生物化學課件4.蛋白質(zhì)

上海市精品課程系列----生物化學第四章

蛋白質(zhì)第四章蛋白質(zhì)4.1

概述4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸4.3

肽4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)4.5

蛋白質(zhì)的性質(zhì)4.1

概述蛋白質(zhì)的概念蛋白質(zhì)的生物學功能蛋白質(zhì)的組成與分類4.1

概述蛋白質(zhì)的概念兩種蛋白質(zhì)的氨基酸組成

蛋白質(zhì)是以氨基酸為基本單位所構(gòu)成的、有特定結(jié)構(gòu)并具有一定生物學功能的一類重要的生物大分子。

4.1

概述蛋白質(zhì)的生物學功能酶的催化功能

轉(zhuǎn)運和儲存功能

運動功能

結(jié)構(gòu)支持作用

免疫作用

生物膜的功能

接受和傳遞信息

代謝調(diào)節(jié)功能

控制生長與分化

感染和毒性作用

4.1

概述蛋白質(zhì)的組成與分類組成主要組成元素：碳、氫、氧、氮（16％）

其它組成元素：硫、磷、碘或微量金屬元素元素組成特點：各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%,1g氮相當于6.25g蛋白質(zhì)。凱氏定氮法就是根據(jù)這個原理測定蛋白質(zhì)的含量。氨基酸是基本結(jié)構(gòu)單位4.1

概述分類

簡單蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)根據(jù)蛋白質(zhì)的化學組成根據(jù)蛋白質(zhì)的溶解性和組成根據(jù)蛋白質(zhì)的分子形狀根據(jù)蛋白質(zhì)的生物功能簡單蛋白質(zhì)分為七類結(jié)合蛋白質(zhì)分為七類球狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)活性蛋白質(zhì)非活性蛋白質(zhì)4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸氨基酸的結(jié)構(gòu)氨基酸的分類氨基酸的理化性質(zhì)氨基酸的制備4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸氨基酸的結(jié)構(gòu)通式蛋白質(zhì)由20種氨基酸（編碼氨基酸）組成除了脯氨酸外，都是a-氨基酸4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸構(gòu)型甘油醛丙氨酸除甘氨酸外，都有不對稱碳原子蛋白質(zhì)中所有氨基酸都是L構(gòu)型4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸氨基酸的分類根據(jù)R基側(cè)鏈的極性

根據(jù)側(cè)鏈基團的化學結(jié)構(gòu)

疏水性（非極性）氨基酸親水性（極性）氨基酸

不帶電荷的極性帶正電荷的堿性帶負電荷的酸性

脂肪族類羥基類酰胺類含硫類芳香族類亞氨基酸類分類名稱符號結(jié)構(gòu)非極性氨基酸

丙氨酸（alanine）Ala(A)纈氨酸（valine）Val(V)亮氨酸（leucine）Leu(L)異亮氨酸（isoleucine）Ile(I)分類名稱符號結(jié)構(gòu)非極性氨基酸

脯氨酸（proline）Pro(P)苯丙氨酸（phenylalanine）Phe(F)色氨酸（tryptophan）Trp(W)蛋氨酸（methionine）Met(M)分類名稱符號結(jié)構(gòu)極性氨基酸不帶電荷的極性氨基酸甘氨酸（glycine）Gly(G)絲氨酸（serine）Ser(S)蘇氨酸（threonine）Thr(T)半胱氨酸（cysteine）Cys(C)分類名稱符號結(jié)構(gòu)極性氨基酸不帶電荷的極性氨基酸酪氨酸（tyrosine）Tyr(Y)天冬酰胺（asparagine）Asn(N)谷氨酰胺（glutamine）Gln(Q)分類名稱符號結(jié)構(gòu)極性氨基酸帶負電荷的酸性氨基酸天冬氨酸（asparate）Asp(D)谷氨酸（glutamate）Glu(E)帶正電荷的賴氨酸（lysine）Lys(K)分類名稱符號結(jié)構(gòu)極性氨基酸堿性氨基酸精氨酸（arginine）Arg(R)組氨酸（histidine）His(H)非編碼氨基酸胱氨酸羥脯氨酸羥賴氨酸非蛋白質(zhì)氨基酸

