第一章蛋白质结构与功能

第一章 蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein 商洛职业技术学院 大头娃娃 2004年在安徽阜阳农村 很多刚出生不久的婴儿陆续患上一种怪病 头脸肥大 四肢细短 全身浮肿 成了畸形的 大头娃娃 根据医院的诊断 这些婴儿所患的都是营养不良综合征 而扼杀这些幼小生命的 元凶 正是蛋白质等营养元素指标严重低于国家标准的劣质婴儿奶粉 商洛职业技术学院 三鹿毒奶粉事件 2008年9月 中国爆发三鹿婴幼儿奶粉受污染事件 导致食用了受污染奶粉的婴幼儿产生肾结石病症 其原因是奶粉中含有三聚氰胺 三聚氰胺不是食品原料 也不是食品添加剂 是作为化工原料 可用于塑料 涂料 粘合剂 食品包装材料的生产 合格奶粉蛋白质含量为18 计算 含氮量为2 88 而三聚氰胺含氮量为66 6 是牛奶的151倍 是奶粉的23倍 主要内容 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 学习要点 掌握蛋白质的元素组成及特点 氨基酸的结构特点及连接方式 掌握蛋白质各级结构及维持各级结构稳定的作用力 掌握蛋白质的两性解离和等电点 蛋白质变性 熟悉蛋白质的胶体性质 沉淀 紫外吸收和呈色反应 熟悉蛋白质的理化性质 了解蛋白质的结构与功能的关系 蛋白质是生物体的重要组成成分 蛋白质的生物学重要性 蛋白质的种类多 大肠杆菌约含蛋白质3000种 人体内含蛋白质10万余种 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 蛋白质是生命的物质基础 重要的生物学功能 1 催化功能2 调节功能3 支持功能4 运输功能5 营养功能 6 运动功能7 防御功能8 识别功能9 信息传递功能10 凝血与抗凝血功能 氧化供能 蛋白质的生物学重要性 第一节蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein 组成蛋白质的元素主要C H O N和S有些蛋白质含少量P Se Fe Cu Zn Mn Co Mo 个别蛋白质还含有I 一 蛋白质的元素组成 蛋白质的元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近 平均为16 1g氮相当于6 25g蛋白质 生物体内的含氮物质主要是蛋白质 因此只要测定生物样品的含氮量就可按下式计算出其蛋白质大致含量 100g样品中蛋白质的含量 g 每克样品中含氮克数 6 25 100 二 蛋白质的基本组成单位 氨基酸 蛋白质受酸 碱或蛋白酶水解产生游离氨基酸 因此 组成蛋白质的基本单位是 氨基酸 aminoacid 自然界存在的氨基酸有300多种 但组成人体蛋白质氨基酸仅有20种 且都有特异的遗传密码 为编码氨基酸 一 氨基酸的结构特点 R代表氨基酸侧链 氨基酸的结构通式可用下式表示 1 组成蛋白质的氨基酸都是 氨基酸 脯氨酸为 亚氨基酸 碳原子 即与 COOH相邻碳原子 氨基均连在 碳原子上 故为 氨基酸 2 组成人体蛋白质的氨基酸都是L型 即L 氨基酸 不同的氨基酸其侧链不同 除甘氨酸外 其余氨基酸的 碳原子分别连接4个不同原子或基团 是手性碳原子 有两种不同的构型 即L型和D型 二 氨基酸的分类 基本氨基酸的分类方法一 按侧链结构分类脂肪族氨基酸 15种 芳香族氨基酸 3种 杂环氨基酸 2种 二 氨基酸的分类 基本氨基酸的分类方法二 按侧链R基团极性分类非极性 疏水 氨基酸 9种 极性不带电荷氨基酸 6种 极性带正电荷氨基酸 碱性氨基酸 3种 极性带负电荷氨基酸 酸性氨基酸 2种 1 非极性疏水氨基酸侧链为烃基 吲哚环 甲硫基等疏水性基团 这类氨基酸在水中的溶解度小于极性中性氨基酸 2 极性中性氨基酸侧链为羟基 巯基 或酰氨基等极性基团 有亲水性 但在中性水溶液中不电离的氨基酸 3 酸性氨基酸侧链上有羧基 在水溶液中能释放出H 而带负电荷的氨基酸 有谷氨酸 天冬氨酸 4 碱性氨基酸侧链上有氨基 胍基或咪唑基 在水溶液中能结合H 而带正电荷的氨基酸 有赖氨酸 精氨酸和组氨酸等 二 氨基酸的分类 基本氨基酸的分类方法三 按人体能否合成分类必需氨基酸 机体不能自身合成 必须由食物供给的氨基酸 八种 半必需氨基酸 人体可合成 但合成量不足 如精氨酸及组氨酸 非必需氨基酸 可自身合成且能满足需要的氨基酸 10种 三 氨基酸在蛋白质分子中的连接方式 一 肽键和肽肽键 peptidebond 是由一个氨基酸分子的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱水缩合形成的化学键 氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽 由两个氨基酸形成的肽称为二肽 由三个氨基酸形成的肽称三肽 以此类推 通常将10个以内的氨基酸形成的肽称为寡肽 十肽以上者称为多肽 多肽分子中的氨基酸相互连接形成长链 称为多肽链 肽链中的氨基酸因脱水缩合已不是完整的氨基酸 故称为氨基酸残基 氨基酸由肽键连接成的长链骨架 称为主链 而各氨基酸残基的R基团统称为侧链 多肽链有两端有自由氨基的一端称为氨基末端或N端 通常写在多肽链的左侧 有自由羧基的一端称为羧基末端或C端 通常写在多肽链的右侧 多肽链中氨基酸残基的顺序编号从N端开始 肽的命名也从N端开始 如由谷氨酸 半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽称为谷氨酰半胱氨酰甘氨酸 