第一章蛋白质的结构与功能.

1、“十二五”普通高等教有本科国家级规划教材 卫 生 部 “十 二 五” 规 划 教 材 全国离等医药數材建设研究会十二五”规划教材全国高竽学校教材供基础.临床、预防、口腔医学类专业用生物化学与分子生物学第一章奮白质的辖构鸟功俺Structure and Function of Protein什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸 (amino acids)通过肽键(peptide bond)相连 形成的高分子含氮化合物。蛋白质研究的历史1833年，Payen和Persoz分离出 淀粉酶。1838年，荷兰科学家G. J. Mulder引入“protein” (源自希腊字proteio

2、s,意为primary ) 词1864年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将 其制成结晶。19世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽。1951年，Pauling采用X (射)线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构-螺旋(a-helix)o1953年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。1962年，John Kendrew和Max Perutz确 定 了 血红蛋白 的四级结构。20世纪90年代以后，随着人类基因组计划实施，功 能基因组与蛋白质组计划的展开，使蛋白 质结构与功能的研究达到新的高峰。第一节蛋白质的分子组成The Mol

3、ecular Component of Protein蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细 胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是生物体中含量最丰富的生 物大分子，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。2. 蛋白质具有重要的生物学功能»作为生物催化剂（酶）»代谢调节作用»免疫保护作用物质的转运和存储A运动与支持作用参与细胞间信息传递氧化供能组成蛋白质的元素主要有C. H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁.铜.锌.猛.钻.钿，个别蛋白质还含有碘。蛋白质元素组成的特点各种蛋

4、白质的含氮量很接近，平均为16%。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此, 只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以 下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量（g %）= 每克样品含氮克数X 6.25X1001/16%一. 组成人体蛋白质的20种La氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余种，但 组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均 属氨基酸（甘氨酸除外）。内氨酸L-氨基酸通式（R为侧链）CHOI)CHch2ohL-甘油醛COOICIIIch3L-丙氨酸COO-±nh3L-氨基酸钢除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱 氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。硒代 半胱氨

5、酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨 酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少数 天然蛋白质中，包括过氧化物酶和电子传递链 中的还原酶等。硒代半胱氨酸参与蛋白质合成 时，并不是由目前已知的密码子编码，具体机 制尚不完全清楚。体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有 重要生理作用的Ly-氨基酸，如参与合成尿素的 鸟氨酸(ornithine)、瓜氨酸(citrulline)和精氨 酸代 琥珀酸(argininosuccinate) o二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸（一）侧链含烧链的氨基酸属于非极性脂肪族 氨基酸站构式中文名英文勒甘

6、氨酸glycine丙氨酸.alaninevaline亮氨酸leucine异亮氨咬isolcucinc脯氨酸proli ne三字一字等电点符号符号(pl)GlyG5.97AlaA6.00VaiV5.96LeuL5.98lieI6.02ProP6.30 （二）侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性 中性氨基酸结构式心 CH, -CHGOOCfliSClIaCIh中文名英文名=7_字等电点符号符号(pl)丝氨酸serineSers5.68半胱.氨破cysteineCysc5.07methionineMetM5.74天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷氨酰胺glutamineGinQ5.65苏氨

7、破threonineThrT5.60(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸结构式- 皿一CHCOONHj中文名英文名三字 符号一字 符号等电点(pl)苯丙氨酸phenylalaninePhcF5.48色氨酸tryptophanTryW5.89酪氨酸tyrosineTry Y 5.66(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸结构式屮文名HOOCCHrl CHCOOnh3夭冬氨酸HOOCCHCHj-I CHC(M)N出谷氨酸NH2CH2CH2CH2CH2- CHCOO赖氨酸英文名三字符号一字符号等电点(pl)aspartic acidAspD2.97glutamic acidGluE3.2

