第十六章___氨基酸、多肽、蛋白质

第十六章氨基酸、多肽、蛋白质和酶的化学（简介）,蛋白质（protein）是生命的基础，没有蛋白质就没有生命。蛋白质是由氨基酸通过肽键（酰胺键）组成的高聚物。通常将分子量在一万以下的称为多肽，一万以上的称为蛋白质。氨基酸是构成蛋白质的基石，要了解蛋白质必先了解氨基酸。,蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。,木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）,根据分子中所含-NH2和-COOH的相对数目：中性氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸。,16.1氨基酸（Aminoacids）,分子中既含有氨基又有羧基的化合物称氨基酸。,-氨基酸,脯氨酸（-亚氨基酸）,16.1.1结构和分类,根据-NH2相对于-COOH的位置不同：-氨基酸、-氨基酸、-氨基酸等。,由蛋白质水解得到的都是-氨基酸(除脯氨酸外)，其构型都是L-构型（除甘氨酸外），都有旋光性。,挥发性低的白色结晶，一般熔点高，难溶于有机溶剂。,当分子内酸性基团的共轭碱的碱性弱于碱性基团时，由酸性基团和碱性基团所成的盐。,阴离子,阳离子,偶极离子,-氨基酸,内盐：,天然的-氨基酸都能形成内盐。,内盐分子中既有正离子部分，又有负离子部分，故又叫偶极离子。,L-(-)-甘油醛L-(+)-甘油酸L-(+)-3-溴-2-羟基丙酸L-(+)-乳酸,-OH在碳链右边者称为D-型甘油醛，实测为右旋；-OH在碳链左边者称为L-型甘油醛，实测为左旋。其它化合物的构型可通过与甘油醛建立起化学反应的方法确定。,与手性碳相连的化学键没有断裂，所以手性碳的相对构型不变。,以甘油醛为参考标准，在Fischer投影式中：凡氨基酸分子中-NH2的位置与甘油醛手性碳原子上-OH的位置相同者为L-型。,人为规定：,-氨基酸的构型通常采用D、L标记法。,16.1.2酸碱性与等电点,R=烃基、芳基等非极性基团或带有羟基、巯基等极性基团。,R=碱性基团如：-NH2、胍基和咪唑等。,中性氨基酸：,中性氨基酸的水溶液显弱酸性，因为-COOH的解离程度比-NH2大（-COOH，pKa=2.2；-NH2，pKa=4.6）,碱性氨基酸：,pHpI,向溶液中加入适量酸使pHpI，（）中的-NH3+给出质子，平衡右移，氨基酸主要以（）存在。,（）（）（）,在pH值不同的溶液中，氨基酸以阳离子、阴离子和偶极离子三种形式存在，它们之间形成一动态平衡。,氨基酸以（）存在时，其所带的正负电荷数相等，静电荷为零，呈电中性，在电场中不泳动，氨基酸处于等电状态，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（Isoelectricpoint），以pI表示。,*碱性氨基酸要达到等电点时，须加入适量的碱，其等电点在7.510.8。,*不同氨基酸有不同的等电点。,*中性氨基酸在水溶液中呈弱酸性，只有加入适量的酸才能调节至等电点，故中性氨基酸的等电点小于7，一般在5.06.5之间。,*酸性氨基酸须加入较多的酸才能达到等电点，其等电点较小，约在3左右。,在PH约为6的溶液中缬氨酸(PI=5.96)，静电荷为零，在电场中无明显的移动。谷氨酸(PI=3.22)，带净负电荷，在电场中向阳极移动。赖氨酸(PI=9.74)，带净正电荷，在电场中向阴极移动。,多肽和蛋白质分子中也有自由的氨基和羧基，它们是两性物质，也有等电点。,1.受热反应,16.1.3氨基酸的化学反应,-氨基酸：分子间交互脱水二酮吡嗪类,-氨基酸：分子内脱氨，不饱和酸,脱水或脱羧,或-氨基酸：分子内脱水-或-内酰胺,2.与亚硝酸的反应,3.脱羧反应,组胺酸,多肽、蛋白质与茚三酮的丙酮液加热，也可产生蓝紫色，此反应可用于蛋白质的定性与定量。,-氨基酸水溶液遇水合茚三酮，即显紫色或紫红色。,4.显色反应常用于氨基酸的鉴定,这是鉴定氨基酸的灵敏方法（脯氨酸除外）。,除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据,5.氨基酸的旋光性,16.2多肽和蛋白质,多肽与蛋白质之间没有明显的界限，一般将分子量在1万以下的称多肽。蛋白质的分子量则更高，结构也更复杂。,一分子氨基酸的-COOH与另一分子氨基酸的-NH2反应形成的酰胺类化合物称做二肽。,酰胺键,肽键,若干分子氨基酸按照这种形式依次结合形成的具有一定生理活性的化合物称做多肽（polypeptides）。,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。,16.2.1肽键和肽键的命名,在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,16.2.2肽键的结构及其特点,肽键,1.肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。2.组成肽键的原子处于同一平面。,3.肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。4.在大多数情况下，以反式结构存在。,在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。,16.2.3天然存在的多肽,+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Met-脑啡肽Leu-脑啡肽,L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-ValL-OrnL-OrnL-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu短杆菌肽S(环十肽)由细菌分泌的多肽，有时也都含有D-氨基酸和一些不常见氨基酸，如鸟氨酸（Ornithine,缩写为Orn）。,16.2.4蛋白质的结构组成,蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳50氢7氧23氮16%硫03其他微量,1.蛋白质的含氮量,氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近于16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：蛋白质含量（克%）=每克生物样品中含氮的克数6.25,2.蛋白质的大小与分子量,蛋白质是分子量很大的生物分子。