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1、生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能 第一章第一章 Structure and Function of Protein 什么是蛋白质什么是蛋白质? ? 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。 蛋白质研究的历史蛋白质研究的历史 18331833年年，PayenPayen和和PersozPersoz分离出淀粉酶。分离出淀粉酶。 18381838年年，荷兰科学家，荷兰科学家 G. J. MulderG. J. Mulder引入“引入“protein”protein”
2、（源自希腊字（源自希腊字proteiosproteios，意为，意为primaryprimary）一词）一词 18641864年年，HoppeHoppe- -SeylerSeyler从血液分离出血红蛋白，并将从血液分离出血红蛋白，并将 其制成结晶。其制成结晶。 1919世纪末世纪末，FischerFischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，证明蛋白质是由氨基酸组成的， 并将氨基酸合成了多种短肽并将氨基酸合成了多种短肽 。 19511951年年, PaulingPauling采用采用X X（射）线晶体衍射发现了蛋白（射）线晶体衍射发现了蛋白 质的二级结构质的二级结构 - -螺旋螺旋( (- -he
3、lix)helix)。 19531953年年，Frederick SangerFrederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。完成胰岛素一级序列测定。 19621962年年，John KendrewJohn Kendrew和和Max PerutzMax Perutz确定了血红蛋白确定了血红蛋白 的四级结构。的四级结构。 2020世纪世纪9090年代以后年代以后，随着人类基因组计划实施，功，随着人类基因组计划实施，功 能基因组与蛋白质组计划的展开能基因组与蛋白质组计划的展开 ，使蛋白，使蛋白 质结构与功能的研究达到新的高峰质结构与功能的研究达到新的高峰 。 蛋白质的分子组成 The Mo
4、lecular Component of Protein 第一节 蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性 分布广：分布广：所有器官所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白 质质。 含量高：含量高：蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体约占人体固体 成分的成分的4545%，而在细胞中可达细胞干重的而在细胞中可达细胞干重的7070%以上以上。 1. 蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分 作为生物催化剂作为生物催化剂（酶酶） 代谢调节作用代谢调节作用 免疫保护作用免疫保护作用
5、物质的转运和存储物质的转运和存储 运动与支持作用运动与支持作用 参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递 2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能 3. 氧化供能氧化供能 组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素 主要有C、H、O、N和 S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、 钼，个别蛋白质还含有碘 。 各种蛋白质的含氮量很接均为各种蛋白质的含氮量很接均为16。 蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点 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克样品中蛋白质的含量 (g
6、%) = 每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.25100 1/16 % 一、组成人体蛋白质的一、组成人体蛋白质的20种种L- -氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨基酸有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）。 体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有 重要生理作用的重要生理作用的L L- - - -氨基酸氨基酸，如参与合成尿素的如参与合成尿素的 鸟氨酸鸟氨酸（ornithineornithine）、瓜氨酸瓜氨酸（citrullinecitrulline）和精氨和精氨 酸代琥珀酸酸代琥珀酸（argininosuccinat
7、eargininosuccinate）。 H 甘氨酸甘氨酸 CH3 丙氨酸丙氨酸 氨基酸的通式氨基酸的通式 R C +NH3 COO- H 除了除了2020种基本的氨基酸外种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱近年发现硒代半胱 氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。硒代硒代 半胱氨酸从结构上来看半胱氨酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨硒原子替代了半胱氨 酸分子中的硫原子酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少数硒代半胱氨酸存在于少数 天然蛋白质中天然蛋白质中，包括过氧化物酶和电子传递链包括过氧化物酶和电子传递链 中的还原酶等中的还原酶等。硒代半胱氨酸参与蛋白质合成硒代
8、半胱氨酸参与蛋白质合成 时时，并不是由目前已知的密码子编码并不是由目前已知的密码子编码，具体机具体机 制尚不完全清楚制尚不完全清楚。 1. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 3. 含芳香环的含芳香环的氨基酸氨基酸 4. 酸性氨基酸酸性氨基酸 5. 碱性氨基酸碱性氨基酸 （一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类 * 20* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下: : 1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 酪氨酸酪氨酸 3. 含芳香环的氨基酸含芳香环的氨基酸 天冬氨酸天冬氨酸a
