蛋白质的结构与功能考点

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1、1 1 蛋白质的结构与功能考点 蛋白质的结构与功能考点 组成蛋白质的 20 种氨基酸的类别 分类依据及几种特殊氨基酸的分类 氨基酸的理化性质 成肽反应及体内重要的生物活性肽 蛋白质的分类及分子结构 蛋白质的结构 包括一级结构与空间结构 与功能的关系 蛋白质的理化性质 分离纯化的基本方法及其原理 蛋白质一级结构的测定 即多肽链中氨基酸序列分析 和空间结构的测定 重点 氨基酸的分类及理化性质 蛋白质的一级和空间结构及其与功能的关系 分离纯化蛋白质的原理和方法 难点 蛋白质一级结构的测定 这也是众多研究者花费多年才解决的难题 我们只需弄清楚其要步骤及各步的基本原理和 方法即可 基本知识与理论 一 蛋

2、白质的生物学功能 了解即可 蛋白质是生命的物质基础 没有蛋白质就没有生命 生物体结构越复杂 其蛋白质种类和功能越繁多 其主要的生物学功能是 一 催化和调节能力 某些蛋白质是酶 催化生物体内的物质代谢反应 某些蛋白质是激素 具有一定的调节功能 如胰岛素调节糖代谢 体内信号转导也常通过某些蛋白质介导 二 转运功能 某些蛋白具有运载功能 如血红蛋白是转运氧气和二氧化碳的工具 血清白蛋白可以运输自由脂肪酸及胆红素等 三 收缩或运动功能 某些蛋白质赋予细胞与器官收缩的能力 可以使其改变形状或运动 如骨骼肌收缩靠肌动蛋白和肌球蛋白 四 防御功能 如免疫球蛋白 可抵抗外来的有害物质 保护机体 五 营养和储存

3、功能如铁蛋白可以储存铁 六 结构蛋白 许多蛋白质起支持作用 给生物结构以强度及保护 如韧带含弹性蛋白 具有双向抗拉强度 七 其他功能 如病毒和噬菌体是核蛋白 病毒可以致病 二 蛋白质的分子组成 一 元素组成 组成蛋白质分子的主要元素有碳 氢 氧 氮 硫 有些还含有少量磷或金属元素 各种蛋白质的含氮量很接近 平均为 16 且蛋白质是体内的主要含氮物 因此可以根据生物样品的含氮量推算出蛋白质的大致含量 二 氨基酸 氨基酸是蛋白质的基本组成单位 存在于自然界的氨基酸有 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 即左旋氨基酸 因为甘氨酸无手性碳原子 与四个

4、不同的原子或基团相连的碳原子 大多数有手性碳原子的是手性分子 手性分子有旋光活性 根据它们的侧链 R 的结构和性质可分为四类 1 非极性疏水性氨基酸 这类氨基酸的特征是在水中的溶解度小于极性氨基酸 2 极性中性氨基酸 这类氨基酸的特征是比非极性氨基酸易溶于水 且羧基数等于氨基数 故为中性氨基酸 但因为羧基电离能力较大 故其实际上具有弱酸性 3 酸性氨基酸 天冬氨酸 谷氨酸 这两种氨基酸都含有两个羧基 在生理条件下带负电 故为酸性氨基酸 4 碱性氨基酸 赖氨酸 精氨酸和组氨酸 这类氨基酸在生理条件下带正电 故为碱性氨基酸 还需要记住这 20 种氨基酸的英文缩写符号 尤其是三字符号 并且这四种类别

5、的氨基酸中还有几种特殊的氨基酸 也需记住它们的独特特征 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸分子中含有芳香环 含硫氨基酸 甲硫氨酸 半胱氨酸分子中含硫元素 甲硫氨酸也叫蛋氨酸 亚氨基酸 脯氨酸 其氨基处于环中 为亚氨基酸 支链氨基酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 这三种均含有支链 其中有八种氨基酸人体内不能自身合成 必须从食物中获得 称为必需氨基酸 它们是缬氨酸 亮氨酸 异亮氨 酸 苏氨酸 蛋氨酸 赖氨酸 苯丙氨酸和色氨酸 三 氨基酸的理化性质 一 两性电离及等电点 氨基酸分子中含有碱性的 氨基和酸性的 羧基 能与酸或碱类物质结合成盐 故它是一种两性电解质 在某 一 pH 值的溶液中氨基酸解离成

