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1、蛋白质的结构与功能 第 一 章 Structure and Function of Protein wProtein 来自希腊字母，意思是“头 等重要的，原始的” 蛋白质 来源于对蛋清（清蛋白）的 研究 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。 1833年 Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1864年 Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白 ，并将其制成结晶。 19世纪末 Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成 的，并将氨基酸合成了多种短肽 。
2、1938年 德国化学家Gerardus J. Mulder引用 “Protein” 一词来描述蛋白质。 大事记： 1951年 Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋 白质的二级结构-螺旋(-helix)。 1953年 Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测 定。 1962年 John Kendrew 和 Max Perutz确定了血红 蛋白的四级结构。 20世纪90年代以后 后基因组计划。 一、什么是蛋白质一、什么是蛋白质? ? 蛋白质(protein)是由许多氨基酸 (amino acids)通过肽键(peptide bond) 相连形成的高分子含氮化合物。 1）酶的生物
3、催化作用 二、二、 蛋白质具有重要的蛋白质具有重要的生物学功能生物学功能 2）调控作用 参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控：如激素或生长因子等 3）运动与支持 机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等 4）参与运输贮存的作用 血红蛋白血红蛋白 运输氧运输氧 铜蓝蛋白铜蓝蛋白 运输铜运输铜 铁蛋白铁蛋白 贮存铁贮存铁 5）免疫保护作用 抗原抗体反应 凝血机制 6）参与细胞间信息传递 信号传导中的受体、信息分子等 7） 氧化供能 蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 组组 成成 The Molecular Component of Protein 第第 一一 节节 组成蛋白质的元素 有些
4、蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、 Se、I等。 C 50 55 % H 6 7 % O 19 24 % N 13 19 % S 0 4 % 主要元素组成 各种蛋白质的含氮量很接均为16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，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 6.25100 1/16% 蛋白质元素组成的特点 凯氏定氮法：凯氏定氮法： 一、氨基酸一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位 存在自然界中的氨基酸有300余种，但 组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种 H 甘氨酸 CH3 丙
5、氨酸 L-氨基酸的通式 R 基本氨基酸中，除脯氨酸和 甘氨酸外其余均属于L-氨基酸 。 例外： Pro 亚氨基酸Gly 没有手性 1. 非极性疏水性氨基酸 2. 极性中性氨基酸 3. 酸性氨基酸 4. 碱性氨基酸 （一）氨基酸的分类 分类依据 ：R侧链基团的结构及理 化性质的不同 甘氨酸 glycine Gly G 5.97 丙氨酸 alanine Ala A 6.00 缬氨酸 valine Val V 5.96 亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48 脯氨酸 proline
6、 Pro P 6.30 1. 非极性疏水性氨基酸 色氨酸 tryptophan Try W 5.89 丝氨酸 serine Ser S 5.68 酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸 methionine Met M 5.74 天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸 threonine Thr T 5.60 2. 极性中性氨基酸 侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。 3. 酸性氨基酸 Glu，Asp 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.
