第一章 蛋白质结构与功能

第一篇生物大分子的结构与功能第一章蛋白质的结构与功能第二章核酸的结构与功能第三章酶蛋白质(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。StructureandFunctionofProtein第一章蛋白质的结构与功能蛋白质研究的历史1833年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。1864年，血红蛋白被分离并结晶。19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽。20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。20世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展；1962年，确定了血红蛋白的四级结构。20世纪90年代，功能基因组与蛋白质组研究地展开。蛋白质的生物学重要性分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。1.蛋白质是生物体重要组成成分作为生物催化剂（酶）代谢调节作用免疫保护作用物质的转运和存储运动与支持作用参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。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一般在15-17%，平均为16%，即1克N相当于6.25克的蛋白质。因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：

100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×100蛋白质元素组成的特点一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于L-

-氨基酸

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，且均属L-

-氨基酸

（甘氨酸除外）,都具有光学活性，有D型和L型两种光学异构体。D-型L-型H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H（母核）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二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）(非极性脂肪族)CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2在蛋白质合成加工时被修饰成羟脯氨基酸亚氨基

半胱氨酸(极性中性氨基酸)

+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-+NH3三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质两性解离:氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。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。（一）氨基酸具有两性解离的性质pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子

阳离子阴离子溶液pH值大于pI时,AA解离成阴离子带负电荷,反之带正电荷pK1pK2pK1pK2（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸(Trp,W)、酪氨酸(Tyr,Y)的最大吸收峰在280nm

附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，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。芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，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。四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链肽键(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）氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)+-HOH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)。多肽链有两端：

N末端：多肽链中有游离α-氨基的一端C末端：多肽链中有游离α-羧基的一端

许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构多肽链(polypeptidechain)N末端C末端牛核糖核酸酶（二）体内存在多种重要的生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与氧化型谷胱甘肽(GSSG)间的转换

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N端谷氨酸环化C端脯氨酸残基酰化掌握内容蛋白质分子元素组成及特点；组成人体20种氨基酸的名称和分类；

氨基酸等电点和特征反应第二节蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein蛋白质的分子结构包括:

高级结构或空间结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一、氨基酸的排列顺序决定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，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。链间链内二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构定义: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

。主要的化学键：氢键

定义:二级结构:肽链主链骨架原子的相对空间位置（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2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(peptideunit)

。蛋白质二级结构

-螺旋(

-helix)

-折叠(

-pleatedsheet)

-转角(

-turn)无规卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构特点：1、右手螺旋,螺距：3.6AA,0.54nm；2、侧链伸向螺旋外侧；3、氢键：N-H与第四个肽键的羰基氧形成，与螺旋长轴平行；4、蛋白表面的α-螺旋具有两性特点，一侧为亲水氨基酸，另一侧疏水氨基酸。

-螺旋（三）

-折叠使多肽链形成片层结构特点：1、分为平行式和反平行式两种类型；2、通过肽链间或肽段间的氢键维系；3、α-碳原子位于折叠线上,由于其四面体性质,连续的酰氨平面排列成折叠形式；4、在折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平面,并交替的从平面上下二侧伸出。反向β-折叠

在平行(a)和反平行(b)β-折叠片中氢键的排列

（四）

-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在

-转角特点：1、4个AA残基组成2、氢键：第一个残基的羰基氧和第四个残基的氨基氢形成3、第2个AA残基通常为脯氨酸无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。（五）超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现两个或两个以上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，被称为超二级结构。二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ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，称为模体(motif)

。模体是具有特殊功能的超二级结构，如钙结合蛋白，锌指蛋白等。模体钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体链-β转角-链模体链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体模体常见的形式（六）氨基酸残基侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成

-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。

三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和范德华力等。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）三级结构定义：肌红蛋白(Mb)N端C端纤连蛋白分子的结构域（二）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，并各行其功能，称为结构域(domain)。（三）分子伴侣参与蛋白质折叠分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，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。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。

伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用亚基之间的结合主要是氢键和离子键。四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有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)。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(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。血红蛋白的四级结构五、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六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。

（二）蛋白质组学研究技术平台

蛋白质组学是高通量，高效率的研究:双向电泳分离样品蛋白质蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析（三）蛋白质组学研究的科学意义蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节（一）一级结构是空间构象的基础一、一级结构是高级结构与功能的基础构象：由于分子中的某个原子(基团)绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式，不同的构象之间可以相互转变，在各种构象形式中，势能最低、最稳定的构象是优势对象。空间构象：蛋白质的三维结构。如果空间构象遭到破坏，只要一级结构（AA序列）未被破坏，就可能恢复原来的空间构象，功能亦可回复。牛核糖核酸酶的一级结构二硫键天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla哺乳动物胰岛素氨基酸序列差异（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochromeC)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。从Cytc一级结构看生物进化（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·····C(146)

“分子病”：由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，成为分子病，病因是基因突变所致。肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似肌红蛋白(myoglobin，Mb)

肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negativecooperativity)O2血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。例如，一个氧分子与Hb亚基结合后引起亚基构象的变化，功能随之改变，O2称为变构剂，Hb称为变构蛋白。（三）蛋白质构象改变可引起疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病疯牛病等。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α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变掌握内容蛋白质的分子结构：一级结构的定义，一级结构是蛋白质多样性的基础。蛋白质的空间结构（二、三\四级结构）的定义和要点模体，结构域，协同效应等一级结构与功能的关系空间结构与功能的关系一级结构变异与分子病第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein一、蛋白质具有两性电离的性质蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。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。蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)二、蛋白质具有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1～100nm，为胶粒范围之内。颗粒表面电荷水化膜蛋白质胶体稳定的因素:+++++++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聚沉三、蛋白质空间结构破坏而引起变性在某些物理和化学因素作用下，其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，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。蛋白质的变性(denaturation)造成变性的因素:如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

变性的本质:破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。应用举例:鸡蛋清煮熟后就是蛋白质变性,鸡蛋清煮熟后就可食用,蛋清的病菌都杀死了,而且口感好,易吸收,脱敏;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)

。蛋白质沉淀蛋白质凝固不可逆变性天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性蛋白变性后，疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出的现象变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。（变性蛋白一定沉淀吗？）蛋白质变性后的絮