6、阳离子和阴离子的趋势与程度相等 成为兼性离子 呈电中性 此时溶液的 pH 称为该氨 基酸的等电点 pI 这里有一个等电点的计算问题 1 侧链 R 为非极性基团或虽为极性但不解离的 此种氨基酸的等电点主要由 氨基和 羧基的解离常数的负 对数 pK1 pK2 决定 pI 1 2 pK1 pK2 2 侧链基团可以解离 则由 氨基 羧基及 R 基团解离情况共同决定 只需写出电离式 取其兼性离子两边 的 pK 值的平均值即可 如赖氨酸其电离式为 由电离式可以看出 其兼性离子两边 pK 值分别是 pK NH3 和 pK NH 而与 羧基无关故其 pI 1 2 8 95 10 537 9 74 二 紫外吸收

7、性质 色氨酸 酪氨酸在 280nm 波长附近有最大的紫外吸收峰 由于大多数蛋白质含有这类氨基酸 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方法 三 茚三酮反应 氨基酸 茚三酮水合物 还原茚三酮 氨 还原茚三酮 氨 茚三酮 蓝紫色化合物 此化合物最大吸收峰在 570nm 波长处 由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比 因此可以作为氨基酸 定量分析的方法 四 肽 一 肽键 两分子氨基酸可由一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去一分子水缩合成二肽 两个氨基酸之间产生的酰胺 键称为肽键 具有不典型双键性质 由 10 个以内的氨基酸缩合而成的肽称为寡肽 更多的

8、氨基酸相连而构成多肽 pr 是具有更大分子量的多肽链 但多肽和 pr 在分子量上很难划出明确界限 实际应用中只有一个习惯上的划分 肽链中 的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全 称为氨基酸残基 多肽链中自由氨基末端称为 N 端 自由羧基末端称为 C 端 命 名从 N 端指向 C 端 二 生物活性肽 1 谷胱甘肽 由谷氨酸和甘氨酸和半胱氨酸组成的三肽 第一个肽键比较特殊 由谷氨酸 羧基与半胱氨酸的氨基组成 分子 中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团 此巯基具有还原性 要记住谷胱甘肽的生理作用 作为体内重要的还 原剂 保护蛋白质或酶免遭氧化 使它们处在活性状态 可还原细胞内产生的 H 避免细胞受损

9、其巯基具有嗜 核特性 能与外源的致癌剂或药物等结合 从而阻断它们与 DNA RNA 或蛋白质结合 保护机体免遭损害 2 多肽类激素及神经肽 体内有许多激素属寡肽或多肽 如催产素 促肾上腺皮质激素 促甲状腺激素等 神经 肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类 如脑啡肽 内啡肽等 五 pr 的分类 pr 的分类分单纯 pr 结合 pr 后者除 aa 外 还含有非 pr 部分即辅基 绝大部分辅基以共价健与 pr 部分相连 根 据形状分纤维 pr 及球状 pr 六 蛋白质的分子结构 要注意构成各级结构的化学键 可分为一级 二级 三级 四级结构四个层次 后三者统称为高级结构或空间构象 蛋白质的空间构象

10、涵盖了蛋白 质分子中每一个原子在三维空间的相对位置 并非所有 pr 都有四级结构 由二条或二条以上多肽链形成的 pr 才有四级 结构 一 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 主要化学键是肽键和二硫键 一级结构是蛋白质空间结构 和特异生物学功能的基础 氨基酸排列顺序的差别意味着从多肽链骨架伸出的侧链 R 基团的性质和顺序对于每一种蛋白 质是特异的 因为 R 基团大小不同 所带电荷数目不同 对水的亲和力不相同 所以蛋白质的空间构象也不同 二 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构 也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置 并 不涉及

11、氨基酸残基侧链的构象 维系二级结构的化学键主要是氢键 二级结构的主要形式包括 螺旋结构 一折 叠 转角和无规则卷曲 1 肽单元 参与肽键的 6 个原子 C 1 C O N H C 2 位于同一平面 且 C 1 C 2 在平面上所处的位置为反式构型 此 6 个原子即构成了肽单元 其基本结构为 图中的 A B 键是单键 可自由旋转 也正由于这两个单键的自由旋转角度 决定了相邻肽单元之间的相对空间位 置 其中的肽键有一定程度双键性质 不能自由旋转 2 螺旋 多肽链主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升 每隔 3 6 个残基螺旋上升一圈 每个氨基酸残基向上平移 0 15nm 故螺距为 0 54nm 螺旋的走

