生物化学第二章,蛋白质结构与功能

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1、第 二 章,蛋白质结构与功能,Structure and Function of Protein,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,蛋白质具有重要的生物学功能：,1）生物催化剂（酶） 2）代谢调节 3）免疫保护 4）物质的转运和储存 5）运动和支持作用 6）参与细胞间信息传递,第 一 节,蛋白质的分子组成,The Molecular Component,of Protein,碳(C) 50% 55%,氢(H) 6% 8%,氧(O) 19% 24%,氮(N) 13% 19%,硫(S) 0% 4%,少量的

2、： 磷(P)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)和碘(I)等,组成蛋白质的元素：,主要元素组成：,蛋白质元素组成特点,各种蛋白质含氮量很接均为16,可根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 每克样品中蛋白质的含量 每克样品含氮克数6.25,1/16%,凯氏定氮法-只能检测样品中氮的含量，并不能鉴定蛋白质真伪,天然动植物食物的主要成分只有蛋白质含有氮，其他主要成分（糖、脂）都不含氮,非蛋白氮 氮含量 性质 用途 三聚氰胺 66.6% 白色无味 化工原料 尿素 46.6% 刺鼻 农业肥料 肼 86.1% 液态 火箭燃料,一、氨基酸(amino acid，aa) 蛋白质的基本组成单位,构成人体蛋白质的

3、20种氨基酸(aa)的特点：,1. 均为L氨基酸，各种aa的R侧链各不相同,2. 碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除外),3. -碳原子为不对称(手性)碳原子(甘氨酸除外）,（一）氨基酸的分类,根据氨基酸侧链基团()的结构和理化性质，将其分为5类：,1. 非极性氨基酸,2. 极性氨基酸,4. 酸性氨基酸,5. 碱性氨基酸,3. 芳香族氨基酸,1. 非极性氨基酸,包括7个：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、甲硫氨酸（Met）和脯氨酸（Pro）,2. 极性氨基酸,丝氨酸(Ser)、,半胱氨酸(Cys),天冬酰胺(Asn)、,谷氨酰胺(Gln)

4、、,苏氨酸(Thr) 、,包括5个：,3. 芳香族氨基酸,包括3个：,色氨酸(Trp)、,苯丙氨酸(Phe),酪氨酸(Tyr) 、,4. 酸性氨基酸,R-基有COOH(COO-),带负电荷,5. 碱性氨基酸,R-基有NH2(NH3+),赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His),带正电荷,精氨酸（Arg）,组氨酸（His）,1. 两性解离及等电点,（二） 氨基酸的理化性质,等电点(pI)：,aa酸性解离和碱性解离的程度相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值就称为该aa的等电点,pI=1/2（pK1+pK2）,除碱性aa外，其余氨基酸等电点均小于pH7,pHpI,pHpI,p

5、H=pI,思考：组氨酸在pH值为5.5的溶液中带电荷?,2. 紫外吸收性质,色氨酸和酪氨酸在280nm波长附近对紫外光有最大吸收峰,据此可以通过测定蛋白质溶液280nm的吸光值快速测定其蛋白质含量,3. 茚三酮反应,aa与水合茚三酮一起加热，生成蓝紫色的化合物，在570nm处有最大吸收。据此亦可用作aa含量分析,（一） 肽与肽键,二、肽（peptide）,肽键（peptide bond）是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,+,肽键,二肽,苯丙氨酰丙氨酸,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,寡肽(oligopeptide),由1

6、0个以内氨基酸连成的小肽,多肽(polypeptide),由许多氨基酸连成的肽,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,多肽链有两端： 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,氨基末端(端),羧基末端(C端),氨基酸残基(amino acid residue)：是指氨 基酸在形成肽链时丢失了一分子水，肽链 中的氨基酸分子已不完整,蛋白质与多肽的区别：,Peptide,空间构象不稳定,氨基酸残基数较少,Protein,空间构象相对稳定,氨基酸残基数较多,（二）生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione，GSH)

7、,构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的羧基,由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)组成的三肽,(1)组成,(2) 功能,GSH是体内重要的还原剂,由下丘脑分泌，其功能是促进腺垂体释放促甲状腺素(调节糖代谢),2. 促甲状腺素释放激素,(1) 组成,(2) 功能,第 二 节,蛋白质的分子结构,The Molecular structure of Protein,一级结构（primary structure）,二级结构（secondary structure）,三级结构（tertiary structure）,四级结构（quaternary structure）,高级结构或 空间结构,

8、蛋白质分子结构包括：,一、蛋白质的一级结构,定义： 指多肽链中氨基酸的排列顺序 主要的化学键： 肽健，有些蛋白质还包括二硫键 氨基酸序列书写： 以N-末端开始，C-末端结束，依次编1、2、3,胰岛素的一级结构,各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同,二、蛋白质的二级结构,定义： 是指蛋白质分子中一段多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，并不涉及到aa侧链R基团的构象 主要的化学键：氢键,负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引的作用力,肽键中与-相连的氧原子和氢原子呈反式构型,（反式）,（顺式）,空间结构中肽键的特点：,C=N双键为0.127nm,因