200多種以游離或結(jié)合方式存在于生物界4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸根據(jù)生物體的需要

必需氨基酸半必需氨基酸（Arg，His）非必需氨基酸必需氨基酸：指人體需要，但自身不能合成或者合成速度不能滿足機體需要的一類氨基酸。它們必需從膳食中攝入，以滿足人體正常生長發(fā)育的生理需要。包括

Lys，Val，Ile，Leu，Phe，Met，Trp，Thr。4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸氨基酸的理化性質(zhì)一般物理性質(zhì)a-氨基酸為無色晶體，不同氨基酸其晶體形狀不相同熔點一般在200-300℃溶于水，但溶解度各不相同。能溶解于稀酸或稀堿中，但不能溶解于有機溶劑中各種氨基酸有不同的味感，如甘氨酸具有甜味，谷氨酸呈酸味，其單鈉鹽呈鮮味

除甘氨酸外，每種氨基酸都有旋光性和一定的比旋光度4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸酸堿性質(zhì)氨基酸在水溶液中或在晶體狀態(tài)時主要以兩性離子的形式存在兩性離子：同一氨基酸分子上含有等量能釋放質(zhì)子的正離子（如-NH3+）和能接受質(zhì)子的負離子（如-COO-），分子呈電中性，又稱兼性離子或偶極離子4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸等電點：使氨基酸凈電荷為零時溶液的pH值，以

pI表示，是氨基酸的一個特征值。pH>pI

氨基酸帶負電，在電場中向正極移動

pH=pI

氨基酸不帶電，在電場中不移動

pH<pI

氨基酸帶正電，在電場中向負極移動+-pH>pI

pH<pI

pH=pI

pH=3pH=9+-pH梯度+-pH梯度pH=pI

pH=pI

pH=pI

在一定pH值范圍內(nèi)，氨基酸溶液的pH值離等電點愈遠，氨基酸攜帶的凈電荷數(shù)愈大4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸甘氨酸的滴定曲線陽離子兩性離子陰離子pI=?(pKn+pKn+1)=?(2.34+9.60)=5.974.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸光學性質(zhì)芳香族氨基酸的紫外吸收譜280nm吸收值的測定是蛋白質(zhì)定量最常用的方法4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸化學反應(yīng)用于氨基酸的定量分析與熒光胺反應(yīng)（熒光物質(zhì)，熒光分光光度計）與甲醛反應(yīng)（a-氨基，釋放H+用NaOH滴定）與亞硝酸反應(yīng)（a-氨基羥酸+N2）與茚三酮反應(yīng)（a-氨基酸藍紫色化合物，570nm，

CO2生成量）4.2

基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸氨基酸的制備從蛋白質(zhì)水解液中分離提取（適宜于中小規(guī)模的生產(chǎn)）應(yīng)用發(fā)酵法大規(guī)模生產(chǎn)氨基酸利用酶反應(yīng)直接制取各種氨基酸有機合成法

酸水解：迅速而徹底，不引起消旋作用，但色氨酸全部破壞，

含羥基氨基酸部分破壞

堿法水解：色氨酸不破壞，水解液無色，但可破壞含硫，羥基

或胍基氨基酸，同時會產(chǎn)生消旋作用

酶法水解：條件溫和，不破壞氨基酸，不引起消旋作用，但水

解時間長，不易完全4.3

肽肽的基本概念肽的結(jié)構(gòu)和表示法生物活性肽4.3

肽肽的基本概念一個氨基酸的a-羧基與另一個氨基酸的a-氨基脫水縮合而成的化合物叫做肽。氨基酸之間的酰胺鍵稱為肽鍵寡肽：10個以下氨基酸

多肽：10-50個氨基酸4.3

肽四肽的形成4.3

肽肽的結(jié)構(gòu)和表示法氨基端

或N端羧基端

或C端肽鍵酰胺平面（肽平面）多肽鏈中的氨基酸單位稱為氨基酸殘基

主鏈：氨基酸由肽鍵連接成的長鏈骨架。肽鍵的所有四個原子和與之相連的兩個Ca所組成的基團又稱肽單位，是多肽主鏈上的重復結(jié)構(gòu)

