蛋白质(一)

官方化学老师·17 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
氨基酸肽键折叠结构层次功能机制

蛋白质(一)

看穿蛋白质从氨基酸到四级结构的折叠密码,搞清结构决定功能的逻辑与前沿边界

按 空格/→ 演示下一步

1 / 17 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

氨基酸肽键折叠结构层次功能机制

蛋白质(一)

看穿蛋白质从氨基酸到四级结构的折叠密码,搞清结构决定功能的逻辑与前沿边界

1第 1 页 · 蛋白质(一)

根据元素百分组成和相对分

只写'碳72%、氢12%、氧16%'——这种'只有结果、没有配方'的题,怎么反推出分子长什么样?

求最简式
元素百分数 ÷ 原子量 → 原子最简整数比
算最简式式量
按最简比把原子量加和,记作 M₀
求倍数 n
相对分子质量 Mr ÷ M₀ = n,必为整数
写出分子式
最简式重复 n 次;若已知类别可再缩到结构
看食材占比反推份数对应 →用元素百分比反推分子式

食材占比=元素百分比;总菜量=Mr;菜的份数=n

$n=\dfrac{M_r}{M_0}$,最简式 × n = 分子式
2第 2 页 · 根据元素百分组成和相对分

利用氮含量估算蛋白质含量

食物标签上的蛋白质数字,实验室其实先测的是氮——再换算过来的。这个换算靠什么?为什么有时不太准?

蛋白质平均含氮约16%
碳、氢、氧、氮是主要元素,其中氮占比稳定在16%左右,是换算的化学基础
换算系数≈6.25
100÷16≈6.25,测出氮含量乘以它就估得蛋白质含量
不同来源系数不同
小麦5.70、牛奶6.38、大米5.95,氨基酸组成差异让比例浮动
凯氏定氮与杜马斯法
凯氏法浓硫酸消化、杜马斯法高温燃烧,都是先测总氮再换算
称金沙含金比例推总金量对应 →测氮含量估蛋白质总量

金沙里金是小比例、氮在蛋白里也是,按比例反推整体量

蛋白质含量N×F(F6.25)蛋白质含量 ≈ N × F \quad (F≈6.25)
3第 3 页 · 利用氮含量估算蛋白质含量

从微观结构分析蛋白质性质

前两页我们把蛋白质当作一个整体看组成、算含量。但同样的元素比例,蛋白质为什么能承担催化、运输、防御等截然不同的功能?答案藏在它的微观结构里。

氨基酸是基本单元
蛋白质由氨基酸按特定顺序连接而成,生物中常见约20种氨基酸
肽键来自脱水缩合
一个氨基酸的氨基与另一个的羧基脱水形成肽键,将氨基酸连成多肽链
链还要折叠成特定形状
多肽链并不伸展,而是在空间螺旋、盘绕、折叠成稳定的三维构象
结构差异决定功能差异
氨基酸种类、数量、排列顺序及空间构型不同,蛋白质性质与功能千差万别
26个英文字母对应 →蛋白质的氨基酸组合

少量字母可拼出无数单词和文章;同理,20来种氨基酸的不同排列构成功能各异的蛋白质

4第 4 页 · 从微观结构分析蛋白质性质

蛋白质的变性

上页我们从微观结构分析了蛋白质性质,知道它的功能依赖精妙的三维折叠。那如果这个折叠被破坏会怎样?——这就是蛋白质变性。

变性的本质
空间结构(二级及以上)被破坏,但一级结构——肽键和氨基酸序列——保持不变
引起变性的因素
物理因素(热、紫外、辐射、压力)和化学因素(酸碱、重金属盐、有机溶剂、尿素)
变性的后果
维系折叠的次级键(氢键、疏水作用等)被破坏,蛋白质的生物活性丧失
可逆性与典型应用
多数不可逆;应用于煮蛋灭菌、酒精消毒、重金属中毒的蛋清/牛奶急救
折纸鹤对应 →蛋白质变性

