大学课件 生物化学 Biochemistry 第1章 蛋白质结构与功能

1、大学课件大学课件生物化学生物化学BiochemistryBiochemistry第第1 1章章蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能主要内容蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质蛋白质的分类 第一节 体液平衡及渗透压的调节1. 1. 掌握蛋白质的元素组成及其特点，会计算样品中的蛋白质含量。掌握蛋白质的元素组成及其特点，会计算样品中的蛋白质含量。2. 2. 熟悉组成人体蛋白质的氨基酸种类、结构特点和氨基酸的分类。熟悉组成人体蛋白质的氨基酸种类、结构特点和氨基酸的分类。3. 3. 理解蛋白质分子结构与蛋白质的功能活性关系，以及分子病、构象病的概念。理解蛋白质分子结构与

2、蛋白质的功能活性关系，以及分子病、构象病的概念。4. 4. 掌握蛋白质的理化性质、引起蛋白质变性的因素、变性作用在医学上的应用。掌握蛋白质的理化性质、引起蛋白质变性的因素、变性作用在医学上的应用。蛋白质是生命的物质基础蛋白质是生命的物质基础 1.1.催化功能催化功能2.2.调节功能调节功能3.3.支持和保护功能支持和保护功能4.4.运输和储存功能运输和储存功能5.5.营养功能营养功能 6.6.收缩和运动功能收缩和运动功能7.7.免疫功能免疫功能8.8.识别功能识别功能9.9.遗传信息传递功能遗传信息传递功能10.10.凝血与抗凝血功能凝血与抗凝血功能 蛋白质的生物学功能蛋白质的生物学功能蛋白质

3、的种类繁多蛋白质的种类繁多大肠杆菌约含蛋白质3 000种，人体内含蛋白质10万余种。蛋白质是细胞中含量最丰富的生物大分子约占人体固体成分的45% ，可达细胞干重的70%。 第一节 蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成及其特点一、蛋白质的元素组成及其特点 组成蛋白质的元素主要有： C、H、O、N。有些蛋白质还含有少量的S 、P、Se、Fe、Cu、Zn、Mn、Co 、Mo，个别蛋白质还含有 I。蛋白质的元素组成特点：一切蛋白质都含有氮，而且含氮量相当恒定,平均为 16% 。 1g 氮相当于 6.25g 蛋白质。 生物体内的含氮物质主要是蛋白质，因此只要测定生生物体内的含氮物质主要是蛋白质，因此只要

4、测定生物样品的含氮量，就可按下式计算出其蛋白质大致含量：物样品的含氮量，就可按下式计算出其蛋白质大致含量：100g样品中蛋白质的含量（g%） 每克样品中含氮克数6.25100二、蛋白质的基本组成单位氨基酸 蛋白质受酸、碱或蛋白酶水解产生游离氨基酸。因此，组成蛋蛋白质受酸、碱或蛋白酶水解产生游离氨基酸。因此，组成蛋白质的基本单位是白质的基本单位是氨基酸氨基酸(amino acid) (amino acid) 。 自然界存在的氨基酸有300多种，但组成人体蛋白质氨基酸仅有20种，且都有特异的遗传密码，为编码氨基酸。 （一）氨基酸的结构（一）氨基酸的结构R R代表氨基酸侧链代表氨基酸侧链氨基酸的结构

5、通式：H2NCHRCOOHCOO-C CHRH3N N+ +或氨基酸的结构特点：除脯氨酸为亚氨基酸外，其余19种均符合上述通式，均为-氨基酸 ； 除甘氨酸的R为H外，其它氨基酸的-碳原子都是不对称碳原子，因而有两种不同的构型，即L型和D型。组成人体蛋白质的氨基酸都是L型。 组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，其中除甘氨酸和脯氨酸外，均属于L型-氨基酸。 不同氨基酸的R侧链各异，它们的分子量、解离程度和化学反应性质也不相同。 L L- - -氨氨基基酸酸D D- - -氨氨基基酸酸C CN NH H2 2R RC CO OO OH HH HC CH HR RC CO OO OH HN NH H2

