蛋白质的结构和功能

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1、生化学习小组全体成员王品、陈洁琨、顾炎、王飞预祝大家期末考试中取得理想成绩第一章、蛋白质的结构和功能蛋白质重要性具体体现在：1.含量高 人体固体成分的45%, 脾、肺、肌肉含量均超过80%, 细菌的50-80%, 干酵母的46.6%。2.种类繁多 生物界蛋白种类估计在10 101012数量级 结构、运动和支持功能：角蛋白、胶原蛋白、肌动蛋白、微管蛋白等 催化与代谢调节:酶、胰岛素等 物质转运和贮存：膜转运蛋白、白蛋白、血红蛋白、铁蛋白等 信号传导：受体、接头蛋白等 免疫保护：抗体 血凝功能：凝血因子等 基因调控：转录因子等 细胞增殖、分化、凋亡等：细胞因子、凋亡蛋白酶等第一节 蛋白质的分子组成

2、一、蛋白质的元素组成 从已获得的蛋白质结晶纯品，进行元素分析，得知蛋白质的元素组成: C H O N S 等。 氮元素的平均含约氮元素的平均含约 16%1克氮（克氮（ N） = 6.25克克 蛋白质蛋白质是凯氏(KJedahl)定氮法测定蛋白质含量的计算基础。3、氨基酸分类 非极性疏水性氨基酸（Nonpolar Hydrophobic Amino Acids）极性中性氨基酸（Neutral Polar Amino Acids）碱性氨基酸（Basic Amino Acids）酸性氨基酸（Acidic amino acids）4、其它氨基酸 蛋白质中存在的修饰氨基酸 在蛋白质中不存在，但为哺乳动物

3、代谢所必需的氨基酸-非蛋白质氨基酸 D-氨基酸：抗菌肽等中存在（二）氨基酸的理化性质 氨基酸等电点计算： R基团 为非极性基团或基本不电离的极性基团的氨基酸的等电点是由-COOH，-NH2的解离常数的负对数pK1、pK2来决定：pI=(pK1+pK2)/2 酸性和碱性氨基酸，其等电点由-COOH， -NH2和R基团 共同决定，只要写出由酸到碱的电离式，然后取兼性离子两边的pK值的平均值： 酸性氨基酸： pI=(pK1+pKR)/2 碱性氨基酸： pI=(pK2+pKR)/2 中性氨基酸的等电点一般在5.0-6.5之间；酸性氨基酸为2.7-3.2，碱性氨基酸为9.5-10.72、紫外吸收 芳香族

4、氨基酸在波长约为280nm处有最大光吸收峰 吸收强度比较：TryTyrPhe 应用：测定生物样品中蛋白质的含量 3、氨基酸的呈色反应 茚三酮反应 原理：印三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应，最后茚三酮与反应产物氨和还原茚三酮发生作用，生成Ruhemanns紫色物质，在570nm有光吸收。应用：适应于氨基酸、多肽和蛋白质的定性和定量分析。氨基酸小结 ： 蛋白质氨基酸：20种L- -氨基酸（gly无手性碳原子，脯氨酸为亚氨基酸） R-侧:非极性、极性中性、酸性和碱性 理化特性：两性电离、紫外吸收、成色反应二、肽（peptide） 肽的一些要点：1、肽、二肽、寡肽（olygo

5、peptide）、多肽（polypeptide）2、多肽链、氨基末端（N-末端）、羧基末端（C-末端）、氨基酸残基、主链、侧链3、多肽链书写要求： N-端（H表示） C-端（OH 表示），如 脑啡肽的书写：H- Tyr. Gly. Gly. Phe. Leu-O或Y.G.G.F.或 酪 .甘 .甘.苯丙.亮 （三）生物活性肽指生物体内具有调节功能的肽 ,在调节代谢、生长、发育、繁殖等生命活动中起着重要作用如： 谷胱甘肽 多肽类激素：催产素（9肽）、加压素（9肽）、粗肾上腺皮质激素（39肽） 神经肽：脑啡肽（5肽）、内啡肽 抗菌肽：短杆菌肽SGSH氧化还原作用神经肽(neuropeptide):

