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1、蛋白质化学,第 一 章,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。,1）酶的生物催化作用,蛋白质的生物学功能,2）调控作用,参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控：如激素或生长因子等,3）运动与支持,机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等,4）参与运输贮存的作用,血红蛋白 运输氧 铜蓝蛋白 运输铜 铁蛋白 贮存铁,5）免疫保护作用,抗原抗体反应 凝血机制,6）参与细胞间信息传递,信号传导中的受体、信息分子等,7） 氧化供能,蛋 白 质 的 分 子 组 成The Molecular C
2、omponent of Protein,第 一 节, 组成蛋白质的元素,有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se、I等。,C 50 55 % H 6 8 % O 19 24 % N 13 19 % S 0 4 %,主要元素组成,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%, 蛋白质元素组成的特点,凯氏定氮法：,一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白
3、质的基本氨基酸仅有20种,基本氨基酸中，除脯氨酸和甘氨酸外其余均属于L-氨基酸。,例外：,Pro 亚氨基酸,Gly 没有手性,非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,（一）氨基酸的分类,分类依据 ：R侧链基团的结构及理 化性质的不同,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非极
4、性疏水性氨基酸,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 极性中性氨基酸,侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。,3. 酸性氨基酸 Glu，Asp,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic a
5、cid Glu E 3.22,4. 碱性氨基酸 His，Arg，Lys,侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。,组氨酸 His （H） 7.59,赖氨酸 Lys（K） 9.74,精氨酸 Arg （R） 10.76,另外：,1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修 饰的修饰氨基酸 如：脯氨酸 羟基化 成 羟脯氨酸 赖氨酸 羟基化 成 羟赖氨酸 2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在, 半胱氨酸,胱氨酸,（二）氨基酸的理化性质,1. 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
6、子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,2. 紫外吸收,色氨酸和酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,紫外分分光度法： 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,3显色反应 茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，最大吸收峰在570nm。 该反应可作为蛋白质定性、定量分析的基础。,二、肽,（一）肽(peptide),肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽键(peptide bond)：是由一个氨基酸的-羧基与另
7、一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键，本质为酰胺键。 氨基酸残基(residue) :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。,* 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,* 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(polypeptide)。,* 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：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,多肽链有方向性：,N端,C端,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二） 几种生物活性肽,1. 谷
8、胱甘肽(glutathione, GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢,谷胱甘肽的生理功用： 解毒作用： 参与氧化还原反应： 保护巯基酶的活性： 抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定：,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,三、蛋白质的分类,* 根据蛋白质组成成分,* 根据蛋白质形状,纤维状蛋白质：多为结构蛋白，难溶于水,球状蛋白质：多数具有生理活性，多数可溶 如酶、免疫球蛋白等等,结合蛋白质及其辅基,蛋白质的分子结构The Molecular Structur
9、e of Protein,第 二 节,蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特定分子结构的高分子化合物。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系,蛋白质的分子结构包括（人为划分） 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。(包括蛋白质分子中所有的二硫键的位置）,二、蛋白质的一级结构,主要的维系键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级
10、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,三、蛋白质的二级结构,主要的维系键： 氢键,由于C=O双键中的电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。,蛋白质立体结构原则,肽键平面由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。,（一）肽单元,由于-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转,(二）蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 (
11、 random coil ),1. -螺旋：,-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象,结构特征： 为一右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基,螺距 0.54nm； 螺旋以氢键维系（氨基酸的N-H和相邻第四个氨基酸的羰基氧C=O之间。氢键方向与螺旋轴基本平行）,2. -折叠,-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象,-折叠包括平行式和反平行式两种类型,结构特征： 由若干条肽段或肽链平行或反平 行排列组成片状结构； 主链骨架伸展呈锯齿状； 涉及的肽段较短，一般为510个 氨基酸残基； 借相邻主链之间的氢键维系。,3. -转角,是多肽链180
12、回折部分所形成的一种二级结构,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,4. 无规卷曲,（三）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 结合钙离子的模体,螺旋折叠折叠 2个His和2个Cys 与Zn离子结合 螺旋区 与 DNA 结合,锌指结构,（四）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响,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。,四、蛋白质的三级结构,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
13、间的排布位置。,（一） 定义,肌红蛋白 (Mb),为单肽蛋白质，含有153个氨基酸，有8个螺旋区,三级结构是蛋白质结构的基础 对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能,（二）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain) 。,（三）分子伴侣(chaperon),分子伴侣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.,* 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。,* 可与错误聚集的肽段结合，使
14、之解聚后，再诱导其正确折叠。,* 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,五、蛋白质的四级结构,亚基(subunit) 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 。,胰岛素受体：由4个亚基组成(22) ，亚基与亚基形成单体(monomer)，2个单体形成二聚体(dimer)。,亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,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。,血红蛋白的四级结构,血红蛋白的四个亚基紧密结合，亚基之间的维系键是亚基之间的8 个盐键,蛋白质
15、结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein,第 三 节,（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,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,从细胞色素c的一级结构看生物进化 物种进化过程中越接近的生物，细胞色素的一级结构越相似,一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。,（二）一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血,N-val his leu thr pro glu glu C(146),HbS 肽链,HbA 肽 链,N-val his l
16、eu thr pro val glu C(146),由于单个氨基酸的变化引起血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病,二、蛋白质空间结构与功能的关系,肌红蛋白 Mb,血红蛋白 Hb,Hb与Mb一样能可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。,（二）血红蛋白的构象变化与结合氧,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,* 协同效应(cooperativity),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。 如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity) 如果是抑制作用
