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1、第3章 蛋白质Proteins,本章主要内容,蛋白质在生命活动中的重要作用 蛋白质的组成单位氨基酸 蛋白质的化学结构和高级结构 多肽、蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的理化性质和分离与鉴定,1.蛋白质在生命活动中的重要作用,生物催化作用： 酶 运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白 调节作用：如胰岛素、生长激素 运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子 营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白 结构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白 能量转换蛋白：如细胞色素 基因调节蛋白：如阻遏蛋白,1.1 蛋白质在机体内的生物学功能,按形状可将蛋白质分为： 纤维状蛋白质：多为结构蛋白。 球状蛋白质： 具有广泛的生物
2、学功能。如酶、蛋白类激素等。 按结构和功能可将蛋白质分为： 简单蛋白（simple protein）：仅有蛋白质组成的、结构简单的蛋白质。 结合蛋白（conjugated protein）：在蛋白质分子中除了含有氨基酸成 分外，还要有其他的成分的存在，才能保证其正常生物活性的蛋白质。 分子中包含蛋白质和非蛋白质两部分。,1.2 蛋白质的分类,2.蛋白质的化学组成,2.1 蛋白质的元素组成,所有蛋白质均含有 ： C 50%-55% H 6%-8% O 20%-23% N 15%-17% 某些蛋白质含有： S 0.3%-2.5% 以及P 少数蛋白质含有：Fe, Cu，Zn，Mo和I等元素,蛋白质中
3、N的平均含量约16%，因此食物与饲料中蛋白质的含量可以通过凯氏定N（Kjeldahl法）进行大致估计。,2.2 蛋白质的基本结构单位氨基酸,2.2.1 氨基酸的基本结构和构型 存在于自然界的氨基酸有300种。动物机体的蛋白质经强酸水解之后可以得到20种氨基酸，并且均为L-氨基酸（除了甘氨酸），含不对称的-碳原子。它们之间的差别在于有不同的侧链基团 R。,氨基酸的结构通式,氨基酸与甘油醛的构型,2.2.2 组成蛋白质的20种氨基酸,2.2.3 氨基酸的分类,在中性pH条件下 按其R侧链极性和所带电荷的不同，分为四大类, 不带电荷极性氨基酸 ：Gly, Ser, Thr, Cys,Thr,Asn,
4、Gln 带负电荷极性氨基酸 ： Asp, Glu 带正电荷极性氨基酸 ： His, Arg, Lys 非极性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Trp, Met,含非极性侧链基团,含极性侧链基团,Ser, S Thr, T Cys, C Pro, P Asn, N Gln, Q,Gly, G Ala, A Val, V Leu, L Met, M Ile, I,含芳香基团,含碱性侧链基团（带正电荷）,Phe, F; Tyr, Y; Trp, W,Lys, K; Arg, R; His, H,含酸性侧链基团（带负电荷）,Asp, D; Glu, E,2.2.4 氨
5、基酸的主要理化性质,各种氨基酸在可见区都没有光吸收。 在紫外光区芳香族氨基酸在280nm处有最大吸收峰（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收波长分别为279、278、259nm ）,光吸收特性,氨基酸的两性解离,氨基酸分子在水溶液中呈两性离子状态，在其等电点时，氨基酸所带的正、负电荷相等，净电荷为零。,氨基酸的等电点,对某一种氨基酸而言，当溶液在某一个特定的pH，氨基酸以两性离子的形式存在，并且其所带的正电荷数与负电荷数相等，即净电荷为零。在直流电场中，它既不向正极，也不向负极移动。此时溶液的pH称为这种氨基酸的等电点（pI）。 例如，甘氨酸的羧基的pK1为2.34，氨基的pK2为9.60，其p
6、I为5.97。,3.蛋白质的化学结构和高级结构,3.1 肽键（peptide bond）和肽（peptide ）,肽键：指蛋白质分子中，由一个氨基酸的-COOH和另一个氨基酸的-NH2之间脱水缩合而成的酰胺键，它是蛋白质结构中的主要共价键。,肽：由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）,多肽（polypeptide）和多肽链（polypeptide chain）,在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为 氨基酸序列，多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基(amino acid residue) 上图为： 丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-异亮氨酸,（N-端）,（C-端）,3.
