蛋白质（二）

官官方化学老师·17 页·深入（追求细节与边界）·0 次浏览·3 天前
✦ 蛋白质（二）化学蛋白质（二）盐析
二级结构折叠机制变性结构-功能

蛋白质（二）

看清二/三/四级结构的层级关系、折叠驱动力与变性的可逆边界

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

二级结构折叠机制变性结构-功能

蛋白质（二）

看清二/三/四级结构的层级关系、折叠驱动力与变性的可逆边界

1第 1 页 · 蛋白质（二）

蛋白质的一级结构

我们读书先看字、再看词、再看句——语言的'一级结构'是字母序列。蛋白质也一样：先把'字母'看清楚，后面的折叠才有了根基。

氨基酸序列
蛋白质链中氨基酸从N端到C端的线性排列顺序
肽键
相邻氨基酸之间通过脱水缩合形成的酰胺共价键
序列决定折叠
一级结构是后续二级、三级、四级结构的基础
可被测序
通过Edman降解或质谱等方法读取氨基酸排列
英文字母按顺序拼词对应 →氨基酸连成一级结构

字母=氨基酸；换字母或换顺序，意义完全不同（如god/dog）

H2N−CHR−COOH+H2N−CHR′−COOH→H2N−CHR−CO−NH−CHR′−COOH+H2OH_2N-CHR-COOH + H_2N-CHR'-COOH \rightarrow H_2N-CHR-CO-NH-CHR'-COOH + H_2O
2第 2 页 · 蛋白质的一级结构

蛋白质的二级结构

上一页我们讲了蛋白质的一级结构——氨基酸按顺序排成的链条。但这条链不会一直是拉直的，它的主链会在局部自发地盘绕或折叠，形成规律性的空间花样。这就是二级结构。

二级结构定义
多肽主链在局部形成的规律性折叠，由主链肽键间 N-H···O=C 氢键稳定
α-螺旋
右手螺旋，每圈 3.6 个残基，C=O(i) 与 N-H(i+4) 形成氢键
β-折叠
链段侧向并排成片，分平行与反平行，链间氢键稳定，呈锯齿状
β-转角
4 个残基构成的发夹，常含 Gly 和 Pro，使肽链走向反转约 180°
边界提示
只看主链 N-H 和 C=O；侧链 R 基的空间排布属于三级结构
卷尺/弹簧对应 →α-螺旋

卷尺自动弹成规则螺旋，圈距由金属条几何决定；α-螺旋的螺距由肽键键长键角决定，是几何必然

α-helix：H键(i)→(i+4)，φ≈−60°，ψ≈−45°；β-sheet：φ≈−120°，ψ≈+120°\alpha\text{-helix：H键}(i){\to}(i{+}4)，\varphi\approx-60°，\psi\approx-45°；\beta\text{-sheet：}\varphi\approx-120°，\psi\approx+120°
3第 3 页 · 蛋白质的二级结构

蛋白质的三级结构

二级结构给了肽链局部的螺旋和折叠片段，但只有当它们在三维空间里整体卷曲成一个稳定形状，蛋白质才真正具备功能——这就是三级结构。

整体三维折叠
整条多肽链的空间构象，由二级结构片段进一步折叠而成
稳定作用力
疏水作用为主，氢键、盐桥、范德华力辅助，偶有二硫键
疏水核心
疏水 R 基团自发埋入分子内部，亲水基团外露朝向水相
结构域
局部紧密折叠的功能单元，一级结构上连续，可独立存在
结构与功能
特定三维形状形成活性中心，决定蛋白质生物学功能
折纸作品对应 →蛋白质三级结构

二级结构是一条条折痕，三级结构是整张纸折出的三维造型

4第 4 页 · 蛋白质的三级结构

蛋白质的四级结构

蛋白质的四级结构：定义、要点与典型应用

蛋白质的四级结构
蛋白质的四级结构：定义、要点与典型应用
5第 5 页 · 蛋白质的四级结构

蛋白质的两性

氨基酸有 -COOH 和 -NH₂ 两类基团，一个偏酸性、一个偏碱性。几十上百个氨基酸拼成蛋白质后，这些基团并不会消失——它们成了蛋白质在不同 pH 环境下的「开关」。