側(cè)鏈：各氨基酸殘基的R基團性質(zhì)相當于雙鍵4.3

肽

中文表示法：從肽鏈的N端開始，對氨基酸殘基逐一命名，殘基稱氨酰，如：甲硫氨酰天冬氨酰亮氨酰酪氨酸

三字母表示法：Met-Asp-Leu-Tyr或Met.Asp.Leu.Tyr

單字母表示法：MDLY4.3

肽生物活性肽指對生物機體的生命活動有益或具有生理作用的肽類化合物，又稱功能肽

含量微量，功能顯著吸收機制優(yōu)于氨基酸與生物的生長、發(fā)育、細胞分化、大腦活動、腫瘤病變、免疫防御、生殖控制、抗衰老、生物鐘規(guī)律及分子進化等相關(guān)是機體內(nèi)傳遞信息、調(diào)節(jié)代謝和協(xié)調(diào)器官活動的重要化學信使如谷胱甘肽、神經(jīng)肽、抗菌肽等4.3

肽重要的三肽——谷胱甘肽（GSH）組成：谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸

維護蛋白質(zhì)活性中心的巰基參與二硫化合物相互轉(zhuǎn)化作為某些酶的輔酶參與氧化還原反應(yīng)g-肽鍵4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)分為四大層次

一級結(jié)構(gòu)初級結(jié)構(gòu)（共價結(jié)構(gòu)）

二級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)（分子構(gòu)象）

超二級結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)域

三級結(jié)構(gòu)

四級結(jié)構(gòu)4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)及其測定蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)及其測定指蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的連接方式和排列順序。包括肽鏈的數(shù)目、端基的組成、氨基酸的排列和二硫鍵的位置等，又稱化學結(jié)構(gòu)表示法三字母表示法單字母表示法

標注二硫鍵蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)牛胰島素4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的測定蛋白質(zhì)制劑的純化活性蛋白質(zhì)（未變性蛋白質(zhì)）分子量測定活性蛋白質(zhì)肽鏈數(shù)的測定和分離氨基酸序列測定氨基酸定量組成測定肽鏈末端分析，包括N端和C端肽鏈的部分裂解及肽片段的分離確定各個肽段在多肽鏈中的次序確定蛋白質(zhì)分子中二硫鍵和酰胺基的位置自學為主4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)氨基酸組成分析全自動氨基酸分析儀4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)氨基酸末端分析N-末端分析

C-末端分析二硝基氟苯（DNFB）法二甲基氨基萘磺酰氯法（DNS-Cl法）異硫氰酸苯酯法（Edman法）

肼解法羧肽酶法主要的多肽測序方法4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)中肽鏈的拆離

非共價連接：溫和條件解離共價連接：較強條件切斷還原法氧化法4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)肽鏈的部分降解和肽片段的分離

化學裂解法：溴化氰法、羥胺法

酶水解法：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、嗜熱菌蛋白酶肽段氨基酸序列的測定及肽段的重疊Edman降解法是用于序列分析最主要的方法4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)肽鏈的降解與肽片段的測定排序4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)推導氨基酸序列4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象（空間結(jié)構(gòu)）由許多酰胺平面組成，平面之間以Ca相隔多肽主鏈的基本結(jié)構(gòu)氨基端

