生物化学第二章-蛋白质的结构与功能课件

蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。第二章蛋白质的结构与功能(StructureandFunctionofProtein)第一节蛋白质的分子组成第二节蛋白质的结构第三节蛋白质的重要理化性质一、什么是蛋白质?蛋白质(Protein)是由许多不同的氨基酸，按照一定的顺序，通过肽键连接而成的一条或多条肽链构成结构的生物大分子。二、蛋白质的生物学功能(一)蛋白质在生物体内的分布特征1.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。2.含量高蛋白质占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。3.种类多人体中蛋白质种类达十万余种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。1.作为生物催化剂（酶）2.代谢调节作用3.免疫保护作用4.物质的转运和存储5.运动与支持作用6.参与细胞间信息传递7.氧化供能(二)蛋白质的生物学功能清蛋白∶溶于水。球蛋白∶微溶于水，而溶于稀盐溶液。谷蛋白∶不溶于水、醇及盐溶液，但溶于稀酸或碱。醇溶蛋白∶不溶于水，但溶于70-80%的乙醇。精蛋白∶溶于水及酸性溶液，呈碱性。组蛋白∶溶于水及稀酸性溶液(精氨酸和赖氨酸含量高)。硬蛋白∶不溶于水、盐、稀碱、稀酸溶液。2.结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分(色蛋白、糖蛋白、脂蛋白和核蛋白)（三）根据蛋白质的功能分类活性蛋白质∶如酶、激素、抗体等。非活性蛋白质∶是一类结构蛋白质，多起保护和支撑作用。如胶原蛋白和角蛋白。第一节蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成主要有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。(一)组成蛋白质的元素(TheMolecularComponentofProtein)

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(g%)=每克样品含氮量×6.25×1001/16%(二)蛋白质元素组成的特点（一）蛋白质的水解蛋白质可以被酸、碱和蛋白酶水解，在水解过程中逐渐降解成分子量越来越小的肽段，直到最后成为氨基酸的混合物。根据蛋白质的水解程度可分为∶完全水解部分水解

二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸1.酸水解6mol/L盐酸或4mol/L硫酸水解20小时左右，完全水解。优点∶不引起aa消旋作用。缺点∶色氨酸完全被酸破坏，羟基氨基酸和酰胺被部分水解。2.碱水解5mol/L

NaOH共煮10-20小时，即可完全水解。在水解过程中，多数氨基酸有不同程度的破坏，产生消旋作用。特别是引起精氨酸脱氨，但色氨酸不破坏。

3.酶水解

不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。但一种酶往往水解不彻底,需要几种酶的协同作用；才能使蛋白质完全水解，并且酶水解所需时间较长。常用的蛋白酶的来源有∶动物、植物、微生物。R基团的变化形成了不同的氨基酸。存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成生物体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。(一)氨基酸的结构通式H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R

各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）的不同，故具有不同的理化性质。C+NH3COO-H氨基酸（aa）的结构特点∶除脯氨酸（Pro）都是氨基位于α-碳原子上的α-氨基酸；除甘氨酸（Gly）外α-氨基酸都具有旋光性，左旋（-）或右旋（+）

；每种氨基酸都有D-型和L-型两种光学异构体（构型），从蛋白质水解得到的均为L-α-氨基酸，某些抗生素中存在D型氨基酸。

L-α-氨基酸D-α-氨基酸(二)氨基酸的分类

1）根据R基团的结构分类脂肪族氨基酸：酸性氨基酸,碱性氨基酸,中性氨基酸芳香族氨基酸：含苯环：Phe、Tyr杂环氨基酸：His（也是碱性氨基酸）、Pro、Trp

2)根据R基团的极性分类极性R基氨基酸（12种）：非极性R基氨基酸(8种)：水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。

包括4种带有脂肪烃侧链的aa（丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸）、脯氨酸、甲硫氨酸和2种芳香族aa（苯丙氨酸和色氨酸）。缬氨酸

