蛋白质的结构与功能

第二章 蛋白质的结构与功能,(Structure and Function of Protein),一、什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,二、蛋白质的生物学功能,(一) 蛋白质在生物体内的分布特征 1.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。 2.含量高 蛋白质占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。 3.种类多 人体中蛋白质种类达十万余种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。,1.作为生物催化剂（酶） 2.代谢调节作用 3.免疫保护作用 4.物质的转运和存储 5.运动与支持作用 6.参与细胞间信息传递 7.氧化供能,(二) 蛋白质的生物学功能,三、蛋白质的分类,(一)根据蛋白质组成成分,1.单纯蛋白质,2.结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分,(二)根据蛋白质形状,1.纤维状蛋白质,2.球状蛋白质,第一节 蛋白质的分子组成,一、蛋白质的元素组成,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 。,(一)组成蛋白质的元素,(The Molecular Component of Protein),二、蛋白质的基本单位氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但有遗传密码的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,(一)氨基酸的通式,各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）的不同，故具有不同的理化性质。,非极性侧链氨基酸(8种) 水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。 极性中性侧链氨基酸(7种) 易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性(除外色氨酸) 。 酸性氨基酸(2种) 侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。 碱性氨基酸（3种） 侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+ 而带正电荷。,(二)氨基酸的分类,20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,缬氨酸 valine Val V 5.96,1.非极性侧链氨基酸 (8种),甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,H,CH3,CH3-CH,CH3,CH3-CH2-CH,CH3,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,2.极性中性侧链氨基酸 (7种),色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,3.酸性氨基酸 (2种),天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,HOOC-CH2,4.碱性氨基酸 (3种),中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,1.含硫氨基酸 半胱氨酸和甲硫氨酸,(三)几种特殊氨基酸,2.芳香族氨基酸,3.支链氨基酸,亮氨酸,CH2,CHCOOH,NH2,苯丙氨酸,4.亚氨基酸,脯氨酸,(四)氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。,等电点(isoelectric point, 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。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 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的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,波长(nm),三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,(一)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。,肽键,1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,(二)肽(peptide),3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。,4.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)。,5.多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。分别有：,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端， C 末端：多肽链中有自由羧基的一端。,(三) 几种生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸,体内许多激素属寡肽或多肽。,2.多肽类激素,焦谷氨酸 组氨酸 脯氨酰胺,促甲状腺素释放激素(TRH),(The Molecular Structure of Protein),蛋白质的分子结构包括： 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),第二节 蛋白质的分子结构,空间结构,1.定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,2.主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,二、蛋白质的二级结构,1.定义 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 。,2.主要的化学键 氢键,(一)定义与主要化学键,(二)蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),三、蛋白质的三级结构,疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。,2.主要的化学键,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。,1. 定义,维持蛋白质分子构象的各种化学键,肌红蛋白 (Mb),2.主要化学键 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,四、蛋白质的四级结构,1.定义 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)。,血红蛋白是由含有血红素的2个亚基和2个亚基组成的四聚体。,血红蛋白的四级结构,(一)一级结构与功能的关系,五、蛋白质结构与功能的关系,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,核糖核酸酶一级结构与功能的关系,2.血红蛋白一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血,N-val his leu thr pro glu glu C(146),HbS 肽链,HbA 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”。,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,蛋白的结构功能关系,整体的构象决定功能； 一级结构决定特定环境下的构象； 酶是蛋白质,有一、二、三、四级结构 影响蛋白质结构和功能的因素均能影响酶活性,第三节 蛋白质的理化性质 (The Physical and Chemical Characters of Protein),一、蛋白质的两性解离和等电点,(一) 两性解离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团，故称两性解离。,当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,(二) 蛋白质的等电点,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,1. 变性的本质,即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质 肽链的一级结构。,(一) 蛋白质的变性(denaturation),2.导致变性的因素 如高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属离子、生物碱试剂及辐射等因素。,3.应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