9、spartic acid Asp D2.97 谷氨酸谷氨酸glutamic acid Glu E3.22 赖氨酸赖氨酸lysine Lys K9.74 精氨酸精氨酸arginine Arg R10.76 组氨酸组氨酸histidine His H7.59 4. 酸性氨基酸酸性氨基酸 5. 碱性氨基酸碱性氨基酸 目目 录录 分子病：镰形红细胞贫血分子病：镰形红细胞贫血 几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸 （亚氨基酸）（亚氨基酸） CH2 CHCOO- NH2+ CH2 CH2 CH2 CHCOO- NH2+ CH2 CH2 半胱氨酸半胱氨酸 + 胱氨酸胱氨酸 二硫键二硫键 -HH -OO
10、C-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 -OOC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 HS-CH2-CH-COO- +NH3 HS-CH2-CH-COO- +NH3 （二）氨基酸的理化性质（二）氨基酸的理化性质 1. 两性解离及等电点两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质，其解离程度取决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。于所处溶液的酸碱度。 等电点等电点(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中的溶液中，氨
11、基酸解离成氨基酸解离成 阳离子和阴离子的趋势及程度相等阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为成为 兼性离子兼性离子，呈电中性呈电中性。此时溶液的此时溶液的pH值值 称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。 pH=pI +OH- pHpI +H+ +OH- +H+ pHpI 氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子阳离子阳离子阴离子阴离子 CH NH2 COOHR CH NH2 COOHR CH NH3+ COO-R CH NH3+ COO-RCH NH2 COO-R CH NH2 COO-RCH COOHR NH3+ CH COOHR NH3+ 2. 紫外吸收紫外吸收UV absorbance 色氨酸
12、、酪氨酸的色氨酸、酪氨酸的 最大吸收峰在最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。 大多数蛋白质含有大多数蛋白质含有 这两种氨基酸残基这两种氨基酸残基，所所 以 测 定 蛋 白 质 溶 液以 测 定 蛋 白 质 溶 液 280nm的光吸收值是分的光吸收值是分 析溶液中蛋白质含量的析溶液中蛋白质含量的 快速简便的方法快速简便的方法。 芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收 3. 茚三酮反应茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成可生成 蓝紫色蓝紫色化合物化合物，其最大吸收峰在其最大吸收峰在570nm处处。 由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比由于此吸收峰值与氨基酸
13、的含量存在正比 关系关系，因此可作为氨基酸定量分析方法因此可作为氨基酸定量分析方法。 二、肽二、肽 肽键肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 -羧羧 基与另一个氨基酸的基与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合而形成氨基脱水缩合而形成 的化学键的化学键。肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形是由氨基酸通过肽键缩合而形 成的化合物成的化合物。 （一）肽（一）肽(peptide) * * 两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨基酸缩三分子氨基酸缩 合则形成合则形成三肽三肽 * * 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全， 被
14、称为被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。 * * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽寡肽 (oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽由更多的氨基酸相连形成的肽 称称多肽多肽(polypeptide)，通常在通常在50个以下个以下。 N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由氨基自由氨基的一端的一端 C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由羧基自由羧基的一端的一端 多肽链有两端多肽链有两端 * 多肽链多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基是指许多氨基 酸之间以肽键连接而成的一种结构酸之间以肽键连接而成的一种结构。 N末端末
15、端 C末端末端 牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH-CH-C H OH O O H 甘甘氨氨酸酸 + -HOH 甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸 肽键 NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O Valine+ Alanine=Val yl alanine 去掉N端的后缀，加上yl加上 C端的氨基酸名称。 （二）（二） 几种生物活性肽几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH) GSH过氧过氧 化物酶化物酶 H2O2 2GSH
16、 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶 NADPH+H+ NADP+ 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide) 2. 多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽 蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein 第 二 节 Protein FoldingProtein Folding Primary Amino acid sequence Secondary Local structures Alpha helix & Beta sheet Tertiary Overall 3D arrangement of a polypeptide chain Quaternary Organization