6、第二节 蛋白质的分子结构 一级结构（初级结构）空间结构（高级结构）：二、三、四级结构一、蛋白质的一级结构1、定义：蛋白质多肽链中的氨基酸种类、数目和特定排列顺序，还包括肽链数目和二硫键位置等。2、一级结构的重要性： 蛋白质高级结构和生物功能的基础。遗传病研究（分子病）物种进化研究二、蛋白质的空间结构 空间结构 表示方法 空间结构的作用力 二级结构 超二级结构 结构域 三级结构 四级结构 空间结构的折叠问题二硫键（disulfidebridge） 两个半胱氨酸的巯基脱氢氧化可产生二硫键 二硫键可在同一条肽链内或不同肽链之间形成 二硫键属共价键，对于维持蛋白质的三级结构 和生物活性起很大作用 氢键

7、（hydrogen bond）定义：负电性很强的原子（如氧或氮）和已与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引，这种作用称为氢键氢键作用： 对于二级结构（主链构象）的稳定起主要作用 对于维系蛋白质三、四级结构也起着一定的作用 非极性键/疏水键(hydrophobicinteraction) 定义：指疏水基团在水溶液中常避开水而聚集在一起的那种力量，或指非极性基团受到水分子的排斥相互聚集在一起的作用力 对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起主要作用离子键/盐键（electrostaticinteractionorsaltbridge） 定义 ：指正负离子电荷间的静电引力 盐键对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起

8、重要作用凡德华力（Vanderwaalsinteraction） 定义：原子间在一定空间距离上的相互作用力（吸引力和排斥力的总称）（三）蛋白质的二级结构1、蛋白质的二级结构概述： 定义：多肽链主链以肽平面为单位折叠形成局部肽段的空间排布方式。 类型：-螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲。 肽键和肽键平面的特性肽键平面或酰胺平面要点： 肽键具有双键性质,不能自由转动，与肽键相关的6个原子-C 1 -CO-NH-C2 -约束于一个平面，称为肽平面(peptideplane)，此平面上的6个原子：称为肽单元(peptideunit)； 肽平面是反式构形，即2个C 在肽键的异侧 C与肽键的N、C原子是单键

9、，可旋转,决定了相邻肽平面的相对空间位置。3、-螺旋(-helix) 定义：蛋白质分子中局部肽链的肽平面通过碳原子旋转，使碳链主链沿中心轴盘曲成稳定的右手螺旋构象 螺旋式重主要的二级结构形式，存在于大多数的蛋白质中，如角蛋白（皮肤、毛发、指甲、和角）全部是螺旋-螺旋的要点：一般为右手螺旋（=-57 o,=-47o）；每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm;又称13 3.6螺旋螺旋圈之间通过氢键（aa 1的C=O和aa 4的-NH之间）维持结构稳定;R侧链位于螺旋外侧，其大小、形状及电荷等是影响此结构形成的主要因素。R侧链对螺旋的影响 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如

10、Lys，或Asp，或Glu)，不能形成稳定的螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。 Gly在肽中连续存在时，不易形成螺旋。 R基大（如Ile）不易形成螺旋 Pro、脯氨酸中止螺旋。 R基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成螺旋。4、-片层(-pleatedsheet)定义：多肽链的局部肽段，以肽键平面为单位折叠成锯齿状的一种较伸展结构。-片层要点： 多肽链较伸展,遇C 发生折叠,R侧链交错位于锯齿状结构上下方； 两条或多条肽链片段平行排列，靠链间氢键稳定构象； 两条肽链的走向可以是顺向平行或反向平行或混合排列。5、 -转角 (-turn)- 转角：多肽链中

