生物化学第二章_蛋白质结构与功能

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1、第二章 蛋白质结构与功能 StructureandFunctionofProtein 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 蛋白质具有重要的生物学功能 1 生物催化剂 酶 2 代谢调节3 免疫保护4 物质的转运和储存5 运动和支持作用6 参与细胞间信息传递 第一节 蛋白质的分子组成 TheMolecularComponent ofProtein 碳 C 50 55 氢 H 6 8 氧 O 19 24 氮 N 13 19 硫 S 0 4 少量的 磷 P 铁 Fe 铜 Cu 锌 Zn 和碘 I 等 组成蛋白质的元

2、素 主要元素组成 蛋白质元素组成特点 各种蛋白质含氮量很接近 平均为16 可根据以下公式推算出蛋白质的大致含量 每克样品中蛋白质的含量 每克样品含氮克数 6 25 1 16 凯氏定氮法 只能检测样品中氮的含量 并不能鉴定蛋白质真伪 天然动植物食物的主要成分只有蛋白质含有氮 其他主要成分 糖 脂 都不含氮 非蛋白氮氮含量性质用途三聚氰胺66 6 白色无味化工原料尿素46 6 刺鼻农业肥料肼86 1 液态火箭燃料 一 氨基酸 aminoacid aa 蛋白质的基本组成单位 构成人体蛋白质的20种氨基酸 aa 的特点 1 均为L 氨基酸 各种aa的R侧链各不相同 2 碳原子上均连有一个氨基 脯氨酸除

3、外 3 碳原子为不对称 手性 碳原子 甘氨酸除外 一 氨基酸的分类 根据氨基酸侧链基团 的结构和理化性质 将其分为5类 1 非极性氨基酸 2 极性氨基酸 4 酸性氨基酸 5 碱性氨基酸 3 芳香族氨基酸 1 非极性氨基酸 包括7个 甘氨酸 Gly 丙氨酸 Ala 缬氨酸 Val 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile 甲硫氨酸 Met 和脯氨酸 Pro 2 极性氨基酸 丝氨酸 Ser 半胱氨酸 Cys 天冬酰胺 Asn 谷氨酰胺 Gln 苏氨酸 Thr 包括5个 3 芳香族氨基酸 包括3个 色氨酸 Trp 苯丙氨酸 Phe 酪氨酸 Tyr 4 酸性氨基酸 R 基有COOH COO 带负电荷 5 碱性

4、氨基酸 R 基有NH2 NH3 赖氨酸 Lys 精氨酸 Arg 组氨酸 His 带正电荷 精氨酸 Arg 组氨酸 His 1 两性解离及等电点 二 氨基酸的理化性质 等电点 pI aa酸性解离和碱性解离的程度相等 成为兼性离子 净电荷为零 此时溶液的pH值就称为该aa的等电点 pI 1 2 pK1 pK2 除碱性aa外 其余氨基酸等电点均小于pH7 pH pI pH pI pH pI 思考 组氨酸在pH值为5 5的溶液中带电荷 2 紫外吸收性质 色氨酸和酪氨酸在280nm波长附近对紫外光有最大吸收峰 据此可以通过测定蛋白质溶液280nm的吸光值快速测定其蛋白质含量 3 茚三酮反应 aa与水合茚

5、三酮一起加热 生成蓝紫色的化合物 在570nm处有最大吸收 据此亦可用作aa含量分析 一 肽与肽键 二 肽 peptide 肽键 peptidebond 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键 甘氨酰甘氨酸 肽键 肽键 二肽 苯丙氨酰丙氨酸 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物 寡肽 oligopeptide 由10个以内氨基酸连成的小肽 多肽 polypeptide 由许多氨基酸连成的肽 多肽链 polypeptidechain 是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构 多肽链有两端 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 氨

