第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構與功能

第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構與功能(StructureandFunctionofProtein)一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。二、蛋白質(zhì)的生物學功能(一)蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)的分布特征1.分布廣所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。2.含量高蛋白質(zhì)占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。3.種類多人體中蛋白質(zhì)種類達十萬余種，每種蛋白質(zhì)都有其特定的結(jié)構與功能。1.作為生物催化劑（酶）2.代謝調(diào)節(jié)作用3.免疫保護作用4.物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲5.運動與支持作用6.參與細胞間信息傳遞7.氧化供能(二)蛋白質(zhì)的生物學功能三、蛋白質(zhì)的分類

(一)根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分

1.單純蛋白質(zhì)2.結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分(二)根據(jù)蛋白質(zhì)形狀

1.纖維狀蛋白質(zhì)2.球狀蛋白質(zhì)第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成一、蛋白質(zhì)的元素組成主要有C、H、O、N和S。有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘

。(一)組成蛋白質(zhì)的元素(TheMolecularComponentofProtein)各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%(二)蛋白質(zhì)元素組成的特點二、蛋白質(zhì)的基本單位——氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的編碼氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。(一)氨基酸的通式H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R

各種氨基酸的結(jié)構區(qū)別在于側(cè)鏈（R基團）的不同，故具有不同的理化性質(zhì)。C+NH3COO-H非極性側(cè)鏈氨基酸(8種)水溶性小。其側(cè)鏈為非極性疏水基團。

極性中性側(cè)鏈氨基酸(7種)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其側(cè)鏈具有親水性(除外色氨酸)。酸性氨基酸(2種)側(cè)鏈上有羧基，在水溶液中能釋放出H+而帶負電荷。堿性氨基酸（3種）側(cè)鏈上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+

而帶正電荷。(二)氨基酸的分類20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:纈氨酸valineValV5.961.非極性側(cè)鏈氨基酸(8種)甘氨酸glycine

GlyG5.97丙氨酸alanineAlaA6.00亮氨酸leucine

LeuL5.98異亮氨酸isoleucineIleI6.02苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48脯氨酸prolineProP6.30中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構式等電點

CHCOOHNH2HCH3CH3-CHCH3CH3-CH-CH2CH3CH3-CH2-CHCH3CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNHCH2CH2蛋氨酸methionineMetM5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH22.極性中性側(cè)鏈氨基酸(7種)色氨酸t(yī)ryptophanTryW5.89絲氨酸serineSerS5.68酪氨酸t(yī)yrosineTryY5.66半胱氨酸cysteine

CysC5.07天冬酰胺asparagine

AsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65蘇氨酸t(yī)hreonine

ThrT5.60CHCOOHNH2-CH2NHHO-CH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2HO-HS-CH2CHCOOHNH2H2N-C-CH2CHCOOHNH2OCHCOOHNH2H2N-C-CH2-CH2OCHCOOHNH2HO-CHCH3中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構式等電點

中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構式等電點

3.酸性氨基酸(2種)天冬氨酸asparticacidAspD2.97精氨酸arginine

ArgR10.76組氨酸histidineHisH7.59

HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸glutamicacidGluE3.22CHCOOHNH2

HOOC-CH2-CH24.堿性氨基酸(3種)中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構式等電點

賴氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH1.含硫氨基酸半胱氨酸

+-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS--COOHCH-CH2NH2半胱氨酸

-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S--COOHCH-CH2NH2二硫鍵胱氨酸(三)幾種特殊氨基酸2.芳香族氨基酸3.支鏈氨基酸CH3CH2CHCH3CHCOOHNH2亮氨酸CH2CHCOOHNH2苯丙氨酸CH2CHCOOHNHCH2CH24.亞氨基酸脯氨酸(四)氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離方式取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子CHNHCOOHRCHNH2COOHRCHNHCOORCHNH2COO-RCHNHCOORCHNH3COO-R+CHNHCOOHRCHNH3COOHR+2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收240250260270280290300310光密度色氨酸酪氨酸波長(nm)3.茚三酮反應

氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。2NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+RCHOCO2+H++水合茚三酮羅曼紫(藍紫色)三、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式

(一)肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。肽鍵甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH1.肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。2.兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……(二)肽(peptide)3.由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽。

4.肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。5.多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構。分別有：N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端，C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124(三)幾種生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽。2.多肽類激素CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸組氨酸脯氨酰胺

促甲狀腺素釋放激素(TRH)(TheMolecularStructureofProtein)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構包括：一級結(jié)構(primarystructure)

二級結(jié)構(secondarystructure)

三級結(jié)構(tertiarystructure)

四級結(jié)構(quaternarystructure)第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構

空間結(jié)構1.定義

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構2.主要的化學鍵

肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。(一)定義與主要化學鍵

肽鍵的鍵長為0.132nm，短于單鍵的0.147nm，長于雙鍵的0.123nm，故具有部分雙鍵的特性，不能旋轉(zhuǎn)。(二)肽單元(肽鍵平面)參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元(peptideunit)

。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽鍵平面示意圖二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構1.定義蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構象

。

2.主要的化學鍵

氫鍵

(一)定義與主要化學鍵

(二)蛋白質(zhì)二級結(jié)構的主要形式

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

1.

