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1、生物大分子的结构与功能,第一篇,蛋白质Proteins 核酸Nuclear Acids 酶 Enzyme,蛋白质的结构与功能,第一章,Structure and Function of Proteins,1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶(diastase) 。 1864年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白(hemoglubin, Hb) ，并将其制成结晶。 19世纪末，Fischer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 。 1938年，德国化学家Gerardus J. Mulder引用“Protein” 一词来描述蛋白质。,1951年, Paulin
2、g采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构-螺旋(-helix)。 1953年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。 1962年，John Kendrew和Max Perutz确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代以后，后基因组计划(Post-Human Genome Project) 。 21世纪，蛋白质组学 (Proteomic) 。,分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,一、蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重要组成
3、成分,1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,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。, 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 。,二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂,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
4、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：,氨基酸,第一节,Amino Acids,一、组成人体的20种氨基酸均属于L-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）。,二、20种氨基酸的侧链结构及极性迥然不同,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,氨基酸的分类,* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸
5、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,非极性疏水性氨基酸,目 录,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
6、Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 极性中性氨基酸,目 录,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 碱性氨基酸,目 录,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质,（一）氨基酸具有两性解离性质,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。,在某一
7、pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离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。,等电点 (isoelectric point, pI),pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质,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。,芳香族氨基酸的紫外吸收,（三）氨基酸的-氨基与-羧基共同参与茚三酮反应(ninhydrin reaction),氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色
8、化合物，其最大吸收峰在570nm处。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。,（四）一个氨基酸的羧基可与另一个氨基酸的氨基反应成肽,多肽和蛋白质 Polypeptides and Proteins,第二节,一、多肽和蛋白质是氨基酸的多聚体,（一）氨基酸是多肽与蛋白质的基本组成单位,氨基酸通过肽键(peptide bond) 相互连接而形成多肽和蛋白质。 肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,* 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,* 肽链中
9、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(residue)。,* 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)。,氨基末端（amino terminal）或 N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 羧基末端（carboxyl terminal）或C 末端：多肽链中有自由羧基的一端,多肽链有方向性：,* 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。,多肽链从氨基末端走向羧基末端。,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1.谷胱甘肽是体内重要的还原剂,谷胱甘肽 (glu
10、tathione, GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,2.体内有许多激素属寡肽或多肽,3. 神经肽是脑内一类重要的肽,在神经传导过程中起重要作用的肽类称为神经肽(neuropeptide)。脑啡肽(5)、b-内啡肽(31)、强啡肽(17)、孤啡肽(17),蛋白质分子结构可区分为4个层次（Linderstrom-Lang 1952 ）,高级结构 或 空间构象(conformation),一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quatern
11、ary structure),二、氨基酸残基的排列顺序决定蛋白质的一级结构,肽键（主要化学键） 二硫键,蛋白质一级结构(primary structure)是指蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序。 形成一级结构的化学键：,一级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。,目 录,三、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质的二级结构,蛋白质二级结构(secondary structure)是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。,甘氨酰甘氨酸,肽键,（一）肽键是一个刚性的平面,参与肽键的6
12、个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet )-转角 ( -turn )无规卷曲 ( random coil ),蛋白质二级结构的主要形式：,维系二级结构的主要化学键： 氢键,（二）-螺旋是常见的蛋白质二级结构,（三）-折叠使多肽链形成片层结构,（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在,-转角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,（五）模体是蛋白质的超二级结构,在许多蛋白质
13、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，并发挥专一的功能 ，被称为模体(motif)。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,（六）氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成,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。 这是氨基酸残基的侧链的相互作用可稳定或去稳定相应的二级结构的原因。,一段肽链有多个酸性氨基酸残基相邻，则在pH7.0时这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨碍-螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍-螺旋的形成。,天冬酰胺、亮氨酸的
14、侧链很大，也会影响-螺旋形成。,脯氨酸的结构不利于形成-螺旋。,形成-折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才能容许两条肽段彼此靠近。,四、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构,蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指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间的排布位置。,（一）三级结构是指整条多肽链的空间分布,肌红蛋白 (Mb) 的三级结构,(二) 维持三级结构稳定主要依靠非共价键,蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称非共价键、次级键，主要有氢键、 Van der Waals力、疏水作用、和离子键（electrovalen
15、t bond）等。,纤连蛋白分子的结构域,（三）三级结构可含有功能各异的结构域,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) 。,蛋白质二级结构与三级结构的不同,（四）分子伴侣参与蛋白质的折叠,分子伴侣(chaperone)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。,* 分子伴侣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。,* 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,* 分子伴侣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。,亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,
