第1章 蛋白质的结构与功能

1、第1章蛋白质的结构与功能学习要求1.掌握蛋白质的概念及其生物学意义、分子组成、结构与功能及其相互关系。2.熟悉蛋白质的理化性质及其应用。3.了解蛋白质的分离、纯化与结构分析。基本知识点蛋白质是重要的生物大分子,在体内分布广泛,含量丰富,种类繁多。每一种蛋白质都有其特定的空间结构和生物学功能。组成蛋白质的基本单位是L-氨基酸,共20种,根据其侧链的结构和理化性质可以分为:非极性脂肪族氨基酸、极性中性氨基酸、芳香族氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。氨基酸属于两性电解质,在溶液pH等于pI时,氨基酸呈兼性离子。氨基酸可通过肽键相连成肽。小于10个氨基酸组成的肽称为寡肽,大于10个氨基酸组成的肽称为多肽

2、。蛋白质的分子结构可以分为一级、二级、三级和四级结构四个层次。蛋白质的一级结构即氨基酸的排列顺序,其主要化学键为肽键,还包括二硫键的位置;形成肽键的6个原子处于同一平面,构成肽单元。二级、三级和四级结构统称为蛋白质的空间构象,二级结构是指蛋白质主链局部的空间构象,不涉及氨基酸残基侧链构象。主要为-螺旋、-折叠、转角和无规卷曲,以氢键维持其稳定性;在蛋白质分子中,空间上相邻的两个或三个具有二级结构的肽段,完成特定的生物学功能,称为模体;三级结构是指多肽链主链和侧链的全部原子的空间排布位置。三级结构的形成和稳定主要靠次级键;一些蛋白质的三级结构可形成一个或数个球状或纤维状的区域,各行其功能,称为结

3、构域;四级结构是指蛋白质亚基之间的缔合,主要也靠次级键维系。一级结构是空间结构的基础,也是功能的基础,一级结构相似的蛋白质,其空间构象与功能也相似。蛋白质一级结构发生改变则影响其正常功能,由此引起的疾病称分子病。生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程,其中多肽链的正确折叠对其正确构象的形成和功能发挥至关重要。蛋白质折叠成何种构象,除一级结构为决定因素外,还需要分子伴侣的参与。若蛋白质折叠发生错误,虽然其一级结构不变,但蛋白质构象发生改变,仍可影响其功能,严重时可以导致疾病发生,该疾病被称为蛋白质构象病。蛋白质的空间构象与功能有密切的关系。在某些理化因素作用下,蛋白质的空间构象发生改变

4、,导致其理化性质变化和生物学活性的丧失,称为蛋白质的变性。蛋白质发生变性时,一级结构并未破坏。若蛋白质变性程度较低,去除变性因素后,有些蛋白质可以恢复原有的空间构象和功能,称为复性。分离纯化蛋白质是研究单个蛋白质结构与功能的先决条件。通常利用蛋白质的理化性质,采用不损伤蛋白质结构和功能的物理方法来纯化蛋白质。自测练习题一、选择题(一A型题E.D -氨基酸D.-氨基、-羧基是形成肽键的基团C.多肽链主链构象由肽单元上C原子所连两个单键的自由旋转角度决定。B.-C、C、N-C.-N、C、C-D.- C、C 、N-E.-N、C、CO-11.关于蛋白质亚基的叙述,正确的是A.中和电荷、破坏水化膜A.一

5、级结构相近的蛋白质,其功能也相近C.不同生物来源的相同功能蛋白质,其一级结构完全相同D.一级结构中任何氨基酸的改变,均可使其生物活性丧失E.一级结构中任何氨基酸的改变,都不会影响其功能16.基因突变引起的蛋白质结构改变,主要变化在17.蛋白质在280nm处有最大的吸收峰,主要是由下列哪组氨基酸引起的22.关于蛋白质肽键的叙述,错误的是D.在pH 0pH 14范围内,肽键的亚氨基有明显解离倾向A.马肝过氧化氢酶(分子量为247500B.肌红蛋白(分子量为16900C.血清清蛋白(分子量为68500D.牛乳球蛋白(分子量为35000E.牛胰岛素(分子量为570027.关于谷胱甘肽的叙述,下列正确的