-螺旋

1951年根據(jù)X線衍射圖提出。以碳原子為轉(zhuǎn)折點，形成右手螺旋。(1)螺旋每圈含3.6個氨基酸殘基，殘基跨距0.15nm，螺距0.54nm。(2)螺旋以氫鍵保持穩(wěn)固。(3)各氨基酸殘基的R基團均伸向螺旋外側(cè)。2.-折疊

(1)是多肽鏈一種比較伸展、成鋸齒狀的肽鏈結(jié)構。(2)兩條肽鏈走向相同，稱為順向平行結(jié)構，反之，則稱為反向平行結(jié)構。后者更為穩(wěn)定。3.-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構。4.無規(guī)卷曲肽鏈出現(xiàn)180°回折的部分形成β-轉(zhuǎn)角。

三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和Vander

Waals力等。2.主要的化學鍵整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。只有具有三級結(jié)構的多肽鏈才能稱為蛋白質(zhì)。1.

定義

(一)定義與主要化學鍵H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-abc氫鍵離子鍵疏水鍵維持蛋白質(zhì)分子構象的各種化學鍵肌紅蛋白(Mb)

N端

C端(二)結(jié)構域大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構域(domain)。免疫球蛋白結(jié)構域示意圖

(三)分子伴侶

1.分子伴侶是一類可識別肽鏈非天然構象，促進各功能域和整體蛋白質(zhì)折疊的保守蛋白質(zhì)。

3.已發(fā)現(xiàn)分子伴侶具有形成二硫鍵的酶活性，在蛋白質(zhì)分子折疊過程中對二硫鍵正確形成起到重要的作用。

2.分子伴侶能可逆地與未折疊肽段結(jié)合，防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊；也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。2.主要化學鍵亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構1.定義蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構。有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。(一)定義與主要化學鍵

血紅蛋白是由含有血紅素的2個α亞基和2個β亞基組成的四聚體。血紅蛋白的四級結(jié)構(一)一級結(jié)構與功能的關系

五、蛋白質(zhì)結(jié)構與功能的關系

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840261109584725840651.核糖核酸酶一級結(jié)構與功能的關系

二硫鍵破壞后，生物學活性喪失。

(1)將A鏈N端的第1個氨基酸殘基切去，其活性只剩2％～10％，再將第2～4位氨基酸殘基切去，其活性完全喪失。

(2)

將A、B兩鏈間的二硫鍵還原，A、B兩鏈即分離，胰島素的功能完全消失。

(3)

將B鏈第28～30位氨基酸殘基切去，其活性仍能維持100%。2.胰島素一級結(jié)構與功能的關系3.血紅蛋白一級結(jié)構與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbS

β肽鏈HbA

β肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·

val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。(二)蛋白質(zhì)空間結(jié)構與功能的關系1．血紅蛋白空間結(jié)構與功能的關系

Hb未結(jié)合O2時，4個亞基結(jié)構緊密,稱緊張態(tài)(T態(tài))。隨著O2

的結(jié)合,空間結(jié)構發(fā)生變化，使結(jié)構相對松弛，稱松弛態(tài)(R態(tài))。T態(tài)對氧親和力低,R態(tài)對氧親合力高，是Hb結(jié)合O2

的形式。肺毛細血管O2

分壓高,促使T態(tài)轉(zhuǎn)變成R態(tài),組織毛細血管,O2

分壓低,促使R態(tài)轉(zhuǎn)變成T態(tài)。

例：瘋牛病中的蛋白質(zhì)構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。在某種未知蛋白質(zhì)作用下轉(zhuǎn)變成為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病蛋白質(zhì)構象疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。2．朊病毒蛋白空間結(jié)構與功能的關系第三節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)(ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein)一、蛋白質(zhì)的兩性解離和等電點

(一)兩性解離

蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團，故稱兩性解離。當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)

(二)蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜(二)蛋白質(zhì)的等電點(一)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)