蛋白质的结构与功能3学时

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1、第一章 蛋白质的结构与功能,基础医学部 吴志鹏 Tel：137-99-666-919 Email: ,本章主要内容,第一节 蛋白质的分子组成 第二节 蛋白质的分子结构 第三节 蛋白质结构与功能的关系 第三节 蛋白质的理化性质,蛋白质是生命的物质基础,分布广含量高：所有器官、组织、细胞都含有蛋白质，蛋白质占人体干重的45，某些组织如脾、肺及横纹肌等高达80。 蛋白质是机体功能的直接执行者。 临床上多数抗病或致病机理,是通过与相关蛋白质相互作用产生。（如危重病人输白蛋白；痛风症机理和HIV选择性地破坏CD4+细胞等。）,蛋白质主要功能（直接执行者）,1、作为生物催化剂（酶） 2、代谢调节作用（激素

2、） 3、免疫保护作用（抗体） 4、物质的转运和存储（转运蛋白） 5、运动与支持作用（胶原蛋白） 6、控制生长和分化（激活或阻遏蛋白） 7、参与细胞间信息传递（受体） 8、生物膜的功能（离子泵） 9、氧化供能（18%）,痛风症机理,（血浆中尿酸含量超过0.42mmol/L时，即可形成尿酸盐晶体）,第一节 蛋白质的分子组成,Section 1: The molecular component of protein,蛋白质的元素组成,主要有C、H、O、N、S。 有些还有P、Fe、Cu、Zn等。 特点：各种蛋白质的含N量很接均为N=16% （相当于 X 6.25）。,一、蛋白质的基本组成单位-氨基酸,

3、（一）氨基酸的结构与分类 组成人体蛋白质的氨基酸只有20种，其中18种为L-氨基酸（甘氨酸和脯氨酸除外）。 不同的氨基酸其侧链（R）不同。,甘氨酸是最简单的氨基酸且不是L-氨基酸。 脯氨酸的氨基为亚氨基且形成五元环（空间位阻） 两个半胱氨酸以二硫键相连形成胱氨酸。,甘氨酸、脯氨酸以及 半胱氨酸结构比较特殊,氨基酸可根据侧链性质进行分类,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸（3个） 酸性氨基酸（2个） 碱性氨基酸（3个）,酸性氨基酸（2个）,碱性氨基酸（3个）,芳香族氨基酸（3个）-均有苯环,苯丙氨基 色氨基 酪氨基,一些经过化学修饰的氨基酸残基,即一些氨基酸残基的某些基团被羟基化、

4、甲基化、磷酸化等。可影响相应蛋白质的理化性质和生物活性。,（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。,氨基酸等电点：在某一PH的溶液中，氨基酸解离成阴阳离子的趋势相等，净电荷为零。此时溶液的PH值称为该氨基酸的等电点。 想一想：为什么酸性氨基酸PI比较低?,2、氨基酸紫外吸收 -含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。 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。,氨基酸的呈色反应,多数氨基酸和茚三酮共热后，最大吸收峰在570nm处，

5、可生成蓝紫色化合物。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。 注：脯氨酸和茚三酮生成黄色化合物。,二、氨基酸与多肽,氨基酸通过肽键连接而形成的肽（或蛋白质）。肽键：由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,几个基本概念,肽：氨基酸通过肽键缩合形成的化合物。 10个以内氨基酸通过肽键缩合形成的化合物称寡肽。 10个以上氨基酸通过肽键缩合形成的化合物称多肽。 肽链中氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，故称为氨基酸残基。,肽链的两端（N端和C端）,N端：肽链中有游离-氨基的一端。 C端：肽链中有游离-羧基的一端。,体内存在多种重要的生物活性肽,

6、谷胱甘肽（glutathione，GSH) 谷-半间的肽键有所不同，还原型GSH中的-SH(巯基)可保护体内其他蛋白质或酶分子中-SH免遭氧化。,常见肽类药物,催产素或升压素（9） 促肾上腺皮质激素（39） 神经肽：脑啡肽（5），强啡肽（17），孤啡肽（17）镇痛作用。,三、蛋白质的分类,根据组成分类： 单纯蛋白质 结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分 根据分子形状分类： 纤维状蛋白质（结构蛋白：如胶原蛋白） 球状蛋白质（功能蛋白：如免疫球蛋白） 根据功能分类： 活性蛋白质 非活性蛋白质,小测,生物体功能的直接执行者是： A核酸 B蛋白质 C糖 D脂类 E以上都不是 蛋白质的元素组成中，N元素