6、是28.蛋白质分子中一个氨基酸发生改变,则该蛋白质29.关于蛋白质功能的叙述,错误的是(二B型题2.使多肽链走向转折,不形成-螺旋9.调节蛋白质溶液的pH,使其达到pI,则蛋白质易于10.蛋白质轻度变性后,去除变性因素,可使14.3-磷酸甘油醛脱氢酶与NAD+结合的区域是(三X型题1.关于氨基酸的叙述,正确的是4.关于肽单元的叙述,正确的是B.C1、C、O、N、H、C2六个原子位于同一平面D.在肽单元中,与-碳相连的单键可以自由旋转E.相邻两个肽单元的相对位置与-碳原子两侧单键旋转无关。6.关于分子伴侣的叙述,正确的是7.关于血红蛋白结合氧的叙述,正确的是A.仅高级结构受到破坏,一级结构无变化

7、9.可根据蛋白质的下列哪些特性来分离、纯化蛋白质二、是非题1.生物体内只有蛋白质才含有氨基酸。2.所有的蛋白质都具有一、二、三、四级结构。3.蛋白质分子中个别氨基酸的取代不一定会引起蛋白质活性的改变。4.镰刀型红细胞贫血病是一种分子病,其病因是由于正常血红蛋白分子中的一个谷氨酸残基被缬氨酸残基所取代。5.在蛋白质和多肽中,只有一种连接氨基酸残基的共价键,即肽键。6.天然氨基酸都有一个不对称-碳原子。7.变性后的蛋白质其分子量也发生改变。8.蛋白质在等电点时净电荷为零。9.一个氨基酸残基就是一个肽单元。10.含有四个二硫键的牛胰核糖核酸酶,用巯基乙醇和尿素使其还原和脱水,若去除变性因素,其原有功

8、能仍可恢复。11.血红蛋白与肌红蛋白结构相似,均是含有一条肽链的铁卟啉结合蛋白,所以功能上都有与氧结合的能力,血红蛋白与氧的亲和力较肌红蛋白更强。12.二硫键和蛋白质的三级结构密切有关,因此没有二硫键的蛋白质就没有三级结构。13.凝胶过滤法可用于测定蛋白质的分子量,分子量小的蛋白质先流出柱,分子量大的后流出柱。14.具有四级结构的蛋白质,当它们的每个亚基单独存在时仍能保持蛋白质原有的生物学性质。15.肽单元上-碳原子所连的两个单键的自由旋转角度决定了肽单元相对空间位置。16.两条单独肽链经链间二硫键交联,组成蛋白质分子,这两条肽链是该蛋白质的亚基。17.蛋白质变性是蛋白质分子空间构象被破坏,并

9、不涉及一级结构的改变。18.当某一蛋白质分子的酸性氨基酸残基数目等于其碱性氨基酸残基数目时,此蛋白质的等电点为7.0。19.-螺旋中Glu出现的概率很高,因此poly Glu可以形成最稳定的a-螺旋。20.一级结构决定空间结构,所以蛋白质合成中新生肽链的折叠无需其他蛋白质的帮助。三、填空题1.人体蛋白质的基本组成单位是,共有种。2.组成蛋白质的氨基酸根据其侧链的结构及理化性质可分为、。3.蛋白质在nm处有特异吸收峰是有赖于和。4.谷胱甘肽的第一个肽键是由谷氨酸的与半胱氨酸的-氨基形成,其功能基团是。5.蛋白质三级结构的形成与稳定主要靠维系,如、和。6.蛋白质二级结构是指蛋白质分子中的局部空间结

10、构,也就是该肽链的相对空间位置,并氨基酸残基侧链的构象。7.体内有生物活性的蛋白质至少具有结构,有的还有结构。8.根据蛋白质的组成成分可分为蛋白质和蛋白质。9.肽单元上原子所连的两个单键的决定了两个相邻肽单元平面的相对空间位置。10.蛋白质空间构象的正确形成,除为决定因素外,还需一类称为的蛋白质及其它的一些酶类。11.血红蛋白的氧解离曲线为,说明第一个亚基与O2结合后可其它亚基与O2的结合,这种现象被称为。12.蛋白质颗粒表面有许多基团,可吸引水分子,使颗粒表面形成一层,后者可防止蛋白质从溶液中。13.蛋白质为两性电解质,在酸性溶液中带电荷,在碱性溶液中带电荷。当蛋白质的净电荷为时,此时溶液的

11、pH值称为该蛋白质的。14.蛋白质颗粒在电场中可向相反电极移动,移动速率主要取决于蛋白质和。这种分离蛋白质的方法称为。15.蛋白质可与某些试剂作用产生颜色反应,常用的呈色反应有和。16.在蛋白质溶液中加入,使蛋白质表面被中和,被破坏,导致蛋白质在水溶液中的稳定因素被破坏而沉淀,这一现象被称为。17.组成蛋白质的碱性氨基酸有、和,酸性氨基酸有、。18.蛋白质变性后,其溶解度,黏度,结晶能力,生物活性,易被水解。19.蛋白质的分离通常是利用其特殊理化性质,采取、和等不损伤蛋白质空间构象的物理方法来完成。20.若蛋白质的折叠发生错误,尽管不变,但蛋白质的发生改变,仍可影响其正常功能,严重时导致疾病发