8、2lysineLysK9.74（五）侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性 氨基酸结构式NH1 中文名英文名三字一字 符号符号等电点（pl）NfCNliaZCHjCH - CHCOO-HOC-CHz-CHCOO*精氨酸arginineArg R10.76N NHNH=、/组氨酸histidineHis H<7.59几种特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸）2hcoo-nh2+半胱氨酸-00C-CH-CH?-9d + FS-CH?<H<00-+nh3I 2 :I 2+nh33 -HH-OOC-CH-CH2-；S-StCH2-CH-COO-+nh3W+NH3二硫钱胱氨酸在蛋白质翻译后的修饰过程

9、中，脯氨酸和赖氨酸可分别被程化为理脯氨酸和凳赖氨酸。蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被 甲基化、甲酰化.乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等。这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定 性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的 性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质(一) 氨基酸具有两性解离的性质两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所 处溶液的酸碱度。等电点(isoelectric point, pl)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和 阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电 中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。

10、R-CH-COOHnh3+OH+ H+R-CH-COOHNH2!1 .R-CH -C00-NH3+ +H+R-CH-COONH2pH<pI阳离子pH=pIpH>pI氨基酸的兼性离子阴离子芳香族氨基酸的紫外吸收< 8*（二）含共觇双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸.酪氨酸的 最大吸收毕在280 nm 附近。大多数蛋白质含有 这两种氨基酸残基，所 以测定蛋白质溶液 280nm的光吸收值是分 析溶液中蛋白质含量的 快速简便的方法。（三）氨基酸与苗三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与菊三酮水合物共热，可生成蓝 紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正 比

11、关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽(一) 氨基酸通过肽键连接而形成肽肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的 竣基与另一个氨基酸的a氨基脱水缩合而形成 的化学键。9nh2-ch-c甘氨酸+ °+ NH-CH-C2f-0HH甘氨酸：0H H： H肽(peptide)是由氨基酸通过肽键缩合而形 成的化合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基 酸缩合则形成三肽由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 (oligopeptide),由更多的氨基酸相连形成的肽 称多肽(polypeptide)。肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团 不全，被称为

12、氨基酸残忑(residue)。多肽链(polypeptide chain)是指许多氨 基酸之间以肽键连接而成的一种结构。多肽链有两端:N末端：多肽链中有游离力氨基的一端C末端：多肽链中有游离竣基的一端蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠 成特定的空间结构.并具有特定生物学功能 的多肽。一般而论，蛋白质的氨基酸残基数 通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍 称为多肽。（二）体内存在多种重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione, GSH)H_ NH2HOOC 谷氨酸半胱氨酸甘氨酸2H.OGSSGNADPH+H+2H.OGSSGNADPH+H+ GSH与GSSG间的转换h2o22GSH

13、NADP+GSH过氧化物酶GSH还原酶2H.OGSSGNADPH+H+2 多肽类激素及神经肽体内许多激素属寡肽或多肽焦谷氨酸促甲状腺素释放激素CIRH)神经肽(neuropeptide)第二节蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein蛋白质的分子结构包括:一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure)四级结构(quaternary structure)高级 结构氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构定义：蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至 G端的氨

14、基酸启F列顺序。主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。4天-天5EN 萃丙*天冬补储圈卞半就甘七缓卞 庐 金丙甘书-n甘樺w-萃丙-1234 S 678 9 10 II 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425»-l|-a-W-OOH26 27 2S 29 30牛胰岛素的一级结构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能 的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。 B*命目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观， 并且还以更快的速度增加。国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如 EMBL (European Molecular Biolog

15、y Laboratory Data Library) Genhank (Genetic Sequence Databank) P1R ( Protein Identification Resource Sequence Database)收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料, 为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构定义：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间 结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空 间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。主要的化学键：氢键所谓肽链主链骨架原子即N （氨基氮）.Ca （*碳原子）和C。（缴基碳）3个原子依次重复排列。蛋白质二级结构> a螺旋(a -helix)> 0折叠(P-pleated sheet)> 0-转角(P-turn)无规卷曲(random coil)(一)参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子C"、C、O、N. H、Ca2ji于同一平 面