第01章 蛋白质的结构与功能(生化)

蛋白质的结构与功能第一章StructureandFunctionofProtein1主要内容蛋白质的概念和生物学重要性蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质蛋白质的分离纯化（增加）2学习指导重点：1.蛋白质的基本结构和空间结构的特点。2.蛋白质的结构与功能和理化性质的关系。难点：1.血红蛋白的构象变化与运氧功能。2.蛋白质分离纯化的原理。进展：

1.蛋白质模体和结构域。2.分子伴侣及其作用。3What’sProtein?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。4蛋白质的生物学重要性分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。1.蛋白质是生物体重要组成成分5作为生物催化剂（酶）代谢调节作用（酶活性调节）免疫保护作用（抗体）物质的转运和存储（Hb和Mb）运动与支持作用（肌球/肌动蛋白、胶原蛋白）参与细胞间信息传递（激素）2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能（次要功能）6蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节7主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。组成蛋白质的元素8各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×100100/16蛋白质元素组成的特点9一、蛋白质的基本组成单位—— 20种标准氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的标准（编码）氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。10Generalformulaofanaminoacidshowingthefourdifferentgroupsaroundthecentral

-carbonatom.11Thestereoisomersofan

-aminoacids.

12非极性脂肪族氨基酸（7种）芳香族氨基酸（3种）极性中性氨基酸（5种）碱性氨基酸（3种）酸性氨基酸（2种）（一）氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类13标准氨基酸的R基团R=H：甘氨酸R=CH3：丙氨酸侧链成环：脯氨酸（亚氨基酸）分支侧链：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸含硫：甲硫氨酸（蛋氨酸）、半胱氨酸含醇羟基：丝氨酸、苏氨酸含酚羟基：酪氨酸含酰胺基：谷氨酰胺、天冬酰胺含苯环：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸含羧基：谷氨酸、天冬氨酸含氨基：赖氨酸含胍基：精氨酸含咪唑基：组氨酸1415(一)侧链含烃链的氨基酸是非极性脂肪族氨基酸甲硫基16(二)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸吲哚基酚羟基苯环17(三)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸酰胺基醇羟基巯基18氨基胍基咪唑基(四)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸19羧基(五)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸20几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）21

半胱氨酸胱氨酸22（二）20种氨基酸具有共同或特异的理化性质两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。等电点(isoelectricpoint,pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。1.氨基酸具有两性解离的性质23pH＜pIpH=pIpH＞pIcationzwitterionanion阳离子

兼性离子

阴离子Dissociationofglycine242.含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是蛋白质定量分析的快速简便方法。25Absorptionofultravioletlight

byaromaticaminoacids.263.氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。27二、蛋白质是由许多氨基酸残基 组成的多肽链肽键

(peptide

bond)

是由一个氨基酸的

-羧基与另一个氨基酸的

-氨基脱水缩合而形成的化学键（酰胺键）。（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)28Formationofapeptidebondbycondensation.29肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。30N末端：多肽链中有游离α-氨基的一端C末端：多肽链中有游离α-羧基的一端多肽链有两端：多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种链式结构。31Thepentapeptideserylglycyltyrosylalanylleucine,orSer–Gly–Tyr–Ala–Leu.32蛋白质与多肽的区别：氨基酸残基数目？稳定的空间结构？＞50

——蛋白质10~50

——多肽不稳定的空间结构——多肽稳定的空间结构——蛋白质33（二）体内存在多种重要的生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,

-GSH)34GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换35

肽类激素主要见于下丘脑及垂体分泌的激素，如催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）。2.肽类激素及神经肽

神经肽

(neuropeptide)主要与神经信号转导作用相关，包括脑啡肽（5肽）、

-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。36三、蛋白质的分类根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分

（辅基）根据蛋白质形状:纤维状蛋白质球状蛋白质根据蛋白质功能:结构性蛋白质功能性蛋白质37蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节38一级结构(primarystructure)—基本结构二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)蛋白质的分子结构包括:

高级结构39定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质 的一级结构40DNA分子中结构基因的碱基序列决定蛋白质分子中的氨基酸排序。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。41蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。定义:主要的化学键：氢键

二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 的二级结构421.肽平面的概念参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptideunit)

。43

-螺旋(

-helix)

-折叠(

-pleatedsheet)

-转角(

-turn)无规卷曲(randomcoil)

2.蛋白质二级结构的主要构象形式周期性结构44Eachpeptidebondhassomedouble-bondcharacterduetoresonanceandcannotrotate.45(a)Formationofaright-handed

α-helix.(b)showingthe

intrachainhydrogenbonds.(0.54nm)(1)α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构46Knowingthe

RightHand

fromtheLeft.47Lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups.48theatomsinthecenterofthe

α-helixareinveryclosecontact.49(2)

-折叠使多肽链形成片层结构The

β-conformation

ofpolypeptidechains.50The

β-

conformation

ofpolypeptidechains.51(3)

-转角

-转角通常由4个氨基酸残基组成脯氨酸为亚氨基酸，形成肽键使肽链走向转折。52无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。(4)无规卷曲无规卷曲是刚性二级结构之间的柔软肽段，有利于三级结构的形成。533.模体是具有特殊功能的超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体(motif)

。模体是具有特殊功能的超二级结构。二级结构组合形式有3种ααβαβββ54α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体链-β转角-链模体链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体锌指结构(zincfinger)模体常见的形式555657三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠 形成蛋白质三级结构疏水键、氢键、离子键、VanderWaals力等。维系稳定的力量（次级键）:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。三级结构的定义:（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置5859Tertiarystructureofspermwhalemyoglobin.(a)Thepolypeptidebackbone.Mb-球形蛋白质60(e)Aspace-fillingmodelwithallaminoacidsidechains.功能性蛋白质至少应具有三级结构(球形)61（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域(domain)。结构域可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维结构。例如：转录因子有DNA结合域转录激活域二聚化结构域62（三）分子伴侣参与蛋白质折叠分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。63亚基之间的结合主要是氢键和离子键。四、含有二条以上多肽链的蛋白质 具有四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。64由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构寡聚体才有生物学活性。65血红素β亚基α亚基血红蛋白(Hb)

的四级结构66Levelsofstructureinproteins.折叠卷曲排序聚合Briefsummary67蛋白质结构与功能的关系

TheRelationofStructureandFunctionofProtein

第三节68（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构 与功能的基础1.蛋白质一级结构直接决定其空间构象

变性剂尿素→破坏氢键β-巯基乙醇→破坏二硫键核糖核酸酶的变性与复性实验2.蛋白质一级结构间接决定其生物学功能69透析氧化70（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异71（三）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu

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

·glu·····C(146)这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。72肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素(heme)的结构二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似73肌红蛋白(myoglobin,Mb)

肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。74血红蛋白(hemoglobin,Hb)血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。血红素β亚基α亚基75Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合76SaturationMyoglobinHemoglobinAsigmoid(cooperative)bindingcurve.77协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negativecooperativity)78血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。79变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。80脱氧Hb为紧张态(T态)，与氧的亲和力小。随着O2的结合，2个α-亚基之间的盐键断裂，