02第二章蛋白质结构与功能

1、第二章蛋白质的结构与功能structure and function of proteinn蛋白质(protein)是普遍存在于生物界、含量最丰富的生物大分子（biomacromolecule）。n蛋白质约占人体固体成分的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上，约有10万余种。n蛋白质参与并完成了以复杂的物质代谢为基础的各种生命活动。n各种蛋白质的分子结构千差万别，决定了蛋白质功能的多样性。第一节蛋白质的分子结构n蛋白质分子主要含有碳（50% 55%）、氢（6%7%）、氧（19%24%）和氮（13%19%）元素，大部分蛋白质还含硫，有的还含少量的磷、铁、碘、硒等元素。n蛋白质的含氮量十分接

2、近，约16%。n每克样品中蛋白质含量每克样品中含氮量6.25一、蛋白质的基本结构单位（一）蛋白质的基本结构单位氨基酸n氨基酸是蛋白质的基本结构单位。n组成天然蛋白质的氨基酸共有20种，除甘氨酸外，都为l-氨基酸。n-氨基酸的基本结构特征为:碳原子连有4个基团或原子，分别为氨基(或亚氨基)、羧基、侧链和氢。根据氨基酸的侧链结构和性质，20种氨基酸可分成4类1. 非极性疏水性氨基酸 此类氨基酸含有非极性的侧链，具有大小不一的疏水性2. 极性氨基酸 此类氨基酸的侧链带有羟基或巯基、酰胺基等极性基团，具有亲水性，但在中性水溶液中不电离3. 酸性氨基酸 此类氨基酸的侧链含有羧基，易解离出h+而具有酸性4

3、. 碱性氨基酸 此类氨基酸的侧链带有易接受h+的基团而具有碱性 （二）氨基酸的主要理化性质氨基酸的两性电离和等电点 氨基酸的氨基可接受质子而形成nh3+，具有碱性; 羧基可释放质子而解离成coo-，具有酸性，因此氨基酸具有两性解离的性质。 在酸性溶液中，氨基酸易解离成带正电荷的阳离子，在碱性溶液中，易解离成带负电荷的阴离子。当氨基酸解离成阴、阳离子趋势相等，净电荷为零时，此时溶液的ph称之为氨基酸的等电点(isoelectric point, pi)。ph=pi+oh-phpi+h+oh-+h+phpi氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子chnh2coohr chnh2c

4、oohrchnh3+coo-r chnh3+coo-rchnh2coo-r chnh2coo-rch coohrnh3+ch coohrnh3+芳香族氨基酸的紫外吸收性 酪氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸在280nm波长处具有特征性吸收峰，由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光密度值，是蛋白质含量分析的简便方法。 氨基酸呈色反应 氨基酸与茚三酮共热时，可显示紫色。不同氨基酸其紫色的深浅可不同。这也是氨基酸或蛋白质定性、定量的常用方法之一。二、蛋白质的一级结构n人体内任何一种蛋白质都是由上述20个氨基酸以不同的数量、种类和不同排列顺序组合而成 。n蛋白质具有三维空间的

5、结构特征，这也是蛋白质发挥特征性作用的分子结构基础。（一）肽键 在蛋白质分子中，一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基，脱去一分子h2o，形成的化学键称为肽键(-co-nh-)，形成化合物称为肽（peptide）。 肽键为共价键，参与组成肽键的6个原子位于一个刚性平面，称酰胺平面。 肽键长度为0.132nm, 介于单键(0.149nm)和双键(0.127nm)之间，具有双键性质，因此不能自由旋转。而与-碳原子相连的n和c所形成的化学键都是典型的单键，可以自由旋转，这是产生蛋白质空间结构的基础。(二)多肽与蛋白质 n蛋白质分子是通过若干个肽键将氨基酸连接而形成的链状结构。由2个氨基酸形成的肽称

6、二二肽肽，3个氨基酸形成的肽称三肽三肽，以此类推。n一般十肽以下也可统称寡肽寡肽，十肽以上称作多多肽肽（polypeptide）。n由于氨基酸间通过脱水才形成肽键，因此蛋白质分子中的氨基酸结构已不完整，称作氨基酸残基。n蛋白质分子的两端分别存在游离的-氨基和-羧基，称为氨基末端(简称n端)和羧基末端(简称c端)。n习惯上将n端写在左侧，c端写在右侧，氨基酸编号依次从n端向c端排列。谷胱甘肽 gsh过氧过氧化物酶化物酶h2o2 2gsh 2h2o gssg gsh还原酶还原酶nadph+h+ nadp+ 促甲状腺素释放激素 (三) 蛋白质的一级结构n蛋白质肽链中的氨基酸排列顺序称为蛋白质一蛋白质

