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1、目录 蛋白质的结构与功能 第1章 Structure and Function of Protein 目录 n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。 目录 n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。 目录 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； 196
2、2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。 目录 n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 目录 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 目录 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein 第一节 目
3、录 n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 。 目录 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% n蛋白质元素组成的特点 目录 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）。 目录 H 甘氨酸 CH3 丙氨
4、酸 L-氨基酸的通式 R C +NH3 COO- H 目录 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 目录 (一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族 氨基酸 目录 (二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性 中性氨基酸 目录 (三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 目录 (四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸 目录 (五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性 氨基酸 目录 n几种特殊氨基酸 脯氨酸 （亚氨基酸） CH2 CHCOO- NH2+ CH2 CH2 CH2 CHCOO- NH2+ CH2 CH2 目录
5、 半胱氨酸 + 胱氨酸 二硫键 -HH -OOC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 -OOC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 HS-CH2-CH-COO- +NH3 HS-CH2-CH-COO- +NH3 目录 三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质 n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。 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
6、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 目录 pH=pI +OH- pHpI +H+ +OH- +H+ pHpI 氨基酸的兼性离子 阳离子阴离子 目录 （二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质 色氨酸、酪氨酸的 最大吸收峰在 280 nm 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 目录 （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
7、的含量存在正 比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。 目录 四、蛋白质是由许多氨基酸残基组 成的多肽链 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。 （一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide) 目录 + -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键 目录 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(po
8、lypeptide)。 目录 N 末端：多肽链中有游离-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端 n多肽链有两端： 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨 基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 N末端 C末端 牛核糖核酸酶 目录 （二）体内存在多种重要的生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH) 目录 GSH过氧 化物酶 H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶 NADPH+H+ NADP+ nGSH与GSSG间的转换 目录 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 目录 蛋白质的分子结构 The
9、 Molecular Structure of Protein 第二节 目录 n蛋白质的分子结构包括: 高级 结构 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure) 目录 n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 n主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 目录 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。 目录 二
10、、多肽链的局部主链构象为蛋白质 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 。 n定义: n主要的化学键：氢键 目录 （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C1、C、O、N、H、C2位于同一平 面，C1和C2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 (peptide unit) 。 目录 （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C1、C、O、N、H、C2位于同一平 面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同 一平
11、面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。 目录 -螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil) （二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 n蛋白质二级结构 目录 n-螺旋 目录 （三）-折叠使多肽链形成片层结构 目录 （四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中 普遍存在 -转角 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。 目录 （五）模体是具有特殊功能的超二级结构 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 个有规则的二级结构组合，被称为超二级
12、结构。 二级结构组合形式有3种：， 。 目录 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。 目录 钙结合蛋白中结合 钙离子的模体 锌指结构 -螺旋-转角（或 环）-螺旋模体 链-转角-链模体 链-转角-螺旋- 转角-链模体 n模体常见的形式 目录 （六）氨基酸残基的侧链对侧链对 二级结级结 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-折叠，它就会出现相应的二级结构。 目录 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
13、和 Van der Waals力等。 n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。 n定义: （一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸 残基的相对空间位置 目录 目录 肌红蛋白 (Mb) N 端 C 端 目录 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) 。 目录 （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
14、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 目录 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)。 目录 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(ho
15、modimer)，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 目录 五、蛋白质的分类 n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 n根据蛋白质形状: 纤维状蛋白质 球状蛋白质 目录 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”。 目录 （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 目录 蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein 第三节 目录 （一）一级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构是高级结构 与功能的基础 牛核糖核酸酶的 一级结构 二 硫 键 目录 天然状态， 有催化活性 尿素、 -巯基乙醇 去除尿素、 -巯基乙醇 非折叠状态，无活性 目录 （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