7、97 谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22 4. 碱性氨基酸 His，Arg，Lys 侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。 组氨酸 His （H ） 7.59 赖氨酸 Lys（K ） 9.74 精氨酸 Arg （R ） 10.76 另外： 1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工 修 饰的修饰氨基酸 如：脯氨酸 羟基化 成 羟脯氨酸 赖氨酸 羟基化 成 羟赖氨酸 2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存 在 半胱氨酸 + 胱氨酸二硫键 -HH （二）氨基酸的理化性质 1. 两性解离及等电点 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。 +OH- +H+ +OH- +H+
8、pHpI 阴离子 等电点(isoelectric point, 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。 2. 紫外吸收 色氨酸和酪 氨酸的最大吸收 峰在 280 nm 附 近。 紫外分分光度法： 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 3显色反应 茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产 生蓝紫色化合物，最大吸收峰在570nm。 该反应可作为蛋白质定性、定量分析 的基础。 二、肽二、肽 （一）
9、肽(peptide) 肽是由氨基酸通过肽键缩合而 形成的化合物。 + -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键 肽键(peptide bond)：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，本质为酰胺键。 氨基酸残基(residue) :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。 * 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 * 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(polypeptide chain)是指许多氨 基酸之间以肽键连接而成的
10、一种结构。 N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 多肽链有方向性： Ala-Ala-TyrTyr-Asp-Asp-GlyGly N N C C N端 C端 N末端 C末端 牛核糖核酸酶 （二） 几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH) GSH过氧 化物酶 H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶 NADPH+H+ NADP+ GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产 生的过氧化氢 谷胱甘肽的生理功用： 解毒作用： 参与氧化还原反应： 保护巯基酶的活性： 抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定： 体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽(
11、neuropeptide) 2. 多肽类激素及神经肽 三、蛋白质的分类三、蛋白质的分类 * 根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质：如，血清清蛋白 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分 如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等 * 根据蛋白质形状 纤维状蛋白质：多为结构蛋白，难溶于水 球状蛋白质：多数具有生理活性，多数可溶 如酶、免疫球蛋白等等 分类辅基举例 脂蛋白脂类血浆脂蛋白（VLDL、 LDL、HDL等） 糖蛋白糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等 核蛋白核酸核糖体 磷蛋白磷酸基团酪蛋白（casein） 血红素蛋 白 血红素（铁卟 啉） 血红蛋白、细胞色素c 黄素蛋白黄素核苷酸（ FAD、FMN
12、） 琥珀酸脱氢酶 金属蛋白铁铁蛋白 锌乙醇脱氢酶 钙钙调蛋白 锰丙酮酸羧化酶 铜细胞色素氧化酶 结合蛋白质及其辅基 蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein 第 二 节 w蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连 接起来的，具有特定分子结构的高分子化合 物。 w构象是由于有机分子中单键的旋转所形 成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级 键）来维系 蛋白质的分子结构包括（人为划分） 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaterna
13、ry structure) 高级 结构 定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列 顺序。(包括蛋白质分子中所有的二硫键的位置） 二、蛋白质的一级结构 主要的维系键：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 三、蛋白质的二级结构 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 。 定义 主要的维系键： 氢键 由于C=O双键中的电子云与N原子上的未共用电子对发生 “电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转 。 蛋白质立体结构原则蛋白质立体结
14、构原则 肽键平面由于肽键具有部分双键的性质，使 参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上， 这一平面称为肽键平面或肽单元。 （一）肽单元 l由于-碳原 子与其他原子 之间均形成单 键，因此两相 邻的肽键平面 可以作相对旋 转 (二）蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ) 1. 1. -螺旋螺旋： -螺旋是 多肽链的主 链原子沿一 中心轴盘绕 所形成的有 规律的螺旋 构象 结构特征： 为一右手螺旋，侧链 伸向螺旋外侧 螺旋每圈包含3.6个氨 基酸残基,螺距 0.54
15、nm； 螺旋以氢键维系（氨 基酸的N-H和相邻第四个氨 基酸的羰基氧C=O之间。氢 键方向与螺旋轴基本平行） 2. -折叠 -折叠 是由若干肽 段或肽链排 列起来所形 成的扇面状 片层构象 -折叠包括平行式和反平行式两种类型 结构特征： 由若干条肽段或肽链平行或反平 行排列组成片状结构； 主链骨架伸展呈锯齿状； 涉及的肽段较短，一般为510个 氨基酸残基； 借相邻主链之间的氢键维系。 3. -转角 是多肽链180 回折部分所形成 的一种二级结构 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。 4. 无规卷曲 （三）模体(motif) 在许多蛋白质分子 中，可发现二个或三个 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 ，被称为模体 钙结合蛋白中 结合钙离子的模体 螺旋折叠折叠 2个His和2个Cys 与Zn离子结合 螺旋区 与 DNA 结合 锌指结构锌指结构 （四）氨基酸残基的侧链对二级结构形