7、平均为： A 6.25% B9.9% C16% D18% E20% 以下不是L-氨基酸的是: A丙氨酸 B亮氨酸 C甘氨酸 D半胱氨酸 E丝氨酸 以下是酸性氨基酸的是: A丙氨酸 B谷氨酸 C谷氨酰氨 D半胱氨酸 E丝氨酸 以下是有紫外吸收氨基酸是: A谷氨酸 B丙氨酸 C谷氨酰氨 D酪氨酸 E丝氨酸 以下是芳香族氨基酸的是: A甘氨酸 B丙氨酸 C亮酰氨 D色氨酸 E丝氨酸,第二节 蛋白质的分子结构,Section 2: The molecular structure of protein,一、蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构：整条肽链通过肽键形成的氨基酸残基排列顺序。 主要的化学键：肽键

8、，有些还包括二硫键。（蛋白质分子中所有二硫键的位置也属于一级结构范畴）,中国离诺贝尔奖最亲密的一次接触,1965年9月17日，中国科学院生物化学研究所等单位，经过六年多的艰苦工作，在世界上第一次用人工方法合成了一种具有生物活力的蛋白质结晶牛胰岛素。 生物化学研究所20余人，负责胰岛素A、B链的拆合和B链（30肽）的人工合成；北京大学化学系和有机化学研究所各6-7人，共同负责A链（21肽）的人工合成。 诺贝尔奖有一个要求，那就是必须完全创新的成果。 1979年度诺贝尔化学奖的得主为美国人布朗和德国人维提希。 1982年，人工合成胰岛素研究成果获得国家自然科学一等奖。,二、蛋白质的空间结构,二级结

9、构 三级结构 四级结构,（一）蛋白质二级结构,蛋白质二级结构：局部肽链的主链骨架原子通过氢键形成的三维结构，不涉及氨基酸残基侧链的构象。 主要化学键：氢键。,1、肽单元 （肽平面）概念,肽单元：涉及肽键的6个原子处于同一刚性平面。 注意：肽平面中Ca与C以及 Ca与N可自由旋转。,肽键,肽键比一般C-N键短，不能自由旋转；肽平面中Ca与C以及 Ca与N可自由旋转。,2、蛋白质二级结构的主要构象形式,-螺旋(- helix) -折叠 (- plested sheet) -转角(- turn) 无规卷曲(random coil),-螺旋 (3.6个AA残基/螺旋；侧链R在螺旋外侧；每个肽键的N-H

10、和第四个肽键的C=O形成氢键 ；右旋。常见如角蛋白，肌红蛋白）,获1954诺化奖,-折叠 （各链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链R伸向上下方；所涉及的肽段一般较短；氢键相连，分子内或分子间形成，走向相同或相反。 常见如蚕丝蛋白）,烫头发机理,疯牛病,蛋白质的错误折叠(-螺旋变成-折叠 )成为致病分子，也称为朊病毒（prion ）。,-转角和无规卷曲,-转角通常由4个氨基酸残基组成，第2个常为脯氨酸或甘氨酸。第1个残基的C=O与第4个残基的N-H形成氢键。 无规卷曲是用来描述没有确定规律性的那部分卷曲肽链结构。,模体（motif）,模体：在许多蛋白质分子中，可发现2到3个具有二级结

11、构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则和具有特定功能的二级结构组合。如：， ， 。,（二）蛋白质的三级结构,蛋白质三级结构：整条多肽链通过疏水键、离子键、氢键等形成的三维结构。 主要化学键：疏水键、离子（盐）键、氢键和范德华力等。,典例：肌红蛋白（153个AA残基，8个-螺旋，ABCDEFGH）,结构域(domain),结构域：蛋白质常可折叠成一或多个结构较为紧密且发挥特定生物学功能的区域。其是三级结构层次上的局部折叠区。 最常见的结构域约含有100200个氨基酸残基，一般至少40个、多的可至400个以上；对于较小的蛋白质分子或亚基，“结构域”和“三级结构”往往是一个概念，这些蛋白质是属于