7、一级结构级结构(primary structure)。也即自n端向c端 氨基酸依次排列的顺序。n肽键肽键是一级结构的主要化学键，有些蛋白质的一级结构还含有二硫键二硫键，即由2个半胱氨酸巯基脱氢氧化而成。n牛胰岛素，含2条多肽链: a链和b链。a链由21个氨基酸残基组成，b链由30个氨基酸残基组成。a链与b链之间形成2个二硫键，a链内存在1个二硫键。三、蛋白质的空间结构n蛋白质分子并非线状分子，而是在一级结构的基础上，多肽链需折叠、盘曲形成特有的空间空间结构。结构。n蛋白质分子中各原子和基团在三维空间所处的相对位置，构成了特定的空间结构，称为蛋白蛋白质构象质构象(protein conforma

8、tion)。n蛋白质的高级结构包括二级结构二级结构、三级结构和三级结构和四级结构。四级结构。(一) 二级结构 n蛋白质二级结构二级结构(secondary structure)是指多肽链主链的局部空间结构，并不包括氨基酸侧链的构象。n由于-碳原子所连的2个单键可自由旋转，致使-碳原子两侧的酰胺平面可形成若干不同的空间排布位置，这就是产生各种二级结构的基础 。1.-螺旋 n在-螺旋中多肽链的主链围绕中心轴作有规律的螺旋式上升。n螺旋走向为顺时针方向，因此称为右手螺旋。右手螺旋。n螺旋每上升一圈约0.54nm，含3.6个氨基酸残基。n上下螺旋之间，通过肽键n-h和肽键的羰基氧形成氢键氢键，氢键方向

9、与螺旋长轴基本平行，以稳固-螺旋结构。n在-螺旋中氨基酸的侧链伸向螺旋外侧。2-折叠 n在-折叠中，多肽链主链走向呈折纸状呈折纸状，以-碳原子为旋转点，相邻的酰胺平面依次折叠成折纸状结构。n而氨基酸侧链交替地位于折纸状结构上下方。n1条多肽链或2条多肽链的若干个-折叠结构可顺向平行排列，链间有氢键相连，也可逆向平行排列，链间也有氢键氢键形成，以维持-折叠结构的稳定。3. -转角n有时多肽链主链可以出现180的转折，这就是-转角结构。n此结构通常有4个氨基酸残基组成，其第2个残基常为脯氨酸。4. 无规卷曲n 此结构指没有确定规律性的局部肽链结构。 (二) 三级结构n蛋白质的三级结构三级结构(te

10、rtiary structure)是指蛋白质分子中的各个二级结构的空间位置以及与氨基酸侧链基团之间的相对空间位置关系，也即多肽链的整体构象。n实际上三级结构涵盖了蛋白质分子中所有原子的空间位置。三级结构的形成和稳定主要依靠氨基酸侧链基团之间的相互作用所形成的非共价键来维持。n非共价键也称次级键，它们包括疏水键、离子键、氢键和范德华引力等，但以疏水键为最重要。此外，2个半胱氨酸巯基共价结合而成的二硫键，也参与稳定三级结构。 n肌红蛋白是具有三级结构的蛋白质n 端端 c端端n肌红蛋白含有a至h 8个个-螺旋螺旋肽段。n每2个相连的螺旋区之间有一个无规卷曲，形成了球状分子球状分子的形状。n球蛋白分子

11、表面主要有亲水侧链亲水侧链，而疏水侧链疏水侧链则位于分子内部，因此都易溶于水溶液n肌红蛋白球状分子中，有一个“口袋”状空隙可嵌入一个血红素分子血红素分子，血红素分子是结合氧的部位。(三) 四级结构n体内有许多蛋白质分子是由2个或2个以上具有三级结构的多肽链，通过非共价键聚合而成，其中每一个具有独立三级结构的多肽链称为亚亚基基(subunit)。n蛋白质分子中各亚基之间相对空间位置即为蛋白质四级结构四级结构(quaternary structure)，连接亚基的非共价键，主要为疏水键、氢键、盐键。n具有四级结构的蛋白质，可由相同或不同种类的亚基组成，前者称为同聚体同聚体，后者称为异聚异聚体体，也

