生物化學 課件 第2章 蛋白質的結構與功能

第二章蛋白質的結構與功能一、什么是蛋白質?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。第一節(jié)蛋白質的分子組成一、蛋白質的元素組成(一)組成蛋白質的元素主要有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。由于體內(nèi)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)×6.25×1001/16%(二)蛋白質元素組成的特點二、蛋白質的基本單位——氨基酸(一)氨基酸的通式存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的編碼氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。各種氨基酸的結構區(qū)別在于側鏈（R基團）的不同，故具有不同的理化性質C+NH3COO-HCH3R甘氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式(二)氨基酸的分類非極性側鏈氨基酸(8種)水溶性小。其側鏈為非極性疏水基團。

極性中性側鏈氨基酸(7種)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其側鏈具有親水性(除外色氨酸)。酸性氨基酸(2種)側鏈上有羧基，在水溶液中能釋放出H+而帶負電荷。堿性氨基酸（3種）側鏈上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+

而帶正電荷。20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:1.非極性側鏈氨基酸(8種)中文名稱英文名稱縮寫符號結構式等電點甘氨酸glycineGlyG5.97CHCOOHNH2H纈氨酸valineValV5.96CHCOOHNH2CH3丙氨酸alanineAlaA6.00CHCOOHNH2CH3-CHCH3亮氨酸leucineLeuL5.98CH3-CH-CH2CHCOOHNH2CH3

異亮氨酸isoleucineIleI6.02CHCOOHNH2CH3-CH2-CHCH3脯氨酸prolineProP6.30

苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48-CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNHCH2CH2

蛋氨酸methionineMetM5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH2絲氨酸serineSerS5.68HO-CH2CHCOOHNH2酪氨酸t(yī)yrosineTryY5.66-CH2CHCOOHNH2HO-

半胱氨酸cysteineCysC5.07HS-CH2CHCOOHNH22.極性中性側鏈氨基酸(7種)中文名稱英文名稱縮寫符號結構式等電點天冬酰胺asparagineAsnN5.41

谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65CHCOOHNH2HO-CHCH3

蘇氨酸t(yī)hreonineThrT5.60CHCOOHNH2HO-CHCH3H2N-C-CH2CHCOOHNH2O色氨酸t(yī)ryptophanTryW5.89CHCOOHNH2-CH2NH3.酸性氨基酸(2種)中文名稱英文名稱縮寫符號結構式等電點

天冬氨酸asparticacidAspD2.97CHCOOHNH2

HOOC-CH2谷氨酸glutamicacidGluE3.22CHCOOHNH2HOOC-CH2-CH24.堿性氨基酸(3種)中文名稱英文名稱縮寫符號結構式等電點賴氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2精氨酸arginineArgR10.76CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NH組氨酸histidineHisH7.59CHCOOHNH2HCCH2NHCNCH(三)幾種特殊氨基酸1.含硫氨基酸半胱氨酸

+-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS--COOHCH-CH2NH2半胱氨酸

-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S--COOHCH-CH2NH2二硫鍵胱氨酸(四)氨基酸的理化性質1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離方式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。CHNHCOOHRCHNH2COOHRCHNHCOOHRCHNH3COOHR++H++OH-CHNHCOORCHNH3COO-R++OH-+H+CHNHCOORCHNH2COO-RpH<pI陽離子pH=pI氨基酸的兼性離子pH>pI陰離子2.紫外吸收240250260270280290300310光密度色氨酸酪氨酸色氨酸、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的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。波長(nm)芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反應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。2NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+RCHOCO2+H++水合茚三酮羅曼紫(藍紫色)第一節(jié)蛋白質的分子組成（四）氨基酸的分離與分析2.分配柱層析1.分配層析3.紙層析7.高效液相層析6.氣液層析5.離子交換層析4.薄層層吸三、氨基酸在蛋白質分子中的連接方式

(一)肽鍵(peptidebond)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。甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH

(一)肽鍵(peptidebond)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。三、氨基酸在蛋白質分子中的連接方式甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH肽鍵1.肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。(二)肽(peptide)2.兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……3.由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽。

4.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)。5.多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。分別有：N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端，C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124(三)幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸2.多肽類激素體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽。CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸組氨酸脯氨酰胺

促甲狀腺素釋放激素(TRH)第二章蛋白質的結構與功能第二節(jié)蛋白質的分子結構

蛋白質的分子結構包括：一級結構(primarystructure)

