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1、第三章 蛋白质的结构与功能,1.蛋白质的功能、分类、化学组成及初级结构 2.蛋白质的高级结构 3.蛋白质结构与功能的关系 4.蛋白质的物理化学性质 5.蛋白质的分离提纯,本章主要内容,重点：氨基酸及蛋白质化学结构与性 质；蛋白质结构与功能关系。 难点：氨基酸的两性电解质性质；蛋 白质高级结构；血红蛋白的协 同效应。,(1)蛋白质功能的多样性,催化功能,结构组成,储存运输功能,运动功能,防御功能,营养功能,调节功能,遗传信息,1.蛋白质的功能、分类、组成及结构,蛋白质存在于所有的生物细胞中， 是构成生物体最基本的结构物质和功能 物质。 蛋白质是生命活动的物质基础，它 参与了乎所有的生命活动过程。
2、, 按形状可将蛋白质分为： 纤维状蛋白质：多为结构蛋白，毛发、丝等，多不溶于水，支撑保护作用。 球状蛋白质：具有广泛的生物学功能。如酶、蛋白类激素等，溶解度好。,（2）蛋白质的分类,简单蛋白（simple protein）：仅 有蛋白质组成，水解后产生各种氨基 酸。 根据溶解度的不同：清蛋白、球 蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、精蛋白合 硬蛋白等7种。, 按结构和功能可分为：,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（辅基） 两部分。,（3）蛋白质的化学组成, 元素组
3、成：蛋白质是一类含氮有机 化合物。 碳 50-55% 氢 6.0-8.0 氧 20-23 氮 15-17% 硫 03-2.5% 微量元素（磷、铁、碘、锌和铜等）,蛋白质的含氮量,大多数蛋白质的含氮量接近于16%，这是蛋白质元素组成的一个特点，是凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算基础。 蛋白质含量=蛋白氮 6.25 蛋白质系数：即1克氮所代表的蛋白质的克数,即6.25。, 蛋白质的基本结构单位氨基酸,蛋白质经酸、碱和酶处理后，使其彻底水解得到产物为氨基酸，组成蛋白质的常见20种氨基酸中除脯氨酸外，均为-氨基酸：,不变部分,可变部分,碳原子,蛋白质分子量的变化范围很大，从大约六千到一百万道尔顿（Da）
4、，可高达数百万甚至数千万。, 蛋白质的大小与分子量,单体蛋白质（monomeric protein）:由一条多肽链组成，如溶菌酶和肌红蛋白。 寡聚（oligomeric）或多聚(multimeric)蛋白质：由两条或多条多肽组成，如血红蛋白和己糖激酶。 亚基或亚单位（subunit） ：每条多肽链。, 氨基酸结构和构型,结构通式,各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同,蛋白质中常见的氨基酸有20种。 除脯氨酸（亚氨基）以外，与羧基 （-COOH）相邻的-碳原子（C）上都有一个氨基（-NH2），称为-氨基酸。,不变部分,可变部分,-氨基酸的立体异构体,除甘氨酸外，其余19种氨基酸的碳原子均是手性碳原
5、子每一种氨基酸都有D-型和L-型，天然蛋白质中所有氨基酸均为L型。, 编码氨基酸：组成蛋白质的20种氨 基酸 非编码稀有氨基酸 非蛋白质氨基酸, 氨基酸的分类,蛋白质的20种常见氨基酸,编码氨基酸：20种常见的氨基酸,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,Tyr,Asn,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,在中性pH条件下, 蛋白质中稀有氨基酸,没有相应的三联体遗传密码。
6、由编码氨基酸经羟基化、甲基化、磷酸化等修饰形成的衍生物。 例如：胶原蛋白和弹性蛋白中的 4-羟脯氨酸 、5-羟赖氨酸等。,胶原蛋白和弹性蛋白的组成部分 与血液凝固有关 参与细胞生长和调节功能,作用, 非蛋白氨基酸,广泛存在于各种细胞和组织中，呈游离或结合态，但并不存在蛋白质中的一类氨基酸，大部分也是蛋白质氨基酸的衍生物。 H2N-CH2-CH2-COOH H2N-CH2-CH2-CH2-COOH,-丙氨酸,-氨基丁酸,细胞壁的重要组成部分（D谷氨酸、D-丙氨酸）。 重要的代谢物前体和中间产物（胍氨酸、鸟氨酸）。 传递神经冲动的神经递质（-氨基丁酸）。 抗菌杀虫。,作用,（4）氨基酸的主要的理化
