生物化学课件2

2蛋白质的结构与功能2.1

概述

2.2

蛋白质的基本组成单位–氨基酸2.3

蛋白质的结构

2.4

蛋白质结构与功能的关系

2.5

蛋白质的重要性质、分离纯化与鉴定2.1

概述2.1.1蛋白质的生物学意义和元素组成2.1.2蛋白质的分类2.1.3蛋白质在生产和生活中的利用

2.1.1蛋白质的生物学意义和元素组成2.1.1.1蛋白质的生物学意义

(1)蛋白质生物学功能的多样性

酶的催化功能、控制生长和分化、代谢调节功能、运动功能、运输作用、免疫保护作用、接受和传递信息、贮存营养功能、结构支持作用。（2）蛋白质生物学功能的复杂性

某一功能的发挥往往受到多种因素的影响与调节。2.1.1.2蛋白质的元素组成一般含有：碳（50％~55％）、氮（15％~18％）、氧（20％~23％）、氢（6％~8％）、硫（0％~4％）。在某些蛋白质中，还含有一些微量元素如：磷、铁、铜、钼、碘、锌等。蛋白质元素组成的一个特点：各种蛋白质的氮含量比较恒定，平均值为16％左右。由于容易用凯氏定氮法进行测定氮的含量，因此，蛋白质的含量可由氮的含量乘以6.25（100/16）计算出来。2.1.2蛋白质的分类2.1.2.1根据蛋白质的构象2.1.2.2按蛋白质功能分类2.1.2.3按蛋白质的组成和溶解性分类2.1.2.1根据蛋白质的构象分为纤维状蛋白质和球状蛋白质。

球状蛋白质(globularprotein)：结构特点：近似于球形或椭圆形，多数可溶于水或盐溶液中。许多具有生理活性的蛋白质如酶、转运蛋白、蛋白质类激素、免疫球蛋白等均属球状蛋白。纤维状蛋白质（fibroueprotein）结构特点：多数为结构蛋白，结构很不对称，多数难溶于水。能耐受强的拉力。

如皮肤、肌键、软骨及骨组织中的胶原蛋白；毛发及皮肤中的角蛋白；存在于皮肤、动脉血管壁、结缔组织中的弹性蛋白。主要功能是给机体提供坚实的支架，连接各细胞、组织及器官。催化蛋白调节蛋白结构蛋白运输蛋白贮藏蛋白运动蛋白防御蛋白电子传递蛋白2.1.2.2按蛋白质功能分类2.1.2.3按蛋白质的组成和溶解性分类按组成分为：简单蛋白质和结合蛋白质。简单蛋白质：根据溶解度的不同，又分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、组蛋白、精蛋白、硬蛋白7小类。结合蛋白质：根据辅基的不同，可以将结合蛋白质分为：核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、黄素蛋白、色蛋白、金属蛋白等。2.1.3蛋白质在生产和生活中的利用2.1.3.1在食品和饲料领域的应用2.1.3.2在医药领域的应用2.2蛋白质的基本组成单位–氨基酸

2.2.1氨基酸的结构2.2.2氨基酸的分类2.2.3氨基酸的性质2.2.1氨基酸的结构蛋白质中常见的氨基酸有21种。除脯氨酸以外，这些天然氨基酸在结构上的共同点是：与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而称为α-氨基酸。脯氨酸的结构式：

2.2.2氨基酸的分类2.2.2.1编码氨基酸2.2.2.2非编码氨基酸2.2.2.3非蛋白质氨基酸

2.2.2.1编码氨基酸

硒代-半胱氨酸(seleno-cysteine)

se-cys

2.2.2.2非编码氨基酸蛋白质中有一些不常见的稀有氨基酸，没有相应的三联体遗传密码，故称非编码氨基酸。这些氨基酸都是在生物体合成蛋白质分子后相应的编码氨基酸经羟基化、甲基化、磷酸化等修饰形成的衍生物。例如：胶原蛋白和弹性蛋白中的4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸；甲状腺球蛋白中的二碘酪氨酸和L-甲状腺素；α-角蛋白中的胱氨酸等。2.2.2.3非蛋白质氨基酸

在生物体内的各种细胞或组织还发现150多种不参与蛋白质组成的氨基酸，故称非蛋白质氨基酸，这类氨基酸多呈游离，但也有结合态的。大部分是蛋白质常见氨基酸衍生物，但也有D–型和一些β、γ或δ–氨基酸。这些非蛋白质氨基酸不存在于蛋白质中，多是重要的代谢物前体或代谢中间产物。如瓜氨酸和鸟氨酸是精氨酸的前体，γ–氨基丁酸是一种神经递质。2.2.3氨基酸的性质

构成蛋白质的α–氨基酸均为无色晶体，熔点高于200℃，一般能溶于水、稀酸、稀碱，不溶于有机溶剂，用酒精可把氨基酸从水溶液中沉淀析出。2.2.3.1氨基酸的两性解离与等电点2.2.3.2氨基酸的光学活性与吸收光谱

