蛋白质的结构与功能

1、2 2 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Chapter 2 Structure and Chapter 2 Structure and Function of ProteinFunction of Protein本章重点与难点重点：掌握组成蛋白质的氨基酸的结构特点、分类、三个字母代号及重要理化性质；掌握蛋白质1-4级结构特点、作用力；了解蛋白质结构与功能的关系；了解蛋白质的重要理化性质难点：氨基酸结构特点、酸碱性质、等电点；蛋白质各级结构的概念和特点、结构与功能的关系；蛋白质重要理化性质的应用。第一节 概述一、蛋白质的定义蛋白质（protein，简写pro):是由20种L- 氨基酸按一定的

2、序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具较稳定构象并具一定生物功能的生物大分子。Protein一词来自希腊文“Proteios”，意即“第一位的”、“最重要的”。18世纪中叶Beccari首次报道应用稀酸、稀碱核盐类可从动、植物组织中分离到含氮类物质。1838年荷兰化学家Mulder将之应用于从动植物细胞中所发现的复杂的有机含氮化合物。蛋白质是一类含氮的生物高分子，分子量大，结构复杂。例如，血红蛋白的分子式是C3032H4816O812N780S8Fe4 。 蛋白质结构复杂种类繁多功能各异，是生物体内构建生命，行使生命活动的最主要的功能分子，在几乎所有的生命活动中起着关键的作用。如果说基因是生命的

3、指导者和构建生命的蓝图，那么蛋白质就是组成生命的主要材料，是生命的实践者和执行者。蛋白质将生物体的遗传信息表达成生物的性状，指导生命活动，控制生物的生长和发育。二、蛋白质的生物学功能蛋白质是生命的表征，哪里有生命活动哪里就有蛋白质1、催化作用酶有两类：一类是蛋白质（蛋白酶），另一类为核酸（核酶）2、激素的调节作用：蛋白质或多肽类激素3、运输作用：血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体4、运动作用动物的肌肉收缩（肌球蛋白、肌动蛋白）、细菌的鞭毛运动5、防御作用抗体、补体、干扰素、凝血酶和血纤维蛋白原等6、接受和传递信息的受体作用：受体蛋白、味觉蛋白味觉蛋白8、控

4、制细胞生长、分化：生长因子、阻遏蛋白9、毒蛋白：植物、微生物、昆虫所分泌10、结构成分和机械支持物：角蛋白、结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白11、生物膜作用12、许多蛋白在凝血作用、通透作用、 营养作用、记忆活动等方面起重要作用。13、氧化供能14、遗传作用？三、蛋白质的化学组成1、元素组成 C、H、O、N 及少量的 S，微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼 特点：N 在各种蛋白质中的平均含量为16% 用定氮法可测定蛋白质含量： 蛋白质含量(g) = 蛋白质含氮量6.25（凯氏定氮法）2 2、蛋白质的水解、蛋白质的水解完全水解：用浓酸、碱将蛋白质完全水解为氨基酸。完全水解：用浓酸、碱将蛋白质完

5、全水解为氨基酸。 酸水解：无消旋作用，酸水解：无消旋作用，色氨酸破坏，天冬酰胺、谷色氨酸破坏，天冬酰胺、谷氨酰胺脱酰胺基，氨酰胺脱酰胺基，产物为产物为L-L-氨基酸。氨基酸。 碱水解：多数氨基酸被破坏，碱水解：多数氨基酸被破坏，色氨酸稳定，色氨酸稳定，有消旋有消旋现象。现象。部分水解：部分水解： 一般用酶或稀酸在较温和条件下，将蛋白质分一般用酶或稀酸在较温和条件下，将蛋白质分子切断，产物为分子大小不等的肽段和氨基酸。子切断，产物为分子大小不等的肽段和氨基酸。蛋白酶：胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。蛋白酶：胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。第二节 氨基酸（amino acid，aa） 蛋白质的基本

6、结构单位一、氨基酸的基本结构和构型 蛋白质是由结构较简单的小分子氨基酸氨基酸聚合而成的，氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位。天然蛋白质中存在的氨基酸有20种，均由相应的遗传密码编码（编码氨基酸）。从细菌到人类，所有物种中一切蛋白质都是由这20种氨基酸构成的。下图是氨基酸的结构通式：所有的氨基酸的共同特点是分子中同时具有1个羧基（COOH）和1个氨基（NH2），不同氨基酸之间的差异在于侧链的R基团结构不同。构成蛋白质的氨基酸均属构成蛋白质的氨基酸均属L-型型构型与构象的含义有根本的区别构型（configuration）：是指在立体异构体中所有取代原子或基团在空间的取向。如几何异构体中的顺式和反式，

