荷相等，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。

CH NH2 COOH R pH=pI pH>pI NH3+ COO- pH<pI +OH- +H+ 阴离子 阳离子 氨基酸的兼性离子

4.6　蛋白质的分类 单纯蛋白质 * 根据蛋白质组成成分 蛋白质部分 结合蛋白质 非蛋白质部分 纤维状蛋白质 球状蛋白质 * 根据蛋白质形状