ValV5.96非极性侧链氨基酸(8种)丙氨酸

AlaA6.00亮氨酸

LeuL5.98

异亮氨酸

Ile

I6.02

苯丙氨酸

Phe

F5.48脯氨酸

ProP6.30氨基酸名称缩写符号简写符号结构式等电点

CH3CH3-CHCH3CH3-CH-CH2CH3CH3-CH2-CHCH3CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNHCH2CH2

甲硫氨酸

MetM5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH2色氨酸

TryW5.89CHCOOHNH2-CH2NH极性中性侧链氨基酸(7种)除甘氨酸外，aa的R基都能与水形成氢键，故较非极性aa更易溶于水，包括甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸和半胱氨酸。极性带负电氨基酸(2种)侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。包括两种酸性aa：天冬氨酸和谷氨酸。极性带正电氨基酸（3种）侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+

而带正电荷。包括三种碱性aa：组氨酸，精氨酸和赖氨酸。20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:极性R基氨基酸（12种）：极性中性侧链氨基酸(7种)丝氨酸

SerS5.68酪氨酸

TryY5.66

半胱氨酸

CysC5.07天冬酰胺

AsnN5.41

谷氨酰胺

GlnQ5.65

苏氨酸

ThrT5.60HO-CH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2HO-HS-CH2CHCOOHNH2H2N-C-CH2CHCOOHNH2OCHCOOHNH2H2N-C-CH2-CH2OCHCOOHNH2HO-CHCH3甘氨酸

GlyG5.97CHCOOHNH2H氨基酸名称缩写符号简写符号结构式等电点

极性带负电氨基酸(2种)天冬氨酸

AspD2.97精氨酸

ArgR

10.76组氨酸

HisH7.59

HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸

GluE3.22CHCOOHNH2

HOOC-CH2-CH2极性带正电氨基酸（3种）赖氨酸

LysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH氨基酸名称缩写符号简写符号结构式等电点

氨基酸名称缩写符号简写符号结构式等电点

营养必需氨基酸(essentialaminoacid)指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸，共有8种：其余12种氨基酸体内可以合成，称为营养非必需氨基酸。Met、Trp、Lys、Val、Ile、Leu、Phe、Thr。(甲硫)(色)(赖)(缬)(异亮)(亮)(苯丙)(苏)

假设来借一两本书。如何记忆记忆:生酮+生糖兼生酮=“一两色素本来老”1.含硫氨基酸半胱氨酸

+-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS--COOHCH-CH2NH2半胱氨酸

-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S--COOHCH-CH2NH2二硫键胱氨酸(三)几种特殊氨基酸2.芳香族氨基酸3.支链氨基酸CH3CH2CHCH3CHCOOHNH2亮氨酸CH2CHCOOHNH2苯丙氨酸CH2CHCOOHNHCH2CH24.亚氨基酸脯氨酸(四)氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，具有酸碱双重性，其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。等电点(isoelectricpoint,pI)

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（pI）。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子CHNHCOOHRCHNH2COOHRCHNHCOORCHNH2COO-RCHNHCOORCHNH3COO-R+CHNHCOOHRCHNH3COOHR+等电点意义：等电点时，氨基酸溶解度最小，容易沉淀，利用这一性质我们可以分离制备某些氨基酸。如工业上谷氨酸的生产，将微生物发酵液的pH调节到3.20(谷氨酸的等电点)，使谷氨酸沉淀析出。利用各种氨基酸的等电点不同，可以通过电泳法、离子交换法等在实验室或工业生产上进行混合氨基酸的分离。2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

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。芳香族氨基酸的紫外吸收240250260270280290300310光密度色氨酸酪氨酸波长(nm)3.茚三酮反应

氨基酸与茚三酮水合物共热，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关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。2NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+RCHOCO2+H++水合茚三酮罗曼紫(蓝紫色)脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质，其余的α-aa与茚三酮反应均产生蓝紫色物质。三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式

