第02章蛋白质结构与功能

第二章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein,主要内容,蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质的理化性质蛋白质的分类,什么是蛋白质?,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。,蛋白质是生命的物质基础,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,蛋白质的生物学功能,蛋白质的种类繁多,大肠杆菌约含蛋白质3000种，人体内含蛋白质10万余种。,蛋白质是细胞中含量最丰富的生物大分子,约占人体固体成分的45%，可达细胞干重的70%。,蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein,第一节,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、硒或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。,100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数6.25100,1/16%,蛋白质元素组成的特点,测氮的方法：凯氏定氮法,二、组成蛋白质的基本单位氨基酸,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)。,-氨基丙酸（丙氨酸）,-氨基乙酸（甘氨酸）,（一）氨基酸的命名,1.系统命名法以羧基为母体，碳原子的位次以阿拉伯数字或希腊字母标示。2.俗称,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。,（二）氨基酸的结构特点,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。,R代表氨基酸侧链,氨基酸的结构通式可用下式表示：,（三）氨基酸的分类,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且都有特异的遗传密码，为编码氨基酸。,根据侧链基团的结构和性质不同将20种氨基酸分为4类：,非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸,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。,蛋白质分子中几种特殊的氨基酸,1.脯氨酸是亚氨基酸。2.不少半胱氨酸在蛋白质中以胱氨酸形式存在。2个半胱氨酸脱氢以二硫键结合形成胱氨酸。3.被修饰的氨基酸羟脯氨酸、羟赖氨酸等。,甘氨酸结构最简单的氨基酸,-氨基乙酸（甘氨酸）,几种特殊氨基酸,脯氨酸（亚氨基酸）,半胱氨酸,胱氨酸,甘氨酸glycineGlyG5.97,丙氨酸alanineAlaA6.00,缬氨酸valineValV5.96,亮氨酸leucineLeuL5.98,异亮氨酸isoleucineIleI6.02,苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48,脯氨酸prolineProP6.30,非极性疏水性氨基酸,色氨酸tryptophanTryW5.89,丝氨酸serineSerS5.68,酪氨酸tyrosineTryY5.66,半胱氨酸cysteineCysC5.07,蛋氨酸methionineMetM5.74,天冬酰胺asparagineAsnN5.41,谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65,苏氨酸threonineThrT5.60,2.极性中性氨基酸,天冬氨酸asparticacidAspD2.97,谷氨酸glutamicacidGluE3.22,赖氨酸lysineLysK9.74,精氨酸arginineArgR10.76,组氨酸histidineHisH7.59,3.酸性氨基酸,4.碱性氨基酸,编码氨基酸的结构,甘氨酸Glycine,脂肪族氨基酸,-氨基乙酸,氨基酸的结构,脂肪族氨基酸,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine,-氨基丙酸,氨基酸的结构,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine缬氨酸Valine,脂肪族氨基酸,-氨基异戊酸,氨基酸的结构,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine缬氨酸Valine亮氨酸Leucine,脂肪族氨基酸,-氨基异己酸,氨基酸的结构,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine缬氨酸Valine亮氨酸Leucine异亮氨酸Ileucine,脂肪族氨基酸,-氨基-甲基戊酸,氨基酸的结构,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine缬氨酸Valine亮氨酸Leucine异亮氨酸Ileucine脯氨酸Proline,亚氨基酸,-吡咯烷基-羧酸,氨基酸的结构,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine缬氨酸Valine亮氨酸Leucine异亮氨酸Ileucine脯氨酸Proline甲硫氨酸Methionine,含硫氨基酸,-氨基-甲硫基丁酸,氨基酸的结构,甘氨酸Glycine丙氨酸Alanine缬氨酸Valine亮氨酸Leucine异亮氨酸Ileucine脯氨酸Proline甲硫氨酸Methionine半胱氨酸Cysteine,含硫氨基酸,-氨基-巯基丙酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸Phenylalanine,-氨基-苯基丙酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine,-氨基-对羟苯基丙酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸TryptophanTrp,-氨基-吲哚基丙酸,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸Arginine,-氨基-胍基戊酸,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸Arginine赖氨酸Lysine,，-二氨基己酸,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸Arginine赖氨酸Lysine组氨酸Histidine,-氨基-咪唑基丙酸,氨基酸的结构,天冬氨酸Aspartate,酸性氨基酸,-氨基丁二酸,氨基酸的结构,天冬氨酸Aspartate谷氨酸Glutamate,酸性氨基酸,-氨基戊二酸,氨基酸的结构,丝氨酸Serine,含羟基氨基酸,-氨基-羟基丙酸,氨基酸的结构,丝氨酸Serine苏氨酸Threonine,含羟基氨基酸,-氨基-羟基丁酸,氨基酸的结构,天冬酰胺Asparagine,含酰胺氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺Asparagine谷酰胺Glutamine,含酰胺氨基酸,（四）氨基酸的理化性质,2.两性解离及等电点,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.物理性质都是白色晶体，熔点较高。能溶于强酸和强碱溶液；在水中的溶解度各不相同。,pHpI,pHpI,阳离子,阴离子,pH=pI,氨基酸的兼性离子,3.紫外吸收,色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的最大吸收峰在280nm附近。,大多数蛋白质含有这三种氨基酸残基，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。,4.茚三酮反应,氨基酸与水合茚三酮共热，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。脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色化合物。