12、可统称为寡聚体。寡聚体。n血红蛋白的四级结构n血红蛋白(hemoglobin, hb)是由2种不同亚基构成的四聚体，即2个亚基和2个亚基。n血红蛋白-亚基和-亚基都能结合氧，起运输氧的作用。 第二节 蛋白质分类与理化性质一、蛋白质的分类n通常蛋白质可根据其分子组成、形状和功能进行分类。（一）蛋白质分子组成分类n根据蛋白质的分子组成可以将蛋白质分成单纯蛋白质和结合蛋白质2种。 n 表表2-2 结合蛋白质与其辅基结合蛋白质与其辅基n分类分类 结合蛋白质结合蛋白质 辅基辅基n糖蛋白糖蛋白粘蛋白粘蛋白, 免疫球蛋白免疫球蛋白, 蛋白聚糖蛋白聚糖 糖类糖类n脂蛋白脂蛋白乳糜微粒乳糜微粒, 极低密度脂蛋白

13、极低密度脂蛋白, 脂类脂类n低密度脂蛋白等低密度脂蛋白等n核蛋白核蛋白染色质蛋白染色质蛋白, 病毒核蛋白病毒核蛋白 核酸核酸n磷蛋白磷蛋白酪蛋白酪蛋白, 染色质磷蛋白染色质磷蛋白 磷酸磷酸n色蛋白色蛋白血红蛋白血红蛋白, 黄素蛋白黄素蛋白 色素色素n金属蛋白金属蛋白 铁蛋白铁蛋白, 铜蓝蛋白铜蓝蛋白 金属离子金属离子n（二）蛋白质功能分类n体内蛋白质种类繁多，有些蛋白质只参与生物细胞或组织器官的构成、支持或保护作用，如胶原、角蛋白、弹性蛋白等。 n 表表2-3 蛋白质的主要功能分类蛋白质的主要功能分类nn功能功能蛋白质蛋白质nn催化作用催化作用酶酶n收缩作用收缩作用肌动蛋白、肌球蛋白肌动蛋白、

14、肌球蛋白n基因调节基因调节转录因子、阻遏蛋白转录因子、阻遏蛋白n激素作用激素作用胰岛素胰岛素n保护作用保护作用免疫球蛋白、血纤维蛋白免疫球蛋白、血纤维蛋白n调节作用调节作用钙调蛋白钙调蛋白n结构作用结构作用胶原蛋白、弹性蛋白胶原蛋白、弹性蛋白n运输作用运输作用清蛋白、血红蛋白、脂蛋白清蛋白、血红蛋白、脂蛋白n(三) 蛋白质形状分类n根据蛋白质分子形状可分类球状蛋白质和纤维球状蛋白质和纤维状蛋白质。状蛋白质。n凡蛋白质分子的长轴与短轴之比小于10，列为球状蛋白质，如免疫球蛋白、肌红蛋白和血红蛋白等。n蛋白质分子的长短轴之比大于10，即为纤维状蛋白质，如胶原蛋白、纤连蛋白、角蛋白和弹性蛋白等。二、

15、蛋白质的理化性质（一）蛋白质的两性解离性质n由于蛋白质分子中氨基酸残基侧链含有酸性基团或碱性基团的数量不同，n端和c端分别有游离氨基和游离羧基，因此，在体内的一定条件下，蛋白质的酸性基团和碱性基团可分别解离成阴离子和阳离子，使蛋白质呈现两性解离的性质。两性解离的性质。n在一定的在一定的ph介质中，某一蛋白质解离成阴离子介质中，某一蛋白质解离成阴离子和阳离子的趋势相等即净电荷为和阳离子的趋势相等即净电荷为0，成为两性离，成为两性离子，此时介质的子，此时介质的ph称为该蛋白质的等电点。称为该蛋白质的等电点。(二) 蛋白质的高分子性质n蛋白质分子的颗粒大小属于胶体颗粒范围，因此，蛋白质溶液为胶体溶液

16、。蛋白质溶液为胶体溶液。n蛋白质的各种疏水基团通过疏水作用埋藏于分子内部，而亲水基团分布于蛋白质分子表面并与水分子结合，以至蛋白质分子表面形成一层水化膜水化膜，使其在水溶液中能均匀分散，是维持是维持蛋白质亲水胶体溶液稳定的条件。蛋白质亲水胶体溶液稳定的条件。n若破坏蛋白质分子表面水化层或中和其表面电荷，使蛋白质胶体溶液不稳定，可发生蛋白质分子之间聚集而从溶液中析出。n临床检验中，在血浆中加入一定量的中性盐亚硫酸钠，可使某一部分蛋白质水化膜破坏而使蛋白质析出蛋白质析出，以达到分离和定量蛋白质的目的。n也可在血浆中加入一定量的有机溶剂如乙醇，以降低蛋白质介电常数，使蛋白质易于析出。n在实际应用中，