6、基末端 端 羧基末端 C 端 氨基酸残基 aminoacidresidue 是指氨基酸在形成肽链时丢失了一分子水 肽链中的氨基酸分子已不完整 蛋白质与多肽的区别 Peptide 空间构象不稳定 氨基酸残基数较少 Protein 空间构象相对稳定 氨基酸残基数较多 二 生物活性肽 1 谷胱甘肽 glutathione GSH 构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的 羧基 由谷氨酸 Glu 半胱氨酸 Cys 和甘氨酸 Gly 组成的三肽 1 组成 2 功能 GSH是体内重要的还原剂 由下丘脑分泌 其功能是促进腺垂体释放促甲状腺素 调节糖代谢 2 促甲状腺素释放激素 1 组成 2 功能 第二节 蛋白质的分子

7、结构 TheMolecularstructureofProtein 一级结构 primarystructure 二级结构 secondarystructure 三级结构 tertiarystructure 四级结构 quaternarystructure 高级结构或空间结构 蛋白质分子结构包括 一 蛋白质的一级结构 定义 指多肽链中氨基酸的排列顺序主要的化学键 肽健 有些蛋白质还包括二硫键氨基酸序列书写 以N 末端开始 C 末端结束 依次编1 2 3 胰岛素的一级结构 各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同 二 蛋白质的二级结构 定义 是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空间结构 即该段肽链主链骨

8、架原子的相对空间位置 并不涉及到aa侧链R基团的构象主要的化学键 氢键 负电性很强的原子 如氧或氮 和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引的作用力 肽键中与 相连的氧原子和氢原子呈反式构型 反式 顺式 空间结构中肽键的特点 C N双键为0 127nm 因此 肽键具有部分双键性质 不能自由旋转 肽键中 键长为0 132nm C N单键为0 149nm 肽键的6个原子C 1 C N O H C 2位于同一平面 构成所谓的肽单元 peptideunit 蛋白质的二级结构类型 螺旋结构 helix 折叠结构 pleatedsheet 转角 turn 无规卷曲 randomcoil 一 螺旋 由肽键平面盘旋

9、形成的右手螺旋状构象 1 概念 2 螺旋的结构特征 1 以肽键平面为单位 以 碳原子为转折盘旋形成右手螺旋 2 每3 6个氨基酸残基绕成一个螺圈 3600 螺距为0 54nm 每个氨基酸上升0 15nm 肽键平面与中心轴平行 3 主链原子构成螺旋的主体 侧链在其外部 4 肽键的CO和NH都形成氢键 是稳定螺旋的主要作用力 氢键的方向与中心轴大致平行 二 折叠 又叫 片层 由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列 通过链间的氢键交联而形成的 肽链的主链呈锯齿状折叠构象在 折叠中 碳原子总是处于折叠的角上 氨基酸的R基团处于折叠的棱角上 1 概念 2 折叠结构特点 相邻肽键平面的夹角为1100 呈锯

10、齿状排列 侧链 基团交错地分布在片层平面的两侧 由氢键维持稳定 其方向与折叠的长轴接近垂直 条肽段平行排列构成 肽段之间可顺向平行 均从N C 也可反向平行 三 转角 肽链出现1800回折的转角处结构称为 转角 1 概念 2 结构特征 第一个残基的C O与第四个残基的N H形成氢键 常见于球状蛋白质分子表面 四 无规卷曲 概念 没有确定规律性的肽键构象 常见于球状蛋白质分子中 在其它类型二级结构肽段之间起活节作用 有利于整条肽链盘曲折叠 五 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

11、体 锌指结构 三 蛋白质的三级结构 一 定义 整条肽链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 主要的化学键 疏水键 盐键 离子键 氢键 范德华力 卵溶菌酶的三级结构含有 螺旋 折叠 转角和无规卷曲四种二级结构 疏水作用示意图 疏水作用 由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力 离子键 由异性电荷间的静电吸引形成 氢键 负电性很强的原子 如氧或氮 和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引 这种作用力称为氢键 二 结构域 指多肽链在二级结构或超二级结构 模体 的基础上形成三级结构的局部折叠区 它是相对独立的紧密球状实体 酵母己糖激酶的三级结构两个结构域之间有一