或N端羧基端

或C端線性的多肽鏈在空間中折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)，即蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)或分子構(gòu)象這對二面角決定了相鄰的兩個酰胺平面所有原子在空間上的相對位置，就決定了肽鏈的構(gòu)象4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)（a-螺旋）b-折疊轉(zhuǎn)角（b-轉(zhuǎn)角）無規(guī)則卷曲多肽主鏈骨架有規(guī)則的盤曲折疊所形成的構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈基團的空間排布，靠肽鏈中的氫鍵得到穩(wěn)定4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)a-螺旋螺距＝0.54nm每一圈包含3.6個氨基酸R基團伸向外側(cè)相鄰螺旋間形成鏈內(nèi)氫鍵（第i個C=O和第i+4個N-H），取向與螺旋軸幾乎平行氫鍵最常見、最典型、含量最豐富的二級結(jié)構(gòu)元件4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)左手螺旋和右手螺旋

右手螺旋較穩(wěn)定天然蛋白質(zhì)中主要是右手螺旋4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)若干條肽鏈或一條肽鏈的若干肽段平行排列，肽鏈幾乎完全伸展呈鋸齒狀，按層平行排列，肽平面呈片狀，稱為折疊片相鄰肽鏈形成氫鍵，氫鍵幾乎垂直于肽鏈肽鏈的R基團在折疊片的上下交替出現(xiàn)反平行式的b-折疊平行式的b-折疊氫鍵4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

出現(xiàn)在肽鏈180°回折處的特殊結(jié)構(gòu)，由4個氨基酸殘基構(gòu)成

第一個殘基的C=O與第四個殘基的N-H形成氫鍵

轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)通常負責各種二級結(jié)構(gòu)單元之間的連接作用

對于確定肽鏈的走向起著決定性的作用b-轉(zhuǎn)角4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)無規(guī)則卷曲多肽鏈主鏈不規(guī)則隨機盤曲形成的構(gòu)象

球蛋白分子中，往往含有較多的無規(guī)卷曲，它

使蛋白質(zhì)肽鏈從整體上形成球狀構(gòu)象4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)aa（a-螺旋組合）bXb或babbbb（b-折疊組合）指二級結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單位相互聚集，形成有規(guī)律、空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)的聚集體，充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)bab環(huán)右手交連的b折疊反平行b折疊桶4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域由相鄰二級結(jié)構(gòu)單元緊密聯(lián)系，折疊形成兩個或多個空間上可以明顯區(qū)分的局部性區(qū)域，是多肽鏈的獨立折疊單位，不同的結(jié)構(gòu)域往往具有不同的功能。常見的結(jié)構(gòu)域大小在100-200個殘基之間免疫球蛋白IgG的12個結(jié)構(gòu)域4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)指一條多肽鏈中所有原子的空間排列，即由一條多肽鏈（包括主、側(cè)鏈）所形成的在三維空間的整體排列，不涉及相鄰蛋白質(zhì)分子間或亞基間的關(guān)系肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)肽鏈盤繞成緊密的球狀結(jié)構(gòu)大多數(shù)非極性側(cè)鏈埋在分子內(nèi)部形成疏水核極性側(cè)鏈在分子表面形成親水面分子表面的裂隙常常是蛋白質(zhì)的活性中心4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中兩條或兩條以上各自獨立具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈（亞基）之間，通過次級鍵相互締合而形成的排列有序的空間構(gòu)象。包括亞基數(shù)目、類型、排列及相互作用

寡聚蛋白：由兩個或以上亞基組成的蛋白質(zhì)，其活性取決于形成正確的四級結(jié)構(gòu)。亞基一般以a、b、g……命名血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)a2b2a1b14.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的作用力

氫鍵疏水鍵范德華力離子鍵二硫鍵4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的可逆變復性

蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的變異與分子病

蛋白質(zhì)前體的激活和一級結(jié)構(gòu)核糖核酸酶的變性與復性血紅蛋白異常病變——鐮刀型貧血癥

胰島素原的激活4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)天然核糖核酸酶天然核糖核酸酶變性復性變性核糖核酸酶核糖核酸酶的可逆變性4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