2.2.3.1氨基酸的两性解离及等电点氨基酸分子既含有酸性的羧基(-COOH)，又含有碱性的氨基（-NH2）。其中的-COOH能放出质子（H＋），而变成-COO－；其中的-NH2能接受质子，而变成-NH3＋。因此，氨基酸是两性电解质（ampholyte）。氨基酸两性解离示意图：

氨基酸的等电点：对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的pH时，氨基酸以两性离子的形式存在，正电荷数与负电荷数相等，净电荷为零，在电场中，既不向正极移动，也不向负极移动。这时，溶液的pH，称为该氨基酸的等电点，用pＩ表示。

氨基酸的等电点的作用：

在一定的实验条件下，等电点是氨基酸的特征常数。当氨基酸处于等电点状态时，其溶解度最小，容易发生沉淀；不同氨基酸，由于R基团结构的不同，有不同的等电点。利用这一特性可以从各种氨基酸的混合物溶液中分离制取某种氨基酸。

（一）氨基酸的构型:除甘氨酸以外，其余20种氨基酸的Cα都是不对称碳原子（手性），因而每一种氨基酸都有D-型和L-型两种构型。天然蛋白质中的几乎所有的氨基酸都是L-型氨基酸。某些微生物和植物体中含有D-型氨基酸。2.2.3.2氨基酸的光学活性与吸收光谱甘氨酸的结构式参与蛋白质组成的氨基酸在可见光区都没有光吸收；在紫外光区只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波长(λ)分别为280、275、257nm。是利用紫外分光光度计，在280nm波长处，测定蛋白质浓度的基础。（二）吸收光谱2.3蛋白质的结构2.3.1蛋白质的一级结构2.3.2蛋白质的三维结构2.3.1蛋白质的一级结构2.3.1.1

肽和肽键2.3.1.2天然活性肽2.3.1.3一级结构的测定步骤

蛋白质结构层次

蛋白质的一级结构概念多肽链上各种氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸序列。2.3.1.1肽和肽键一个氨基酸分子的α-羧基可以与另一个氨基酸分子的α-氨基缩合，失去一个水分子，从而形成肽（peptide）。这种由二个氨基酸分子缩合而成的肽，称为二肽（dipeptide）。其中，包含一个肽键。NHαCOCαNHαCOCOHHHR1R2H

肽键（peptidebone）：是连接多肽链中氨基酸残基的唯一共价键。多肽链（polypeptidechain）：由许多氨基酸残基通过肽键彼此连接而成的线状聚合体，称为多肽链。氨基酸残基（aminoacidresidue）

多肽链上的每个氨基酸，由于形成肽键而失去了一分子水，成为不完整的分子形式。这种不完整的氨基酸被称为氨基酸残基。肽单位平面结构和二面角

（一）肽单位平面结构的特征肽单位的特征：1．肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。肽键的键长是0.1325nm，比C—N单键（键长0.147nm）短些，比C=N双键（键长0.127nm）长些。2．肽单位是刚性平面结构。这就是说，肽单位上的6个原子都位于同一个刚性平面上，称为酰胺平面。3．在肽单位上，其C＝O和N—H都是反式排布。（二）二面角（dihedralangle）

肽平面1围绕Cα2—N1单键旋转，其旋转的角度用Φ表示；肽平面2也可以围绕Cα2—C2单键旋转，其旋转的角度用Ψ表示。由于Φ和Ψ这二个转角决定了相邻二个肽平面在空间上的相对位置，因此，习惯上将这二个转角称为二面角。二面角决定多肽链主链骨架的构象。

N1Cα2C22.3.1.2天然活性肽⑴谷胱甘肽⑵脑啡肽⑶短杆菌肽S⑷肽类激素2.3.1.3一级结构的测定步骤测序一般要求样品均一，纯度应在97%以上，允许误差在10%左右。

1.测定蛋白质的分子质量和多肽链的数目2.拆开蛋白质分子的多肽链3.断开多肽链内的二硫键4.分析每一条多肽链的氨基酸组成5.鉴定多肽链的N末端和C末端残基6.把多肽链裂解成两套以上大小不等的较小片段7.测定各肽段的氨基酸序列8.重叠各肽段，重建完整多肽链的一级结构顺序9.确定半胱氨酸残基间形成的S—S二硫键位置蛋白质一级结构的表示法蛋白质的一级结构，通常根据参与组成多肽链的氨基酸残基种类，按照其排列顺序，从N—末端氨基酸残基开始，依次命名。举例：甲硫脑啡肽中文氨基酸残基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸三字母符号表示法：Tyr·Gly·Gly·Phe·Met单字母符号表示法：Y·G·G·F·M肽键H2NCOHCH3SCOOHNHCCOHNHCCOHNHCCOHNHCHHCH2CHCH2OHCH2CH2

2.3.2蛋白质的三维结构

2.3.2.1

稳定蛋白质构象的作用力2.3.2.2

蛋白质的二级结构2.3.2.3

蛋白质的超二级结构和结构域2.3.2.4

蛋白质的三级结构2.3.2.5蛋白质的四级结构（二）蛋白质的三维结构

蛋白质的三维结构指的是蛋白质分子中全部原子和基团相互间的立体关系，包括全部原子和基团的排列、分布及肽链的走向。又称为蛋白质的高级结构、空间结构或构象，可分为二级、超二级、结构域、三级和四级结构。2.3.2.1

