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1、第二章蛋白质的结构与功能Chapter 1 Structure and Function ofProtein讲授内容v 第一节蛋白质在生命中的重要作用v 第二节蛋白质的化学组成v 第三节蛋白质的化学结构v 第四节蛋白质的高级结构v 第五节多肽、蛋白质结构与功能的关系v 第六节蛋白质的物理化学性质和分离提纯v 第七节蛋白质分类第一节蛋白质在生命中的重要作用v酶类催化体内生化反应v激素蛋白类调节体内物质代谢，如Ins、IGF-I、GH（Hormone）v运输蛋白类运输代谢所需小分子、离子以及电子，如血红蛋白v运动蛋白类使细胞或生物体发生运动，如肌球蛋白和肌动蛋白v防御蛋白类抵抗入侵，保护机体，如抗
2、体（与细菌、病毒选择性结合）、补体（杀死细菌、病毒）、干扰素（抑制病毒）；凝血酶和血液纤维蛋白原参与血液凝固v受体蛋白类存在于细胞各个部分，把激素、神经递质信号传递给靶细胞，如膜受体v生长、分化的调节蛋白类对细胞的生长、分化、基因表达其调节作用。例如：组蛋白、阻遏蛋白、表皮生长因子v营养和贮存类卵清蛋白、乳中酪蛋白、小麦种子中的醇溶蛋白v结构蛋白类机体的结构成分，如胶原蛋白、角蛋白、硬蛋白、丝心蛋白、弹性蛋白v毒素蛋白类极少量即可导致中毒，霍乱毒素、毒蛇的毒素蛋白v膜蛋白类生物膜的成分，可进行细胞的识别、物质运输、信息传递等蛋白质是生命活动所依赖的物质基础。没有蛋白质就没有生命！第二节蛋白质的
3、化学组成一、蛋白质的元素组成v碳50%55%、氢6%8%、氧20%23%、氮15%17%、硫0.3%2.5%v某些蛋白中，还含有微量的磷、铁、铜、钼、碘、锌等元素v各种蛋白质的氮的含量比较恒定，平均值为16%蛋白质的含氮量v大多数蛋白质的含氮量接近于16%，这是蛋白质元素组成的一个特点，也是凯氏（Kjedahl）定氮法测定蛋白质含量的计算基础。v根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：v蛋白质含量=蛋白氮 6.25v6.25为蛋白质系数，即1克氮所代表的蛋白质量（克数）二、蛋白质的基本结构单位和其它组分v蛋白质的基本结构单位是氨基酸v蛋白质分为两大类简单蛋白质水解后产生各种氨基酸结合蛋白
4、质水解后还可产生其它组分，如血红素、糖类、脂类、核酸、金属离子等三、氨基酸1.氨基酸的基本结构与构型常见的氨基酸20种，除脯氨酸是-亚氨基酸外，其余19种都是-氨基酸。甘氨酸结构式除甘氨酸外，其余19种氨基酸都具有手性，天然蛋白中的所有氨基酸都是L-型的。但在某些微生物和植物体中常含有D-型氨基酸v根据R侧链极性和电荷不同，分四大类非极性不带电极性正电极性负电极性2.氨基酸的分类非极性氨基酸v“丙、缬、亮、异亮、脯上色、苯、蛋”vR基团具有疏水性。Non-polar amino acids不带电极性v“甘、丝、苏、半、酪、天冬、谷氨酰胺”vR基团有极性，但不解离，或仅极弱地解离，它们的R基团有
5、亲水性Polar, uncharged amino acids正电极性v“赖、精、组”vR基团有极性，且解离，在中性溶液中显碱性，亲水性强Basic amino acids负电极性v“天冬、谷氨酸”vR基团有极性，且解离，在中性溶液中显酸性，亲水性强Acidic amino acids3.稀有氨基酸v除了上述20种常见氨基酸以外，还有一些仅存在于少数蛋白质中的稀有L型氨基酸胶原蛋白和弹性蛋白中的4羟脯氨酸和5羟赖氨酸甲状腺球蛋白中的二碘酪氨酸和L甲状腺素肌球蛋白中的N甲基赖氨酸；-角蛋白中的胱氨酸v是常见氨基酸的衍生物,没有遗传密码，是在蛋白质生物合成以后，通过有关酶的催化修饰而形成的。4.非
6、蛋白质氨基酸v有一些氨基酸不参与蛋白质的组成，而是以游离的状态存在于生物体之中。5.必须氨基酸v从营养学角度还可以将氨基酸分为必需和非必需氨基酸。v八种必须氨基酸:必需氨基酸包括：赖氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、色氨酸、组氨酸和精氨酸，其中的组氨酸和精氨酸，虽然人体能自己合成，但效率较低，尤其在婴幼儿时期，需要由外界供给。v“一家写两三本书来”+精组v其余的10种氨基酸是非必需氨基酸：甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸和丙氨酸。6.氨基酸的主要的理化性质v光吸收特性在紫外光区色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸
7、收波长()分别为279、278、259nm。是利用紫外分光光度计（在波长280nm处）测定蛋白质浓度的基础。氨基酸的两性解离及等电点v氨基酸COOH能放出质子，变成COO；NH2能接受质子，而变成NH3。v氨基酸是两性电解质(ampho1yte)两性离子：带有数量相等的正负电荷的离子两性离子：带有数量相等的正负电荷的离子氨基酸两性解离示意图vvpH1pH1（pIpI=pI)pH11(pI，向正极移动，向正极移动) )氨基酸的等电点 溶液中氨基酸以两性离子的形式存在时，溶液的pH，称为该氨基酸的等电点，用pI表示。vv从左向右第一个从左向右第一个拐点是拐点是氨基酸羧氨基酸羧基解离基解离50%50
8、%的状的状态态vv第二个拐点是第二个拐点是氨氨基酸的等电点基酸的等电点vv第三个拐点是第三个拐点是氨氨基酸氨基解离基酸氨基解离50%50%的状态的状态甘氨酸的电离酸碱滴定曲线，用甘氨酸的电离酸碱滴定曲线，用NaOHNaOH滴定滴定，溶液的，溶液的pHpH由小到大逐渐升高由小到大逐渐升高v例如丙氨酸有两个可解离基团，a-COOH和a-NH3，它们的解离常数pK值分别是2.4（pK1）和9.9（pK2）；v组氨酸有3个可解离基团，即a-COOH、a-NH3和侧链基团咪唑基，pK值分别是1.8（pK1）、9.3（pK2）和6.0（pKR）。v每一个pK值都是位于滴定曲线缓冲区的中心，当丙氨酸处于pH
9、2.4的缓冲液时，它的阳离子形式和它的兼性离子形式的摩尔浓度相等，同样在pH9.9时，它的兼性离子形式和它的阴离子形式的摩尔浓度相等。当氨基酸处于某一pH下，其净电荷为零时，该pH即为该氨基酸的等电点（pI）。pI可通过相应的pK值计算出。vpI（pKxpKy）/2vpKx，pKy为相应的两个可解离基团v对于一氨基、一羧基的氨基酸，上式中的pKx和pKy为它的pK1和pK2；而对于象天冬氨酸和谷氨酸那样的酸性氨基酸，pKx和pKy为它的pK1和pKR；v而对于象赖氨酸、组氨酸和精氨酸那样的碱性氨基酸，pKx和pKy为它的pKR和pK2。一个氨基酸带电状况取决于所处溶液的pH，当pIpH时，带净
10、的正电荷。氨基酸的等电点的作用v在一定的实验条件下，等电点是氨基酸的特征常数。不同的氨基酸，由于R基结构的不同，而有不同的等电点。v当氨基酸处于等电点状态时，溶解度最小，容易发生沉淀；利用这一特性可以从各种氨基酸的混合物溶液中分离制取某种氨基酸。7.氨基酸的重要化学反应氨基酸与茚三酮的反应v氨基酸与茚三酮（ninhydrin）的反应是一个检测和定量氨基酸和蛋白质的重要反应。茚三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，具有游离氨基的氨基酸都生成紫色化合物（l470），而亚氨基酸，则生成黄色化合物（l440）。在一定的反应条件下，产生的颜色的强度（溶液中的光吸收）与氨基酸浓度成比例，根据溶液的吸光度，可以算
11、出相应的氨基酸和蛋白质的浓度。氨基酸与2,4-二硝基氟苯反应v2,4-二硝基氟苯（2,4-dinitrofluorobenzene,DNFB）也叫做Sanger试剂。DNFB在弱碱性溶液中与氨基酸发生取代反应，生成黄色化合物二硝基苯基氨基酸（dinitrophenylaminoacid,DNP氨基酸）氨基酸与丹磺酰氯的反应v丹磺酰氯（dansylchloride）是5-二甲基氨基萘-1-磺酰氯（5-dimethylaminonaphthalene-1-sulfonylchloride）的简称。丹磺酰氯与氨基酸反应生成荧光性质强和稳定的磺胺衍生物，也常用于多肽链的N末端氨基酸的鉴定。氨基酸与苯异