(一)肽键(peptidebond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键，又称酰胺键。肽键甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……(二)肽(peptide)3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。

4.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(residue)。5.多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。分别有：N末端：多肽链中有自由氨基的一端，C末端：多肽链中有自由羧基的一端。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124(三)几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸体内许多激素属寡肽或多肽。2.多肽类激素CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸组氨酸脯氨酰胺

促甲状腺素释放激素(TRH)(TheMolecularStructureofProtein)蛋白质的分子结构包括：一级结构(primarystructure)

二级结构(secondarystructure)

三级结构(tertiarystructure)

四级结构(quaternarystructure)第二节蛋白质的分子结构

空间结构1.定义

蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。一、蛋白质的一级结构2.主要的化学键

肽键，有些蛋白质还包括二硫键。(一)定义与主要化学键

肽键的键长为0.132nm，短于单键的0.147nm，长于双键的0.123nm，故具有部分双键的特性，不能旋转。肽键是维持蛋白质一级结构的主要作用力。(二)肽平面(酰胺平面)由于C-N键有部分双键的性质，不能旋转，使相关的6个原子处于同一个平面，称肽平面或酰胺平面CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽平面示意图如牛胰岛素的一级结构:由51个氨基酸残基组成，分A、B两条多肽链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基，A、B两条链通过两对二硫键相连，A链6位和11位上的两个半胱氨酸通过二硫键相连形成链内小环。二、蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构通常称作蛋白质的构象或高级结构，是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的分布和肽链的走向。蛋白质的高级结构可以从二级结构、超二级结构、结构域、三级结构和四级结构等几个结构层次进行描述。稳定蛋白质空间结构的作用力：维持蛋白质空间构象的作用力主要是次级键，即氢键和离子键（盐键）

、二硫键、配位键(金属键)、疏水相互作用（疏水键）、范德华力。氢键是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的静电作用力。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。氢键的键能较(~12kJ/mol)，因而易被破坏。离子键也称盐键是正负电荷之间的静电相互作用。

Glu，Asp一般离解成负离子，Lys，Arg，His一般离解为正离子，在多肽表面可与水分子发生电荷偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，对稳定蛋白质构象有一定作用。疏水作用是由于氨基酸疏水侧链相互聚集形成的作用力。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。范德华引力是由瞬间偶极诱导的静电相互作用形成的，它是由于临近的共价结合原子电子分布的波动引起的。虽然范德华力是很弱的，但对蛋白质结构的稳定具有不容忽视的作用。三、蛋白质的二级结构1.定义蛋白质分子中某一段肽链由氢键维持的局部空间结构，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

。

2.主要的化学键

氢键

(一)定义与主要化学键(二)蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋

-折叠

-转角

无规卷曲（自由回转）1.

-螺旋

1951年根据X线衍射图提出。以碳原子为转折点，形成右手螺旋。(1)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54nm，螺旋直径约0.6nm。(2)螺旋以氢键保持稳固，取向几乎与螺旋轴平行。(3)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。2.-折叠（平行式和反平行式）β-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象:1）由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构；2）主链骨架伸展呈锯齿状；3）借相邻主链之间的氢键维系。3.-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。4.无规卷曲

肽链出现180°回折的部分形成β-转角，也称回折、β-弯曲或发卡结构，主要存在于球蛋白中。四、蛋白质的超二级结构定义：指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成由规律的，在空间上能辨认的二级结构组合体。常见的结构有αα，βαβ，βαβαβ，ββ等。五、蛋白质的结构域定义：指多肽链在超二级结构基础上进一步盘绕折叠成的近似球状的紧密结构，它介于超二级结构与三级结构之间，有时也被看作为三级结构。大体可分为4类：反平行α螺旋结构域（全α结构域）、反平行β折叠结构域（全β结构域）、混合型折叠结构域（α，β结构域

）。六、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和范德华力等。2.主要的化学键球状蛋白的多肽链在二级结构、超二级结构和结构域等结构层次的基础上，组装而成的完整结构单元。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即多肽链上包括主链和侧链在内的所有原子在三维空间内的分布。1.

