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1、蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第第 二二 章章Structure and Function of Protein蛋蛋白白质质(protein)是是由由许许多多氨氨基基酸酸(amino acids)通通 过过 肽肽 键键 (peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体的重要组成成分蛋白质是生物体的重要组成成分2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能1）作为生物催化剂）作为生物催化剂2）代谢调节作用）代谢调节作用3）免疫保护作用）免疫保护作用4）物质的转运和存储）物质的转运和存
2、储5）运动与支持作用）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递3. 氧化供能氧化供能 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成主要有主要有C、H、O、N和和S。 有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量P或金属元素或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还，个别蛋白质还含有含有 I 。蛋白质的含氮量平均为蛋白质的含氮量平均为16。 通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量蛋白质含量 ( g % ) = 含氮量含氮量( g % ) 6.25 蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、氨基酸一、氨基酸 蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本
3、组成单位存存在在自自然然界界中中的的氨氨基基酸酸有有300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸仅仅有有20种种，且均属且均属 L- -氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式氨基酸的通式R1.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸3.酸性氨基酸酸性氨基酸4.碱性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类1.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸习惯分类方法习惯分类方法1.芳香族氨基酸芳香族氨基酸：T
4、rp、Tyr、Phe2.含羟基氨基酸含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr3.含硫氨基酸含硫氨基酸：Cys、Met4.杂环族氨基酸：杂环族氨基酸：His5.杂环族亚氨基酸：杂环族亚氨基酸：Pro6.支链氨基酸支链氨基酸：Val、Leu、Ile几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸Gly：无手性碳原子。：无手性碳原子。Pro：为环状亚氨基酸。：为环状亚氨基酸。Cys：可形成二硫键。：可形成二硫键。修饰氨基酸：修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（酸（Hyp）、羟赖氨酸（）、羟赖氨酸（Hy
5、l）。）。非生蛋白氨基酸：非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生的。的。 （二）氨基酸的理化性质（二）氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点两性解离及等电点2. 紫外吸收紫外吸收 3. 茚三酮反应茚三酮反应 二、肽二、肽* 肽肽键键(peptide bond)：是是由由一一个个氨氨基基酸酸的的 -羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的 -氨氨基基脱水缩合而形成的化学键。脱水缩合而形成的化学键。（一）肽（一）肽(peptide)多肽链多肽链(polypeptide ch
6、ain)二肽，三肽二肽，三肽寡肽寡肽(oligopeptide)，多肽，多肽(polypeptide)氨基酸残基氨基酸残基(residue)氨基末端（氨基末端（amino terminal）和羧基末端）和羧基末端（carboxyl terminal）主链和侧链主链和侧链多肽链多肽链 多肽链多肽链（二）（二） 几种生物活性肽几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)结构结构: :谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽三肽谷氨酸的谷氨酸的 -羧基羧基形成肽键形成肽键SH为活性基团为活性基团为为酸性肽酸性肽是体内重要的是体内重要的还原剂还原剂
7、GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+ NADP+ 主要功能主要功能: :肽类激素：如促甲状腺素释放激素（肽类激素：如促甲状腺素释放激素（TRH）神经肽神经肽(neuropeptide)2. 肽类激素及神经肽肽类激素及神经肽三、蛋白质的分类三、蛋白质的分类 * * 根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分* * 根据蛋白质形状根据蛋白质形状 纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molec
8、ular Structure of Protein 第第 二二 节节蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子结构包括： 一级结构一级结构 (primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)四级结构四级结构 (quaternary structure)高级结构高级结构定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要化学键：主要化学键：肽键肽键二硫键二硫键的位置属于一级结构研究范畴。的位置属于一级结构研究
9、范畴。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。物学功能的基础。胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构3021二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链的的局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间间位位置置，并并不不涉涉及及氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链的构象的构象 。定义：定义：稳定因素稳定因素： 氢键氢键 （一）肽单元（一）肽单元 (peptide unit) 参参与与组组成成肽肽键键的的6个个原原子子位位于于同同一一平平面面，又又叫叫酰酰胺胺平平面面或或肽肽键键平平面
10、面。它它是是蛋蛋白白质质构构象的基本结构单位。象的基本结构单位。肽单元肽单元HHHH 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( -pleated sheet ) -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) （二）（二） -螺旋螺旋结构要点结构要点: 多肽链主链围绕中心轴形成多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋右手螺旋，侧链侧链伸向螺旋外侧。伸向螺旋外侧。 每圈螺旋含每圈螺旋含3.6个氨基酸个氨基酸，螺距为，螺距为0.54nm。 每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形
11、成的氢键保持螺旋稳定。成的氢键保持螺旋稳定。氢键氢键与螺旋长轴基本平与螺旋长轴基本平行。行。（三）（三） - -折叠折叠多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。 两段以上的两段以上的 -折叠结构平行排列折叠结构平行排列 ，两链间可，两链间可顺向平行，也可反向平行顺向平行，也可反向平行 。两链间的肽键之间形成氢键，以稳固两链间的肽键之间形成氢键，以稳固 -折叠折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。结构。氢键与螺旋长轴垂直。 （四）（四） - -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 - -转角：转角：无规卷
12、曲：没有确定规律性的肽链结构。无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。 肽链内形成肽链内形成180180回折。回折。含含4 4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。第四个形成氢键。 第二个氨基酸残基常为第二个氨基酸残基常为ProPro。 - -转角：转角：（五）模体（五）模体蛋白质分子中，二个或三个具有二蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体为模体(motif)。螺旋环螺旋螺旋环螺旋 锌指锌指（六）影响二级结构形成的因素（六
13、）影响二级结构形成的因素氨基酸侧链所带电荷氨基酸侧链所带电荷 、大小及形状。、大小及形状。影响影响-螺旋形成的因素：螺旋形成的因素： -折叠形成条件：折叠形成条件：要求氨基酸侧链较小。要求氨基酸侧链较小。三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals Van der Waals力等。力等。 稳定因素：稳定因素：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。定义定义 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端纤连蛋白分子
14、的结构域纤连蛋白分子的结构域 结构域结构域 (domain) 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或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，各数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行其功能，称为结构域。行其功能，称为结构域。结构域结构域Triose phosphate isomerase分子伴侣分子伴侣 (chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠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的一类蛋白质。成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质。* * 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，可逆地与未折叠肽段的疏水部分结
15、合随后松开，如此重复进行可使肽链正确折叠。如此重复进行可使肽链正确折叠。 * * 与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。 * * 对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。 作用：作用：亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构。结构。每条具有完整三级结构的多肽链，称为每条具有完整三级结构
16、的多肽链，称为亚亚基基 (subunit)。血红蛋白（血红蛋白（Hb）的四级结构）的四级结构蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 节节（一）一级结构是空间构象的基础（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一、蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性（二）一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-Val His Leu Thr Pro Glu Glu C(146) HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-Val His Leu Thr Pro Val Glu C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构 二、蛋