12、个裂隙 四 蛋白质的四级结构 quaternarystructure 蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成 每条肽链都有完整的三级结构 称为亚基 亚基 subunit 亚基间的空间排布 亚基间相互作用与接触部位的布局 不包括亚基本身的空间结构 蛋白质的四级结构 亚基间的结合力主要是疏水作用 其次是离子键和氢键 第三节 蛋白质结构与功能的关系 TheRelationofStructureandFunctionofProtein 一 一级结构是空间构象的基础 一 蛋白质一级结构与功能的关系 以124个氨基酸残基组成的牛胰核糖核酸酶 4对二硫键 为例说明 牛胰核糖核酸酶的变性与复性 巯基乙醇 尿素或盐

13、酸胍 透析 有活性 无活性 1 一级结构相似的蛋白质功能相似 胰岛素的一级结构及种属差异 二 一级结构与功能的关系 ACTH促肾上腺素皮质激素 MSH促黑激素 2 一级结构不同的蛋白质功能不同 蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代 将严重影响空间构象乃至生理功能 例子 镰刀状红细胞贫血 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 HbS与HbA的区别 亚基第6位氨基酸 正常人 Glu 患者 Val 二 蛋白质空间结构与功能的关系 一 肌红蛋白 Mb 与血红蛋白 Hb 的结构 蛋白质的空间结构决定生物学功能 肌红蛋白 1个亚基 与血红蛋白 4个亚基 的一级结构有较大差异 但均具

14、有与氧可逆地结合的能力 其结构特点是 都与血红素 辅基 共价结合 O2 氧饱和度 静脉血 动脉血 氧分压 P50 100 Hb Mb 血红蛋白与氧结合的正协同效应 二 血红蛋白构象变化与结合氧的能力 协同效应 cooperativity 指一个亚基与其配体 Hb中的配体为O2 结合后 能影响蛋白质分子中另一个亚基与配体的结合能力 促进 正协同效应 抑制 负协同效应 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 继而引起肽链构象改变 变构效应 蛋白质分子与其它小分子物质结合后构象发生改变 其功能也随之变化的现象 三 蛋白质构象改变与疾病 蛋白质构象疾病 若蛋白质的折叠发生错误

15、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 这类疾病包括 人文状体脊髓变性疾病 老年痴呆症 疯牛病等 疯牛病的蛋白质构象改变 疯牛病是朊病毒蛋白构象改变引起的人和动物神经退行性病变正常的朊病毒蛋白 prionprotein PrP 富含 螺旋 称为PrPCPrPC在某种未知蛋白质的作用下 可转变成全为 折叠的PrPSC 从而致病 PrPC 螺旋正常 PrPSC 折叠疯牛病 第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化 ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein 一 两性

16、解离和等电点 蛋白质是两性电解质 在溶液中的带电状况主要取决于溶液的pH值 pH pI pH pI pH pI 等电点 pI 在某一pH值溶液中 蛋白质酸性基团和碱性基团的解离程度相当 蛋白质分子所带正负电荷相等 净电荷为零 此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点 pI 蛋白质分子颗粒大小1 100nm之间 属胶体颗粒范围 蛋白质的胶体原因 表面形成水化层 表面同种电荷的斥力 二 蛋白质的胶体性质 在溶液中能形成稳定的胶体 三 蛋白质的变性 沉淀与凝固 变性后的蛋白称为变性蛋白质 1 蛋白质的变性 denaturation 在某些理化因素作用下 蛋白质的空间结构被破坏 失去其原有的性质和生物学活性 称为蛋白质的变性作用 常见的变性因素 强酸 强碱 有机溶剂 生物碱 尿素 胍 重金属 化学因素 物理因素 热 紫外线 超声波 剧烈振荡 变性蛋白质的主要特征 2 生物活性丧失 1 破坏非共价键和二硫键 空间构象被破坏 不改变蛋白质的一级结构 变性的本质 3 变性蛋白质的溶解度常降低 除去变性因素后 有的变性蛋白质又可恢复其天然构象和生物活性 蛋白质的复性 renaturation 牛胰核糖核酸酶