第一节第三讲 蛋白质
第一节 蛋白质概述
第二节 氨基酸－－蛋白质的构建分子
第三节 肽
第四节 蛋白质的结构与功能的关系
第五节 蛋白质的理化性质
第六节 蛋白质的分离、纯化
授课时序：
第一节 蛋白质概述
一、蛋白质的生物学功能
二、蛋白质的分类
三、蛋白质的水解
四、蛋白质的组成成分
根据蛋白质在机体的功能，分为7类：
1结构蛋白
2收缩蛋白
3储藏蛋白——卵清蛋白（发育的胚胎）
4防御蛋白
5转运蛋白
6信号蛋白
7酶
一、蛋白质的生物学功能
二、蛋白质的分类
（1）依据蛋白质的外形分类：
球状蛋白质：globular protein外形接近球形或椭圆 形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。

纤维状蛋白质：fibrous protein分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。
（2）依据蛋白质的组成分类
简单蛋白(simple protein)

结合蛋白(conjugated protein) 。
简单蛋白
1.清蛋白和球蛋白：albumin and globulin广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。

2.谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin)：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于70－80％乙醇中。

3.精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。

4.硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。
又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由-氨基酸组成的肽链，
不含其它成分。
结合蛋白质
由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成，
色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。

糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。

脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-，-脂蛋白等。

核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。
三、蛋白质的水解
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。
1.酸水解
常用6 mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸在105-110℃条件下进行水解，反应时间约20小时。

优点是不容易引起水解产物的消旋化。

缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；
一般用5 mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。

优点是色氨酸在水解中不受破坏。

缺点由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。部分的水解产物发生消旋化。
2.碱水解
目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶或称蛋白酶已有十多种。主要用于一级结构分析以获得蛋白质的部分水解产物。

应用酶水解多肽不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。
3.酶水解
蛋白质和多肽的肽键可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.
多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。它在生物体内可以单独存在，但是更多的则是作为蛋白质的组成部分。蛋白质是由一个或多个多肽链通过共价键（主要是二硫键）或非共价力结合而成。应用化学或物理方法，可以将蛋白质拆分成多肽组分。
四、蛋白质的组成成分
蛋白质是由许多不同的α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子。
蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：
（一） 蛋白质的元素组成
碳 50％
氢 7％
氧 23％
氮 16%
硫 0—3％
其他 微 量
N的含量平均为16%——凯氏（Kjadehl） 定氮法的理论基础。
氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近于16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：

蛋白质含量（克%）=
每克生物样品中含氮的克数  6.25
（二）蛋白质的氨基酸组成
氨基酸—— 是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基酸（20 standard amino acids)组成。形成复杂的氨基酸长链，中间靠肽键连接，形成多肽或蛋白质。

第二节
氨基酸－－蛋白质的构件分子
一、蛋白质的基本组成单位－氨基酸

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α-型氨基酸，其通式为：
氨基酸分子中既含有－NH2，又含有－COOH，所以氨基酸与强酸强碱都能成盐。
二 氨基酸的分类
根据R的化学结构
（1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr
（2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr
（3）杂环氨基酸：Trp、His
（4）杂环亚氨基酸：Pro
2.根据R的极性
（1）极性氨基酸：
1）不带电Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电His、Lys、Arg；
3）带负电：Asp、Glu
（2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp
三 氨基酸的重要理化性质
（一）一般物理性质
溶解度：水中溶解度差别较大，易溶于酸、碱， 不溶于有机溶剂。
光吸收性：可见光区无光吸收，紫外光区Phe、Trp有光吸收。
旋光性：AA的物理常数，与结构、PH值有关。
味感：不同味道(与构型有关).
（二） 两性解离和等电点

氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的—NH3+正离子和能接受质子的—COO-负离子，为两性电解质。
调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的—NH3 +基和—COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。
等电点的含义
1.定义：当氨基酸在其某一PH值时，氨基酸所带正电荷和负电荷相等，即净电荷为零，此时的PH值成为氨基酸的等电点，用PI表示。
2.氨基酸等电点的特点：
净电荷数等于零，在电场中不移动；
此时氨基酸的溶解度最小，容易沉淀。
（三） 化学性质
（1）与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几μg）。
第三节 肽
一、肽
一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物。
氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）。
.
现在公认蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是肽键。肽链是由通过肽键连接起来的一串氨基酸组成的。氨基酸一旦结合形成肽链，就称为残基。在肽链的一端的残基含有一个自由的α-氨基，称为N端，而另一端的残基含有一个自由的α-羧基，为C端。
当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽，在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧基，每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽键相互连接形成长的、不带支链的寡肽和多肽多肽仍然有游离的α-氨基和α-羧基。
少于10AA成为寡肽，多于10AA成为多肽或聚肽。
分子量大于10000d称为蛋白质，小于10000d称为多肽。
在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。
但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。
如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。
（一）谷光甘肽（GSH）
2GSH
GSSG
（二）催产素和升压素
均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。
（三）促肾上腺皮质激素（ACTH）
39肽，活性部位为第4~10位的7肽片段：
Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。
（四）脑肽
脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾。
Met-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Met
Leu-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu
β-内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。
（五）胰高血糖素
由胰岛α-细胞分泌（β-细胞分泌胰岛素），29肽。胰高血糖素调节 维持血糖浓度。
第四节
蛋白质的结构与功能的关系
蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）（conformation）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种结构层次：一级结构primary），二级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。
共价键
次级键
化学键
肽键
一级结构
氢键
二硫键
二、三、四级结构
疏水键
盐键
范德华力
三、四级结构
蛋白质分子中的共价键与次级键
二硫键
一、稳定蛋白质的作用力
一 蛋白质的一级结构
一级结构是指组成肽链的氨基酸的排列顺序。在生物体内所有的蛋白质都是在核酸所含有的遗传信息控制下合成的。核酸中储存的遗传信息就是线型核酸分子中的特定碱基顺序。在蛋白质的合成过程中，遗传信息从核酸流入蛋白质，表现为线型氨基酸顺序。蛋白质的三维构象归根到底是由一级顺序决定的。
一级结构中包含的共价键
主要指肽键和二硫键
1. 蛋白质的二级结构
——蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式
（1）α-螺旋（α-helix）
结构要点：
螺旋的每圈有3.6个氨基酸，
螺旋间距离为0.54nm，
每个残基沿轴旋转100°。
氢键的走向平行于螺旋轴，肽链内形成氢键，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键(13个原子) 。所有肽键都能参与链内氢键的形成。蛋白质分子为右手-螺旋。
（2）β-折叠结构（β-pleated sheet）
是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。
β-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。
-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。
-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。
（2）-折叠
在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;
弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。
这类结构主要存在于球状蛋白分子中。
（3）-转角 -turn
β-转角（β-turn）
为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。
β-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头。
2. 超二级结构和结构域
超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。
结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在二级结构或超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的三级结构的局部折叠区，具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。
蛋白质a结构
蛋白质两个结构域示意图
3. 蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。
维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水相互作用，在蛋白质三级结构中起着重要作用。
3、蛋白质的四级结构
蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。
这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；
维持亚基之间的化学键主要是疏水力。
由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；
第五节 蛋白质的性质
一 、蛋白质的相对分子量
蛋白质相对分子量在10 000~1 000 000之间。测定分子量的主要方法有渗透压法、超离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。
最准确可靠的方法是超离心法
二、蛋白质的两性解离及等电点
蛋白质在其等电点偏酸溶液中带正电荷，在偏碱溶液中带负电荷，在等电点pH时为两性离子。
电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率即异，在电泳时可以分开。
1. 自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳。
区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进行电泳，不同组分形成带状区域。
3.纸上电泳：用滤纸作支持物。
4凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作支持物。
1）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。
2）平板电泳：铺有凝胶的玻板上进行的电泳。
等电聚焦电泳：当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不再移动。
通电
三 、蛋白质的胶体性质
蛋白质溶液稳定的原因：
1）表面形成水膜（水化层）；
2）带相同电荷。
布郎运动、丁达尔现象、电泳现象，不能透过半透膜，具有吸附能力
四、蛋白质的沉淀反应
蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。
改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质
在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。
不可逆沉淀
在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。
由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。
如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱单宁酸、苦味酸酸、三氯乙酸沉淀等都属于不可逆沉淀
可逆沉淀
在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。
在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。
可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。
加高浓度盐类（盐析）：加盐使蛋白质沉淀析出。
分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中的几种蛋白质分段析出。血清球蛋白（50%(NH4)2SO4饱和度），清蛋白（饱和(NH4)2SO4)。
五、蛋白质的变性
蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation）
发生变性的蛋白质一级结构（构型）和分子量不变，高级结构（构象）遭到破坏。
有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质（复性作用）。
变性蛋白质主要标志是生物学功能的丧失。溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被酶消化。
变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。
变性作用
蛋白质复性

六蛋白质的颜色反应
—OH
N
五 蛋白质含量的测定
（一）蛋白质含量的测定：
1.紫外光吸收法：此法是用紫外吸收分光光度计在紫外光区测定蛋白质的光吸收，从而测定蛋白质含量的方法。
2.双缩脲法
在强碱性溶液中，蛋白质与CuSO4反应，生成紫红色化合物，这个反应称为双缩脲反应（biuret reaction)。
在碱性条件下，蛋白质与CuSO4所生成的颜色深浅与蛋白质的浓度成正比，而与蛋白质的分子量及氨基酸组成无关。将样品同标准蛋白质同时试验，并于540--560nm波长下侧其光吸收值，通过标准曲线曲线即可求得蛋白质的含量。
此方法简便、迅速，不受蛋白质特异性的影响，但方法的灵敏度较差，所需样品量大（0.2-1.7mg/ml）。
3．福林一酚试剂法
福林一酚试剂（Folin-phenol reagent )包括两组试剂：碱性铜试剂和磷钼酸及磷钨酸的混合试剂。碱性铜试剂与蛋白质产生双缩脲反应，这是蛋白质中肽键的反应，这种被作用的蛋白质中的酚基（酪氨酸），在碱性条件下很容易将磷钼酸和磷钨酸还原为蓝色的钼蓝和钨蓝，所生成蓝色的深浅与蛋白质的含量成正比，因此，在650nm或660nm波长下测定光吸收值，即可测定蛋白质含量。

这个方法实际上是劳里（Lowry, O, H., 1951）在原方法的基础上加以改进了的，常称Lowry法，具有操作简便、灵敏度高（比双缩脲法灵敏100倍）等优点。蛋白质测定范围为25---250µg/ml。但不同蛋白质显色强度稍有不同，而且酚类物质和柠檬酸有干扰。