纸鹤由特定折痕撑起形状;揉皱后纸还是那张纸,但不再是纸鹤——对应一级结构不变、空间结构破坏、功能丧失

5第 5 页 · 蛋白质的变性

蛋白质

鸡蛋、肉类里的『蛋白质』,最终都被肠道拆成氨基酸才被吸收。那么完整的蛋白质分子本身是什么?化学家不关心营养标签,只关心它由什么、如何『搭建』出来的分子机器。

高分子聚合物
由α-氨基酸通过肽键聚合而成,相对分子质量从约10⁴到10⁶以上,远超普通有机小分子
约20种α-氨基酸
天然蛋白质仅由此类氨基酸构建,R基差异决定氨基酸个性,并最终决定蛋白质的结构与功能
肽键(酰胺键)
-CO-NH-连接相邻氨基酸;C-N具部分双键特性,使肽链骨架呈现规则刚性并限制了主链构象
承担几乎所有生命活动
催化(酶)、运输(血红蛋白)、运动(肌动蛋白)、免疫(抗体)、调控(受体)等功能均由蛋白质执行
20种乐高积木搭建筑对应 →20种氨基酸建蛋白质

积木种类与拼接顺序决定建筑的形状功能,正如氨基酸序列决定蛋白质的结构与功能

H2N-CHR-COOH+H2N-CHR’-COOHH2N-CHR-CONH-CHR’-COOH+H2O\text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{H}_2\text{N-CHR'-COOH} \to \text{H}_2\text{N-CHR-CONH-CHR'-COOH} + \text{H}_2\text{O}
6第 6 页 · 蛋白质

氨基酸

蛋白质分子动辄上千原子,要看清它的行为,得先回到最小结构单元——氨基酸。这一页我们就把镜头拉到最近,从砖头看起。

通用结构式
α-碳上同时连有氨基、羧基、氢和R基,R基决定个性
20种标准氨基酸
由遗传密码编码,是蛋白质的标准字母表
绝大多数是L型
除甘氨酸外,天然氨基酸都是左旋手性分子
通过肽键相连
一个的α-羧基与另一个的α-氨基脱水缩合形成酰胺键
乐高积木对应 →氨基酸

20种不同形状的积木,靠凸榫互相咬合,拼出千变万化的蛋白质

$$H_2N-CH(R)-COOH$$
7第 7 页 · 氨基酸

上页提到蛋白质变性会失去功能——反过来想,正因为蛋白质有精密的三维结构,它才能执行催化任务。酶,就是蛋白质最经典的功能体现:生物体内绝大多数化学反应,都靠酶来加速。

本质
生物体产生的催化剂,绝大多数是蛋白质,少数为RNA(核酶)
高效且特异
催化速率比无机催化剂高10⁶~10¹²倍;一种酶通常只作用于一种或一类底物
温和且可调控
常温常压、中性pH下工作;活性受温度、pH、抑制剂、别构效应等调控
辅助因子
部分酶需辅酶(NAD⁺)、辅基(血红素)或金属离子(Zn²⁺)才具活性
典型应用
工业酶制剂(淀粉酶、蛋白酶)、临床诊断标志物、分子生物学工具酶(限制酶、Taq酶)
工厂里的专属工人对应 →

一人只干一道工序(特异性);效率远超普通机器(高效性);靠工头与请假制度调度产量(活性调控)

8第 8 页 ·

α-氨基酸

上页说蛋白质由氨基酸连成,但氨基酸有几百种,构成蛋白质的只有一类——α-氨基酸。它们有什么特殊结构?为什么偏偏是它们?

