蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 (生物化學(xué)課件)

蛋白質(zhì)的分類生物化學(xué)

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(xì)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(dá)80％。3.種類多人體中蛋白質(zhì)種類達(dá)十萬余種，每種蛋白質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)與功能。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)三、按功能分類1.活性蛋白質(zhì)（酶、激素、載體、受體等）。2.非活性蛋白質(zhì)（角蛋白、膠原蛋白等）。蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)生物化學(xué)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括：一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)空間結(jié)構(gòu)1.定義蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)2.主要的化學(xué)鍵肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。(一)定義與主要化學(xué)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)。胰島素一級結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)又稱為構(gòu)象。它是蛋白質(zhì)分子形狀、理化性質(zhì)和生物學(xué)活性的基礎(chǔ)。（一）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)1.定義蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，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(gòu)象。（又稱為主鏈構(gòu)象）2.主要的化學(xué)鍵氫鍵3.形成基礎(chǔ)——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(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元(peptideunit)。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽鍵平面示意圖4.蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式-螺旋(-helix)-折疊(-pleatedsheet)-轉(zhuǎn)角(-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)（1）、-螺旋定義：多肽鏈中多個肽鍵平面可以通過-碳原子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，盤曲形成穩(wěn)定有規(guī)律的右手螺旋。特點(1)以-碳原子為轉(zhuǎn)折點，形成右手螺旋結(jié)構(gòu)。(2)每個螺旋包含3.6個氨基酸殘基，每個氨基酸之間距離0.15nm螺距為0.54nm。（3）螺距之間通過氫鍵維系。（4）各氨基酸殘基的R-基團(tuán)均伸向螺旋外側(cè)，不參與螺旋的形成。左手和右手螺旋影響-螺旋形成的因素（1）R-側(cè)鏈形狀、大小、電荷（2）堿性或酸性氨基酸集中的區(qū)域，由于同性電荷相斥，不利于-螺旋的形成。（3）R-側(cè)鏈較大，如苯丙氨酸、異亮氨酸等，由于空間阻力大，也妨礙-螺旋形成。（4）脯氨酸由于是環(huán)狀亞氨酸，構(gòu)成肽鍵后，不能再與其他氨基酸形成氫鍵，故不易形成-螺旋。（5）甘氨酸R-側(cè)鏈為氫，空間占位很小，導(dǎo)致a-碳原子與肽鍵之間旋轉(zhuǎn)度大，也影響-螺旋的形成。-螺旋是球狀蛋白質(zhì)構(gòu)象中最常見的存在形式，空間結(jié)構(gòu)第一個被闡明的蛋白質(zhì)肌紅蛋白正好幾乎完全是-螺旋（2）、-折疊（-片層）定義：多肽鏈中肽鍵平面之間可以折疊成鋸齒狀，形成伸展的-折疊結(jié)構(gòu)。特點：1）多肽鏈中肽鍵平面之間可以折疊成鋸齒狀（折扇形）呈手風(fēng)琴狀折疊兩平面間的夾角為110o-折疊由氫鍵維持穩(wěn)定。其方向與折疊的長軸接近垂直。２)２～５條肽段平行排列構(gòu)成，肽段之間

3)兩條鏈可順向平行(均從N-C)，也可反向平行。肽鏈的N端在同側(cè)為順式，不在同側(cè)的為反式。反式較順式平行折疊更加穩(wěn)定。N-末端N-末端N-末端C-末端順向平行反向平行（穩(wěn)定）C-末端C-末端C-末端N-末端4）、肽鏈中氨基酸殘基的R-側(cè)鏈分布交替地位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下。5）形成-折疊的肽段要求氨基酸殘基側(cè)鏈較小，才能容許兩條肽段彼此靠近。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(gòu)。4.無規(guī)卷曲肽鏈出現(xiàn)180°回折的部分形成β-轉(zhuǎn)角。（二）蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力、二硫鍵等。2.主要的化學(xué)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(gòu)的多肽鏈才能稱為蛋白質(zhì)。1.定義H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-abc氫鍵離子鍵疏水鍵維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的各種化學(xué)鍵肌紅蛋白(Mb)N端C端3.結(jié)構(gòu)域（domain）β-折疊β-轉(zhuǎn)角-螺旋無規(guī)則卷曲空穴分子量較大的蛋白質(zhì)在形成三級結(jié)構(gòu)時，肽鏈中某些局部的二級結(jié)構(gòu)匯集在一起，形成發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域。4.分子伴侶

1.分子伴侶是一類可識別肽鏈非天然構(gòu)象，促進(jìn)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(dǎo)其正確折疊。2.主要化學(xué)鍵亞基之間的結(jié)合力主要是次級鍵，如疏水鍵、氫鍵和離子鍵等。（三）蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)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(gòu)。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(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。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(gòu)蛋白質(zhì)的分子組成生物化學(xué)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。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)的基本組成單位氨基酸氨基酸通式側(cè)鏈基團(tuán)

（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)特點1、蛋白質(zhì)水解所得到的氨基酸都是-氨基酸αα蛋白質(zhì)水解所得到的氨基酸都是