对任一种给定的蛋白质来说，它的所有分子在氨基酸的组成和顺序以及肽链的长度方面都应该是相同的，即所谓均一的蛋白质。,蛋白质分子量的上下限是人为规定的，因为这决定于蛋白质和分子量概念的定义。某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基(多肽链)通过非共价结合而成的，称寡聚蛋白质。有些寡聚蛋白质的分子量可高达数百万甚至数千万。,3.蛋白质水解,蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。它在生物体内可以单独存在，但是更多的则是作为蛋白质的组成部分。蛋白质是由一个或多个多肽链通过共价键（主要是二硫键）或非共价力结合而成。应用化学或物理方法，可以将蛋白质拆分成多肽组分。,完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。,1.酸水解,常用6mol/L的盐酸或4mol/L的硫酸在105-110条件下进行水解，反应时间约20小时。此法的优点是不容易引起水解产物的消旋化。缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。,2.碱水解,一般用5mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。部分的水解产物发生消旋化。该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。,3.酶水解,目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（proteolyticenzyme）或称蛋白酶（proteinase）已有十多种。应用酶水解多肽不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。最常见的蛋白水解酶有以下几种：,Trypsin：R1=赖氨酸Lys和精氨酸Arg侧链（专一性较强，水解速度快）。,肽链,水解位点,胰蛋白酶,或胰凝乳蛋白酶（Chymotrypsin）：R1=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr;亮氨酸Leu，蛋氨酸Met和组氨酸His水解稍慢。,肽链,水解位点,糜蛋白酶,Pepsin：R1和R2R1=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr;亮氨酸Leu以及其它疏水性氨基酸水解速度较快。,肽链,水解位点,胃蛋白酶,thermolysin)：R2=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr;亮氨酸Leu，异亮氨酸Ileu,蛋氨酸Met以及其它疏水性强的氨基酸水解速度较快。,肽链,水解位点,嗜热菌蛋白酶,分别从肽链羧基端和氨基端水解,肽链,水解位点,羧肽酶和氨肽酶,16.4.2蛋白质的结构,蛋白质是由一条或多条多肽(polypeptide)链以特殊方式结合而成的生物大分子。蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。蛋白质分子量变化范围很大,从大约6000到1000000道尔顿甚至更大。,示例,16.2.4蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(Primarystructure)包括组成蛋白质的多肽链数目.多肽链的氨基酸顺序，以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,蛋白质一级结构的测定,蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自从1953年F.Sanger测定了胰岛素的一级结构以来，现在已经有上千种不同蛋白质的一级结构被测定。,1，样品必需纯（97%以上）；2，知道蛋白质的分子量；3，知道蛋白质由几个亚基组成；4，测定蛋白质的氨基酸组成；并根据分子量计算每种氨基酸的个数。5，测定水解液中的氨量，计算酰胺的含量。,1.测定蛋白质的一级结构的要求,2.测定步骤,(1)，多肽链的拆分。由多条多肽链组成的蛋白质分子，必须先进行拆分。,蛋白质一级结构的测定,2，测定步骤,(1)，多肽链的拆分。几条多肽链借助非共价键连接在一起，称为寡聚蛋白质，如，血红蛋白为四聚体，烯醇化酶为二聚体；可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍处理，即可分开多肽链(亚基).,蛋白质一级结构的测定,2，测定步骤,(2)，测定蛋白质分子中多肽链的数目。通过测定末端氨基酸残基的摩尔数与蛋白质分子量之间的关系，即可确定多肽链的数目。,蛋白质一级结构的测定,2，测定步骤,(3)，二硫键的断裂几条多肽链通过二硫键交联在一起。可在可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂保护生成的巯基，以防止它重新被氧化。,蛋白质一级结构的测定,2，测定步骤,可以通过加入盐酸胍方法解离多肽链之间的非共价力；应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。,蛋白质一级结构的测定,1,作用：这些反应可用于巯基的保护。,巯基（-SH）的保护,(4)测定每条多肽链的氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比；,蛋白质一级结构的测定,2，测定步骤,(5)分析多肽链的N-末端和C-末端。,蛋白质一级结构的测定,多肽链端基氨基酸分为两类：N-端氨基酸(amino-terminal)和C-端氨基酸。在肽链氨基酸顺序分析中，最重要的是N-端氨基酸分析法。,末端基氨基酸测定,Sanger法。2,4-二硝基氟苯在碱性条件下，能够与肽链N-端的游离氨基作用，生成二硝基苯衍生物（DNP）。在酸性条件下水解，得到黄色DNP-氨基酸。该产物能够用乙醚抽提分离。不同的DNP-氨基酸可以用色谱法进行鉴定。,末端基氨基酸测定,二硝基氟苯（DNFB）法,在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯）可以与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸。此法的优点是丹磺酰-氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以达到110-9mol。