第1章.蛋白质的结构与功能

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（aminoacid)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%）；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，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α-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+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净电荷为正pH>pI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++

OH-+H++

OH-(pK´1)(pK´2)

当氨基酸溶液在某一pH值时，其所带正负电荷相等，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(isoelectricpoint)。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(peptidebond)：由一个氨基酸的α-氨基与另一个氨酸的α-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，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α-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：α-螺旋β-折叠β-转角有序非重复结构，又称无规则卷曲α-螺旋结构特点：①右手螺旋：3.6AA/圈，螺距0.54nm。②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）。③侧链伸向螺旋外侧。④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Pro存在均妨碍α-螺旋形成)β-折叠

β－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:αα，ββ，βαβ。模体(motif)是具有特殊功能的超二级结构Ca-BindingMotifinCaMZn-FingerMotif模体：蛋白质分子中α-螺旋、β-折叠、β-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，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、VanderWaals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（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

SS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…………