动物生物化学1蛋白质的结构与功能

1、Structure and Function of Proteins 蛋白质在生命活动中的重要作用蛋白质在生命活动中的重要作用 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 多肽、蛋白质结构与功能的关系多肽、蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的物理化学性质和分离与鉴定蛋白质的物理化学性质和分离与鉴定一、蛋白质的生理作用一、蛋白质的生理作用 1 1、催化作用、催化作用 2 2、运输作用、运输作用 3 3、运动作用、运动作用 4 4、机械支持作用、机械支持作用 5 5、代谢调节、代谢调节 6 6、防御抑制、防御抑制 7 7、能量转换、能量转换 8 8、基因表达与调控、基因表达与调

2、控 9 9、维持组织的生长、更新和修补、维持组织的生长、更新和修补 （一）按形状分（一）按形状分 纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：长轴是短轴的长轴是短轴的1010倍以上，多为结构蛋倍以上，多为结构蛋白。如结缔组织中的胶原蛋白白。如结缔组织中的胶原蛋白 球状蛋白质：球状蛋白质：近似球形或椭圆形，多数可溶于水，许近似球形或椭圆形，多数可溶于水，许多具有生理活性的蛋白如酶、转运蛋白、蛋白类激素及免多具有生理活性的蛋白如酶、转运蛋白、蛋白类激素及免疫球蛋白等。疫球蛋白等。（二）按结构和功能分（二）按结构和功能分 简单蛋白（简单蛋白（simple proteinsimple protein）: :仅有蛋白质

3、组成的结构仅有蛋白质组成的结构 简单的蛋白质简单的蛋白质 结合蛋白（结合蛋白（conjugated proteinconjugated protein）: :在蛋白质分子中除在蛋白质分子中除了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，才能保了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，才能保证蛋白质的正常生物活性的蛋白质证蛋白质的正常生物活性的蛋白质简单蛋白质简单蛋白质结合蛋白结合蛋白一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的基本结构单位和其它组分二、蛋白质的基本结构单位和其它组分三、氨基酸三、氨基酸 （一）氨基酸的基本结构和构型（一）氨基酸的基本结构和构型 （二）氨基酸的分类（二）氨

4、基酸的分类 （三）稀有氨基酸（三）稀有氨基酸 （四）非蛋白质的氨基酸（四）非蛋白质的氨基酸 （五）氨基酸的主要理化性质（五）氨基酸的主要理化性质所有蛋白质均含有所有蛋白质均含有 C: 50-55%C: 50-55% H: 6.1-7.0% H: 6.1-7.0% O: 23% O: 23% N: 16% N: 16%某些蛋白质含有某些蛋白质含有： S: 0-3%S: 0-3% P P个别蛋白质含有个别蛋白质含有：Zn, Fe, Cu Zn, Fe, Cu 等金属元素等金属元素（一）氨基酸的基本结构和构型（一）氨基酸的基本结构和构型 存在自然界氨基酸有存在自然界氨基酸有300种，组成动物体氨基酸

5、有种，组成动物体氨基酸有20种种 1、均为、均为-氨基酸（除脯氨酸）氨基酸（除脯氨酸） 2、均为、均为L-氨基酸（除甘氨酸）氨基酸（除甘氨酸）L-氨基酸通式氨基酸通式 按按R R侧链极性和电荷不同，分为四大类侧链极性和电荷不同，分为四大类 不带电荷极性氨基酸不带电荷极性氨基酸 ：Gly, Ser,Thr, Gly, Ser,Thr, Cys,Thr,Asn,GlnCys,Thr,Asn,Gln 带负电荷极性氨基酸带负电荷极性氨基酸 ：Asp,GluAsp,Glu 带正电荷极性氨基酸带正电荷极性氨基酸 ：His,Arg,LysHis,Arg,Lys 非极性氨基酸非极性氨基酸：Ala, Val,

6、Leu, Ile, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Trp, MetPro, Phe, Trp, Met（2）组成蛋白质的）组成蛋白质的20种种氨基酸氨基酸1 1 氨基酸的光吸收特征氨基酸的光吸收特征各种氨基酸在可见区都没有光吸各种氨基酸在可见区都没有光吸收收在紫外光区在紫外光区 最大吸收波长分别最大吸收波长分别色氨酸色氨酸 Trp、279酪氨酸酪氨酸 Tyr、278苯丙氨酸苯丙氨酸 phe、259nm2.2.氨基酸的两性解离与等电点氨基酸的两性解离与等电点氨基酸是两性电解质：氨基酸是两性电解质：氨基酸在结晶形态或在水溶液中，氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游

7、离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH(-NH3 3+ +) )形式存在，羧形式存在，羧基是以离解状态基是以离解状态(-COO(-COO- -) )存在。存在。氨基酸是两性电解质氨基酸是两性电解质。COO-CHH3N+R-pK1+H+H+COOHCHH3N+RH+H+pK2-COO-CHH2NR氨基酸的等电点氨基酸的等电点（Isoelectric point, PI）：氨基酸所带净电荷氨基酸所带净电荷为零时溶液的为零时溶液的pHpH值值 一、肽键和肽一、肽键和肽 二、蛋白

