蛋白质的结构与功能

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1、蛋白质的结构与功能蛋白质(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。第一节 蛋白质的分子组成主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、 Mo,个别蛋白质还含有I。蛋白质元素组成的特点: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：蛋白质含量(g % )=含氮量(g % ) X 6.25一蛋白质的基本组成单位：氨基酸1. 结构特点：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-a -氨基酸(甘氨酸除外)。氨基酸中与羧

2、基直接相连的碳原子上有个氨基，这个碳原子上连的集团或原子都不一样， 称手性碳原子。2. 分类：1. 非极性脂肪族氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸2. 极性中性氨基酸：丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸3. 芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸4. 酸性氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸5. 碱性氨基酸:赖氨酸、精氨酸、组氨酸3. 氨基酸的理化性质：( 1 ) 两性解离及等电点( 2)紫外吸收( 3)茚三酮反应肽键与肽链:1肽键(peptide bond)：是由一个氨基酸的a浚基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成 的化学键。2. 一般含10个以下氨基酸组成的

3、称寡肽(oligopeptide)。3.10以上氨基酸组成的称多肽(polypeptide)。4. 肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉 了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基。5. 开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的a -氨基和 a -羧基，故又称为多肽链的N端(氨基端)和C端(羧基端)。6. 体内存在多种重要的生物活性肽1谷胱甘肽(GSH):由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成,半胱氨酸上的巯基为谷胱甘肽活 性基团.2多肽类激素及神经肽第二节蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的

4、排列顺序。主要化学键：肽键。二硫键的位置属于一级结构研究范畴。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。二、蛋白质的二级结构：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 。稳定因素： 氢键(一) 肽单元：参与组成肽键的 6 个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。 它是蛋白质构象的基本结构单位。(二) 蛋白质二级结构的主要形式：a-螺旋(a -helix )，卩-折叠(卩-pleated sheet )，卩-转角(p-turn )，无规卷曲(random coil )(l)a -螺旋：其结构特征为：主链骨架围绕中心轴盘

5、绕形成右手螺旋；螺旋每上升 一圈是3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm:相邻螺旋圈之间形成许多氢键； 侧 链基团位于螺旋的外侧。影响a -螺旋形成的因素主要是：存在侧链基团较大的氨基酸残基；连续存在带 相同电荷的氨基酸残基； 存在脯氨酸残基。B -折叠：其结构特征为：若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片；所有肽 键的C=O和NH形成链间氢键；侧链基团分别交替位于片层的上、下方。B-转角：多肽链180。回折部分，通常由四个氨基酸残基构成，借1、4残基之间形 成氢键维系。无规卷曲：主链骨架无规律盘绕的部分。超二级结构：两个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规 则的二级结构

6、组合，被称为超二级结构。模体：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，形成一个 具有特殊功能的空间构象，被称为模体(motif)。三、蛋白质的三级结构：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。稳定因素：疏水键、离子键、氢键和Vander Waals力等。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，各行其功能，称为结构域。分子伴侣：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。作用：（1）可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此 重复进行可使肽链正确折叠

7、。（2）与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折 叠（3）对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。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触部位的布局 和相互作用，称为蛋白质的四级结构。侮条具有完整三级结构的多肽链， 称为亚基（subunit）。亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。第三节蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础（一）一级结构是空间构像的基础（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能（三）氨基酸序列提供重要的生物化学进化信息（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变课引起疾病二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似（

8、二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合Hb与Mb 一样能可逆地与02结合，Hb与02结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数 （称百分饱和度）随02浓度变化而改变。一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合 能力的现象，称为协同效应。促进作用称为正协同效应（positive cooperativity）抑制作用称为负协同效应（negative cooperativity变构效应：凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质 （或亚基）功能的变化，称为蛋白质的变构效应。（三）蛋白质构象改变可引起疾病蛋白质构象病：若蛋白质的折叠发