两性来源
氨基酸残基上同时存在可解离的 -COOH（酸性基团，给出 H⁺）和 -NH₂（碱性基团，接受 H⁺）
随 pH 切换
酸性环境下氨基结合 H⁺ 带正电；碱性环境下羧基释放 H⁺ 带负电
等电点 pI
某一 pH 下正负电荷相等、净电荷为零，溶解度最低、最易沉淀
典型应用
等电点沉淀、电泳分离、离子交换层析纯化蛋白质
双向员工对应 →蛋白质的两性

缺人时顶上给 H⁺，人多时退下收 H⁺，全看环境

6第 6 页 · 蛋白质的两性

蛋白质的水解

上一节我们看到蛋白质具有两性，能与酸碱反应。但要真正「拆开」一条蛋白质，光靠酸碱还不够——我们需要水分子直接参与断键。这就是蛋白质的水解，也是我们吃进去的蛋白质被消化的本质。

水解本质
肽键(C—N)在水分子的参与下断裂，原羰基端重新获得—OH，氨基端获得—H
三种水解方式
酸水解彻底但破坏色氨酸；碱水解引起氨基酸消旋；酶水解条件温和最常用
完全vs部分水解
完全水解得到游离氨基酸；部分水解得到多肽片段（食品工业常用）
典型应用
消化吸收、酱油酿造、蛋白补剂、氨基酸工业生产
把项链拆成散珠子对应 →蛋白质水解

项链=蛋白质，珠子=氨基酸，每剪断一根线(肽键)就用掉一滴水

-CO-NH-+H2O→-COOH+H2N-\text{-CO-NH-} + \text{H}_2\text{O} \to \text{-COOH} + \text{H}_2\text{N-}
7第 7 页 · 蛋白质的水解

盐析

前页说蛋白质溶于水，靠水化膜和电荷排斥。可有时我们反而要把蛋白质'请'出来——腌菜出水、点卤做豆腐都靠盐。盐对蛋白质也能做这件事，而且手段很温和。

定义
向蛋白质溶液中加入高浓度中性盐，使溶解度降低而沉淀析出
常用试剂
硫酸铵 (NH₄)₂SO₄：溶解度大、对蛋白活性影响小
作用本质
盐离子争夺水分子、破坏水化膜，同时中和表面电荷、消除排斥
关键特点
可逆过程——除盐后蛋白可重溶，天然构象与活性保留
典型应用
蛋白质的分离纯化：不同蛋白析出所需盐浓度不同，可分段沉淀
小朋友穿雨衣在操场玩对应 →蛋白质的水化层

雨衣=水化膜，把人隔开；盐离子抢走水，小朋友挤成一团=蛋白质沉淀

8第 8 页 · 盐析

蛋白质的显色反应

前面讲了结构与物理性质,那如何证明一个未知样品「是蛋白质」、或「含什么氨基酸」?化学家不靠肉眼,靠颜色——特定试剂遇到特定基团,会给出特征颜色。这就像体检报告的不同指标。

双缩脲反应
肽键(≥2个) + CuSO₄ + 强碱 → 紫红色;鉴定「有无蛋白质」及定量
茚三酮反应
游离α-氨基 + 茚三酮 → 蓝紫色;灵敏,氨基酸/肽/蛋白质皆显色
黄色反应
苯环氨基酸(Phe/Tyr/Trp) + 浓HNO₃ → 黄色;加碱变橙,鉴定芳香族残基
体检报告的不同指标对应 →三种显色反应

双缩脲≈总蛋白项、茚三酮≈游离氨基酸项、黄色反应≈特定氨基酸项;每项只回答一个问题

9第 9 页 · 蛋白质的显色反应

蛋白质含量的测定

前页我们看到蛋白质能与某些试剂发生显色反应——这恰好就是定量测定蛋白质的化学基础。问题是：我们能像称盐那样「直接称量」蛋白质吗？

核心难题
蛋白质没有共同的可直接称量的特征，所有方法都是间接测定
凯氏定氮法
消化→蒸馏→滴定测总氮，乘换算系数（≈6.25）得蛋白含量
显色法系列
双缩脲/Lowry/Bradford/BCA，灵敏度递增，干扰也递增
紫外吸收法
测280nm处芳香氨基酸吸光，快速但易受核酸干扰
方法选择
没有万能法，看样品纯度、灵敏度、是否含非蛋白氮来取舍
数班里有多少学生对应 →测定蛋白质含量

