第01章 蛋白質的結構與功能(生化)

蛋白質的結構與功能第一章StructureandFunctionofProtein1主要內容蛋白質的概念和生物學重要性蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質蛋白質的分離純化（增加）2學習指導重點：1.蛋白質的基本結構和空間結構的特點。2.蛋白質的結構與功能和理化性質的關系。難點：1.血紅蛋白的構象變化與運氧功能。2.蛋白質分離純化的原理。進展：

1.蛋白質模體和結構域。2.分子伴侶及其作用。3What’sProtein?蛋白質(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。4蛋白質的生物學重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。1.蛋白質是生物體重要組成成分5作為生物催化劑（酶）代謝調節(jié)作用（酶活性調節(jié)）免疫保護作用（抗體）物質的轉運和存儲（Hb和Mb）運動與支持作用（肌球/肌動蛋白、膠原蛋白）參與細胞間信息傳遞（激素）2.蛋白質具有重要的生物學功能3.氧化供能（次要功能）6蛋白質的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)7主要有C、H、O、N和S。有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘。組成蛋白質的元素8各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×100100/16蛋白質元素組成的特點9一、蛋白質的基本組成單位—— 20種標準氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的標準（編碼）氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。10Generalformulaofanaminoacidshowingthefourdifferentgroupsaroundthecentral

-carbonatom.11Thestereoisomersofan

-aminoacids.

12非極性脂肪族氨基酸（7種）芳香族氨基酸（3種）極性中性氨基酸（5種）堿性氨基酸（3種）酸性氨基酸（2種）（一）氨基酸可根據(jù)側鏈結構和理化性質進行分類13標準氨基酸的R基團R=H：甘氨酸R=CH3：丙氨酸側鏈成環(huán)：脯氨酸（亞氨基酸）分支側鏈：纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸含硫：甲硫氨酸（蛋氨酸）、半胱氨酸含醇羥基：絲氨酸、蘇氨酸含酚羥基：酪氨酸含酰胺基：谷氨酰胺、天冬酰胺含苯環(huán)：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸含羧基：谷氨酸、天冬氨酸含氨基：賴氨酸含胍基：精氨酸含咪唑基：組氨酸1415(一)側鏈含烴鏈的氨基酸是非極性脂肪族氨基酸甲硫基16(二)側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸吲哚基酚羥基苯環(huán)17(三)側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸酰胺基醇羥基巰基18氨基胍基咪唑基(四)側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸19羧基(五)側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸20幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）21

半胱氨酸胱氨酸22（二）20種氨基酸具有共同或特異的理化性質兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectricpoint,pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。1.氨基酸具有兩性解離的性質23pH＜pIpH=pIpH＞pIcationzwitterionanion陽離子

兼性離子

陰離子Dissociationofglycine242.含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是蛋白質定量分析的快速簡便方法。25Absorptionofultravioletlight

byaromaticaminoacids.263.氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。27二、蛋白質是由許多氨基酸殘基 組成的多肽鏈肽鍵

(peptide

bond)

是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學鍵（酰胺鍵）。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽(peptide)28Formationofapeptidebondbycondensation.29肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。30N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-羧基的一端多肽鏈有兩端：多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種鏈式結構。31Thepentapeptideserylglycyltyrosylalanylleucine,orSer–Gly–Tyr–Ala–Leu.32蛋白質與多肽的區(qū)別：氨基酸殘基數(shù)目？穩(wěn)定的空間結構？＞50

——蛋白質10~50

——多肽不穩(wěn)定的空間結構——多肽穩(wěn)定的空間結構——蛋白質33（二）體內存在多種重要的生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,

-GSH)34GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉換35

肽類激素主要見于下丘腦及垂體分泌的激素，如催產素（9肽）、加壓素（9肽）、促腎上腺皮質激素（39肽）、促甲狀腺素釋放激素（3肽）。2.肽類激素及神經肽

神經肽

(neuropeptide)主要與神經信號轉導作用相關，包括腦啡肽（5肽）、

-內啡肽（31肽）、強啡肽（17肽）等。36三、蛋白質的分類根據(jù)蛋白質組成成分:單純蛋白質結合蛋白質=蛋白質部分+非蛋白質部分

（輔基）根據(jù)蛋白質形狀:纖維狀蛋白質球狀蛋白質根據(jù)蛋白質功能:結構性蛋白質功能性蛋白質37蛋白質的分子結構

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)38一級結構(primarystructure)—基本結構二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)蛋白質的分子結構包括:

高級結構39定義:蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。主要的化學鍵:肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。一、氨基酸的排列順序決定蛋白質 的一級結構40DNA分子中結構基因的堿基序列決定蛋白質分子中的氨基酸排序。一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎，但不是決定蛋白質空間構象的唯一因素。41蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。定義:主要的化學鍵：氫鍵

二、多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質 的二級結構421.肽平面的概念參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元(peptideunit)

。43

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉角(

-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)

2.蛋白質二級結構的主要構象形式周期性結構44Eachpeptidebondhassomedouble-bondcharacterduetoresonanceandcannotrotate.45(a)Formationofaright-handed

α-helix.(b)showingthe

intrachainhydrogenbonds.(0.54nm)(1)α-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構46Knowingthe

RightHand

fromtheLeft.47Lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups.48theatomsinthecenterofthe

α-helixareinveryclosecontact.49(2)

-折疊使多肽鏈形成片層結構The

β-conformation

ofpolypeptidechains.50The

β-

conformation

ofpolypeptidechains.51(3)

-轉角

-轉角通常由4個氨基酸殘基組成脯氨酸為亞氨基酸，形成肽鍵使肽鏈走向轉折。52無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結構。(4)無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲是剛性二級結構之間的柔軟肽段，有利于三級結構的形成。533.模體是具有特殊功能的超二級結構在許多蛋白質分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，稱為模體(motif)

。模體是具有特殊功能的超二級結構。二級結構組合形式有3種ααβαβββ54α-螺旋-β轉角（或環(huán)）-α-螺旋模體鏈-β轉角-鏈模體鏈-β轉角-α-螺旋-β轉角-鏈模體鋅指結構(zincfinger)模體常見的形式555657三、在二級結構基礎上多肽鏈進一步折疊 形成蛋白質三級結構疏水鍵、氫鍵、離子鍵、VanderWaals力等。維系穩(wěn)定的力量（次級鍵）:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。三級結構的定義:（一）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置5859Tertiarystructureofspermwhalemyoglobin.(a)Thepolypeptidebackbone.Mb-球形蛋白質60(e)Aspace-fillingmodelwithallaminoacidsidechains.功能性蛋白質至少應具有三級結構(球形)61（二）結構域是三級結構層次上的局部折疊區(qū)分子量較大的蛋白質?？烧郫B成多個結構較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結構域(domain)。結構域可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，有較為獨立的三維結構。例如：轉錄因子有DNA結合域轉錄激活域二聚化結構域62（三）分子伴侶參與蛋白質折疊分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。63亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質 具有四級結構蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基(subunit)。64由2個亞基組成的蛋白質四級結構中，若亞基分子結構相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結構不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。含有四級結構的蛋白質，單獨的亞基一般沒有生物學功能，只有完整的四級結構寡聚體才有生物學活性。65血紅素β亞基α亞基血紅蛋白(Hb)

的四級結構66Levelsofstructureinproteins.折疊卷曲排序聚合Briefsummary67蛋白質結構與功能的關系

TheRelationofStructureandFunctionofProtein

第三節(jié)68（一）一級結構是空間構象的基礎一、蛋白質一級結構是高級結構 與功能的基礎1.蛋白質一級結構直接決定其空間構象

變性劑尿素→破壞氫鍵β-巰基乙醇→破壞二硫鍵核糖核酸酶的變性與復性實驗2.蛋白質一級結構間接決定其生物學功能69透析氧化70（二）一級結構相似的蛋白質具有相似的高級結構與功能胰島素氨基酸殘基序號A5A6A10B30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla哺乳類動物胰島素氨基酸序列的差異71（三）重要蛋白質的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。72肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素(heme)的結構二、蛋白質的功能依賴特定空間結構（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似73肌紅蛋白(myoglobin,Mb)

肌紅蛋白是一個只有三級結構的單鏈蛋白質，有8段α-螺旋結構。血紅素分子中的兩個丙酸側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結合，所以血紅素輔基與蛋白質部分穩(wěn)定結合。74血紅蛋白(hemoglobin,Hb)血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結構，每個亞基可結合1個血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結合而形成親水的球狀蛋白。血紅素β亞基α亞基75Hb與Mb一樣能可逆地與O2結合，Hb與O2結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基與氧結合76SaturationMyoglobinHemoglobinAsigmoid(cooperative)bindingcurve.77協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(negativecooperativity)78血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。79變構效應(allostericeffect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為變構效應。80脫氧Hb為緊張態(tài)(T態(tài))，與氧的親和力小。隨著O2的結合，2個α-亞基之間的鹽鍵斷裂，