8、质的一级结构二、蛋白质的一级结构 三、蛋白质的高级结构三、蛋白质的高级结构 （一）肽单位（酰胺平面）（一）肽单位（酰胺平面） （二）非共价键（非共价相互作用力）（二）非共价键（非共价相互作用力） （三）二级结构（三）二级结构 （四）超二级结构（四）超二级结构 （五）结构域（五）结构域 （六）三级结构（六）三级结构 （七）四级结构（七）四级结构 肽键肽键：蛋白质分子中，由前一个氨基酸的蛋白质分子中，由前一个氨基酸的-COOH和后和后一个氨基酸的一个氨基酸的-NH2脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白质结构脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白质结构中的主价键。中的主价键。 肽肽：由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡

9、肽）由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽） 多肽多肽（polypeptide）和多肽链和多肽链（polypeptide chain）CCNCCNCCNCCNCC H2C HC H2C H2C H2C O O-O HC O2HC H2C O N H2O HC H3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnC H3N-端C-端肽键在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为为氨基酸顺序氨基酸顺序在多肽链的一端含有一个游离的在多肽链的一端含有一个游离的 -氨基，称为氨基，称为氨基端或氨基端或N-端端；在另一端含有

10、一个游离的在另一端含有一个游离的 -羧基，称为羧基，称为羧基端或羧基端或C-端。端。多肽链上不完整的氨基酸，称为多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基氨基酸残基（一）蛋白质的一级结构（一）蛋白质的一级结构（protein primary structure） 蛋白质多肽链氨基酸的组成和排列顺序。又称蛋白质的初蛋白质多肽链氨基酸的组成和排列顺序。又称蛋白质的初级结构。级结构。（二）一级结构的表示（二）一级结构的表示CCNCCNCCNCCNCCH2CHCH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C-端肽

11、键氨基酸的顺序是从氨基酸的顺序是从N-N-端的氨基酸残基开始，以端的氨基酸残基开始，以C-C-端氨基酸残基为终点端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-GlnSer-Val-Tyr-Asp-Gln胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构 蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次 肽单位平面结构和二面角肽单位平面结构和二面角 维持蛋白质分子构象的化学键维持蛋白质分子构象的化学键 二级结构二级结构 超二级结构超二级结构 结构域结构域 三级结构三级结构 四级结构四级结构结构极其复杂，具有明显的结构层次层次结构极其复杂，具有明显的结构层次层次

12、 一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序）一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序） 二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构）二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构） 超二级结构（二级结构单位的集合体）超二级结构（二级结构单位的集合体） 结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域）结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域） 三级结构（整个多肽链上所有原子的空间排布）三级结构（整个多肽链上所有原子的空间排布） 四级结构（由球状亚基或分子缔和而成的集合体）四级结构（由球状亚基或分子缔和而成的集合体）（一）肽单位平面结构的特征（一）肽单位平面结构的特征 肽单位（肽单位（peptide unit）:肽链主链上的重复结

13、构。肽链主链上的重复结构。如如C-CO-NH-C，称为肽单位或肽单元。，称为肽单位或肽单元。 肽平面（肽平面（peptide plane）:肽链主链的肽键肽链主链的肽键C-N具具有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连接在有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽平面。为肽平面。（二）两面角（二）两面角（dihedral angle） 在多肽链里，在多肽链里，CC碳原子刚好位于互相连接的两个肽碳原子刚好位于互相连接的两个肽平面的交线上。平面的交线上。CC碳原子上的碳原子上的C-NC-N和和C-CC-C都是单键

14、，都是单键，可以绕键轴旋转，其中以可以绕键轴旋转，其中以C-NC-N旋转的角度称为旋转的角度称为，而以，而以C-CC-C旋转的角度称为旋转的角度称为，这就是，这就是-碳原子上的一对二面碳原子上的一对二面角。角。 氢键（氢键（b b）离子键）离子键(a)(a)疏水作用力疏水作用力(c)(c)范德华引力范德华引力(d)(d)配位键、二硫键配位键、二硫键(e)(e)蛋白质分子构象主要靠非共价键维持蛋白质分子构象主要靠非共价键维持 指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是

15、氢键氢键。 二级结构的主要形式二级结构的主要形式 -螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、转角、-转角、无规卷曲转角、无规卷曲 肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状，称为肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状，称为-螺旋。螺旋。 典型的典型的-螺旋的结构是螺旋的结构是：1）外观似棒状，肽链的主链绕）外观似棒状，肽链的主链绕C相继旋相继旋转一定角度，形成紧密的螺旋，侧链伸转一定角度，形成紧密的螺旋，侧链伸向外侧向外侧2）每）每3.6个氨基酸残基上升一圈，每个氨个氨基酸残基上升一圈，每个氨基酸残基绕轴旋转基酸残基绕轴旋转1000，每圈使轴上升，每圈使轴上升0.54nm(0.15nm/氨基酸残基氨基酸残基)。