12、单结构域分子(如卵溶菌酶等)。从功能角度看，很多属于多结构域的酶蛋白，其活性中心都位于结构域之间，易构建活性中心，易结合底物，易发生别构效应。,（三）蛋白质四级结构,亚基：有些蛋白质含有几条肽链，每条肽链都有完整的三级结构，这种肽链称为蛋白质的亚基。 蛋白质的四级结构：全部亚基通过疏水键、离子键、氢键等形成的三维结构。 亚基间主要化学键：疏水键、离子（盐）键、氢键。（不包括二硫键） 同聚体和异聚体。,典例：血红蛋白 （亚基141AA， 7个-螺旋；亚基146AA 8个-螺旋；4个亚基通过8个离子键相连）,变构效应 和协同效应,小结:蛋白质的一级结构到四级结构,一级结构：整条多肽链通过肽键形成的

13、氨基酸残基排列顺序。 二级结构：局部肽链的主链骨架原子通过氢键形成的三维结构。 三级结构：整条多肽链通过疏水键、离子键、氢键等形成的三维结构。 四级结构：全部亚基通过疏水键、离子键、氢键等形成的三维结构。,作业：比较以下概念的差异,蛋白质二级结构 Motif Domain 蛋白质三级结构 亚基,第三节 蛋白质结构与功能的关系,蛋白质的一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。蛋白质的空间构象（空间结构）是其功能（活性）的基础。构象改变，活性也相应发生改变。,一、蛋白质一级结构与功能关系 1、一级结构不同、生物学功能各异,升压素：提高远曲小管和集合管对水的通透性，促进水的吸收，治疗尿崩症

14、（抗利尿激素）。 H2N-Gly-Arg-Pro-Cys-Asn-Gln-Phe-Tyr-Cys-COOH 催产素：具有刺激乳腺分泌和子宫收缩；人与人之间亲密的关系的起源（催情素）。 H2N-Gly-Leu-Pro-Cys-Asn-Gln-Ile-Tyr-Cys-COOH,背景知识,催产素和抗利尿激素由文森特迪维尼奥于1953年分离出和合成，因此获得1955年诺贝尔化学奖，都是从人类脑下垂体释放的激素中。催产素是第一个被测序和合成的神经肽。 催产素有助于减轻压力及缓解疼痛，唤起知足的心情，减少焦虑，增加平静的感觉和和围绕配偶的安全感，血液中催产素水平和成人浪漫的依恋之间有一个正相关关系。有希望

15、成为一个有效的治疗自闭症、抑郁症的良药。,2、一级结构中“关键”部分相同，其功能也相同。,从鲨、蛙、鸵鸟、哺乳动物垂体中提取的ACTH(促肾上腺皮质激素)均为39肽。其N端（124位）的氨基酸排列顺序较为一致，且为生物活性的中心区域。主要差异在分子的C端（2533位）。已能人工合成ACTH与其N端的24肽，可呈现充分的ACTH活性。,一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,3、一级结构“关键”部分变化，其功能也改变。 4、一级结构的变化与疾病的关系,镰刀形红细胞贫血,二、蛋白质空间结构与功能关系,蛋白质的空间构象是其功能（活性）的保证。构象改变，功能（活性）也相应发生改变。 如血红蛋白中

16、一个血红素与氧结合可导致各亚基间离子键断裂，T态变成R态。,肌红蛋白（Mb储氧） 与血红蛋白（Hb运氧） 的结构,变构效应和协同效应,变构效应：配体与亚基结合引起亚基构象的改变。 协同效应：寡聚体中一个亚基与配体结合后，能影响其他亚基与配体结合能力的现象。 有正协同效应（促进作用如Hb与氧结合）负协同效应（相反）。,蛋白质构象改变可引起疾病,有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变 常见病：老年痴呆症，亨停顿舞蹈病，疯牛病，人纹状体脊髓变性病等,第四节 蛋白质的理化性质,Section 4: the physical and chemical characters of protein,一、蛋白质两性解离性质,蛋白质两性解离：蛋白质分子除了两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液PH条件下都可以解离成带负电荷或正电荷的基团。 蛋白质等电点：在某一PH的溶液中，蛋白质解离成阴阳离子的趋势相等，净电荷为零。此时溶液的PH值称为该蛋白质的等电点。（胃蛋白酶，组蛋白pI差异大） 注意：环境PH大于pI时，蛋白质带负电荷。反之。举例略,