,三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,*肽键(peptidebond)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。,（一）肽(peptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,*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)。,N末端：多肽链中有自由氨基的一端,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结构。,多肽链的方向：N端C端,C末端：多肽链中有自由羧基的一端,（二）生物活性肽,1.谷胱甘肽(glutathione,GSH),GSH的生理功能：清除氧化剂，保护含巯基蛋白质活性,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein,第二节,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,主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,二、蛋白质的空间结构,主要的化学键：氢键,肽键有部分双键性质,肽键由于共振而具有部分双键性质，因此，肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面相邻的a碳原子呈反式构型,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋(-helix)-折叠(-pleatedsheet)-转角(-turn)不规则卷曲(randomcoil),（1）-螺旋,唯一获得诺贝尔科学奖与和平奖的科学家鲍林既是一位在多个研究领域取得重大成果的科学家，又是一个富有正义感的社会活动家。50年代他积极组织和参加反对核武器的和平运动，为此他受到美国政府的传讯与长期监视。1958年他发起并组织了有世界各国上万名著名科学家签名的呼吁书，要求美、苏等国停止核试验，裁减核军备。他因此荣获了1962年诺贝尔和平奖。,TheNobelPeacePrize1962,LinusCarlPauling,-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,-折叠包括平行式和反平行式两种类型,N端,N端,N端,C端,C端,C端,N端,C端,-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,-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1残基的-CO基与第4残基的-NH基之间形成氢键来维系。,（4）不规则卷曲,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,疏水作用力、离子键、氢键和vanderWaals力等。,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。,（一）定义,结构域（domain）分子量大的蛋白质在形成三级结构时，肽链中某些局部的二级结构汇集在一起，形成发挥生物学功能的特定区域，称为结构域。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。,肌红蛋白(Mb),亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键（盐键）。,（三）蛋白质的四级结构,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)。,血红蛋白的四级结构,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。,蛋白质的结构简要回顾,从一级结构到四级结构,血红蛋白,蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列,蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠,Primarystructure,Secondarystructure,蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构,蛋白质的四级结构是亚基的空间排列,Polypeptide(singlesubunitoftransthyretin),Transthyretin,withfouridenticalpolypeptidesubunits,Tertiarystructure,Quarternarystructure,一级结构：肽键、二硫键二级结构：氢键三级结构：疏水相互作用力（疏水键）、氢键、范德华力、盐键等四级结构：疏水相互作用力、氢键、盐键等,维系蛋白质分子的一、二、三、四级结构稳定的作用力,（一）蛋白质一级结构与功能的关系,三、蛋白质结构与功能的关系,例如：镰刀形红细胞贫血,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）蛋白质空间结构与功能的关系,例如：疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。,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。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。,第三节,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,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。,2.蛋白质的等电点（pI）,OH,-,H,+,(pHpI),(pHpI),(pHpI),H,+,蛋白质的阳离子,蛋白质的兼性离子,蛋白质的阴离子,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。,电泳：带电粒子在电场中向相反电极移动的现象。可用于分离蛋白质混合物。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。,3.电泳,常见垂直平板电泳示意图,A：染色后显示的蛋白质区带B：光密度扫描定量分析,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。,二、蛋白质的胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,*蛋白质胶体稳定的因素1.颗粒表面同种电荷2.水化膜,带正电荷的蛋白质,带负电荷的蛋白质,在等电点的蛋白质,水化膜,带负电荷的蛋白质,不稳定的蛋白质颗粒,溶液中蛋白质的聚沉,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。,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,*蛋白质的变性(denaturation)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。,造成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。,变性的本质,次级键断裂（有时也包括二硫键），空间结构破坏，但蛋白质的一级结构不改变。,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,应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)。,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,蛋白质沉淀(proteinprecipitation),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。变性的蛋白质易于沉淀，但不一定都发生沉淀。沉淀的蛋白质易发生变性，但并不都变性，如盐析。,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。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。,四、蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,五、蛋