,末端基氨基酸测定,丹磺酰氯法,此法是多肽链C-端氨基酸分析法。多肽与肼在无水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与C-端氨基酸分离。,末端基氨基酸测定,肼解法,氨肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的向里水解。根基不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，按反应时间和氨基酸残基释放量作动力学曲线，从而知道蛋白质的N-末端残基顺序。最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶，水解以亮氨酸残基为N-末端的肽键速度最大。,末端基氨基酸测定,氨肽酶法,羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的水解。根基不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，从而知道蛋白质的C-末端残基顺序。,末端基氨基酸测定,羧肽酶法,目前常用的羧肽酶有四种：A,B,C和Y；A和B来自胰脏；C来自柑桔叶；Y来自面包酵母。羧肽酶A能水解除Pro,Arg和Lys以外的所有C-末端氨基酸残基；B只能水解Arg和Lys为C-末端残基的肽键。,2，测定步骤,(6)多肽链断裂成多个肽段，可采用两种或多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成两套或多套肽段或肽碎片，并将其分离开来。,蛋白质一级结构的测定,酶解法:胰蛋白酶，糜蛋白酶，胃蛋白酶，嗜热菌蛋白酶，羧肽酶和氨肽酶,多肽链的选择性降解,化学法：(Cyanogenbromide)溴化氰水解法，它能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。,多肽链的选择性降解,2，测定步骤,(7)测定每个肽段的氨基酸顺序。,蛋白质一级结构的测定,Edman（苯异硫氰酸酯法）氨基酸顺序分析法实际上也是一种N-端分析法。此法的特点是能够不断重复循环，将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。,Edman氨基酸顺序分析法,2，一般测定步骤,(8)确定肽段在多肽链中的次序。利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序。,蛋白质一级结构的测定,2，一般测定步骤,(9)确定原多肽链中二硫键的位置。,蛋白质一级结构的测定,一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键的多肽链，再利用双向电泳技术分离出各个肽段，用过甲酸处理后，将每个肽段进行组成及顺序分析，然后同其它方法分析的肽段进行比较，确定二硫键的位置。,二硫键位置的确定,16.3.2.2、蛋白质的三维结构,蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺旋、-折叠、-转角。,1蛋白质的二级结构,（1）-螺旋-helix,在-螺旋中肽平面的键长和键角一定；肽键的原子排列呈反式构型；相邻的肽平面构成两面角；,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含20.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子为右手-螺旋。,（1）-螺旋,-螺旋,（2）-折叠,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm；,-pleatedsheet,-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。,（2）-折叠,（3）-转角-turn,在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,2蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构(TertiaryStructure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。,3,蛋白质的四级结构,蛋白质的四级结构(QuaternaryStructure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；维持亚基之间的作用力主要是疏水力。由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；,四级结构的结构模型,两个亚基的结构,20.3.3蛋白质的性质,蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时(IsoelectricpointpI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负正荷，在电场中向负极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。,（1）蛋白质的两性离解和电泳现象,电泳,蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。,由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。,（2）蛋白质的胶体性质,蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。,（3）蛋白质的沉淀作用,在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。,（3）蛋白质的沉淀作用,可逆沉淀,在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。,（3）蛋白质的沉淀作用,不可逆沉淀,蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。,（4）蛋白质的变性,蛋白质的变性,变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。,大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。