生化1蛋白质第一篇生物大分子的结构与功能

1、第一篇 生物大分子的结构与功能蛋白质结构与功能重庆医科大学基础医学院 生化与分子生物学教研室刘 先 俊 什么是蛋白质？ 蛋白质(protein)是由许多氨基酸（amino acid)通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是构成生物体的基本成分 占人体干重45%，细胞70%2. 蛋白质具有多样性的生物学功能 1）作为生物催化剂 2）代谢调节功能 3）免疫保护功能 4）物质的转运和储存功能 5）运动与支持 6）参与细胞间信息传递一、蛋白质的分子组成（一）蛋白质的元素组成1、主要元素：碳（50%-55%）、氢（6%-8%）、氧（19%-24%）、氮（13%-19%）；

2、次要元素：硫、磷、铁、锰、锌、碘。2、蛋白质元素组成的特点 基于：各种蛋白质的含氮量很接近：平均为16%； 体内的含氮物质以蛋白质为主。 则可通过 测N 测Pr。即每克样品蛋白质的含量=每克样品的含氮量6.25知识拓展三聚氰胺（C3H6N6）-毒奶粉事件元凶IUPAC命名：1,3,5-三嗪-2,4,6-三氨基 由于三聚氰胺含有6个非蛋白氮，但其被混入食品后，待测样品可以被测出较高的氮含量，从而推算出较高的蛋白质含量。 三聚氰胺进入人体后反应生成三聚氰酸，三聚氰酸和三聚氰胺形成大的网状结构，导致结石。（二）、组成蛋白质的基本单位氨基酸1、氨基酸（AA）的通式 2、特点：（1）20种基本氨基酸中，

3、除脯氨酸为亚氨基酸外，其余19种均符合通式；（2）除甘氨酸的R基为H外，其余19种-碳原子为不对称碳原子，有L、 D型之分，但组成人体蛋白质的氨基酸均为L型；（3）不同氨基酸的侧链基团不同。非极性疏水性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氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类侧链含烃链的氨基酸属于非极性疏水性（脂肪族）氨基酸（6种）侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸（6种）侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 （3种）侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸（2种)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸(3种）几种特殊氨基酸 脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2

4、+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2半胱氨酸 +胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH33、氨基酸的性质1）两性电离性质pH = pI 净电荷=0 pH pI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3+ + H+ OH- + H+ OH-(pK1)(pK2) 当氨基酸溶液在某一pH值时，其所带正负电

5、荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值就称为该氨基酸的等电点(isoelectric point)。2）紫外吸收特性 A280nm 3）茚三酮反应：可做氨基酸的定性、定量测定。（三）多肽的结构1、肽键与肽肽键(peptide bond)：由一个氨基酸的-氨基与另一个氨酸的-羧基脱水缩合生成的化学键(酰胺键）。肽键肽 peptide：AA通过肽键相连形成的化合物(二肽、三肽、寡肽和多肽)。寡肽 oligopeptide ： 一般10肽以下多肽 polypeptide： 一般10肽以上多肽链：由许多氨基酸借肽键相互连接而成的一种结构。氨基酸残基：多肽链中的氨基酸，

6、由于参与肽键的形成，已非原来完整的分子，称为氨基酸残基。 多肽链有两端： N末端、C末端N末端C末端牛核糖核酸酶生物活性肽 类别：激素、抗菌素、辅助因子 实例：谷胱甘肽(glutathione) 多肽类激素 -天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯（甜味剂）谷胱甘肽 谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。体内许多激素属寡肽或多肽如促甲状腺素释放激素（3肽）、催产素（9肽）等。 神经肽：在脑内用于传递神经信号的肽类如脑啡肽（5肽）、P物质（10肽）等。多肽类激素及神经肽蛋白质的分子结构 蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 蛋白质的三级结构 高级结构 蛋白质

7、的四级结构 （空间构象） 由一条肽链形成的蛋白质只有一、二、三级结构， 由二条或二条以上多肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。二、蛋白质的分子结构（一）蛋白质分子的一级结构1、一级结构：指蛋白质多肽链中氨基酸的组成及排列顺序。2、一级结构维系键：主要是肽键。3、重要性：是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。一级结构是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的唯一因素。（二）蛋白质分子的空间构象 蛋白质的构象指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。 蛋白质分子的构象可分为二、三、四级结构。维持蛋白质构象的化学键：次级键（副键），由蛋白质分子的主链和侧链

