蛋白质的结构与功能

1、蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein解 军山西医科大学山西医科大学 基础医学院基础医学院生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室 早在1878年，思格斯就在反杜林论中指出：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。” 可以看出，第一，蛋白体是生命的物质基础；第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式；第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格斯的论断蛋白质在生命中的重要性蛋白质在生命中的重要性 1.蛋

2、白质是生物体内必不可少的重要成分蛋白质是生物体内必不可少的重要成分 蛋白质占干重 人体中（中年人） 人体 45% 水55% 细菌 50%80% 蛋白质19% 真菌 14%52% 脂肪19% 酵母菌 14%50% 糖类1% 白地菌50% 无机盐7% 2.蛋白质是一种生物功能的主要体现者蛋白质是一种生物功能的主要体现者 （1）酶的催化作用 （2）调节作用(多肽类激素) （3）运输功能 （4）运动功能 （5）免疫保护作用(干扰素) （6）接受、传递信息的受体 （7）毒蛋白蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第第 一一 节节 各种蛋白质的含氮量很接近，平

3、均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。 100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量 ( g % )= 每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16% 蛋白质元素组成的特点氨基酸 组成蛋白质的基本单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有人体蛋白质的氨基酸仅有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）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H氨基酸通式的特点氨基酸通式的特点氨基酸分类氨基酸分类 人体所需的八种必需氨基酸人体所需的八种必需氨基酸

4、赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 蛋氨酸(Met) 色氨酸(Try) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile) 酪氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe) 婴儿时期所需: 精氨酸(Arg)、组氨酸(His) 早产儿所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下 NHHOCOOH4-羟基脯氨酸H2NCH2CHCH2CH2CHCOOHOHNH25-羟基赖氨酸NH2CH3NHCH2CHC

5、H2CH2CHCOOH6-N-甲基赖氨酸HOIICH2CHCOOHNH23,5-二碘酪氨酸 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-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3（二）氨基酸的性质（二）氨基酸的性

6、质溶解性质溶解性质两性解离及等电点两性解离及等电点紫外吸收紫外吸收茚三酮反应茚三酮反应成肽反应成肽反应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 CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+ l酪氨酸的酪氨酸的 max275nm， 275=1.4x103;l苯丙氨酸的苯丙氨酸的 max257nm， 257=2.0 x102;l色氨酸的色氨酸的 max280nm， 280=5.6x103;茚三酮反应

7、茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色蓝紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm处。处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHON末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二） 几种生物活性肽

8、1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)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+ 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2. 多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽蛋白质的结构The Molecular Structure of Protein 第第 二二 节节蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括 一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary stru

9、cture)四级结构四级结构(quaternary structure)高级高级结构结构一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的化学键主要的化学键肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。功能的基础。目目 录录 2.肽键肽键 肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。组成肽键的原子处于同一平面。肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。在大多数情况下，以反式结构存在。（一）肽单元（一）肽单元 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 - -螺旋螺旋 ( -h

10、elix ) - -折叠折叠 ( -pleated sheet ) - -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) 左手和右手螺旋左手和右手螺旋 钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结合钙离子的模体合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 （五）模体（五）模体某类与蛋白质功能相关的保守的氨基某类与蛋白质功能相关的保守的氨基酸序列。也可以说是有功能的一段氨基酸酸序列。也可以说是有功能的一段氨基酸序列。序列。结构域与功能域的关系：结构域与功能域的关系： 有时一个结构域就是蛋白质的功能域，但不总是 包含一个但通常是多个结构域纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 （二）结构域（

11、二）结构域三蛋白质分子中的共价键与次级键三蛋白质分子中的共价键与次级键一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构亚基四级结构维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的三级结构：疏水相互作用力、氢键、范德华力、盐键维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键 a盐键（离子键 ） b氢键 c疏水相互作用力 d 范德华力 e二硫键 f 酯键氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要盐键数量小二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定离子键离子键氢键氢键范德华力范德华力疏

12、水相互作用力疏水相互作用力目目 录录 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端（三）（三）分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。1. 1.热休克蛋白热休克蛋白70702. 2.伴侣蛋白伴侣蛋白3. 3.核质蛋白核质蛋白 血红蛋白血红蛋白的四级结构的四级结构 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 节节（一）一级结构是空间构象的基础（一）一

13、级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 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 一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(

14、146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构 二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系 Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与O2结结合后称为合后称为氧合氧合Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分数（称的百分数（称百百分饱和度分饱和度）随）随O2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线血红素血红素O2血红素与氧结血红素与

15、氧结合后，铁原子半径合后，铁原子半径变小，就能进入卟变小，就能进入卟啉环的小孔中，继啉环的小孔中，继而引起肽链位置的而引起肽链位置的变动。变动。变构效应(allosteric effect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变化，称为变构效应变构效应。第四节第四节蛋白质的理化性质与分离纯化蛋白质的理化性质与分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质l两性电解质l胶体性质l蛋白质的变性l蛋白质的光谱性质

16、l蛋白质的显色反应 茚三酮反应 双缩脲反应+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固 * 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无空间构象

17、被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。物活性的丧失。 应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。灭菌。此外此外, , 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。制剂（如疫苗等）的必要条件。 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为象和功能，称为复性复性(renaturation) 。 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，无活性三、多肽链中氨基酸序列分析三、多肽链中氨基酸序列分析分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基把肽链水解成片段，分别进行分析把肽链水解成片