稳定蛋白质构象的作用力

非共价键维持，如：氢键、范德华引力、疏水作用力、离子键。二硫键、配位键参与维持构象。2.3.2.2

二级结构概念：

指多肽链主链在一级结构的基础上，某些肽段借助氢键进一步的盘旋或折叠，从而形成有规律的构象。维系二级结构的作用力是氢键。主要类型：（一）α-螺旋（二）β-折叠片（三）β-转角（四）无规卷曲

（一）α-螺旋(α-helix)

即一个氨基酸残基的＞N－H与前面第四个氨基酸残基的＞C＝O形成氢键。

氢键的取向与螺轴几乎平行。α-螺旋构象允许所有的肽键都能参与链内氢键的形成。因此，α-螺旋构象是相当稳定的，是最普遍的螺旋形式。（二）β-折叠片又称为β-折叠，二条β-折叠股平行排布，彼此以氢键相连。为了在相邻主链骨架之间形成最多的氢键，避免相邻侧链间的空间障碍，各主链骨架同时作一定程度的折叠，从而产生一个折叠的片层。其侧链近似垂直于相邻二个平面的交线，交替地位于片层的两侧。（三）回折(reverseturn)

在多肽链中，经常出现180°转弯的结构，此结构就是回折。通常有β-转角和γ-转角两种形式。（四）无规卷曲没有规律性的多肽链主链骨架的构象，就是无规卷曲。球蛋白分子中，往往含有较多的无规卷曲；无规卷曲往往有利于多肽链形成灵活的、具有特异生物活性的构象。。超二级结构的概念在蛋白质分子结构中经常存在由相邻的二级结构单元（主要是α–螺旋和β–折叠片）组合在一起，形成有规则的、空间上能够辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件，称为超二级结构。常见的超二级结构的组合形式有αα、ββ、βαβ等三种组合形式。另外还有βαβαβ、βCβ结构也可见到。βCβ中的C代表无规卷曲。2.3.2.3

蛋白质的超二级结构和结构域（1）超二级结构（2）结构域概念多肽链在二级结构的基础上，进一步卷曲折叠成为相对独立、近似球形的松散连接的三维实体。是三级结构的局部折叠区。

结构域这一层次的发现，与蛋白质的功能是分不开的。很多结构蛋白的活性中心都位于结构域之间，由于结构域之间常常只有一段肽链相连，形成所谓“铰链区”（hingeregion），使结构域容易发生相对运动。结构域之间的这种柔性（flexibility）有利于如酶和抗体活性的发挥。

2.3.2.4

三级结构（tertiarystructure）概念：

多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成特定的球状分子结构，称作三级结构。或者说三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。2.3.2.5四级结构概念：由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的有特定三维结构的蛋白质构象称为蛋白质的四级结构。四级结构中所含的每个具有三级结构的球状蛋白质称为亚基（subunit）或单体（monomer），游离的亚基无生物活性。四级结构涉及亚基的种类和数目以及各亚基在整个分子中的空间排布，包括亚基间的接触位点和相互作用关系，而不包括亚基本身的构象。由少数亚基聚合而成的蛋白质，称为寡聚蛋白（Oligomerprotein），根据亚基数目的不同，可以将寡聚蛋白分为二聚体、三聚体、四聚体等，根据亚基种类的不同，可以分别以α、β、γ、δ、ε命名不同的亚基。由几十个，甚至于上千个亚基聚合而成的蛋白质，称为多聚蛋白（polymerprotein）。烟草花叶病毒示意图：烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构：亚基呈螺旋状排布。

蛋白质的结构层次一级结构(primarystructure)；二级结构（secondarystructure）；超二级结构（supersecondarystructure）；结构域（structuraldomain）；三级结构（tertiarystructure）；四级结构（quarternarystructure）蛋白质结构层次：2.4多肽、蛋白质的结构与功能的关系

2.4.1蛋白质一级结构与功能的关系2.4.2蛋白质构象与功能的关系2.4.1蛋白质一级结构与功能的关系2.4.1.1

一级结构与同源蛋白质的物种差异和生物进化2.4.1.2

一级结构变异与分子病2.4.1.3

一级结构断裂与功能激活2.4.1.1

一级结构与同源蛋白质的物种

差异和生物进化在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质称同功能蛋白质，它们的氨基酸序列具有明显的相似性，这种现象称为序列同源，有明显序列同源的蛋白质也称同源蛋白质。

从不同物种提取得到的同源蛋白质中许多的氨基酸残基是完全相同的，称不变残基，它们决定了蛋白质的空间结构与功能。而其它氨基酸残基有相当大的变化，称为可变残基，它们的差异体现了种属特异性。

因此，对不同生物来源的同功能蛋白质的一级结构进行比较研究：1.可以帮助我们了解哪些氨基酸对蛋白质的活性是重