8、上的极性、非极性和离子基团等相互作用而形成的。 如：氢键、疏水键、离子键、范德华力、配位键。1.蛋白质的二级结构（1） 概念：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。主链与侧链 由肽键和-碳原子构成的多肽链骨架称为主链，伸展在外的R基团称为侧链。主要维系键：氢键（2）主要形式： -螺旋-折叠-转角 有序非重复结构，又称无规则卷曲-螺旋结构特点：右手螺旋：3.6 AA/圈，螺距0.54nm 。氢键维系（形成于每个肽键的N-H和第四个肽键的羰基氧之间）。侧链伸向螺旋外侧。侧链基团影响螺旋的形成和稳定。 (带同种电荷，侧链大的R基或P

9、ro存在均妨碍-螺旋形成)-折叠 转角特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800 。 无规则卷曲示意图无规则卷曲细胞色素C的三级结构无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。（3）超二级结构蛋白质分子中，由二个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构。基本结合形式有: ，。模体(motif)是具有特殊功能的超二级结构 Ca-Binding Motif in CaM Zn-Finger Motif模体：蛋白质分子中-螺旋、-折叠、-转角等组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的二级结构组合体

10、，往往具有特定功能。2.蛋白质的三级结构（1）概念:整条肽链中所有原子或基团的空间排布称为蛋白质的三 级结构，即多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。（2）维系键:疏水作用、离子键、氢键、Vander Waals力等次级键。三级结构的特征：含多种二级结构单元；有明显的折叠层次；是紧密的球状或椭球状实体；分子表面有一空穴(活性部位)；疏水侧链埋藏在分子内部， 亲水侧链暴露在分子表面。（3）结构域是三级结构层次上的局部折叠 一些较大的蛋白质分子，其三级结构中具有两个或多个在空间上可明显区别的局部区域，这些相对独立的区域称为结构域(domain) 。（4）三级结构的重要性：三级结构形成后，蛋白质分子

11、才形成固有的分子形状；才具有亲水胶体的特性；功能蛋白质的活性部位得以形成并表现出相应的生物学活性。核糖核酸酶三级结构示意图N His12CHis119Lys413. 蛋白质的四级结构（1）概念:蛋白质分子中各个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。蛋白质分子中每条具独立三级结构的多肽链称为亚基。由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体。（2）维系键:疏水键、氢键、离子键等次级键。Hemoglobin一级结构二级结构三级结构四级结构定义氨基酸的排列顺序肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基

12、侧链的构象整条肽链中所有原子在三维空间的排布位置各亚基之间的空间排布形式肽链-螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲结构域亚基维持键主要为肽键，有些含有二硫键氢键疏水键、氢键、盐键、范德华力疏水键、氢键、盐键、范德华力意义一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但并不是决定空间构象的唯一因素由两个或三个具有二级结构的肽段形成的模体，是蛋白质发挥特定功能的基础相对分子量大的蛋白质分子常分割成一至数个结构域，执行不同的功能有四级结构的蛋白质，单独亚基无生物学功能（三）蛋白质的分类根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分根据蛋白质形状:纤维状蛋白质球状蛋白质三、蛋白

13、质结构与功能的关系（一）蛋白质的一级结构与功能的关系1. 一级结构是空间构象的基础2. 一级结构是功能的基础（1）一级结构中“关键”部分相同,其功能相同。 如：不同动物来源的胰岛素（2） 一级结构不同，生物学功能各异。 如：催产素与加压素 S S加压素 H2N 半胱 酪 苯丙 谷胺 天胺 半胱 脯 精 甘 催产素 H2N 异亮亮 3 8Herrick3. 一级结构改变与分子病 如：镰刀状红细胞性贫血【病因】 珠蛋白基因缺陷（点突变） 第6位密码子由正常的GAG突变为GUG，使其编码的珠蛋白N端第6位氨基酸由正常的谷氨酸变成了缬氨酸（6谷缬）。 异常Hb：Hb S 。知识拓展-镰刀型细胞贫血病【