12、生,此类疾病称为。四、名词解释1.peptide unit5.salt precipitation6.molecular disease7.primary structure of tein tein isoelectric tein tein renaturation五、问答题1.生物样品的含氮量能表示其蛋白质含量,为什么?试验中是如何计算的。2.什么是蛋白质的两性解离?利用此性质分离纯化蛋白质的常用方法有哪些?3.简述蛋白质的一、二、三、四级结构的概念及其维持稳定的化学键。4

13、.举例说明蛋白质变性与沉淀的关系。5.什么是分子伴侣,其作用是什么?6.常用的分离纯化蛋白质的方法有哪几种?各自的作用原理是什么?7.举例说明蛋白质一级结构、空间结构与功能之间的关系。8.在pH 8的电泳缓冲液中电泳时,为什么血清蛋白向阳极泳动?9.简述蛋白质的元素组成特点、分子组成、结构特点、理化性质。参考答案一、选择题(一A型题(二B型题(三X型题二、是非题三、填空题1.L-氨基酸,202.非极性脂肪族氨基酸,极性中性氨基酸,芳香族氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸3.280,酪氨酸,色氨酸4.-羧基,巯基5.次级键,疏水键,氢键,盐键,范德华力6.某一段肽链,主链骨架原子,不涉及7.三级,四

14、级8.单纯,结合9.C,自由旋转10.一级结构,分子伴侣11.S状曲线,促进,正协同效应12.亲水,水化膜,析出13.正,负,零,等电点(pI14.分子表面的电荷,分子量,电泳15.茚三酮反应,双缩脲反应16.中性盐,电荷,水化膜,盐析17.精氨酸,组氨酸,赖氨酸,天冬氨酸,谷氨酸18.降低,增加,消失,丧失,蛋白酶19.透析,盐析,电泳,层析,超速离心20.一级结构,构象,蛋白质构象病四、名词解释1.peptide unit肽单元,是指一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水生成的酰胺键称为肽键。参与肽键形成的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面,C1和C2在平面上所处的位置为

15、反式构型,此同一平面上的6个原子构成所谓的肽单元。2.Motif模体,是具有特殊功能的超二级结构,由两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。模体具有其特征性的氨基酸序列,并发挥特殊的功能。3.cooperativity协同效应,指一个亚基与其配体(Hb中的配体为O2结合后,能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用称为正协同效应;反之,则为负协同效应。4.electrophoresis电泳,指在电场中的带电粒子向电性相反方向发生位移的现象。5.salt precipitation盐析,指将中性盐加入蛋白质溶液中,使蛋白质水化膜被破坏和电荷被中和,导

16、致蛋白质在水溶液中的稳定因素去除而沉淀。6.molecular disease分子病,指蛋白质一级结构发生变异所导致的疾病,其病因主要为基因突变。7.primary structure of protein蛋白质一级结构,指蛋白质分子中,从N-端到C-端的氨基酸排列顺序。8.chromatography层析,是蛋白质分离纯化的重要手段之一,待分离蛋白溶液(流动相经过一种固态物质(固定相时,根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等,将待分离的蛋白质组分在两相中反复分配,并以不同的速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的。9.protein coagulation蛋白质凝固作用,指蛋白质经

17、强酸、强碱作用发生变性后,仍能溶解于强酸或强碱溶液中,若将pH调至等电点,则变性蛋白立即结成絮状的不溶解物,此絮状物仍能溶解于强酸或强碱溶液中。如再加热则此絮状物可变成坚固的凝块,此凝块不再易溶于强酸、强碱溶液中。此现象称为蛋白质的凝固作用。10.protein isoelectric point蛋白质的等电点,指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值称为蛋白质的等电点(pI。11.protein denaturation蛋白质变性,指在某些理化因素作用下,蛋白质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

18、导致其理化性质的改变和生物活性的丧失,称为蛋白质的变性。一般认为蛋白质的变性仅仅发生二硫键和非共价键的破坏,不涉及一级结构中氨基酸序列的改变,即不涉及肽键的改变。12.protein renaturation蛋白质复性,是当蛋白质变性程度较轻,去除变性因素后,有些蛋白质仍可恢复其原有的构象和功能。13.domain结构域,是三级结构层次上的局部折叠区,指分子量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。五、问答题1.生物样品的含氮量能表示其蛋白质含量,为什么?试验中是如何计算的。答:由于蛋白质是体内的主要含氮物,且平均含氮量为16%,因此测定生物样品的含氮量就可以按照