7、性质,无色晶体、有味（甜、鲜、苦）或无味，不同强度溶于水、稀酸、稀碱，但不溶于任何有机溶剂。 除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。氨基酸的比旋光度是物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。, 物理性质：,天然蛋白质分子的20种氨基酸，以色氨酸和酪氨酸对紫外光有较强的光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。, 紫外吸收性质：,氨基酸分子是一种两性电解质。 氨基酸分子中同时带有可解离的弱碱性基团（-NH3 - NH4+）和弱酸性基团（- COOH- COO -）。, 氨基酸的两性解离与等电点,氨基酸的两性解离,氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或
8、氨基形式存在，而是离解成两性离子。 两性离子（zwitterion）:带有数量相等的正负两种电荷的离子。,两性离子,C,H3N+,H,R,C,R,COOH,C,H2N,H,R,氨基酸溶液在某一特定的pH时，正负电荷数量相等，净电荷为零，在直流电场中，既不向正极移动，也不向负极移动。这时的pH值称为该氨基酸的等电点。,等电点(Isoelectric point,PI）,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,中性分子,酸性溶液：pHpI，氨基酸带负电荷，电 泳时向正极移动。 在一定PH值范围内，氨基酸溶液的PH 值离等电点越远，氨基酸所带的净电荷愈大。,pI与pH的关系
9、,氨基酸在等电点时，由于静电引力的作用，溶解度最小，容易发生沉淀。 pI是氨基酸的特征常数。分离、纯化和鉴定AA。,氨基酸等电点的确定：,酸碱滴定（滴定曲线）,根据pK值计算：等电点等于两性离 子两侧pK值的算术平均数。,pI = ,pK1+pK2,2, 氨基酸的化学反应,与印三酮：蓝紫色物质，氨基酸定 量和定性分析。 2，4二硝基氟苯：黄色化合物， 蛋白质末端氨基酸分析。 巯基：与金属（Hg、Ag）离子结合,蛋白质结构层次,（5）蛋白质的化学结构,是指多肽链上各种氨基酸残基的排列顺序，又称蛋白质的初级结构，蛋白质的共价结构。, 蛋白质一级结构的概念,(1) 初级结构(primary stru
10、cture),一个氨基酸的氨基(NH2)与另一个氨基酸的羧基(COOH)缩合脱去1分子水形成的酰胺键，称为肽键。, 肽键(peptide bond)：,由2个氨基酸分子缩合而成的肽，含 一个肽键，称为二肽。 含3个以上氨基酸的肽，称为多肽 （Polypeptide）。 由多个氨基酸残基彼此连接而成的链 状多肽，称为多肽链（Ploypeptide chain）。,二肽、多肽和多肽链,上图为： 丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-异亮氨酸, 氨基酸残基(amino acid residue),多肽链上的每个氨基酸，由于形成肽键而失去了一分子水，成为不完整的分子形式。称为氨基酸残基(amino acid
11、 residue),组成蛋白质的多肽链数目; 多肽链的氨基酸数目、种类和顺序; 多肽链内或链间二硫键的数目和位置; 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序。,C末端,C末端,N末端,N末端, 蛋白质的一级结构的组成, 蛋白质的一级结构的命名,从N末端氨基酸残基开始依次命名。,中文氨基酸残基命名法： 中文单字表示法：丝-缬-酪-天冬-谷胺 三字母符号表示法：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln 单字母法：S-V-Y-D-Q, 蛋白质一级结构的测定,拆分多肽链,断开多肽链内的二硫键,测定每一肽链的氨基酸组成,鉴定多肽链的N-末端和C-末端,裂解多肽链为较小的肽段,测定各肽段的氨基酸序列,利用重叠肽确定