9、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。蛋白质构象病的机理：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。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病疯牛病是由朊病毒蛋白（prion protein, PrP）引起的一组人和动物神经退行性病变。正常 的PrP富含a-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为p -折叠的 PrPsc，从而致病。、理化性质（一）蛋白质的两性电离：蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解 离外，

10、氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件 下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。（二）蛋白质的胶体性质：蛋白质属于生物大分子之一，分子量 可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范之内。蛋白质胶体稳定的因素：（1）颗粒表面电荷（2）水化膜（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固1蛋白质的变性：在某些物理和化学因素作用下，蛋白质 分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变 和生物活性的丧失。变性的本质：破坏非共价键和硫键，不改变蛋白质的 一级结构。造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、 重金属离子及生物碱试剂等。蛋白质变性后的性质改变：溶解度降低、粘度增加、结晶

11、 能力消失、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。应用举例:1.临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭 菌。2防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的 必要条件。复性：若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍 可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。2蛋白质沉淀：在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外肽 链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋 白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。3蛋白质的凝固作用：蛋白质变性后的絮状物加热可变成 比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。（四）蛋白质的紫外吸收：由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波

12、长处有特征性吸收峰。蛋白质 的0D280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色反应1 茚三酮反应（ninhydrin reaction：蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。2双缩脲反应（biuret reaction）：蛋白质和多肽分子中肽键 在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为 双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。二、蛋白质的分离和纯化（一）透析及超滤法1. 透析（dialysis）：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化 合物分开的方法。2.超滤法：应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。（

13、二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀1丙酮沉淀：使用丙酮沉淀时，必须在）4C低温下进行，丙可用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后,应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。2. 盐析（salt precipitation）：是将硫酸皱、硫酸钠或氯化钠 等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被 破坏，导致蛋白质沉淀。3免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的 特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原 抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋 白。（三）电泳蛋白质在高于或低于其pl的溶液中为带电的颗粒，在电场 中能向正极或负极移动。这种通过蛋白

14、质在电场中泳动而达 到分离各种蛋白质的技术 称为电泳。根据支撐物的不同， 可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳：常用于蛋白质分子量的测定。*等电聚焦电泳:通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电 泳方法。*双向凝胶电泳：是蛋白质组学研究的重要技术。（四）层析层析(chromatography)分离蛋白质的原理：待分离蛋白质溶 液(流动相)经过一个固态物质(固定相)时，根据溶液中 待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离 的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相 而达到分离蛋白质的目的。&蛋白质分离常用的层析方法：*离子交换层析：利用

15、各蛋白质的电荷量及性质不同进行分 离。*凝胶过滤(gel filtration)又称分子筛层析：利用各蛋白 质分子大小不同分离。(五) 超速离心超速离心法(ultracentrifugation)既可以用来分离纯化蛋白 质也可以用作测定蛋白质的分子量。蛋白质在离心场中的行为用沉降系数(sedimentation coefficient, S)表示,沉降系数与蛋白质的密度和形状相 关。三、多肽链中氨基酸序列分析氨基酸顺序分析：蛋白质多肽链的氨基酸顺序分析，即蛋白质一级结 构的测定，主要有以下几个步骤：1. 分离纯化蛋白质，得到一定量的蛋白质纯品;2. 取一定量的样品进行完全水解，再测定蛋白质的氨基酸组成；3. 分析蛋白质的N-端和C-端氨基酸；4. 采用特异性的酶（如胰凝乳蛋白酶）或化学试剂（如溴化氰） 将蛋白质处理为若干条肽段；5. 分离纯化单一肽段；6. 测定各条肽段的氨基酸顺序。一般采用Edman降解法，用异 硫氰酸苯酯进行反应，将氨基酸降解后，逐一进行测定；7. 至少用两种不同的方法处理蛋白质，分别得到其肽段的氨基 酸顺序；8. 将两套不同肽段的氨基酸顺序进行比较，以获得完整的蛋白 质分子的氨