19、下列公式推算出蛋白质的大致含量:每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质含量(g%2.什么是蛋白质的两性解离?利用此性质分离纯化蛋白质的常用方法有哪些?答:蛋白质分子除了两端的氨基和羧基可解离外,氨基酸残基侧链中某些基团,如谷氨酸残基中的-羧基、天冬氨酸残基中的-羧基、赖氨酸残基中的-氨基、精氨酸残基中的胍基和组氨酸残基中的咪唑基,在一定的pH条件下均可解离成带负电荷或正电荷的基团,此种性质称蛋白质的两性解离。利用蛋白质的两性解离性质分离纯化蛋白质的常用方法有用电泳法和离子交换层析法。3.简述蛋白质的一、二、三、四级结构的概念及其维持稳定的化学键。答:蛋白质

20、的一级结构是指蛋白质分子中,从N-端到C-端的氨基酸排列顺序。维系蛋白质一级结构稳定的主要化学键是肽键,有些蛋白质还包括二硫键。蛋白质的二级结构是指蛋白质某一段肽链的局部空间结构,也就是该肽链主链骨架原子即N(氨基氮C(-碳原子(C羰基碳的相对空间位置,并不涉及氨基酸残基侧链的构象。蛋白质二级结构包括-螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲。维持蛋白质二级结构稳定的主要化学键是氢键。蛋白质的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,即整条肽链所有原子在三维空间的排列位置。维持蛋白质三级结构稳定的化学键主要靠次级键,如疏水键、盐键、氢键和Van der Waals 力(范德华力等。两条或多条肽

21、链组成的蛋白质分子中,每一条具有完整三级结构的多肽链,称为蛋白质的亚基,亚基与亚基之间呈特定的三维空间分布,并以非共价键相连接。蛋白质分子中各亚基的空间分布及各亚基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级结构。维持蛋白质四级结构稳定的化学键主要是氢键和离子键。4.举例说明蛋白质变性与沉淀的关系。答:蛋白质的变性是指在某些理化因素作用下,蛋白质严密的空间构象破坏,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(如溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失和生物学活性丧失的现象。蛋白质变性后,疏水侧链暴露在外,肽链融汇相互缠绕继而聚集,因而从溶液中析出。蛋白质从溶液中析出的现象,称为蛋白质沉

22、淀。综上所述可以看出,变性蛋白质易于沉淀,但变性蛋白质不一定沉淀。例如,将牛奶煮沸,牛奶中的酪蛋白变性了,但并没有析出,说明其并未沉淀。沉淀蛋白质大多数是变性蛋白质,但有时蛋白质发生沉淀并不变性。例如,中性盐沉淀蛋白质时,蛋白质可以析出,成为整齐的结晶,说明其并未变性。5.什么是分子伴侣,其作用是什么?答:分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白正确折叠的保守蛋白质。分子伴侣的作用是:蛋白质在细胞内合成时,还未折叠的肽段有许多疏水基团暴露在外,具有分子内或分子间聚集的倾向,致使蛋白质不能形成正确构象,分子伴侣可逆的与未折叠肽段的疏水部分结合随后分开,此重复进行可防止错

23、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。此外,分子伴侣对蛋白质分子中二硫键的正确形成也起到重要作用。6.常用的分离纯化蛋白质的方法有哪几种?各自的作用原理是什么?答:常用的分离纯化蛋白质的方法有透析、盐析、电泳、层析及超速离心等。透析是利用透析袋把大分子蛋白质和小分子化合物分开的方法,其原理主要是依据分子量不同进行分离。盐析的原理是将中性盐加入蛋白质溶液,使蛋白质表面电荷被中和且水化膜被破坏,导致蛋白质在水溶液中的稳定因素去除而沉淀。电泳原理是利用蛋白质为两性电解质,在高于或低于其pI的溶液中带电,带电的蛋白质粒子在电场中能向着与其电荷相反

24、的电极方向移动,泳动速度与蛋白质所带电荷及分子量等有关。层析原理是利用待分离蛋白溶液(流动相经过一种固态物质(固定相时,根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等,将待分离的蛋白质组分在两相中反复分配,并以不同的速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的。有多种层析方法,分子筛又称凝胶过滤,是层析的一种,是将层析柱内填满带有小孔的颗粒(一般由葡聚糖制成,蛋白质溶液加于顶部,任其往下渗漏,小分子蛋白质进入孔内,因而在柱中滞留时间较长,大分子蛋白质不能进入孔内而径直流出,因而不同大小的蛋白质得以分离。超速离心原理是利用不同蛋白质的分子大小、密度、形态各不相同,在离心场中沉降系数不同而达到分离的