α-碳定位
氨基连接在与羧基相邻的碳原子(α-碳)上,β、γ 位都不算
通用骨架
通式 H₂N–CHR–COOH,差别全在 R 基团
R 基决定一切
大小、电荷、极性、反应活性全由 R 基决定
天然构型偏好
自然界几乎都是 L-型,D-型仅见于细菌胞壁等少数场景
编码与扩展
通用遗传密码编码 20 种,少数生物还用到硒代半胱氨酸等
标准化拼装积木对应 →α-氨基酸

两端接口统一(α-NH₂ 和 α-COOH),R 基是顶上的装饰件,决定个性

H2NCHRCOOH\text{H}_2\text{N}-\underset{\text{R}}{\text{CH}}-\text{COOH}
9第 9 页 · α-氨基酸

必需氨基酸

上页我们认识了 20 种 α-氨基酸,人体要用它们拼出上万种蛋白质。但人体只能合成一部分——有些氨基酸像必须从外面买回来的食材,自己造不出来。这页分清:哪些必需、为何必需。

定义
人体(及多数哺乳动物)自身不能合成、或合成量不足以满足生理需求,必须由膳食提供的氨基酸。
种类与数目
成人 8 种:赖、甲硫、缬、异亮、苯丙、色、苏、亮;婴儿 9 种,多一组氨酸。
条件必需氨基酸
"非必需"≠"不需要"——人体虽能合成,但早产、苯丙酮尿症等情况下,某些氨基酸也须外源补充。
限制性氨基酸
缺乏任何一种必需氨基酸即限制整体蛋白质合成(木桶效应),无法被其他氨基酸替代。
蛋白质质量评价
营养学以必需氨基酸的齐全度与含量比评分(如 AAS、PDCAAS),并据此指导谷物与豆类互补搭配。
厨房必备调料对应 →必需氨基酸

葱姜能自己种,但花椒、八角必须外购;少任何一种都做不出那个味道——决定整道菜的'上限'。

10第 10 页 · 必需氨基酸

氨基酸的两性

上一节认识了 α-氨基酸:骨架上同时挂着 -NH2 和 -COOH。一个碱性、一个酸性,氨基酸为什么非要把两个“对手”装在同一分子里?这就是这一节要回答的问题。

两性定义
同一分子内同时含 -NH2(碱性)和 -COOH(酸性),既给质子也接受质子
两性离子(内盐)
生理pH下 -NH3+ 与 -COO- 共存,整体净电荷为零,又称内盐
等电点pI
净电荷为零时的pH;R基含可电离基团(如Lys、Asp)时,pI会偏离5~6
典型应用
pH<pI带正电、pH>pI带负电,是电泳与离子层析分离的分子基础
能进能出的双向阀门对应 →氨基酸的两性

-NH2是H+入口(接受质子=碱性反应),-COOH是H+出口(释放质子=酸性反应)

H3N+CHRCOOHpKa1H3N+CHRCOOpKa2H2NCHRCOOH_3N^+-CHR-COOH \xrightleftharpoons{pK_{a1}} H_3N^+-CHR-COO^- \xrightleftharpoons{pK_{a2}} H_2N-CHR-COO^-
11第 11 页 · 氨基酸的两性

成肽反应

氨基酸各有α-羧基和α-氨基,那它们是怎么'手拉手'连成蛋白质的?关键在于一次失水的缩合反应。

成肽反应
氨基酸之间脱水缩合,羧基与氨基相连生成肽键的反应
肽键
-CO-NH-,即酰胺键,是连接氨基酸残基的共价键
脱水规律
n个氨基酸成链脱去(n-1)个水,形成(n-1)个肽键
方向性
肽链一端游离氨基为N端,另一端游离羧基为C端
两节车厢挂钩对接对应 →两个氨基酸形成肽键

一节脱掉OH,另一节脱掉H,水落地,挂钩扣上

H2NCHR1COOH+H2NCHR2COOHH2NCHR1CONHCHR2COOH+H2OH_2N-CHR_1-COOH + H_2N-CHR_2-COOH \to H_2N-CHR_1-CO-NH-CHR_2-COOH + H_2O
12第 12 页 · 成肽反应

肽键

前一页两个氨基酸脱水缩合后「手拉手」连在了一起。它们到底是怎么抓住彼此的?又为什么让蛋白质长链有了确定的形状?答案藏在那个把它们锁死的「卡扣」——肽键里。

定义
一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基脱水缩合形成的酰胺键,写为 -CO-NH-
酰胺平面
肽键及其两侧的 Cα、C=O、N—H 共 6 个原子共处同一平面
部分双键
C—N 键长约 1.33 Å,介于单键 1.47 Å 与双键 1.27 Å 之间
顺反异构
因 C—N 不能自由旋转,可形成顺/反异构;蛋白质中几乎全为反式
链条上的焊接点对应 →肽键