12、向为右手螺旋 螺旋的每个肽键的 N H 和第四个肽键的羰基氧形成氢键 氢键的方向 与螺旋长轴基本平行 侧链 R 基团则伸向螺旋外 3 折叠 多肽链充分伸展 每个肽单元以 C 为旋转点折叠成锯齿状结构 侧链 R 基团交错位于锯齿状结构的上下方 可由两 条以上肽链或一条肽链内的若干肽段折叠成锯齿状结构 平行肽段间靠链间肽键羰基氧和亚氨基氢形成氢键 使构象稳 定 此氢键方向与折叠的长轴垂直 两条平行肽链走向可相同或相反 由一条肽链折返形成的 折叠多为反式 反式 平行较顺式平行更为稳定 4 转角和无规卷曲 转角常发生于肽链进行 180 度回折时的转角上 通常由 4 个氨基酸残基组成 其第一 个残基的羰

13、基氧与第四个残基的氨基氢可形成氢键 转角第二个残基常为脯氨酸 因为其 N 原子位于环中 形成肽 键 N 原子上已没有 H 不能再形成氢键 故走向转折 转角常发生在蛋白质分子的表面 这与蛋白质的生物学功能有 关 无规卷曲用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构 5 模序 指在许多蛋白质分子中 可发现两个或三个具有二级结构的肽段 在空间上相互接近 形成一个具有特 殊功能的空间结构 称为模序 实际上它是一种超二级结构 一个模序总有其特征性的氨基酸序列 并发挥特殊的功能 常见的 螺旋 环 螺旋结构及锌指结构 前者可结合 Ca2 后者可结合 Zn2 使 螺旋能镶嵌于 DNA 的大沟 中 因此含此结构的 p

14、r 可与 DNA 或 RNA 结合 这对于 pr 调控 DNA 的转录和 pr 翻译过程是必要的 一段肽链其氨基酸 残基的侧链适合形成 螺旋或 折叠 就会出现相应的二级结构 aa 残基带相同的电荷或侧链太大 都会妨碍二级 结构的形成 此外还有一个分子伴侣的概念 其作用就是使肽链正确折叠 从而形成正确的空间构象 三 蛋白质的三级结构 指整条肽键中全部氨基酸残基的相对空间位置 也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置 三级结构的形成 和稳定主要靠疏水键 盐键 二硫键 氢键和范德华力等次级键 其中疏水键是最主要的稳定力量 疏水键是蛋白质分 子中疏水基团之间的结合力 酸性和碱性氨基酸的 R 基团可以

15、带电荷 正负电荷互相吸引形成盐键 与氢原子共用电子 对形成的键为氢键 分子量大的蛋白质三级结构其整条肽链中常可分割成多折叠得转为紧密的结构域 实际上结构域也是一种介于二级 和三级结构之间的结构层次 每个结构域执行一定的功能 四 蛋白质的四级结构 蛋白质的四级结构是由有生物活性的两条或多条肽链组成 肽链与肽链之间不通过共价键相连 而由非共价键维系 每条多肽链都有其完整的三级结构 称为蛋白质的亚基 这种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 在四级结构中 各亚基之间的结合力主要是疏水作用 氢键和离子键也参与维持 四级结构 含有四级结构的蛋白质 单独的亚

16、基一般没有生物学功能 只有完整的四级结构才有生物学功能 七 蛋白质结构与功能的关系 一 蛋白质一级结构与功能的关系要明白三点 1 一级结构是空间构象和功能的基础 空间构象遭破坏的多肽链只要其肽键未断 一级结构未被破坏 就能恢复到 原来的三级结构 功能依然存在 2 即使是不同物种之间的多肽和蛋白质 只要其一级结构相似 其空间构象及功能也越相似 3 物种越接近 其同类蛋白质一级结构越相似 功能也相似 但一级结构中有些氨基酸的作用却是非常重要的 若蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代 都会严 重影响其空间构象或生理功能 产生某种疾病 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 二 蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关 其构象发生改变 功能活性也随之改变 以肌红蛋 白 Mb 和血红蛋白 Hb 为例阐述蛋白质空间结构与功能的关系 Mb 与 Hb 都是含有血红素辅基的蛋白质 携带氧的是血红素中的 Fe Fe 有 6 个配位键 其中四个与吡咯环 N 配位结合 一个与蛋白质的组氨酸残基结合 另一个即可与氧结合 而血红素与蛋白质的稳定结合主