-氨基酸（脯氨酸為-亞氨基酸）環(huán)狀氨基酸2、不同的氨基酸R-側(cè)鏈不同。3、除了R-為H的甘氨酸外，其它氨基酸與-碳原子相連的四個原子或基團(tuán)各不相同，稱為不對稱碳原子，即手性碳原子，故它們具有旋光異構(gòu)現(xiàn)象，存在D-型和L-型兩種異構(gòu)體。組成天然蛋白質(zhì)的氨基酸均為L-型。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(gòu)區(qū)別在于側(cè)鏈（R基團(tuán)）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(tuán)。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(fù)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glycineGlyG5.97丙氨酸alanineAlaA6.00亮氨酸leucineLeuL5.98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(gòu)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cysteineCysC5.07天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65蘇氨酸t(yī)hreonineThrT5.60CHCOOHNH2-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(gòu)式等電點中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點3.酸性氨基酸(2種)天冬氨酸asparticacidAspD2.97精氨酸arginineArgR10.76組氨酸histidineHisH7.59HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸glutamicacidGluE3.22CHCOOHNH2HOOC-CH2-CH24.堿性氨基酸(3種)中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點賴氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH組成蛋白質(zhì)的氨基酸除了上述20種基本氨基酸外，有些蛋白質(zhì)還含有被修飾的氨基酸如：賴氨酸OH羥賴氨酸脯氨酸OH羥脯氨酸2半胱氨酸-2H胱氨酸(三)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(yīng)氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)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(guān)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(lán)紫色)（四）氨基酸的連接方式1、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(xué)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……2、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(tuán)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(gòu)。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。多肽鏈在書寫肽鏈時，規(guī)定N-端在左側(cè)，C-端在右側(cè)。R1R2R3（側(cè)鏈）H2N–CH-CO-NH-CH-CO-NH-CHCOOH（主鏈）如從N-端到C-端依次由甘氨酸、丙氨酸、色氨酸、亮氨酸形成四肽。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124（五）生物活性肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸特點：1、谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸組成的三肽。2、第一個肽鍵與一般的肽鍵不同，由谷氨酸-羧基與半胱氨酸的氨基組成。3、分子中半胱氨酸的巰基（SH）是該化合物的主要功能基團(tuán)。4、GSH的SH具有還原性，對機(jī)體有保護(hù)作用。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)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)生物化學(xué)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(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)，故稱兩性解離。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)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。（三）電泳在同一PH溶液中，由于各種蛋白質(zhì)所帶電荷性質(zhì)、數(shù)量不同，分子量大小不同，因此它們在同一電場中移動的速度不同，利用蛋白質(zhì)的這個性質(zhì)，將不同蛋白質(zhì)從混合液中分離開，這個過程稱為電泳。

(二)蛋白質(zhì)的等電點蛋白質(zhì)分子顆粒大小1~100nm之間,屬膠體顆粒范圍，（一）蛋白質(zhì)溶液的穩(wěn)定原因：1、表面形成水化層2、表面同種電荷的斥力二、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)在溶液中能形成穩(wěn)定的膠體+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)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)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉鹽析法(saltingout)向蛋白質(zhì)溶液中加入大量中性鹽使蛋白質(zhì)沉淀稱為鹽析常用的中性鹽：不破壞蛋白質(zhì)的構(gòu)象，蛋白質(zhì)不發(fā)生變性。硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等概念：特點：作用原理:鹽離子與水親和力極強(qiáng)，奪去蛋白質(zhì)的水化層，減少分子間靜電斥力（二）透析蛋白質(zhì)分子量大，不能透過半透膜。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液中混雜有小分子物質(zhì)時，可將此溶液放入半透膜做成的袋內(nèi)，將袋置于蒸餾水或緩沖液中，小分子雜質(zhì)即從袋中逸出，大分子蛋白質(zhì)留于袋內(nèi)，使蛋白質(zhì)得以純化，這種用半透膜來分離純化蛋白質(zhì)的方法稱為透析。透析是生化實驗室中用于純化大分子物質(zhì)的一種常用方法。人體的細(xì)胞膜、線粒體膜、微血管壁都具有半透膜性質(zhì)，從而使各種蛋白質(zhì)分布于細(xì)胞內(nèi)不同部位。（三）超速離心蛋白質(zhì)和其它高分子化合物一樣，在一定的溶液中經(jīng)過超速離心，可以發(fā)生沉降。單位力場中的沉降速度即為沉降系數(shù)(S)。沉降系數(shù)與蛋白質(zhì)分子量的大小、分子形狀、密度等有關(guān)，分子量大、顆粒緊密，沉降系數(shù)也大，因此用超速離心法可以分離純化蛋白質(zhì)，也可以測定蛋白質(zhì)的分子量。在生物化學(xué)中有些高分子物質(zhì)來命名。如30S核糖體小亞基，5SrRNA。三、蛋白質(zhì)的變性、復(fù)性和凝固在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。1.變性的本質(zhì)即破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)肽鏈的一級結(jié)構(gòu)。(一)蛋白質(zhì)的變性(denaturation)2.導(dǎo)致變性的因素如高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、重金屬離子、生物堿試劑及輻射等因素。3.應(yīng)用舉例①臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。②防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。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（二）復(fù)性(renaturation)若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性。HSSHSHHSHSSHHSHS2611095847265584026110958472584065(三)蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不一定變性。(四)蛋白質(zhì)的凝固作用蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿中。四、蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。五、蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)(一)茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。(二)雙縮脲