6、2 （二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类根据R侧链基团的结构和性质的不同，可将20种氨基酸分为4类： 1.非极性疏水性氨基酸：7种 2.极性中性氨基酸：8种 3.酸性氨基酸：2种 4.碱性氨基酸：3种 1.非极性疏水氨基酸 侧链特征是含有非极性R侧链，它们显示出不同程度的疏水性。 2.极性中性氨基酸 侧链特征是含有极性R侧链（如侧链上含有羟基或巯基、酰胺基等极性基团），故有亲水性，但在中性水溶液中不电离。 3.酸性氨基酸 特征是它们的侧链含有羧基，易解离出H+而具有酸性。此类氨基酸有两种：谷氨酸、天冬氨酸 4.碱性氨基酸 特征是它们的侧链含有易接受H+的基团而具有碱性。此类氨基酸有三种：赖氨酸

7、、精氨酸和组氨酸（二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类根据人体内能否合成，将氨基酸分为3类：1.必需氨基酸：赖、色、苯丙、蛋、缬、苏、亮、异亮等8种。2.半必需氨基酸：精、组等2种。3.非必需氨基酸：其余10种。氨基酸在多肽链中的连接方式氨基酸在多肽链中的连接方式肽键和肽肽键和肽 肽键由一个氨基酸的羧基（-COOH）与另一个氨基酸的氨基（-NH2）缩合脱去一分子水所形成的酰胺键（-CO-NH-）。 肽键上的四个原子（C H O N）处于同一平面上，该平面称为肽键平面或酰胺平面。 N NC CC C O OH HR R2 2O OH HH HH H+ +肽键肽键-H-H2 2O ON NH H2

8、2C CC CN NC CCOOHCOOHR R1 1R R2 2O OH HH HH HN NC CC C O OH HR R1 1O OH HH HH H肽键平面肽键平面 氨基酸通过肽键连接所形成的化合物称为肽。 由两个氨基酸形成的肽称为二肽，由三个氨基酸形成的肽称为三肽，以此类推。通常将10个以内的氨基酸形成的肽称为寡肽，十肽以上者形成的肽称为多肽。 多肽分子中的氨基酸相互连接形成长链，称为多肽链。 肽链中的氨基酸因脱水缩合已不是完整的氨基酸，故称为氨基酸残基。 氨基酸由肽键连接成的长链骨架，称为主链，而各氨基酸残基的R基团统称为侧链。 多肽链有两端： 有自由氨基的一端称为氨基末端或 N

9、 端，通常写在多肽链的左侧。 有自由羧基的一端称为羧基末端或 C 端，通常写在多肽链的右侧。 N NH H2 2C C CONHCONH C C CONHCONH C C CONHCONH C C COOHCOOHR R1 1R R4 4R R2 2R R3 3H HH HH HH H主主链链侧链侧链N端N端C端C端 多肽链中氨基酸残基的顺序编号从N端开始。 肽的命名也从N端开始，如由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽称为谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称为谷胱甘肽(glutathione,GSH)。 H HSHSHC CH H2 2CHCHC C NHNHC CH H2 2COO-COO-O ON

10、NH HC C O OC CH H2 2N NH H2 2C CH H2 2C C COOHCOOH谷谷胱胱甘甘肽肽 第二节 蛋白质的分子结构 蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接所形成的具有特定分子结构的高分子化合物。 蛋白质的分子结构可分为一级、二级、三级和四级。一级结构是蛋白质的基本结构，二级、三级、四级结构称为高级或空间构象。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构概念 指氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序 。主要的化学键肽键、有些蛋白质还含有二硫键。 胰岛素（Insulin）世界上第一个被确定一级结构的蛋白质。牛胰岛素的一级结构 一级结构是决定蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不

11、是决定蛋白质空间构象唯一因素。 二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构包括二级、三级、四级结构。（一）蛋白质的二级结构 概念 是指多肽链本身沿长轴方向折叠或盘曲所形成的有规律的、重复出现的空间结构。 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式-螺旋 -折叠 -转角 无规卷曲“-螺旋和-折叠”是蛋白质二级结构中最常见的构象形式1. -螺旋-螺旋的结构特点 多肽链以肽键平面为单位，-碳原子为转折点，有规律的盘绕成右手螺旋结构。 每3.6个氨基酸残基盘绕一圈，螺距为0.54nm。 相邻螺旋的肽键之间形成氢键，方向与长轴基本平行，维持螺旋的