没有直接计数器，只能靠点名、查作业等间接手段，不同方法数出来会有偏差

蛋白质%=含氮量%×6.25蛋白质\% = 含氮量\% \times 6.25
10第 10 页 · 蛋白质含量的测定

酶催化的高效性和专一性

前几页我们聊了蛋白质的理化性质：两性、水解、遇双缩脲试剂显紫色。但你有没有想过：刚咽下的米饭，三小时就被胃分解成氨基酸。这背后最关键的推手——是酶。

酶的本质
活细胞产生的生物催化剂，绝大多数是蛋白质，少数是 RNA
高效性
催化效率比无机催化剂高 10⁷~10¹³ 倍，一秒可处理上千底物
专一性
一种酶通常只催化一种或一类结构相似的底物反应
典型应用
加酶洗衣粉、嫩肉粉、乳糖酶处理牛奶、酶工程制药
钥匙和锁对应 →酶的专一性

钥匙齿形必须和锁芯吻合才能转开——对应酶活性位点和底物形状严格匹配

11第 11 页 · 酶催化的高效性和专一性

胰岛素

胰岛素：背景、意义与延伸了解

胰岛素
胰岛素：背景、意义与延伸了解
12第 12 页 · 胰岛素

蛋白质的人工合成

上一页讲了胰岛素的结构——A链21个氨基酸、B链30个氨基酸、三个二硫键。结构这么精细的分子，人类是怎么第一次"造"出来的？这要回到1965年，中国的一项诺奖级工作。

1965年突破
中国科学家首次人工合成结晶牛胰岛素，是世界首次人工合成有活性的蛋白质
分链合成策略
分别合成A链（21肽）和B链（30肽），再用二硫键把两条链连成完整分子
意义所在
证明蛋白质可以被人工合成；也表明人类掌握了"组装"蛋白质的能力
现代主流方法
基因工程重组DNA技术：把目标蛋白基因导入大肠杆菌等宿主，让细胞代为生产
工厂造零件再装配对应 →分链合成再拼接蛋白质

把A链、B链当独立零件造好，再用二硫键这个"焊接点"拼成完整蛋白质

13第 13 页 · 蛋白质的人工合成

二硫键在蛋白质中的作用

胰岛素由 A、B 两条链通过二硫键连成——你已经见过它了。这种共价键到底有什么特别，让蛋白质结构变得如此稳固？

化学本质
两个半胱氨酸的巯基（-SH）氧化脱氢，形成 -S-S- 共价键
稳定作用
键能远高于氢键、疏水作用等非共价力，主要锁定三级和四级结构
分布规律
细胞内是还原环境，多见于分泌蛋白与胞外蛋白（如角蛋白、胰岛素）
可逆调控
DTT、β-巯基乙醇等还原剂可断裂，常用于拆解蛋白复合体
订书钉 vs 便利贴对应 →二硫键 vs 非共价作用

订书钉穿透固定、难拆；便利贴靠粘性、随时可揭

14第 14 页 · 二硫键在蛋白质中的作用

角蛋白与烫发原理

上页我们说二硫键是蛋白质的'钢筋'，让结构稳如磐石。可理发店里化学药水却能让直发变卷、再永久定型——秘密就藏在头发里的角蛋白中。

角蛋白
头发、指甲的主要成分，半胱氨酸含量很高，二硫键密集
二硫键交联
相邻肽链间横向交联，让角蛋白既有弹性又坚韧
还原拆键
巯基乙酸等还原剂把 S—S 还原为 —SH，链段可滑动
卷杠塑形
头发绕卷杠时，肽链在 —SH 状态下被拉成卷曲构象
氧化定形
过氧化氢把 —SH 重新氧化为 S—S，新构象被锁定
拆锁链重排再锁死对应 →烫发的化学三步

还原剂=开锁扣；卷杠=重排链节；氧化剂=在新位置重新扣上

$$\text{R-S-S-R} \xrightleftharpoons[\text{氧化剂}]{\text{还原剂}} 2\text{R-SH}$$
15第 15 页 · 角蛋白与烫发原理

本节要点

  • ✓结构层级（一→二→三→四）递进决定功能
  • ✓两性与胶体性质，是分离纯化的化学基础
  • ✓二硫键维持高级结构，变性可逆而水解不可逆
  • ✓人工合成胰岛素：人类首次实现蛋白质的逆向构建
延伸主题：蛋白质组学蛋白质工程翻译后修饰
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

三个开放性问题检验理解程度

课后思考
三个开放性问题检验理解程度
17第 17 页 · 课后思考