25、目的。7.举例说明蛋白质一级结构、空间结构与功能之间的关系。答:第一,蛋白质的一级结构是空间构象与功能的基础。蛋白质一级结构是空间构象的基础,空间构象遭到破坏,但是一级结构未破坏,就有可能回复原来的构象,功能仍存在。例如,在牛胰核糖核酸酶中加入巯基乙醇和尿素,其空间构象遭到破坏,功能丧失,但是透析去除巯基乙醇和尿素,牛胰核糖核酸酶活性恢复。一级结构相似的多肽或蛋白质,空间构象与功能也相似。例如,不同哺乳类动物的胰岛素一级结构仅有个别氨基酸差异,因而具有相似的空间构象,它们都执行着相同的调节糖代谢的生理功能。氨基酸序列提供重要的生物进化信息。例如,细胞色素C,物种间越接近,则一级结构越相似,其空

26、间构象与功能也越相似。蛋白质分子一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或替代,都会影响空间构象乃至生理功能,甚至导致疾病发生。例如,正常人血红蛋白亚基的第6位氨基酸是谷氨酸,而镰刀形贫血患者的血红蛋白中,谷氨酸变成了缬氨酸,即酸性氨基酸被中性氨基酸替代,仅此一个氨基酸之差,原是水溶性的血红蛋白,就聚集成丝,相互粘着导致红细胞变成镰刀状而极易破碎,产生贫血。第二,蛋白质的功能依赖特定的空间结构。蛋白质构象是其功能的基础,构象发生改变,功能活性也随之改变。例如:肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质,二者都可以结合氧。肌红蛋白由一条多肽链组成,氧解离曲线为直角双曲线。血红蛋白具有四个亚基组成的

27、四级结构,氧解离曲线呈S状曲线,各亚基与氧的结合具有正协同效应,所以只有血红蛋白有高效的运输氧的能力。蛋白质构象改变可以导致疾病。例如,老年痴呆症、人纹状体脊髓变性病、疯牛病的蛋白质一级结构都没变,只是空间结构改变就导致了疾病,称为蛋白质构象病。8.在pH 8的电泳缓冲液中电泳时,为什么血清蛋白向阳极泳动?答:蛋白质是由氨基酸组成,蛋白质分子中含有游离的氨基末端和羧基末端,同时许多氨基酸残基的侧链基团上有可解离的基团,因此蛋白质分子具有两性解离性质。在不同pH下,其带电情况不同。在等电点时,蛋白质为兼性离子,其实效电荷为零,不发生泳动。蛋白分子在pH小于其等电点的溶液中,呈碱式解离带正电,向负

28、极泳动。在pH大于其等电点溶液中,呈酸式解离带负电,向正极泳动。血清中的各种蛋白质的等电点均低于pH7,故在pH8.6缓冲液中,呈酸式解离均带负电荷, 所以电泳时向阳极泳动。9.简述蛋白质的元素组成特点、分子组成、结构特点和理化性质。答:第1,蛋白质的元素组成特点:主要有C、H、O、N和S等。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。各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16%。测定生物样品的含氮量就可按下式推算出蛋白质大致含量,100克样品中蛋白质的含量( g % =每克样品含氮克数×6.25×100第2,蛋白质的分子组成:蛋白质的基本组成单位是

29、20种编码氨基酸,除甘氨酸外,均为L-氨基酸,在-碳原子上连有一个氨基,一个羧基,一个氢原子和一个侧链。每个氨基酸的侧链各不相同,根据其侧链的结构和理化性质可以分为5类:非极性脂肪族氨基酸、极性中性氨基酸、芳香族氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。第3,蛋白质的结构特点:蛋白质是有许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子。具有特定的一级结构和高级结构。有一条肽链形成的蛋白质只有一、二、三级结构。有两条或两条以上肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。主要化学键是肽键,有些蛋白质还包括二硫键。二级结构是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,也就是该肽链主链骨架原子

30、的相对空间位置。主要化学键是氢键。二级结构包括-螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲。肽单元是指参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面,C1和C2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,它是形成二级结构的结构基础。模体是二级结构层次上的局部区域,指在许多蛋白质分子中发现的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。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,也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。主要化学键是次级键,包括疏水键、盐键、氢键和Van der Waals力等。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,并各行使其功能,称为结构域。四级结构:有些蛋白质分子含有两条或多条多肽链,每一条多肽