9、此，肽键具有部分双键性质，不能自由旋转,肽键中键长为0.132nm,CN单键为0.149nm，,肽键的6个原子C1 、C、N、O、H、 C 2位于同一平面，构成所谓的肽单元(peptide unit),蛋白质的二级结构类型：,螺旋结构 (helix),折叠结构 (pleated sheet),-转角 (turn),无规卷曲 (random coil),(一)螺旋,由肽键平面盘旋 形成的右手螺旋状构象,1. 概念,2.-螺旋的结构特征,(1)以肽键平面为单位,以-碳原子为转折盘旋形成右手螺旋,(2) 每3.6个氨基酸残基 绕成一个螺圈(3600),螺距为0.54nm,每个氨基酸上升0.15nm,

10、肽键平面与中心轴平行,(3)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部,(4)肽键的CO和NH 都形成氢键,是稳定螺旋的主要作用力,氢键的方向与中心轴大致平行,（二）折叠,又叫-片层，由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象 在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上,1.概念,2. 折叠结构特点,() 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列；,侧链基团交错地分布在片层平面的两侧,()由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴接 近垂直,() 条肽段平行排列构成，肽段之间可 顺向平行(均从N-C)，也可反向平行,(三)转

11、角,肽链出现1800回折的转角处结构称为转角,1.概念,2.结构特征,*第一个残基的C=O与第四个 残基的N-H形成氢键,*常见于球状蛋白质分子表面,(四)无规卷曲,概念,没有确定规律性的肽键构象,常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠,(五)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,锌指结构,三、蛋白质的三级结构,（一）定义,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置,主要的化学键：,疏水键

12、、盐键(离子键)、氢键、范德华力,卵溶菌酶的三级结构含有螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲四种二级结构,疏水作用示意图,疏水作用,由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力,离子键,由异性电荷间的静电吸引形成,氢键,负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引，这种作用力称为氢键,（二）结构域,指多肽链在二级结构或超二级结构(模体)的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体,酵母己糖激酶的三级结构 两个结构域之间有一个裂隙,四、蛋白质的四级结构 (quaternary structure),蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成，每条肽链都有完整的三级结构，称

13、为亚基,亚基(subunit),亚基间的空间排布、亚基间相互作用与接触部位的布局，不包括亚基本身的空间结构,蛋白质的四级结构,亚基间的结合力主要是疏水作用，其次是离子键和氢键,第 三 节,蛋白质结构与功能的关系,The Relation of Structure and Function of Protein,（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,以124个氨基酸残基组成的牛胰核糖核酸酶（4对二硫键）为例说明,牛胰核糖核酸酶的变性与复性,-巯基乙醇,尿素或盐酸胍,透析,有活性,无活性,1. 一级结构相似的蛋白质功能相似,胰岛素的一级结构及种属差异,（二）一级结构与功

14、能的关系,ACTH 促肾上腺素皮质激素,MSH 促黑激素,2. 一级结构不同的蛋白质功能不同,蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间构象乃至生理功能,例子：镰刀状红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”,HbS与HbA的区别,-亚基第6位氨基酸,正常人：Glu,患者：Val,二、蛋白质空间结构与功能的关系,（一）肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)的结构,蛋白质的空间结构决定生物学功能,肌红蛋白（1个亚基）与血红蛋白（4个亚基）的一级结构有较大差异，但均具有与氧可逆地结合的能力,其结构特点是，都与血红素（辅基）共价结合,O2,氧饱和度,静脉血,动脉

15、血,氧分压,P50,100% -,Hb,Mb,血红蛋白与氧结合的正协同效应,（二）血红蛋白构象变化与结合氧的能力,*协同效应（cooperativity) 指一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响蛋白质分子中另一个亚基与配体的结合能力,促进,正协同效应,抑制,负协同效应,O2,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链构象改变,变构效应,蛋白质分子与其它小分子物质结合后构象发生改变,其功能也随之变化的现象,（三）蛋白质构象改变与疾病,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生,这类疾病包括：人文状体脊髓变性疾病、老年痴呆症、疯牛病等,疯牛病的蛋白质构象改变,疯牛病是朊病毒蛋白构象改变引起的人和动物神经退行性病变 正常的朊病毒蛋白（prion protein，PrP）富含螺旋，称为PrPC PrPC在某种未知蛋白质的作用下，可转变成全为-折叠的PrPSC，从而致病,PrPC,螺旋 正常,PrPSC,-折叠 疯牛病,第 四 节,蛋白质的理化性质 及其分离纯化,The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）两性解离和等电点,蛋白质是两性电解质。