7、2 肽单位平面与二面角,肽平面（peptide plane）：肽链主链的肽键C-N具有双键的性质， 因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。通常是反式的。,二面角（dihedral angle）：肽平面的连接处为碳原子。它与相邻的两个参与肽键形成的C和N原子之间的单键可以在一定范围内转动，C-N之间称角，在C-C之间称角，这就是-碳原子上的一对二面角。这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。,相邻二个肽平面上的二面角,3.3 蛋白质的一级结构,一级结构（primary structure）：即蛋白质的化学结构，是指多肽链 上各种氨基酸残基
8、的种类和排列顺序，也包括二硫键的数目。,牛胰岛素的一级结构： 51个氨基酸，A（21肽）、B（30肽）两条肽链，A链内一对S-S，A和B链间2对S-S,3.4 蛋白质的高级结构,指一条或数条多肽链上所有原子和基团在三维空间上的排布，即构象（conformation）或空间结构。 构象由单键旋转产生的各种立体结构，而构型（configuration ）是通过改变共价键形成的结构。 蛋白质的高级结构由明显的结构层次。 一级结构是空间结构的基础。,（1）非共价键 氢键 离子键 范德瓦尔力 疏水作用 （2） S-S键,维持蛋白质空间结构中重要的化学键,3.4.1 蛋白质结构层次,蛋白质结构极其复杂，但
9、具有明显的结构层次 一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序） 二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构） 超二级结构（二级结构单位的集合体） 结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域） 三级结构（多肽链上所有原子和基团的空间排布） 四级结构（由球状亚基或分子缔合而成的集合体）,蛋白质的主要结构层次,3.4.2 二级结构,二级结构（secondary structure）：指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。,二级结构主要形式有： -螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲,-螺旋（ -helix）,是在角蛋白中最常见的构象，为右手螺旋。每圈螺旋3.6个氨基
10、酸残基。侧链基团R在螺旋外侧。主链内部形成H-键，不涉及侧链R。 典型的-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6个氨基酸，跨越13个原子。,-折叠（ -sheet）,平 行 结 构,反 平 行 结 构,存在于丝心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比较伸展的构象。主链之间形成H键，侧链基团R交替地位于片层的上、下。,-转角（ -turn）,肽链1800的回折,无规卷曲（random coil）,两种主要类型的-转角,指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。,3.4.3 超二级结构,超二级结构（super secondary structure）：在蛋白质中经常存在由若干相邻的二级结构单元按一
11、定规律组合在一起，形成有规则的二级结构集合体，超二级结构又称基序或模体（motif）,四种类型的超二级结构,3.4.4 结构域,结构域（domain）：在较大的蛋白质分子里，多肽链的空间折叠常常形成两个或多个近似球状的三维实体,它们之间连接松散。,由-折叠、 -螺旋形成的结构域,丙酮酸激酶的一个结构域,免疫球蛋白的一个结构域,3.4.5 三级结构,三级结构（tertiary structure）：指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构, 或者说三级结构是指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。,肌红蛋白的三级结构及其结合的血
12、红素亚基,三级结构的稳定主要靠非共价相互作用 氨基酸亲水的基团倾向于分布在分子的表面，疏水的基团在分子的内部。,3.4.6 四级结构,四级结构（quaternary structure）：多个具有三级结构的多肽链（称亚基，Subunit）的聚合。或者说四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。,血红蛋白的四级结构,四级结构的稳定主要靠是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德华引力等 。 血红蛋白由4个亚基组成（22）， 每个亚基都与肌红蛋白非常相似。,4.多肽、蛋白结构与功能的关系,4.1 一级结构与功能的关系,氨基酸组成变化改变其功能,一级结构改变引起分
13、子病,基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病（molecular disease）。,最早从分子水平证 明的先天性遗传病 镰刀形红细胞贫血症 (sickle-cell anemia)。,镰刀形红细胞,正常血细胞,hemoglobin 6: GAA(Glu) - GTA(Val),分子进化,细胞色素c 是由 104个氨基酸组 成的蛋白质。 比较50种不同的 生物，发现由35 个是保守的。 凡与人类亲缘关 系越远的生物， 其氨基酸顺序与 人类的差异越大。,从细胞色素c的一级结构看生物进化,蛋白质前体的激活,一些蛋白质或酶在细胞中首先合成(翻
14、译)的是其前体,在成为有功能的蛋白质或酶之前需要激活. 例如,胰岛素(insulin ).的前体是胰岛素原(proinsulin),要在切除C肽之后才转变为活性的胰岛素,胰岛素原的一级结构,4.2 高级结构与功能的关系,蛋白质的变性与复性,变性（denaturation）是指一些理化因素，如热、光、机械力、酸碱、有机溶剂、重金属离子、变性剂（如尿素等），破坏了维持蛋白质空间构象的非共价作用力，使其空间结构发生改变，结果导致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但蛋白质的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。 变性有时是可逆的。消除变性的因素，有些蛋白质的生物活性可能得以恢复，称为复性（ren
15、aturation）。,核糖核酸酶RNase的变性与复性,蛋白质的正确折叠与分子伴侣,多肽链的特定空间结构是其功能的保证。 肽链的正确折叠或者亚基的装配常常需要由一些蛋白质，例如热激蛋白（Heat shock protein , Hsp）和某些酶的帮助，并且消耗ATP。但是，这样的蛋白质与酶并不加入到最终的折叠产物或装配复合物中。它们被称为分子伴侣（molecular chaperone）。,疯牛病病牛的海绵样脑组织,疯牛病(BSE)可能是由于朊蛋白（Pron protein，PrP）的错误折叠引起的,蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能,变构作用（Allosteric effect ）是指效应剂
16、（变构剂）作用于多亚基的蛋白质或酶的某个亚基后，导致其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，结果是蛋白质或酶的生物活性的变化。可能是变构激活，也可能是变构抑制。 血红蛋白中的4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，从而改变了其他亚基与氧的结合能力。（邮票模型）,氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的8对离子键相继断开，从比较紧凑的T构象转变为比较松弛的R构象。,血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线,与肌红蛋白相比，血红蛋白的多个亚基之间的相互作用使其与氧的结合 能力总体上削弱了（氧合曲线右移,由双曲线转变成S形曲线），但是赋予了 其新的能力 可以容易地将其结合的氧从氧分压高的组织（肺泡）向氧 分压低的组织（肌肉）输送和转移。,5