7、光学异构体中的D-型和L型。构型的转变必须经历共价键的断裂。构象（conformation）：指分子中的原子或取代基团由于共价单键旋转所可能形成的不同的立体异构体。在这种立体结构中，原子或基团的空间位置改变，不涉及共价键的断裂。20种基本氨基酸的结构特点：1、同一分子上既有酸性羧基，又有碱性氨基。故为两性化合物。2、除R=H的甘氨酸外，a碳原子均为不对称碳原子，因而是光学活性物质，有D-型和L型两种异构体，构成蛋白质的氨基酸除Gly外均为L-型异构体。D型氨基酸没有营养价值，仅存在缬氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中，没有在蛋白质中发现。二、氨基酸的分类存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸

8、有300余种，但组成人体蛋白质余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有的氨基酸仅有20种，且均属种，且均属 L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。按照侧链R基结构或极性(疏水性程度)性质可以分为4类：1、 非极性的R基氨基酸 共8种在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用（蛋白质的疏水核心），它们的R基在水溶液中是疏水的、不解离、中性、不带电荷。1. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸 2 2 、不带电荷的极性、不带电荷的极性R R基氨基酸基氨基酸 7种这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水，R基在水溶液中有极性，不解离或微弱解离。3、带负电荷的极性氨基酸(酸性aa) 2种，R基

9、在水溶液中解离，有极性与亲水性。4、带正电荷的、带正电荷的极性氨基酸极性氨基酸(碱性碱性aa) 3种，种，R基在水溶液中解离，有极性与亲水性。根据R侧链结构分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。根据营养价值分为必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH

10、-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3三、非编码的蛋白质氨基酸（稀有氨基酸）三、非编码的蛋白质氨基酸（稀有氨基酸）也称修饰氨基酸，是在蛋白质合成后，由基本氨基酸修饰而来。 （1）4-羟脯氨酸 （2）5-羟赖氨酸 这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白中。（3）6-N-甲基赖氨酸（存在于肌球蛋白中） (4)-羧基谷氨酸 存在于凝血酶原及某些具有结合Ca2+离子功能的蛋白质中。（5）Tyr的衍生物： 3.5 -二碘酪氨酸、甲状腺素 （甲状腺蛋白中）（6）锁链素由4个Lys组成（弹性蛋白中）。 四、四、

11、非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸 不组成蛋白质，但有生理功能（1）L-型 氨基酸的衍生物L-瓜氨酸、L-鸟氨酸是尿素循环的中间物（2）D-型氨基酸D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短杆菌肽S）（3）-、-、-氨基酸-Ala（泛素的前体）、-氨基丁酸（神经递质）。 五、五、 氨基酸的主要理化性质氨基酸的主要理化性质1 1、 光学活性光学活性（1 1）氨基酸的光吸收特性）氨基酸的光吸收特性Tyr、Phe、Trp的R基含有共轭双键，在220-300nm近紫外区有吸收。 （nm） Tyr 278 1.4103 Phe 259 2.0102 Trp 279 5.6103 在280nm有最大光吸

12、收（2 2）氨基酸的旋光性）氨基酸的旋光性除甘氨酸外，其余19种氨基酸都有至少一个不对称碳原子，故具有旋光性，且均为L-型氨基酸。（3 3）氨基酸的熔点）氨基酸的熔点均大于均大于2002000 0C C，常温下氨基酸均为固态，而等分常温下氨基酸均为固态，而等分子量的其他有机物均为液态，说明氨基酸与氨基子量的其他有机物均为液态，说明氨基酸与氨基酸之间的结合力很强，以离子键结合，即氨基酸酸之间的结合力很强，以离子键结合，即氨基酸是以离子状态存在的，而不是以中性分子存在。是以离子状态存在的，而不是以中性分子存在。左旋（-）：能使偏振光向左；右旋（+）：能使偏振光向右。 构型与比旋光度无直接对应关系n