12、稳定。 R基团伸向螺旋外侧，其大小、形状及电荷性质均影响-螺旋的形成。2 2.-.-折叠折叠 -折叠的结构特点 多肽链呈伸展状态，肽键平面沿长轴折叠呈锯齿状，两平面间夹角为110，R基交替地伸向锯齿状结构的上下方。 若干肽段互相靠拢，平行排列，通过氢键连接。氢键的方向与长轴垂直。 若两条肽段走向一致（N端、C端方向相同），称为顺向平行；反之，称之为逆向平行，逆向更稳定。-折叠包括平行式和反平行式两种类型折叠包括平行式和反平行式两种类型 3 3.-.-转角转角 -转角的特点主链骨架本身以大约180回折 回折部分通常由4个氨基酸残基构成 构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的- NH基之间形成氢键

13、来维系。 4 4. .无规卷曲无规卷曲 是指多肽链中除了以上几种比较规则的构象外，其余没有确定规律性的那部分肽链构象。 （二）蛋白质的三级结构（二）蛋白质的三级结构概念 指具有二级结构的多肽链进一步折叠盘曲所形成的空间结构。 一般为球状或椭圆状，并具有一定的生物学活性。 主要化学键疏水键、氢键、盐键等非共价键和二硫键。疏水键是维持三级结构稳定的最主要作用力。蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 （三）蛋白质的四级结构（三）蛋白质的四级结构 概念 是指各亚基之间的空间排布及亚基间的连接和相互作用所形成的更高级空间结构 具有独立三级结构的多肽链称为亚基。 化学键 氢键、盐键、范氏引力、

14、疏水键等非共价键。 蛋白质结构中应注意的几个问题蛋白质结构中应注意的几个问题 由一条多肽链形成的蛋白质其最高级结构为三级，具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性。 形成蛋白质的四级结构至少要有两条多肽链。 两条或两条以上的多肽链靠共价键连接的蛋白质没有四级结构。 由一条多肽链形成的蛋白质与亚基不同。蛋白质分子中的次级键 氢键氢键 常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原 子与另一电负性很强的原子之间。子与另一电负性很强的原子之间。 蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成氢键氢键疏水键 非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为

15、疏水键或疏水作用力。 蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。 离子键（盐键）是由正、负离子间通过静电引力相互吸引而形成的化学键。 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。范德华氏（van der Waals)引力原子之间存在的相互作用力原子之间存在的相互作用力 第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系相似结构表现相似的功能。不同结构具有不同的功能。 蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质构象是其

16、生物学功能的基础，构象改变功能改变。三、蛋白质结构改变与疾病三、蛋白质结构改变与疾病（一）一级结构改变与疾病（分子病）镰刀状红细胞性贫血，是一种蛋白质一级结构发生改变导致的血红蛋白异常病。 （二）空间结构改变与疾病（构象病）蛋白质一级结构不变而仅其构象发生改变也可导致疾病发生，有人称此类疾病为构象病。例如肌萎缩性脊髓侧索硬化症。 第四节 蛋白质的理化性质一、蛋白质的两性电离与等电点一、蛋白质的两性电离与等电点 1 1. . 蛋白质是两性电解质蛋白质是两性电解质 蛋白质分子中可解离的基团 多肽两端游离的-氨基和-羧基 多肽侧链R上解离的基团 决定蛋白质解离成正负离子的因素 蛋白质所含酸性和碱性基

17、团的数目 蛋白质所在溶液的PH值2 2. .蛋白质的等电点（蛋白质的等电点（pIpI） 当蛋白质溶液处于某一pH值时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子或两性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点（pI）。 PrPrNHNH2 2COOCOO- -PrPrNHNH3 3+ +COOHCOOHPrPrNHNH3 3+ +COOCOO- -OHOH- -H H+ +(pHpI)(pHpI)(pHpI)(pHpI)(pHpI)(pHpI)OHOH- -H H+ +蛋白质的阳离子蛋白质的阳离子蛋白质的兼性离子蛋白质的兼性离子蛋白质的阴离子蛋白质的阴离子 体内大多数蛋白质的