12、多肽链中氨基酸的顺序,确定二硫键的位置,蛋白质测序的重要方法,N末端测定,二硝基氟苯（DNFB）法：肽游离末端NH2与DNFB反应生成DNP-肽，最后水解生成黄色DNP-氨基酸。,丹磺酰氯（DNS）法：用DNS取代DNFB，生成DNS-氨基酸。,苯异硫氰酸（PITC）法：生成PTH-氨基酸，从肽上断裂下来。,肼解法：最重要的化学方法，肽与肼反应，除C-末端氨基酸游离外，其它氨基酸转变为氨基酸酰肼化物。,还原法：C-末端氨基酸用硼氢化锂还原成相应的-氨基醇。,羧肽酶法：最有效、最常用。,C末端测定,2 蛋白质的高级结构,（1）肽单位平面结构和二面角 （2）二级结构 （3）超二级结构 （4）结构域
13、 （5）三级结构 （6）四级结构,蛋白质的构象（Conformation）,构象（Conformation）：指蛋白质分子中所有原子和基团在空间的排布，又称为空间结构或三维结构。 原子或基团由单键旋转可能形成的不同的立体结构。这种空间位置的改变并不涉及共价键的破裂。,蛋白质的构型（Configuration）,指在相同结构式的立体异构体中 原子或基团在空间的取向。 构型只有共价键的破裂才能互变 （氨基酸D型变L型）。,维持蛋白质分子构象的化学键,氢键、范德华力、疏水作用力、 离子键和二硫键等, 肽单位（peptide unit）,肽单位或肽单元：肽链主链上的重 复结构，C-CO-NH-C。,（
14、1）肽单位和二面角,A 肽键的键长是0.1325nm,比CN单键 (0.144nm)短些，比C=N双键(0.124nm)长些。 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。 B 肽单位是刚性平面结构，肽单位上的 6个原子都位于同一个刚性平面上，称为酰 胺平面(amideplane)或肽平面。,肽单位的特征,C 在肽单位上，除Pro外，CO与NH或者C一C与C一N，呈反式排布。, 肽单位与二面角(dihedral angle),C原子位于相邻二个肽平面的交线上，C原子上的C-N和C-C2键都是单键。 肽平面1围绕C-N单键旋转，其旋转角度用表示； 肽平面2围绕C-C2单键旋转，其旋转的角度用表示。 和
15、称为二面角。,肽键平面与二面角示意图,从C向N看，顺时针形成的角度为正值。,多肽链折叠的空间限制,肽平面绕C-N和C- C2键旋转。和可以取- 180至+180之间的值。 但和的大小受肽链 骨架和R基影响。,由同一个原子连接的两个肽键处于同 一个平面的构象中，和角度定位0度。,（2）蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构是指多肽链本身（主链骨架）的折叠和盘绕方式。 二级结构的形式：-螺旋、-折叠、-转角。 不规则的无规卷曲。,1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时，提出了-螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在-螺旋。,-螺旋（3.613-螺旋）,A 每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈
16、，每圈螺旋的高度为0.54nm，即每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100。,-螺旋结构的要点如下：,0.15nm,B 相邻的螺圈之间形成氢链，氢键封闭环包含13个原子(3.613-螺旋)。,C -螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。 D与-碳原子相连的R侧链位于螺旋的外侧，对螺旋的形成和稳定有较大影响。,-折叠（-sheet strand）,C -折叠有平行和反平行的两种形式:,正常的Prion蛋白含有大量的螺旋,病变的Prion蛋白含有更多的折叠,螺旋和折叠的转换,-转角 (-turn)也称发夹结构 或称U形转折,-转角：指蛋白质的分子的多肽链经常出现180的回折，在回折角上的结构就称-转角。 -转角
