蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能及理化性質(zhì)

第一章緒論生物化學的概念：生物化學是研究生物體的組成、化學結(jié)構(gòu)以及各種化學變化的科學，是從分子水平解釋一切生命現(xiàn)象的科學，是生命科學和醫(yī)學的重要組成部分。研究對象：生物體主要任務(wù)：研究生物體的物質(zhì)組成、新陳代謝和生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能等。一、生物化學的內(nèi)容（一）研究生物體的物質(zhì)組成（二）研究新陳代謝（物質(zhì)代謝）（三）研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能二、生物化學的發(fā)展過程①靜態(tài)生物化學時期（1920年以前）研究內(nèi)容以分析生物體內(nèi)物質(zhì)的化學組成、性質(zhì)和含量為主；②動態(tài)生物化學時期（1950年以前）這是一個飛速發(fā)展的輝煌時期；③機能生物化學時期（1950年以后）真正意義上的現(xiàn)代的生命化學，蛋白質(zhì)化學和和核酸化學成

為研究重點。

三、生物化學與醫(yī)學（一）生物化學與疾病的發(fā)生（二）生物化學與疾病的診斷（三）生物化學與疾病的治療四、如何學好生物化學（一）建立廣泛的聯(lián)想，與其他學科聯(lián)系。（二）不要把注意力放在結(jié)構(gòu)式上。（三）理解記憶。（四）做好預習和復習。蛋白質(zhì)的分子組成

第一節(jié)第二章蛋白質(zhì)和核酸化學

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P或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個別蛋白質(zhì)還含有I

。蛋白質(zhì)的含氮量平均為16％。通過樣品含氮量計算蛋白質(zhì)含量的公式：蛋白質(zhì)含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25

蛋白質(zhì)元素組成的特點一、氨基酸

——蛋白質(zhì)的基本組成單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L--氨基酸（甘氨酸除外）。（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)特點：一個氨基和一個羧基鏈接在同個碳原子上酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸堿性氨基酸：精氨酸、賴氨酸、組氨酸中性氨基酸：其他（一）氨基酸的分類2.極性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.堿性氨基酸（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點2.紫外吸收3.茚三酮反應(yīng)第二節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的功能：生物催化劑，如酶代謝調(diào)節(jié)作用，如胰島素免疫保護作用，如抗體物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和儲存，如血紅蛋白結(jié)構(gòu)物質(zhì)，如指甲和毛發(fā)一、肽和鍵肽*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。（一）肽(peptide)多肽鏈(polypeptidechain)二肽，三肽……寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide)氨基酸殘基(residue)氨基末端（aminoterminal）和羧基末端（carboxylterminal）主鏈和側(cè)鏈多肽鏈

多肽鏈（二）蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

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)高級結(jié)構(gòu)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)主要化學鍵：肽鍵

二硫鍵的位置屬于一級結(jié)構(gòu)研究范疇。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎(chǔ)。胰島素的一級結(jié)構(gòu)3021二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)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

。定義：穩(wěn)定因素：

氫鍵

（一）肽單元(peptideunit)

參與組成肽鍵的6個原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。肽單元HHHH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)

（二）

-螺旋結(jié)構(gòu)要點:

①多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋，側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。②每圈螺旋含3.6個氨基酸，螺距為0.54nm。③每個肽鍵的亞氨氫和第四個肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長軸基本平行。（三）

-折疊①多肽鏈充分伸展，相鄰肽單元之間折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下方。②兩段以上的β-折疊結(jié)構(gòu)平行排列，兩鏈間可順向平行，也可反向平行。③兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵，以穩(wěn)固β-折疊結(jié)構(gòu)。氫鍵與螺旋長軸垂直。

（四）

-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲

-轉(zhuǎn)角：無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。①肽鏈內(nèi)形成180o回折。②含4個氨基酸殘基，第一個氨基酸殘基與第四個形成氫鍵。③第二個氨基酸殘基常為Pro。

-轉(zhuǎn)角：（五）模體蛋白質(zhì)分子中，二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。螺旋－環(huán)－螺旋鋅指三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。穩(wěn)定因素：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。定義肌紅蛋白(Mb)N端

C端亞基之間的結(jié)合力主要是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)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)。每條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱為亞基(subunit)。血紅蛋白（Hb）的四級結(jié)構(gòu)三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵1、一級結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)及功能也相似

2、不同結(jié)構(gòu)具有不同功能如抗利尿激素與催產(chǎn)素（二）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系空間結(jié)構(gòu)改變，功能則改變。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（三）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變與疾病（三）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變與疾病1、一級結(jié)構(gòu)改變與疾病（分子?。├虹牭缎渭t細胞貧血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)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。2、空間結(jié)構(gòu)改變與疾?。?gòu)象?。┑鞍踪|(zhì)構(gòu)象病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象病的機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓氏舞蹈癥、瘋牛病等。人紋狀體脊髓變性病Creutzfeldt－Jakob?。–JD）是可傳播的致病性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，以快速進展性癡呆及大腦皮質(zhì)、基底節(jié)和脊髓局灶性病變?yōu)樘卣?，是常見的人類朊蛋白病，又稱為皮質(zhì)－紋狀體－脊髓變性。本病呈全球性分布，人群年發(fā)病率為1/100萬，患者多為中老年，平均發(fā)病年齡60歲。亨廷頓氏舞蹈癥亨廷頓氏舞蹈癥是一種家族顯性遺傳型疾病?；颊哂捎诨蛲蛔兓蛘叩谒膶θ旧w內(nèi)DNA（脫氧核糖核酸）基質(zhì)之CAG三核甘酸重復序列過度擴張，造成腦部神經(jīng)細胞持續(xù)退化，機體細胞錯誤地制造一種名為“亨廷頓蛋白質(zhì)”的有害物質(zhì)。這些異常蛋白質(zhì)積聚成塊，損壞部分腦細胞，特別是那些與肌肉控制有關(guān)的細胞，導致患者神經(jīng)系統(tǒng)逐漸退化，神經(jīng)沖動彌散，動作失調(diào)，出現(xiàn)不可控制的顫搐，并能發(fā)展成癡呆，甚至死亡。瘋牛病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。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第三節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和分類（一）蛋白質(zhì)的兩性電離和等電點

一、理化性質(zhì)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。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)

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。利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。電泳蛋白質(zhì)在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質(zhì)在電場中泳動而達到分離各種蛋白質(zhì)的技術(shù),稱為電泳(elctrophoresis)。根據(jù)支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。

幾種重要的蛋白質(zhì)電泳*SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳：常用于蛋白質(zhì)分子量的測定。*等電聚焦電泳：通過蛋白質(zhì)等電點的差異而分離蛋白質(zhì)的電泳方法。*雙向凝膠電泳：是蛋白質(zhì)組學研究的重要技術(shù)。（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)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)。*蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜+++++++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)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(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*蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。造成變性的因素：如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)：——破壞非共價鍵，二硫鍵和空間結(jié)構(gòu)，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。應(yīng)用舉例臨床醫(yī)學上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。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。

蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變：溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。（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)⒈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)。生成紫色物質(zhì)。⒉雙縮脲反應(yīng)(biuretreaction)蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應(yīng)稱為雙縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。3、酚試劑反應(yīng)：

酪氨酸殘基在堿性銅試劑存在的情況下，與