-鏈N端氨基酸排列順序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…

Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…正常紅細胞鐮刀形紅細胞負電荷的Glu變?yōu)槭杷缘腣al，使HbS分子表面的負電荷減少，親水基團變?yōu)槭杷鶊F，使HbS分子聚合，溶解度降低，紅細胞變形，呈鐮刀狀，并易于破裂溶血4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)胰島素原的激活切除C肽后，形成成熟的胰島素分子胰島素原CNS－SSSSSA鏈B鏈C鏈胰島素SSSSNNCCA鏈B鏈S－S4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子構(gòu)象與功能的關(guān)系順序同源性現(xiàn)象與物種進化關(guān)系

蛋白質(zhì)在表現(xiàn)生物功能時構(gòu)象發(fā)生一定變化細胞色素C血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)

4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)細胞色素C分子的空間結(jié)構(gòu)不變的AA殘基

參與維持分子構(gòu)象參與電子傳遞參與識別并結(jié)合細胞色素還原酶和氧化酶4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)名稱肌紅蛋白血紅蛋白組成一條多肽鏈和一個血紅素輔基構(gòu)成由四個亞基組成（2個a鏈，2個b鏈，a2b2），每條肽鏈含一個血紅素輔基大小分子量16700，含153個氨基酸殘基分子量64000，a鏈141個殘基，b鏈146個殘基功能在哺乳動物肌肉細胞中運輸和儲存氧，為生物氧化直接提供O2紅細胞的主要成分，是紅細胞運輸O2和CO2的載體結(jié)構(gòu)包含8個a-右手螺旋，許多疏水側(cè)鏈存在于分子內(nèi)部，形成疏水的空穴。每一個亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似氧合曲線雙曲線S形4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)又稱鐵卟啉，是肌紅蛋白、血紅蛋白及許多其它血紅素蛋白質(zhì)的輔基，由卟啉環(huán)與一個Fe(II)離子組成4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)肌紅蛋白血紅蛋白b亞基4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)肌紅蛋白的氧合曲線血紅蛋白的氧合曲線雙曲線S形曲線高氧分壓下能結(jié)合同樣數(shù)量的O2低氧分壓下，肌紅蛋白容易吸收氧，血紅蛋白容易釋放氧4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)變構(gòu)效應(yīng)（別構(gòu)效應(yīng)）：蛋白質(zhì)的一個亞基與效應(yīng)物結(jié)合后發(fā)生構(gòu)象改變，引起相鄰亞基的構(gòu)象變化，從而使蛋白質(zhì)的生物活性改變（提高或降低）的效應(yīng)。變構(gòu)蛋白：具有變構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)，都是寡聚蛋白。血紅蛋白就是典型的變構(gòu)蛋白協(xié)同效應(yīng)正協(xié)同效應(yīng)（激活）負協(xié)同效應(yīng)（抑制）血紅蛋白的一個亞基與氧結(jié)合后，導致其它亞基構(gòu)象變化，從而增加了對氧的親和力，4個亞基間產(chǎn)生正協(xié)同效應(yīng)，提高血紅蛋白運輸氧的效率4.4

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)S形氧合曲線的生理意義氧分壓較大變化不會引起血液中的氧飽和度太大變化，即存在較多氧合血紅蛋白氧分壓不大的變化會引起血液中的氧飽和度較大下降，即氧合血紅蛋白能較多地釋放氧，滿足生物氧化的需要膠體性質(zhì)4.5

蛋白質(zhì)的性質(zhì)

蛋白質(zhì)水溶液是一種比較穩(wěn)定的親水膠體。

蛋白質(zhì)分子表面的水化層和同性電荷是親水膠體穩(wěn)定的因素。若破壞這些因素，則促使蛋白質(zhì)顆粒相互聚集，從溶液中析出而產(chǎn)生沉淀。透析用于分離純化蛋白質(zhì)鹽析和有機溶劑沉淀法的基本原理酸堿性質(zhì)4.5

蛋白質(zhì)的性質(zhì)正負電荷互相吸引，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部緊縮，分子間有聚集的趨向，此時溶解度最小蛋白質(zhì)電泳現(xiàn)象可用于蛋白質(zhì)的分離純化蛋白質(zhì)的等電點：使溶液中蛋白質(zhì)分子所帶的正負電荷相等，即凈電