14、病机】异常HbS溶解度下降，缺氧时红细胞变成镰刀形，镰变红细胞引起血粘性增加，不能象正常细胞那样通过毛细血管，易使微细血管栓塞，造成组织缺氧，甚至坏死；同时镰状细胞的变形能力降低，通过狭窄的毛细血管时，不易变形通过，挤压时易破裂，导致溶血。(二)蛋白质空间结构与功能的关系1、蛋白质的特定空间构象是其发挥生物活性的基础 核糖核酸酶2. 蛋白质的別构现象: 一个蛋白质与其配体(或其它蛋白)结合后,引起蛋白质的构象发生改变,并伴随其活性发生改变。 如:肌红蛋白与血红蛋白3、蛋白质仅空间构象改变可引起疾病蛋白质折叠-多肽链在核蛋白体上合成的同时或合成之后,根据热力学与动力学的原理,或在分子伴侣的辅助下

15、,卷曲形成特定的三维结构或构象的过程. 研究蛋白质折叠的过程，可以说是破译“第二遗传密码”折叠密码（folding code）的过程。 蛋白质正确折叠，功能正常； 蛋白质错误折叠，疾病产生；朊蛋白是一种糖蛋白, 朊蛋白基因, 位于20号染色体短臂上。正常组织朊蛋白（PrPc）没有致病性。感染性朊蛋白(PrPres), 可导致脑组织的海绵样变性, 会引起神经细胞退行性改变，导致海绵样脑病。PrPres可以在哺乳类动物之间传播，也可以由遗传及基因突变产生。 疯牛病、人类克雅氏病朊蛋白（Prion Protein，PrP）1997年的诺贝尔医学奖PrPcPrPsc_Helix 42 30 _Shee

16、t 3 43 四、 蛋白质的理化性质及其应用1. 两性解离和等电点 蛋白质两末端的氨基和羧基及侧链中某些基团在一定条件下均可解离. 蛋白质的等电点( pI):使某一蛋白质分子所带正负电荷数相等,净电荷为零时溶液的PH值。 蛋白质的等电点沉淀、离子交换和电泳等基本原理均以蛋白质的两性解离与等电点的特性为基础。 电泳:带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象，可用于分离、鉴定蛋白质。（一）蛋白质的理化性质2. 高分子性质，即胶体性质蛋白质为分子量1万至100万的高分子物质,其在溶液中形成的质点直径在1-100nm胶体质点范围内。蛋白质胶体稳定的因素:蛋白质颗粒表面具水化层 蛋白质颗粒表面带同性电

17、荷去除这两个稳定因素,蛋白质极易沉淀。3.蛋白质的变性(denaturation)（1）概念：在某些理化因素的作用下，蛋白质特定的空间构象发生改变或破坏，从而导致其生物学活性的丧失和一些理化性质的改变的现象，称为蛋白质的变性。（2）变性因素： 理：加热、高压、紫外线、超声波、剧烈震荡等 化：强酸、强碱、重金属离子、尿素、乙醇、丙酮等（3）变性的本质：蛋白质分子空间构象的改变或破坏（二硫键和非共价键破坏），不涉及一级结构改变或肽键的断裂。（4）变性作用的特征：生物活性丧失；某些理化性质改变（溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，易被蛋白酶水解。）（5）变性作用的应用举例：变性因素应用于消毒及灭菌，

18、制备、保存蛋白质制剂需防止变性。（6）复性：去除变性因素后，有些变性程度较轻的蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能。 许多蛋白质的变性为不可逆变性。4. 蛋白质的沉淀（1）概念：蛋白质分子聚集而从溶液中析出的现象称为蛋白质的沉淀。（2）常用的沉淀方法 1）盐析法：(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4低盐浓度可使蛋白质溶解度增加，称为盐溶作用。高盐浓度因破坏蛋白质的水化层并中和其电荷，促使蛋白质颗粒相互聚集而沉淀，称为盐析作用。+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+带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的沉淀2）有机溶剂沉淀：乙醇、甲醇、丙酮等3）某些酸类沉淀：苦味酸、钨酸、三氯乙酸等4）重金属盐沉淀： PIPH时，蛋白质带负电荷，能与重金属如Pb2+， Hg2+， Ag+等形成不溶于水的蛋白质盐