11、的某局部出现 180 度回折处形成的特定构象。 一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：Pro,Gly,Asp,Asn,Trp。 以氢键维持稳定，第 1 个氨基酸残基的 C=O 与第 4 个残基的 N-H 之间形成氢键。 赋予蛋白质较大的构象柔性，常位于三维结构的表面，有些具有特定功能。6、无规则卷曲(random coil) 不规则卷曲：没有明确规律性的那部分肽段的结构。但这些“无规则卷曲”也象其他二级结构那样是由明确而稳定的结构。 作用：赋予蛋白质较大的构象柔性，常构成蛋白质的特定功能部位。如许多钙结合蛋白中结合钙离子的 EF 手结构的中央环 （四）蛋白质的超二级结构：模体（motif） 概念：

12、多肽链中一些临近的二级结构单元，相互作用，形成有规则的二级结构组合。1973年RossmanMG首先提出的。 作用：属于二级结构与三级结构之间的结构层次，是结构域和三级结构的“建筑模块(module)”；有些有特定功能。 常见类型：、 、(五)结构域（domain） 定义：多肽链上二级结构单元和超二级结构模体以特定方式作用组合，在蛋白质分子中形成一个或多个可明显区分的局部空间结构区域，常具有特定的功能。有时也称功能域（functionaldomain）。 一般说，功能域是蛋白质分子中独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是由两个或两个以上结构域组成。结构域的特征： 结构域50-35

13、0个氨基酸残基构成，与整个蛋白质分子是共价相连，蛋白质分子可以有多个相同或不同结构域的组合； 多结构域蛋白质的结构域常有它对应的基因外显子编码； 是多肽链的独立折叠单位，结构域之间常有一段柔性的肽链连接（铰链区，hinge），是结构域容易发生相对运动； 结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为NAD +结合结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。 结构域之间有一裂沟（cleft）或口袋状，常常是活性部位。（六）蛋白质的三级结构tertiarystructure 定义：指整条多肽链所有原子（主链

14、和侧链）三维空间排列，也即在二级结构基础上进一步盘曲或折叠所形成的立体结构。 作用力：疏水键、离子键、氢键、凡德华力和二硫键等。 意义：多肽链的三级结构与蛋白质功能和性质密切相关。球状蛋白三级结构特征： 多层次模块化装配：多种二级结构元件超二级结构（模体） 结构域三级结构； 密度不均：大部分紧密球状或椭球状实体中有低密度松散区（-转角、无规则卷曲、loop等），这是蛋白质构象易发生变化的部位； 疏内亲外：大部分球状蛋白疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面是最稳定结构（膜内蛋白例外），隐藏疏水残基避免与水接触是安排二级结构单元形成特定三级结构的主要动力； 球状蛋白表面常有一个空穴（裂沟

15、、凹槽或口袋），空穴周围分布着许多疏水侧链，为底物等发生化学反应营造一个疏水环境（低介电区）。空穴大小约能容纳12各小分子配体或大分子的一部分。（七）蛋白质的四级结构quaternarystructure 定义：有两条或两条以上独立三级结构的多肽链彼此通过次级键结合而形成的空间结构。 亚基（subunit）：四级结构蛋白中，具有独立三级结构的多肽链。故四级结构实际是亚基的立体排列和相互作用。 作用力：疏水键、离子键、氢键四级缔合在结构和功能上的优越性（八）蛋白质的折叠问题 一级结构蛋白质的空间结构基础，蛋白质趋向形成一种能量最低，结构最稳定的三级结构，这是蛋白质能折叠的动力； 细胞内高稠密介质，以及狭窄空间使得伸展的和部分折叠的蛋白质在高浓度时倾向于聚集；无法自我迅速完成正确折叠 两大类蛋白质参与蛋白质折叠： 蛋白质二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）:加速蛋白质折叠过程中形成正确配对二硫键； 分子伴侣（molecularchaperone）:为蛋白质折叠提供一个有利的折叠环境，与未折叠肽段的疏水部分可逆结合，防止聚集和错误折叠，诱导正确折叠。如热休克蛋白（heatshockprotein）等三、蛋白质的分类1、组成分类： 单纯蛋白：清蛋白