17、改变蛋白质溶液的ph，可影响蛋白质分子表面亲水基团的解离，当溶液ph调节至蛋白质的等电点时，高分子蛋白质净电荷为零，也易于从溶液中析出。 n蛋白质为胶体颗粒，且分子量大，不易透过半透膜。蛋白质装入半透膜半透膜制成的透析袋进行透透析析，可将蛋白质与能透过半透膜的小分子化合物分离，是蛋白质分离纯化中常用的方法之一。n蛋白质溶液中的胶体颗粒，在一定的超离心力的作用下，可以发生沉降；利用蛋白质的沉降系数不同，通过超速离心法超速离心法来分离、纯化蛋白质和测定蛋白质的分子量。(三) 蛋白质的变性n某些理化因素如加热、酸、碱、有机溶剂、重金属离子等，可影响其侧链基团的相互作用，以致蛋白质的空间构象遭到破坏，

18、进而其理化性质改变和生物活性的丢失，但其一级结构并不改变，此现象称为蛋白质变性蛋白质变性(protein denature)。n能使蛋白质发生变性作用的化合物称为变性剂。变性剂。n蛋白质空间构象的破坏，可使多肽链结构松散，易受蛋白酶水解，原来位于分子内部的疏水基团暴露，因而其溶解性降低，甚至肽链相互聚集而从溶液中析出，这一现象称为蛋白质沉淀。蛋白质沉淀。n变性蛋白质易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定变性。n若蛋白质变性程度较轻，去除使蛋白质变性的理化因素后，有些蛋白质仍可恢复原有空间构象和生物活性，这称为复性。复性。n高热灭菌、乙醇消毒高热灭菌、乙醇消毒就是使细菌等病原体蛋白质变性而失活以达到消毒

19、、抗感染的目的。n免疫球蛋白、血浆制品或其他生物制剂(如疫苗)等需保存在4，才能防止蛋白质变性防止蛋白质变性从而有效保持生物制剂的活性。(四) 蛋白质的紫外吸收性质及呈色反应 n酪氨酸和色氨酸分子中的共轭双键在280nm波长处有特征性吸收峰。 n双缩脲反应：即在碱性铜溶液中，肽键与铜离子形成络合物，显紫色。n酚试剂方法：蛋白质溶液在碱性酮的存在下，与酚试剂(含磷钨酸-磷钼酸化合物)作用，生成蓝色化合物，在540nm波长处此蓝色化合物的光密度值与蛋白质含量有较好的相关性。酚试剂方法是灵敏度较高、特异性强的蛋白质定量方法。第三节 蛋白质结构与功能的关系n人体内存在约10万种以上的蛋白质。n各种蛋白

20、质的一级结构和空间构象各不相同，生物学功能也各异。n蛋白质各结构层次与功能之间存在密切关系。一、蛋白质一级结构与功能的关系n凡有相似一级结构的蛋白质，其功能也相似促肾上腺皮质激素(acth) 和促黑素(msh)，两者之间有一段相同的氨基酸序列，因此，这可以解释acth具有较弱的促黑素作用的分子机制 。n不同哺乳类动物，相同蛋白质的结构有相似之处，它们执行的生物学功能自然也相同。 表表2-4 哺乳动物胰岛素氨基酸序列的差异哺乳动物胰岛素氨基酸序列的差异 胰岛素氨基酸残基序号胰岛素氨基酸残基序号来源来源 a5 a6 a10 a30人人 thr ser ile thr猪猪 thr ser ile a

21、la狗狗 thr ser ile ala兔兔 thr gly ile ser牛牛 ala gly val ala羊羊 ala ser val ala马马 thr ser ile alaa为为a链，链，a5表示表示a链第链第5位氨基酸，其余类推位氨基酸，其余类推二、蛋白质空间结构与功能的关系n若蛋白质一级结构保持不变，而构象构象的改变也可导致其功能的变化。n体内外的各种可调节蛋白质活性的物质，主要通过改变蛋白质构象来达到调节其生物活性的目的。 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性n血

22、红蛋白(hb)是由2个亚基和2个亚基组成的四聚体(22)，其和亚基的一级结构和空间结构与肌红蛋白十分相似，都能结合和运输氧。nhb的4个亚基依靠盐键相连接。每个亚基的结构中有一孔穴，嵌合一个亚铁血红素辅基，此亚铁能与o2可逆的结合。1分子hb可结合4分子o2，起到运输氧的作用。n当hb第1个亚基与o2结合后此亚基构象发生了改变，使亚基间的盐键断裂，从而促进了第2个亚基与o2结合即增加亚基与o2的亲和力，依次类推，第4个亚基与o2结合的亲和力最大。n这种一个亚基与其配体o2结合后能促进此寡聚体中其他亚基与配体结合的能力，称为正协同正协同效应或别构激活效应或别构激活；反之则为负协同或别构抑制负协同或别构抑制效