16、这种典。这种典型的型的-螺旋简写为螺旋简写为3.613。3）每一个氨基酸残基上的亚氨基氢（）每一个氨基酸残基上的亚氨基氢（N-H）与前面第四个氨基酸残基上的羰基氧与前面第四个氨基酸残基上的羰基氧(C=O)之间形成链内氢键。在氢键封闭之间形成链内氢键。在氢键封闭的环内，有的环内，有13个原子个原子-CO-N- C-C-3-NH-。4）大多数天然蛋白质都是右手）大多数天然蛋白质都是右手-螺旋螺旋多肽链中一段较伸展的周期性折叠的锯齿形的主链构象多肽链中一段较伸展的周期性折叠的锯齿形的主链构象-折叠有两种类型折叠有两种类型: :即平行结构和反平行结构即平行结构和反平行结构. .平行结构平行结构反平行结

17、构反平行结构. . 又称为又称为-回折、回折、-弯曲或发卡结构是多肽弯曲或发卡结构是多肽链链1801800 0回折处的特殊结构。在回折处的特殊结构。在-转角中弯曲的第转角中弯曲的第一个氨基酸残基的一个氨基酸残基的C=OC=O和第四个氨基酸残基的和第四个氨基酸残基的N-HN-H之间形成一个氢键。之间形成一个氢键。 无规卷曲（无规卷曲（random coilrandom coil） 指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。它的结构指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。它的结构比较松散。这种结构和比较松散。这种结构和-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角比较起来是不规转角比较起来是不规

18、则的，但对于一些蛋白质分子来讲，特定的无规卷曲构象是不能被破则的，但对于一些蛋白质分子来讲，特定的无规卷曲构象是不能被破坏的，否则就失去活性。坏的，否则就失去活性。-转角（转角（-turn angle-turn angle） 也存在于蛋白质也存在于蛋白质180180回折处，是由回折处，是由3 3个连续的氨基个连续的氨基酸残基组成，第一个和第三个残基之间形成两个氢键酸残基组成，第一个和第三个残基之间形成两个氢键以维持其结构的稳定以维持其结构的稳定 球状蛋白质分子中的一级结构顺序上相邻的二级结球状蛋白质分子中的一级结构顺序上相邻的二级结构常常在三维折叠中相互靠近，彼此作用，在局部区域形构常常在三维

19、折叠中相互靠近，彼此作用，在局部区域形成规则的二级结构的聚合体。成规则的二级结构的聚合体。 常见的超二级结构类型常见的超二级结构类型 在较大的蛋白质分子里，多肽链的三维折叠常常形成两个在较大的蛋白质分子里，多肽链的三维折叠常常形成两个或多个松散连接的近似球状的三维实体。这些实体就称为或多个松散连接的近似球状的三维实体。这些实体就称为结构域。结构域。 丙酮酸激酶的一个结构域丙酮酸激酶的一个结构域 蛋白质的三级结构（蛋白质的三级结构（tertiary structure） 指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特域）

20、的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构定肽链走向的紧密球状结构, 或者说三级结构是或者说三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。指多肽链中所有原子的空间排布。 维系三级结构的力有维系三级结构的力有 疏水作用力、氢键、范德华力、盐键疏水作用力、氢键、范德华力、盐键蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（quaternary structure） 四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。中的空间排布和亚基之间的相互作用。 维系四级结构的力维系四级结构的力 疏水作用力、氢键、范德华力、盐键（静电作

21、用力）。疏水作用力、氢键、范德华力、盐键（静电作用力）。Hb（hemeglobin）的四级结构）的四级结构 一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系-分子病分子病 高级结构与功能的关系高级结构与功能的关系-变、复性理变、复性理论论 -变构理论变构理论1 1、一级结构多肽链中个别氨基酸改变可能改变功能、一级结构多肽链中个别氨基酸改变可能改变功能Cys-Tyr- -Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly 加压素加压素SSCys-Tyr-Ile -Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly 催产素催产素SSACTH(促肾上腺皮质激素促肾上腺皮质激素) SYSMEHFRWGKPVGKKRRPVKVYPNGAEDELAEAFPLEF3 3、一级结构反映物种的进化、一级结构反映物种的进化-分子进化分子进化细胞色素细胞色素C C的种属差异性（以人为标准）的种属差异性（以人为标准） 最早从分子水平证最早从分子水平证明的先天性遗传病明的先天性遗传病镰刀形红细胞贫血症。镰刀形红细胞贫血症。 蛋白质变性蛋白质变性（protein denaturation） 物理的和化学的因素使天然蛋白质失去原有的理化性物理的和化学的因素使天然蛋白质失去原有的理化性质和生物学活性的作用。蛋白质的变性作用只是三维构象质和生物学活性的作用。蛋白质的变性作用只是三维构象的改变，不