二級結構(secondarystructure)

三級結構(tertiarystructure)

四級結構(quaternarystructure)一、蛋白質的一級結構(一)定義與主要化學鍵1.定義蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。2.主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。

肽鍵的鍵長為0.132nm，短于單鍵的0.147nm，長于雙鍵的0.123nm，故具有部分雙鍵的特性，不能旋轉。(二)肽單元(肽鍵平面)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)

。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽鍵平面示意圖二、蛋白質的二級結構(一)定義與主要化學鍵1.定義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

。

2.主要的化學鍵

氫鍵

(二)蛋白質二級結構的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

1.

-螺旋1951年根據(jù)X線衍射圖提出。以

碳原子為轉折點，形成右手螺旋。(1)螺旋每圈含3.6個氨基酸殘基，殘基跨距0.15nm，螺距0.54nm。(2)螺旋以氫鍵保持穩(wěn)固。(3)各氨基酸殘基的R基團均伸向螺旋外側。2.

-折疊

(1)是多肽鏈一種比較伸展、成鋸齒狀的肽鏈結構。(2)兩條肽鏈走向相同，稱為順向平行結構，反之，則稱為反向平行結構。后者更為穩(wěn)定。3.

-轉角肽鏈出現(xiàn)180°回折的部分形成β-轉角。

4.無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結構。三、蛋白質的三級結構(一)定義與主要化學鍵1.

定義

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。只有具有三級結構的多肽鏈才能稱為蛋白質。2.主要的化學鍵疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-維持蛋白質分子構象的各種化學鍵abc氫鍵離子鍵疏水鍵N端C端肌紅蛋白(Mb)

(二)結構域大分子蛋白質的三級結構?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結構域(domain)。免疫球蛋白結構域示意圖

四、蛋白質的四級結構(一)定義與主要化學鍵1.定義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)。2.主要化學鍵亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。血紅蛋白的四級結構

血紅蛋白是由含有血紅素的2個α亞基和2個β亞基組成的四聚體。五、蛋白質結構與功能的關系(一)一級結構與功能的關系

1.核糖核酸酶一級結構與功能的關系

二硫鍵破壞后，生物學活性喪失。

天然狀態(tài)，有催化活性26110958472584065HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840

去除尿素、β-巰基乙醇

尿素、β-巰基乙醇2.胰島素一級結構與功能的關系(1)將A鏈N端的第1個氨基酸殘基切去，其活性只剩2％～10％，再將第2～4位氨基酸殘基切去，其活性完全喪失。(2)

將A、B兩鏈間的二硫鍵還原，A、B兩鏈即分離，胰島素的功能完全消失。(3)

將B鏈第28～30位氨基酸殘基切去，其活性仍能維持100%。3.血紅蛋白一級結構與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ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”。(二)蛋白質空間結構與功能的關系1．血紅蛋白空間結構與功能的關系Hb未結合O2時，4個亞基結構緊密,稱緊張態(tài)(T態(tài))。隨著O2

的結合,空間結構發(fā)生變化，使結構相對松弛，稱松弛態(tài)(R態(tài))。T態(tài)對氧親和力低,R態(tài)對氧親合力高，是Hb結合O2

的形式。肺毛細血管O2

分壓高,促使T態(tài)轉變成R態(tài),組織毛細血管,O2

分壓低,促使R態(tài)轉變成T態(tài)。

2．朊病毒蛋白空間結構與功能的關系蛋白質構象疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。例：瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。在某種未知蛋白質作用下轉變成為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第二章蛋白質的結構與功能第三節(jié)蛋白質的理化性質一、蛋白質的兩性解離和等電點

(一)兩性解離

蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團，故稱兩性解離。(二)蛋白質的等電點當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。二、蛋白質的膠體性質

(一)蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。(二)蛋白質膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩(wěn)定的蛋白質顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉三、蛋白質的變性、沉淀和凝固

(一)

蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。1.變性的本質

即破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質肽鏈的一級結構。2.導致變性的因素如高溫、高壓、強酸、強堿、有機溶劑、重金屬離子、生物堿試劑及輻射等因素。

3.應用舉例①臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。②防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。

天然狀態(tài)，有催化活性26110958472584065HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840

去除尿素、β-巰基乙醇

尿素、β-巰基乙醇4.復性(renaturation)

若蛋白質變性程