简称为谷胱甘肽 GSH SH为活性基团 为酸性肽 二 生物活性肽生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽 1 谷胱甘肽有还原型 GSH 与氧化型 GSSG 两种存在形式 GSH是体内重要的还原剂 对机体起到保护作用 GSH过氧化物酶 NADPH H NADP GSH还原酶 2 多肽类激素和神经肽肽类激素种类较多 生理功能各异 主要见于下丘脑及垂体分泌的激素 神经肽在神经传导中发挥信号作用 促甲状腺素释放激素 TRH 3肽 3 其他催产素 升压素 9肽脑肽 种类多 其中脑啡肽重要 为5肽胆囊收缩素 33肽 与消化有关胰高血糖素 29肽 促进血糖浓度增大 第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein 蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接形成的具有特定分子结构的高分子化合物 蛋白质的分子结构可分为一级 二级 三级和四级 一级结构是蛋白质的基本结构 二级 三级 四级结构称为高级或空间构象 一 蛋白质的一级结构 primarystructure 概念是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 主要的化学键肽键 有些蛋白质还含有二硫键 胰岛素 Insulin 世界上第一个被确定一级结构的蛋白质 人胰岛素的一级结构 一级结构是决定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唯一因素 测定蛋白质的一级结构的主要意义 一级结构是研究高级结构的基础 可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序 二 蛋白质的空间结构 空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系 称为蛋白质的构象 蛋白质的构象分为主链构象和侧链构象 一 蛋白质的二级结构 secondarystructure 概念是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间排列 不涉及氨基酸残基侧链的构象 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键 蛋白质二级结构的主要形式 螺旋 折叠 转角无规卷曲 1 螺旋 helix 最常见 螺旋的结构特点 多肽链以肽键平面为单位 碳原子为转折点 有规律的盘绕成右手螺旋结构 每3 6个氨基酸残基盘绕一圈 螺距为0 54nm 相邻螺旋的肽键之间形成氢键 方向与长轴基本平行 维持螺旋的稳定 R基团伸向螺旋外侧 其大小 形状及电荷性质均影响 螺旋的形成 2 折叠 pleatedsheet 侧视图 俯视图 折叠的结构特点 多肽链呈伸展状态 肽键平面沿长轴折叠呈锯齿状 两平面间夹角为110 R基交替地伸向锯齿状结构的上下方 若干肽段互相靠拢 平行排列 通过氢键连接 氢键的方向与长轴垂直 若两条肽段走向一致 N端 C端方向相同 称为顺向平行 反之 称之为逆向平行 逆向更稳定 3 转角 turn 转角的特点 主链骨架本身以大约180 回折 回折部分通常由4个氨基酸残基构成 构象依靠第一残基的 CO基与第四残基的 NH基之间形成氢键来维系 4 无规卷曲 nonregularcoil 是指多肽链中除了以上几种比较规则的构象外 其余没有确定规律性的那部分肽链构象 二 蛋白质的三级结构 tertiarystructure 概念是指整条肽链中所有原子的空间排布 它包括主链构象和侧链构象 主要化学键疏水键 氢键 盐键等非共价键和二硫键 疏水键是维持三级结构稳定的最主要作用力 超二级结构 supersecondarystructure 超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用 形成有规则的 在空间上能辨认的二级结构组合体 结构域 domain 是在超二级结构基础上进一步卷曲折叠成紧密的近似球状的结构 在空间上彼此分隔 各自具有部分生物功能的结构 由一条多肽链形成的蛋白质 其最高级结构为三级结构 只有具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性 结构域 domain 小的蛋白质分子只有一个结构域 大的蛋白质分子有数个结构域 结构域 三级结构 概念蛋白质分子中各亚基之间的空间排布和相互接触关系 体内有许多蛋白质分子是由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键聚合而成 其中每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基 化学键氢键 盐键 范氏引力 疏水键等非共价键 三 蛋白质的四级结构 quaternarystructure 蛋白质结构中应注意的几个问题 由一条多肽链形成的蛋白质其最高级结构为三级 具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性 形成蛋白质的四级结构至少要有两条多肽链 两条或两条以上的多肽链靠共价键连接的蛋白质没有四级结构 由一条多肽链形成的蛋白质与亚基不同 维持蛋白质结构的作用力 一级结构 肽键 二硫键 