每焊一个点,相邻两节链就被锁在同一平面内,且不能自由转动

CONHC(O)=N+(H)-CO-NH- \leftrightarrow -C(-O^-)=N^+(H)-
13第 13 页 · 肽键

二肽与多肽

上一页我们看到两个氨基酸之间能形成肽键。如果继续往两头接,肽键就会越连越多——这就是多肽。但接多少才算蛋白质?这条线其实没那么清晰。

二肽
两个氨基酸通过一个肽键相连的分子
多肽
多个氨基酸(通常≥10)通过肽键串联成的链
方向与计数
链有N端和C端,水分子数=氨基酸数-1
与蛋白质的边界
分子量和空间折叠程度不同,但无严格分界
串珠手链对应 →多肽链

每颗珠子对应一个氨基酸残基,连接线就是肽键,两端是N端和C端

n 个氨基酸脱水缩合多肽+(n1)H2On\text{ 个氨基酸}\xrightarrow{\text{脱水缩合}}\text{多肽}+(n-1)\text{H}_2\text{O}
14第 14 页 · 二肽与多肽

蛋白质的元素组成

前页用氮含量反推蛋白质:为什么偏偏是氮?因为氮是蛋白质区别于糖和脂肪的化学指纹。

主体四元素
C、H、O、N 占 99% 以上,与糖、脂质共有
特征元素 N
蛋白质中 N 约 16%,是区别于糖、脂质的标志
部分含 S
少数蛋白质含硫(如角蛋白、胰岛素),非共有
6.25 换算
蛋白质 ≈ N × 6.25,由 N% 反推蛋白质的系数
人的籍贯对应 →蛋白质中的氮

籍贯不能代表全部,但能看出地域;氮稳定,是蛋白质标志

蛋白质%=N%16×100=N%×6.25蛋白质\% = \dfrac{N\%}{16} \times 100 = N\% \times 6.25
15第 15 页 · 蛋白质的元素组成

本节要点

  • 蛋白质的氮含量约16%,是凯氏定氮法的化学基础
  • 氨基酸因-NH2与-COOH而具两性,pH决定解离形态
  • 肽键由-COOH与-NH2脱水缩合而成,具有部分双键特征
  • 变性仅破坏空间结构,肽键完整,双缩脲反应仍阳性
  • 8种必需氨基酸需从食物摄取,人体无法自行合成
延伸主题:蛋白质的空间结构层次酶的催化作用机制蛋白质的颜色反应
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

先自己想,再对比下面的思考路径——开放问题没有标准答案,重在思路。

1鸡蛋煮熟后蛋白质变性了,但营养价值基本不变。这与变性破坏结构的说法矛盾吗?如何用蛋白质的一级与高级结构层次解释?

参考答案不矛盾。变性主要破坏二级、三级、四级结构,而一级结构(由肽键维系的氨基酸序列)保持完整。营养取决于氨基酸种类与顺序,故变性基本不影响营养。

2若某食品含大量非蛋白氮(如游离氨基酸或添加剂),凯氏定氮法测得的蛋白质含量会出现什么偏差?为什么"氮×6.25"会失真?

参考答案会偏高。非蛋白氮也贡献氮元素,按 16% 反算会被全部计入蛋白质,使结果虚高。要规避,需先分离非蛋白氮或改用更特异的方法(如氨基酸分析)。

3酶本质是蛋白质,常规酶高温失活,但嗜热菌的酶 80℃ 仍能工作。这说明酶的什么特性?耐热差异由氨基酸序列决定吗?

参考答案耐热性由序列决定。嗜热菌酶的特定序列折叠出更多盐桥、更紧密的疏水核心等更稳定的高级结构,抵抗热变性——结构由序列决定,结构决定稳定性。

17第 17 页 · 课后思考