12、硫氰酸酯反应v苯异硫氰酸酯（phenylisothiocyanate,PITC）在弱碱性条件下，与氨基酸反应生成苯乙内酰硫脲（phenylthiohydantoin,PTH）衍生物，即PTH-氨基酸，这种衍生物是无色的，可用层析法鉴定,此反应又称之Edman反应，该反应是蛋白质或多肽氨基酸序列测定常用的反应。第三节蛋白质的化学结构蛋白质的化学结构v氨基酸组成v多肽链数目v末端氨基酸组成v氨基酸排列顺序v二硫键位置。一、蛋白质的氨基酸组成v测定：用盐酸或NaOH对高纯度蛋白质样品进行彻底水解，再用氨基酸自动分析仪测定。v组成：即所含氨基酸的种类和数量。有两种表示方式：Aag/100g蛋白Aa个/
13、个蛋白（已知分子量情况下）v每一种蛋白质都有自己特定的氨基酸组成，氨基酸组成不同，则蛋白质不同。二、肽键和肽链v肽键(peptidebond)，一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键，所形成的化合物称为肽。v含有三个、四个、五个氨基酸的肽，分别称为三肽、四肽、五肽等。含有三个以上氨基酸的肽，统称为多肽(polypeptide)v由许多氨基酸残基通过肽键彼此连接而成的链状多肽，称为多肽链(polypeptidechain)肽键v肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。v在大多数情况下，以反式结构存在。氨基酸残基v组成多肽的氨基酸成为不完整的分子形式。被称为氨基酸残基(a
14、minoacidresidue)。三、蛋白质的一级结构v定义：就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序(sequence)v是蛋白质最基本的结构。它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。v由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当它们按照不同的序列关系组合时，就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。v蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构。v从多肽的结构可以看出，多肽的大多数离子电荷都是由它的组成氨基酸残基的侧链贡献的。所以一个多肽和蛋白质的离子特性和它的溶解性都取决于它的氨基酸组成。此外就象我们将在下面看到的那样，氨基酸残基
15、侧链之间的相互作用对于稳定一个蛋白质分子的三维结构有重要贡献。v有些肽比较大，例如胰岛素就是含有51个氨基酸残基的多肽，具有重要的生物学活性。但有些肽虽然比较小，也具有重要的生理功能v例如加压素（9肽）和催产素（9肽）。一些神经多肽的类似物，如内啡肽，就是一种天然的止痛药。还有一些非常简单的肽也常用作食物的调味剂。如甜味剂Aspartame就是天冬氨酰苯丙氨酸的甲基酯（右图）。它的甜度是蔗糖的200倍，所以广泛用于食品饮料中。多肽链的书写与名称v在多肽链中，肽链的一端保留着一个氨基，另一端保留一个羧基，带氨基的末端称氨基末端(N端)；带羧基的末端称羧基末端(C端)。v肽链书写：一般从N末端向C
16、末端书写，N端写于左侧，用H做标帜，C端于右侧用OH表示。肽命名时为某某酰某某酰某某酸。甲硫脑啡肽命名举例v中文氨基酸残基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸v中文单字表示法：酪甘甘苯丙甲硫v12345v三字母符号表示法：TyrGlyGlyPheMetv单字母符号表示法：YGGFM蛋白质一级结构的测定Sanger于1953年完成了第一个蛋白质胰岛素的氨基酸序列测定。每一种蛋白质都具有唯一的氨基酸序列，实际上蛋白质的氨基酸序列是由DNA决定的。蛋白质的氨基酸序列具有重要意义：n蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋白质生物活性的分子基础；n蛋白质的一级结构决定它的空间结构；n氨基酸序列的改变可以导致蛋白功能异常和疾病；n通过对一些蛋白质的氨基酸序列的比较可以反应出一些生物亲缘关系。氨基酸的组成分析v一个已经纯化的蛋白质的氨基酸组成可以定量测定。首先通过酸水解破坏蛋白质的肽键，典型酸水解的条件是：真空条件下，110，用6M盐酸水解16至72小时。然后水解的混合物（水解液）进行柱层析，通过柱层析可以将水解液中的每一个氨基酸分离出来并被定量，这一过程称之氨基酸分析（aminoacidanalysis
