02.第二章-蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(xué)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(xì)胞的各個局部都含有蛋白質(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。1.作為生物催化劑〔酶〕2.代謝調(diào)節(jié)作用3.免疫保護(hù)作用4.物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲5.運(yùn)動與支持作用6.參與細(xì)胞間信息傳遞7.氧化供能(二)蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能一、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)的元素第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成(TheMolecularComponentofProtein)1.特點(diǎn)：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：2.應(yīng)用蛋白質(zhì)含量分析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(diǎn)二、蛋白質(zhì)的根本單位——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α-氨基酸〔脯氨酸除外〕，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(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(diǎn)

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(diǎn)

中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點(diǎn)

3.酸性氨基酸(2種)天冬氨酸asparticacidAspD2.97精氨酸arginineArgR10.76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(gòu)式等電點(diǎn)

賴氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH1.含硫氨基酸〔半胱氨酸、蛋氨酸〕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〔苯丙、酪、色〕3.支鏈氨基酸〔纈、亮、異亮〕CH3CH2CHCH3CHCOOHNH2亮氨酸CH2CHCOOHNH2苯丙氨酸4.亞氨基酸〔脯氨酸〕CH2CHCOOHNHCH2CH2脯氨酸(四)氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點(diǎn)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(diǎn)(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(diǎn)。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.茚三酮反響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)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(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，三分子氨基酸縮合那么形成三肽……(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?yàn)槊撍s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。+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*組成：谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸*結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：谷氨酸以γ-羧基與半胱氨酸的α-氨基

生成肽鍵〔不典型三肽〕*生理作用保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)保護(hù)含-SH的蛋白質(zhì)和酶的活性參與生物轉(zhuǎn)化作用，解除環(huán)氧化物的毒性體內(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(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)第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）1.定義

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)2.主要的化學(xué)鍵

肽鍵

(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，故具有局部雙鍵的特性，不能旋轉(zhuǎn)。3.舉例：胰島素(二)肽單元(肽鍵平面)參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2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肽鍵平面示意圖二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)1.定義蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈主鏈原子的局部空間結(jié)構(gòu)。

2.主要的化學(xué)鍵

氫鍵

(一)定義與主要化學(xué)鍵(二)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

1951年根據(jù)X線衍射圖提出。以碳原子為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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(tuán)均伸向螺旋外側(cè)。⑷角蛋白、肌球蛋白等。2.-折疊(1)是多肽鏈一種比較伸展、成鋸齒狀的肽鏈結(jié)構(gòu)。(2)兩條肽鏈走向相同，稱為順向平行結(jié)構(gòu)，反之，那么稱為反向平行結(jié)構(gòu)。后者更為穩(wěn)定。⑶溶菌酶、羧基肽酶等。3.

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那局部肽鏈結(jié)構(gòu)。4.無規(guī)卷曲肽鏈出現(xiàn)180°回折的局部形成β-轉(zhuǎn)角。三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)非共價(jià)鍵：疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals〔范德華〕力等。2.主要的化學(xué)鍵—次級鍵〔非共價(jià)鍵〕和二硫鍵〔主要是疏水鍵〕整條肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。1.定義

(一)定義與主要化學(xué)鍵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)鍵舉例：肌紅蛋白、胰島素、免疫球蛋白等N端C端結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：*一條多肽鏈*親水的分子表面和疏水的分子內(nèi)核*有些有活性*呈球形或橢圓形(二)結(jié)構(gòu)域(domain)分子量較大的蛋白質(zhì)在形成三級結(jié)構(gòu)時，肽鏈中的有些局部的二級結(jié)構(gòu)聚集在一起，形成能發(fā)揮生物學(xué)概念的特定區(qū)域。如：αβα、βTβ。免疫球蛋白結(jié)構(gòu)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(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——非共價(jià)鍵〔主要是鹽鍵〕四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)1.定義是指由兩個以上具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價(jià)鍵而形成的空間排布稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。(一)定義與主要化學(xué)鍵3.亞基(subunit)

概念：在蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)中，各具三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。數(shù)目：偶數(shù)，可相同，也可不同特點(diǎn)：單獨(dú)存在無活性特點(diǎn)：舉例：H亞基、M亞基舉例：

Hb、LDH、L-谷氨酸脫氫酶、RNA聚合酶

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)(一)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

五、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)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(gòu)與功能的關(guān)系

二硫鍵破壞后，生物學(xué)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兩鏈間的二硫鍵復(fù)原，A、B兩鏈即別離，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(gòu)與功能的關(guān)系3.血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ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(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。*一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它決定了蛋白質(zhì)特定的構(gòu)象和功能*一級結(jié)構(gòu)不同，構(gòu)象和功能不同。*一級結(jié)構(gòu)相似，構(gòu)象和功能可能相似。結(jié)論：(二)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1．血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系Hb未結(jié)合O2時，4個亞基結(jié)構(gòu)緊密,稱緊張態(tài)(T態(tài))。隨著O2的結(jié)合,空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)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(xì)血管O2分壓高,促使T態(tài)轉(zhuǎn)變成R態(tài),組織毛細(xì)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(gòu)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(gòu)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(gòu)與功能的關(guān)系*蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變，生物活性改變。結(jié)論：*蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞，生物活性喪失。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)局部+非蛋白質(zhì)局部(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(diǎn)

(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。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子NHCOOPrNH3COO-+NHCOOPrNH2COO-NHCOOPrNH3COOH+概念：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(diǎn)。(二)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)*應(yīng)用〔原因：pH=7.35-7.45，pI＜7.0〕電泳別離蛋白質(zhì)血漿蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，組成緩沖對，維持酸堿平衡〔機(jī)理：蛋白質(zhì)帶電荷量不同，移動速度不同而別離二、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(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(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。應(yīng)用：破壞兩個穩(wěn)定因素沉淀蛋白質(zhì)+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)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)的聚沉三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

1、概念2.變性的本質(zhì)即破壞非