定义

(一)定义与主要化学键H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-abc氢键离子键疏水键维持蛋白质分子构象的各种化学键肌红蛋白(Mb)

N端C端(二)分子伴侣

1.分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。3.已发现分子伴侣具有形成二硫键的酶活性，在蛋白质分子折叠过程中对二硫键正确形成起到重要的作用。

2.分子伴侣能可逆地与未折叠肽段结合，防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠；也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。2.主要化学键亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。七、蛋白质的四级结构1.定义许多蛋白质由两个或两个以上相互关联的具有三级结构的亚单位组成，其中每一个亚单位称为亚基(subunit)。亚基间通过非共价键聚合而形成特定的构象。蛋白质的四级结构指分子中亚基的种类、数量以及相互关系。(一)定义与主要化学键

血红蛋白是由含有血红素的2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体。血红蛋白的四级结构(一)一级结构与功能的关系

八、蛋白质结构与功能的关系

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840261109584725840651.核糖核酸酶一级结构与功能的关系

二硫键破坏后，生物学活性丧失。(1)将A链N端的第1个氨基酸残基切去，其活性只剩2％～10％，再将第2～4位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。(2)

将A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，胰岛素的功能完全消失。(3)

将B链第28～30位氨基酸残基切去，其活性仍能维持100%。2.胰岛素一级结构与功能的关系3.血红蛋白一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

某种蛋白质分子的氨基酸排列顺序异常所导致的疾病，称为“分子病”。(二)蛋白质空间结构与功能的关系1．血红蛋白空间结构与功能的关系Hb未结合O2时，4个亚基结构紧密,称紧张态(T态)。随着O2

的结合,空间结构发生变化，使结构相对松弛，称松弛态(R态)。T态对氧亲和力低,R态对氧亲合力高，是Hb结合O2

的形式。肺毛细血管O2

分压高,促使T态转变成R态,组织毛细血管,O2

分压低,促使R态转变成T态。

例：疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常PrP富含α-螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋白质作用下转变成为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病蛋白质构象疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。2．朊病毒蛋白空间结构与功能的关系第三节蛋白质的理化性质(ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein)一、蛋白质的两性解离和等电点

(一)两性解离

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pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团，故称两性解离。(二)蛋白质的等电点在酸性环境中各碱性基团与质子结合，使蛋白质带正电荷。在碱性环境中酸性基团解离出质子，与环境中的OH-结合成水，使蛋白质带负电荷。调节溶液的pH，使蛋白质所带的正负电荷恰好相等，总净电荷为零，在电场中既不向阳极移动，也不向阴极移动，这时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。意义：蛋白质在等电点时，溶解度最小，在蛋白质分离提纯时，常利用这一性质，在不同pH条件下，将具有不同pI的蛋白质沉淀出来。同时在等电点时蛋白质的黏度、渗透压、膨胀性及导电能力均为最小。二、蛋白质的胶体性质

(二)蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜(一)蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子颗粒的直径可达1～100nm，属于胶体粒子范围之内。另外，蛋白质分子表面有许多极性基团，亲水性极强，易溶与水形成稳定的亲水胶体溶液。+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱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、沉淀和凝固

天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规律性结构发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学性质都有所改变，但蛋白质的一级结构不被破坏，这种现象称变性。1.变性的本质

即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质肽链的一级结构。(一)

蛋白质的变性(denaturation)2.导致变性的因素1）物理因素∶加热（70-100℃）、UV、超声波、X-射线、表面张力、搅拌或剧烈振荡等。2）化学因素∶酸、碱、有机溶剂、重金属盐、尿素、胍、表面活性剂、生物碱和去污剂等3.应用举例①临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。②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。

4.变性蛋白质的性质