13、氨基酸的旋光性和旋光角度与R基团的性质及测定时溶液的pH有关；n当某氨基酸以等量L、D型混合时，旋光抵消，称外消旋；n化学合成所得氨基酸为D、L各半的混合物，称DL型，无旋光性，可用化学或生化方法将二型分开，此时才表现出旋光性。2 2、氨基酸的两性解离和等电点、氨基酸的两性解离和等电点同一分子上带有数量相等的正负两种电荷的离子称为同一分子上带有数量相等的正负两种电荷的离子称为两性离子或兼性离子。氨基酸为两性电解质，两性离子或兼性离子。氨基酸为两性电解质，其解离其解离程度取决于所处溶液的酸碱度程度取决于所处溶液的酸碱度。两性离子带电情况受到溶液两性离子带电情况受到溶液pHpH的影响。的影响。pH

14、1pH 11pH6在电场中，阳离子向负极移动；阴离子向阳极移动；调整pH，使aa净电荷为零时，aa既不向阳极也不向阴极移动，这时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。重点掌握等电点的概念（重点掌握等电点的概念（P13P13）等电点：对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的等电点：对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的pHpH时，时，氨基酸以两性离子形式存在，正电荷与负电荷数相等，净氨基酸以两性离子形式存在，正电荷与负电荷数相等，净电荷为零，在直流电场中，既不向正极移动，也不向负极电荷为零，在直流电场中，既不向正极移动，也不向负极移动，这时溶液的移动，这时溶液的

15、pHpH值称为该氨基酸的等电点。在值称为该氨基酸的等电点。在pIpI时，时，氨基酸的导电率最低，溶解度最小，容易发生沉淀。氨基酸的导电率最低，溶解度最小，容易发生沉淀。pH pH pIpI时，氨基酸带负电荷，时，氨基酸带负电荷，- -COOHCOOH解离成解离成- -COOCOO- -，向正极移动。向正极移动。pH = pH = pIpI时，氨基酸净电荷为零时，氨基酸净电荷为零pH pH pI+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 CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2

16、COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+l基于aa所带基团均可解离；l酸碱滴定法；l得到弱酸弱碱曲线；l根据aa上可解离基团的pK值计算等电点： pK：解离常数。 pI的测定以甘氨酸为例：在pH2.34和pH9.60处，Gly具有缓冲能力。起点：100%Gly+净电荷：+1第一拐点：50%Gly+，50%Gly平均净电荷：+0.5pH=pK+lgGly/Gly+=pK1=2.34第二拐点：100%Gly净电荷：0等电点pI第三拐点：50%Gly，50%Gly-平均净电荷：-0.5pH=pK2+lgGly-/Gly=pK2=9.6终点：100%Gly-净电荷：-1在生理pH内，

17、aa 的羧基和氨基全部解离；具有这种性质的物质称两性电解质；带有相反基团的分子叫两性离子；滴定中Gly的阳离子（R+）、阴离子（R-）和两性离子（R）的比例随pH而变；当溶液中只有两性离子时， pH = pIR-R+R 等电点的计算等电点的计算K1=RH+ R+K2=R+R-H+ 由式可知解离常数：由式可知解离常数：由此可知：已知在pI时，R+=R-，整理可得：K1 K2 =R+=RH+ R K2K1R-=H+ RH+ K1=R K2H+ H+ 2两边取负对数：-lgH+2=-lgK1-lgK2-lgH+=pH-lgK1=pK1-lgK2=pK22pH=pK1+pK2令pI为等电点时的pH，则

18、pI=（pK1+pK2）Gly：pI=（2.4+9.6)=5.97由此可知由此可知: 等电点相当于该等电点相当于该aa两性离子状态两侧两性离子状态两侧 基团基团pK值之和的一半。值之和的一半。 对侧链对侧链R基不解离的中性氨基酸：基不解离的中性氨基酸： pI=1/2（ pK1+ pK2）即：等电点即：等电点pH值与离子浓度无关，只取决于值与离子浓度无关，只取决于兼性离子两侧基团的兼性离子两侧基团的pK值。值。对有三个可解离基团的氨基酸：对有三个可解离基团的氨基酸： 如：酸性氨基酸、碱性氨基酸的如：酸性氨基酸、碱性氨基酸的pI计算：计算： a、先写出其解离公式；先写出其解离公式； b、后取兼性离子两侧基团的后取兼性离子两侧基团的pK值的平