18、等电点在体内大多数蛋白质的等电点在pH5.0pH5.0左右，因而在生理左右，因而在生理条件下（条件下（pH7.35-7.45pH7.35-7.45 ）以阴离子形式存在）以阴离子形式存在 。 3 3. .电泳电泳带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象。 蛋白质在带电场中泳动的速度和方向与其所带电荷的性质、数量及分子的大小、形状有关。带电荷多，分子小的泳动速度较快；反之则泳动较慢，从而达到分离蛋白质的目的。 血清蛋白醋酸纤维素薄膜电泳可将血清蛋白分为清蛋白、1球蛋白、2球蛋白、球蛋白、球蛋白。 A A：染色后显示的蛋白质区带：染色后显示的蛋白质区带 B B：光密度扫描定量分析：光密度扫描定量分

19、析二、胶体性质二、胶体性质 1 1. .蛋白质有胶体性质蛋白质有胶体性质 蛋白质是生物大分子，分子量在蛋白质是生物大分子，分子量在1 1万万1010万之间，分子直径在胶万之间，分子直径在胶体颗粒的范围（体颗粒的范围（11001100nmnm），因此，蛋白质具有胶体的性质。），因此，蛋白质具有胶体的性质。 2 2. .蛋白质亲水胶体稳定的因素蛋白质亲水胶体稳定的因素 蛋白质分子表面的水化膜和同种电荷。破坏两个稳定因素，则蛋白质从溶液中析出而产生沉淀。 3 3. .蛋白质胶体性质的应用蛋白质胶体性质的应用 透析用于分离纯化蛋白质超速离心用于蛋白质的分离纯化及分子量的测定。沉降系数（沉降系数（sed

20、imentation coefficient,S)sedimentation coefficient,S) 指单位力场中的沉降速度（指单位力场中的沉降速度（1S1S1010-13-13秒）。秒）。 沉降系数与物质的分子量的大小、形状、密 度及溶剂的密度高低有关。分子量越大，颗粒越 紧密，沉降系数越大。三、蛋白质的变性作用变性作用的概念变性作用的概念 在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性丧失，称为蛋白质的变性。变性的实质变性的实质 次级键断裂，空间结构破坏 引起变性的因素引起变性的因素 物理因素物理因素 高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等

21、。高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等。 化学因素化学因素 强酸、强碱、有机溶剂、尿素、重金属盐等。强酸、强碱、有机溶剂、尿素、重金属盐等。变性蛋白质的特点变性蛋白质的特点 A. A.生物学活性丧失生物学活性丧失 B. B.溶解度降低，易于沉淀溶解度降低，易于沉淀 C.C.粘度增加粘度增加 D.D.结晶能力消失结晶能力消失 E.E.易被蛋白酶水解易被蛋白酶水解蛋白质变性的应用用用75%75%乙醇、高温、高压和紫外线等消毒杀菌；乙醇、高温、高压和紫外线等消毒杀菌；临床化验室常用钨酸、三氯乙酸沉淀蛋白质制备无蛋白血滤液，临床化验室常用钨酸、三氯乙酸沉淀蛋白质制备无蛋白血滤液，采用热凝法检查尿蛋白；采用热凝法检查尿蛋白；低温保存激素、酶、疫苗和免疫血清等蛋白质生物制剂。低温保存激素、酶、疫苗和免疫血清等蛋白质生物制剂。牛核糖核酸酶的变性与复性牛核糖核酸酶的变性与复性蛋白质沉淀 概念 蛋白质从溶液中析出的现象称为沉淀。 方法 盐析法、有机溶剂的沉淀、重金属盐沉淀、生物碱试剂沉淀。 变性的蛋白质易于沉淀，但不一定都发生沉淀。沉淀的蛋白质易发生变性，但并不都变性，如盐析。 蛋白质的凝固蛋白质的凝固加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。此凝块不溶于强酸或强碱中。凝固实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。因此