都属于共价键 二级结构 氢键 主链上 C O 和N H之间形成 三 四级结构 次级键 氢键 疏水键 离子键 范德华力 配位键 蛋白质分子中的次级键 氢键常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子与另一电负性很强的原子之间 蛋白质分子中氢键的形成 氢键 疏水键非极性物质在含水的极性环境中存在时 会产生一种相互聚集的力 这种力称为疏水键或疏水作用力 蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的 这些非极性的基团在水中也可相互聚集 形成疏水键 如Leu Ile Val Phe Ala等的侧链基团 离子键 盐键 是由正 负离子间通过静电引力相互吸引而形成的化学键 在近中性环境中 蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷 而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷 二者之间可形成离子键 范德华氏 vanderWaals 引力原子之间存在的相互作用力 商洛职业技术学院 从一级结构到四级结构 按组成分类单纯蛋白质 仅由氨基酸组成结合蛋白质 蛋白部分和非蛋白部分组成按分子形状分类球状蛋白质纤维状蛋白质按功能分类活性蛋白质非活性蛋白质 三 蛋白质的分类 第三节蛋白质结构与功能的关系 一 蛋白质一级结构与功能的关系一级结构决定蛋白质的空间结构 一级结构决定蛋白质的生物学功能 二 蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质构象是其生物学功能的基础 构象改变功能改变 商洛职业技术学院 同种蛋白质中氨基酸顺序的个体差异 分子病 血红蛋白的一级结构变化引起镰刀型贫血病 正常细胞镰刀形细胞 血液中大量出现镰刀型红细胞 患者因此缺氧窒息 它是最早认识的一种分子病 流行于非洲 死亡率极高 大部分患者童年时就夭折 活过童年的寿命也不长 它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变 第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein 一 蛋白质的两性解离与等电点 1 蛋白质是两性电解质蛋白质分子中可解离的基团多肽两端游离的 氨基和 羧基多肽侧链R上解离的基团决定蛋白质解离成正负离子的因素蛋白质所含酸性和碱性基团的数目蛋白质所在溶液的PH值利用蛋白质两性电离的性质 可通过电泳 离子交换层析 等电聚焦等技术分离蛋白质 2 蛋白质的等电点 isoelectricpoint pI 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 体内大多数蛋白质的等电点在pH5 0左右 因而在生理条件下以阴离子形式存在 3 电泳 elctrophoresis 带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象 蛋白质在带电场中泳动的速度和方向与其所带电荷的性质 数量及分子的大小 形状有关 带电荷多 分子小的泳动速度较快 反之则泳动较慢 从而达到分离蛋白质的目的 血清蛋白醋酸纤维素薄膜电泳可将血清蛋白分为清蛋白 1球蛋白 2球蛋白 球蛋白 球蛋白 A 染色后显示的蛋白质区带B 光密度扫描定量分析 二 蛋白质的胶体性质 1 蛋白质有胶体性质蛋白质是生物大分子 分子量在1万 10万之间 分子直径在胶体颗粒的范围 1 100nm 因此 蛋白质具有胶体的性质 具有胶体溶液的特征如布朗运动 丁达尔现象 电泳现象 不能透过半透膜 并具有吸附能力 2 蛋白质亲水胶体稳定的因素蛋白质分子表面的水化膜和同种电荷 去掉两个稳定因素 则蛋白质从溶液中析出而产生沉淀 3 蛋白质胶体性质的应用透析用于分离纯化蛋白质超速离心用于蛋白质的分离纯化及分子量的测定 变性的概念在某些物理或化学因素的作用下 蛋白质特定的空间构象被破坏 从而导致其理化性质改变和生物活性丧失 称为蛋白质的变性 变性的实质次级键断裂 空间结构破坏 不改变蛋白质的一级结构 三 蛋白质的变性 沉淀和凝固 一 蛋白质的变性 denaturation 引起变性的因素物理因素高温 高压 紫外线 电离辐射 超声波等 化学因素强酸 强碱 有机溶剂 尿素 重金属盐等 变性蛋白质的特点A 生物学活性丧失B 溶解度降低 易于沉淀C 粘度增加D 结晶能力消失E 易被蛋白酶水解 蛋白质变性的应用 应用变性的因素进行消毒 灭菌 保存生物制剂则要防止蛋白质变性 蛋白质的复性 renaturation 大多数蛋白质变性后 空间构象严重破坏 不能恢复其天然状态 称为不可逆性变性 若蛋白质变性程度较轻 去除变性因素 有些可恢复其天然构象和生物活性 称为蛋白质的复性 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 二 蛋白质沉淀 概念蛋白质从溶液中析出的现象称为沉淀 方法盐析法 有机溶剂的沉淀 重金属盐沉淀 生物碱试剂沉淀 三 蛋白质的凝固 proteincoagulation 加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固 此凝块不溶于强酸或强碱中 凝固实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果 四 蛋白质变性与