这三种氨基酸的在280nm附近有最大吸收。因此，大多数蛋白质在280nm附近显示强的吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。,（5）蛋白质的紫外吸收,16.3.4，蛋白质的分类,(1)依据蛋白质的外形分类按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。球状蛋白质：globularprotein外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。纤维状蛋白质：fibrousprotein分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。,（2）依据蛋白质的组成分类,按照蛋白质的组成，可以分为简单蛋白(simpleprotein)和结合蛋白(conjugatedprotein)。,简单蛋白,又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由-氨基酸组成的肽链，不含其它成分。1，清蛋白和球蛋白：albuminandglobulin广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。2，谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin)：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于7080乙醇中。3，精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。4，硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。,结合蛋白,由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成，色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。如血清-，-脂蛋白等。核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。,16.3.5几种重要的蛋白质类型,1纤维状蛋白纤维状蛋白质(fibrousprotein)广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊推动物体内蛋白质总量的一半成一半以上。这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比(长轴短轴)大于1()(小于：10的为球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构，这与其多肤链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。,纤维状蛋白质的类型,纤维状蛋白质可分为不溶性(硬蛋白)和可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管(microtubule)、肌动蛋白细丝(actinfilament)或鞭毛(flagella)，它们是球状蛋白质的长向聚集体(aggregate)。,（1）角蛋白Keratin,角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是-角蛋白。-角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。-角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度-拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转变成-折叠结构，称为-角蛋白。,毛发的结构,一根毛发周围是一层鳞状细胞(scaIecell)，中间为皮层细胞(corticalcelI)。皮层细胞横截面直径约为20m。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定于螺旋结构以及这样的组织方式。,角蛋白分子中的二硫键,卷发(烫发)的生物化学基础,永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemicalengineering),角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在构象状态，此外角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。,（2）-角蛋白,丝心蛋白(fibroin)这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。它具有0.7nm周期，这与角蛋白在湿热中伸展后形成的角蛋白很相似(0.65nm周期)。丝心蛋白是典型的反平行式公折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象，酰胺基的取向使相邻的C为侧链腾出空间，从而避免了任何空间位阻。在这种结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。,丝蛋白的结构,丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-,(3),肌球蛋白和肌动蛋白,肌肉的构成,骨骼肌以及很多非肌肉细胞含有两种形成特有的纤维状或丝状结构的蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白。按生物功能来说它们不是基本的结构蛋白质，它们参与需能的收缩活动。肌球蛋白是一种很长的捧状分子，有两条彼此缠绕的“螺旋肽链的尾巴和一个复杂的“头”。它的总分子量为450000，约160nm长，实际上含有六条肽链。长尾巴是由二条分子量各为200000的肽链组成，这两条肽链称为重链(heavychainH链)。重链具有柔软的可转动铰链。头是球形的，含有重链的末端和四条轻链(lightchain，L链)，其中两条称作L2，分子量为18000，另外两条称为Ll和L3,分子量分别为16000和25000。肌球蛋白分子的头部具有酶活性，催化ATP水解成ADP和磷酸，并释放能量。许多肌球蛋白分子装配在一起形成骨骼肌的粗丝(thickfilament)。