蛋白质的结构与功能0

1、n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。蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第第1 1节节n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、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋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克样品

2、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%n蛋白质元素组成的特点一、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 L-氨基酸（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(一) 氨基酸的一般结构（二）、氨基酸的分类：可根据侧链结构和理化性质进行1. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala

3、 A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.301. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸目 录色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met

4、M 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸目 录天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸目 录n几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸

5、（亚氨基酸）（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3（三）氨基酸的理化性质1、两性解离及等电点、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。处溶液的酸碱度。

6、 等电点等电点(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和的溶液中，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。此时溶液的中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。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+2 2、

7、紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多数蛋白质含大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收3 3、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，可生成蓝蓝紫色紫色化合物，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

8、酸定量分析方法。比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。二、肽肽键肽键( (peptide bond) )是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 - -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的 - -氨基脱水缩合而形成氨基脱水缩合而形成的化学键。的化学键。（一）肽 (peptide)与肽键(peptide bond)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-COOHHHHO肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化肽是由氨基酸通过肽

9、键缩合而形成的化合物。合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基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酸缩合则形成三肽肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基不全，被称为氨基酸残基(residue)。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡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，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽称多肽(polypeptide)。N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端n多

10、肽链有两端：多肽链多肽链(polypeptide chain)是指许多是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二）天然存在的活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 第第2节节n蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括: 高级高级结构结构一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary struc

11、ture)四级结构四级结构(quaternary structure)n定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至端至C-端的端的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。一、蛋白质的一级结构n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功能的基础的基础，但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素。二、二、蛋白质二级结构蛋白质二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空间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结构，

12、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间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。n定义: : n主要的化学键：氢键氢键 参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一位于同一平面，平面，C 1和和C 2在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此构型，此同一平面上的同一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一位于同一平面，平面，

13、C 1和和C 2在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此构型，此同一平面上的同一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折叠折叠 ( -pleated sheet) - -转角转角 ( -turn) 无规卷曲无规卷曲 (random coil) n蛋白质二级结构（一） - -螺旋结构特点： 1、右手螺旋，走向为顺时针 2、每3.6个氨基酸螺旋上升1圈，螺距为 0.54nm 3、侧链伸向螺旋外侧 4、维系稳定的化学键：氢键（二） - -折叠结构特点：1、多肽链伸展，每个肽

14、单元以C为旋转点，一次折叠成锯齿状2、侧链交替位于上下方3、较短，仅含58个氨基酸残基，但可平行排列4、维系稳定的化学键：氢键（三）（三） - -转角转角 - -转角转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。分肽链结构。（四）无规卷曲（四）无规卷曲（五）模体是具有特殊功能的超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个个有规则的二级结构组合，被称为有规则的二级结构组合，被称为超二级结构超二级结构。二级结构组合形式有二级结

15、构组合形式有3 3种：种：， 。二个或三个具有二级结构的肽段，在空间二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体模体(motif) 。模体是具有特殊功能的超二级结构。模体是具有特殊功能的超二级结构。三、蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。n主要的化学键:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。n定义:（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的

16、相对空间位置纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域密的区域，并各行其功能，称为结构域 ( (domain) ) 。亚基之间的结合主要是疏水作用亚基之间的结合主要是疏水作用, ,其次是氢其次是氢键和离子键。键和离子键。四、四、含有二条以上多肽链的蛋白质含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构具有四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级

17、蛋白质的四级结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的质的亚基亚基 (subunit)。由由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为结构相同，称之为同二聚体同二聚体(homodimer)，若亚基分，若亚基分子结构不同，则称之为子结构不同，则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。 血红蛋白的血红蛋白的四级结构四级结构五、蛋白质的分类n根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋

18、白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分n根据蛋白质形状:纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质第第4节节蛋白质的理化性质及其蛋白质的理化性质及其分离纯化分离纯化(一)两性解离及等电点蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电

19、荷为零，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。n蛋白质的等电点( isoelectric point, pI)一、蛋白质的理化性质（二）蛋白质的胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。为胶粒范围之内。 颗粒表面电荷颗粒表面电荷 水化膜水化膜n蛋白质胶体稳定的因素:+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

20、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（三）蛋白质的变性与沉淀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。n蛋白质的变性(denaturation)n造成变性的因素造成变性的因素: :如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等重金属离

21、子及生物碱试剂等 。 n变性的本质变性的本质: :破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。质的一级结构。n 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)

22、。 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，无活性在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。淀，但并不变性。 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。 n蛋白质沉淀n蛋白质的

23、凝固作用(protein coagulation)（四）蛋白质的光谱吸收与呈色反应由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收波长处有特征性吸收峰。蛋白质的峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。此可作蛋白质定量测定。蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。三酮反应。 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。程度。蛋白质呈色反应1.茚三酮反应(ninhydrin reaction)2. 双缩脲反应(biuret reaction)n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