肌球蛋白也存在于非肌肉细胞内。,在骨骼肌中与粗丝紧密缔合在一起的是细丝(thinfilament)，它由肌动蛋白组成。肌动蛋白以两种形式存在，球状肌动蛋白(G肌动蛋白)和纤维状肌动蛋白(F肌动蛋白)。纤维状肌动蛋白实际上是一根由G肌动蛋白分子(分子量为46000)缔合而成的细丝。两根F肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。,肌肉收缩过程,(4)胶原蛋白,胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I、H、HI和IV。下面主要讨论胶原蛋白I。腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensilestrength)，约为20-30kgmm2，相当于12号冷拉钢丝的拉力。骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着经磷灰石(hydroxyapatite)磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。,胶原蛋白的结构,胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子(tropocollagen)，长度为280nm，直径为1.5nm，分子量为300000。原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区带间距为60-70nm，其大小取决于胶原的类型和生物来源；原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子密度不同，这样通过14错位排列便形成间隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而呈现模纹区带。,胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，这是种右手超螺旋结构。螺距为8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为0.95nm，每一螺圈含20.3个残基,每一残基沿轴向的距离为0.29nm。胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。至今没有在球状蛋白质中发现。组成原胶原蛋白分子的肽至少有五种，l(I)，l(II)，l(III)，1(IV)和2。胶原蛋白I是由两条1(I)和一条2组合而成的三螺旋，1(I)22。这五种肽链氮基酸顺序不同，它们的分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右.一级结构分析表明，肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1yxy)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。,胶原纤维中的交联结构,胶原蛋白,生物体内胶原蛋白网,2球状蛋白,球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白质。这类蛋白结构紧密，分子的外层多为亲水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨基酸残基。因此，许多球蛋白分子的表面是亲水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白是血红蛋白。血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。,血红蛋白,血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。血红蛋白中，血红素Fe原子的第六配价键可以与不同的分子结合：无氧存在时，与水结合，生成去氧血红蛋白(Hb)；有氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红蛋白(HbO2)。血红蛋白与氧的结合不牢固，容易离解。HbO2的形成和离解受氧的分压和pH等因素的影响，氧的分压和pH较高时，有利于血红蛋白与氧的结合，反之，则有利于离解。,血红素,血红素在蛋白中的位置,血红蛋白的功能,血红蛋白除了运输氧和CO2外，还能够对血液的pH起缓冲作用。因为HbO2在释放出一分子氧的同时，结合一个氢质子。这样就可以消除由于呼吸作用产生的CO2引起pH的降低。,煤气中毒的机制,一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。,免疫球蛋白,免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serumglycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布在脾、肝和淋巴节等组织中。当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生，这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白。,免疫球蛋白的结构,免疫球蛋白G,人的免疫球蛋白可分为五大类，其分子量范围从150000到950000道尔顿。免疫球蛋白M(IgM)是对一个抗原作出反应时产生的第一个抗体。免疫球蛋白G(IgG)是一类最简单的免疫球蛋白。IgG含有两条相同的高分子量的重链(heavychain)和两条相同的低分子量的轻链(lightchain)。四条链通过二硫键共价联接成Y字形结构。每一免疫球蛋白分子含有二个抗原结合部位，它们位于Y形结构的二个顶点。,立体结构模型,抗体的特点,抗体具有两个最显著的特点，一是高度特异性，二是多样性。高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原抗体复合物往往是不溶的，因此常从溶液中沉淀出来，此即“沉淀反应”。在体外，沉淀反应已被广泛用于研究抗原抗体反应，并成为免疫学的基础。多样性就是它们可以和成千上万的各种抗原(天然的和人工的)起反应。般说来，一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远，则产生抗体所需的时间愈短，抗体反应也愈强。,抗原抗体的作用,抗原,某些低分子量的物质可以与抗体结合，但它们本身不能刺