动物生物化学-3、蛋白质

什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)残基通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。含量高分布广功能多蛋白质的生物学重要性催化调节运输贮存运动支撑防御蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分*根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质一组成蛋白质的元素

主要有C(50~55%)、H(6~7%)、O(19~24%)、N(13~19%)和S(0~4%)。

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。第一节蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16

%

。体内的含氮物质以蛋白质为主，通过测定生物样品中的含氮量，可以推算出蛋白质的大致含量：蛋白质含量=含氮量×100/16=含氮量×6.25

蛋白质元素组成的特点参与组成动物体蛋白质不参与组成动物体蛋白质存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成动物体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。二氨基酸

——组成蛋白质的基本单位α-氨基酸的通式H甘氨酸丙氨酸CH3非极性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸的分类非极性R基氨基酸8种(Ala,A)(Pro,P)(Val,V)(Phe,F)(Leu,L)(Ile,I)(Met,M)(Trp,W)不带电荷的极性R基氨基酸（Polar,unchargedRGroup）

7种(Ser,S)(Thr,T)(Cys,C)(Tyr,Y)(Gly,G)(Asn,N)(Gln,Q)

带正电荷的R基氨基酸（PositivelyChargedRGroup）

3种碱性氨基酸,在pH7时携带正电荷（Lys,K)(Arg,R)(His,H)带负电荷的R基氨基酸（NegativelyChargedRGroup）

2种酸性氨基酸,含有2个羧基,在pH7时分子带负电荷(Asp,D)(Glu,E)重要AA的特征：含芳香环的氨基酸:含羟基氨基酸：含硫的氨基酸:含酰胺基氨基酸：酸性氨基酸：碱性氨基酸：亚氨基酸：没有旋光性的氨基酸：Phe(F),Trp(W)，Tyr(Y)Ser(S),Thr(T),Tyr(Y)Cys(C)(巯基),Met(M)Asn(N),Gln(Q)Asp(D),Glu(E)Lys(K),Arg(R),His(H)Pro(P)Gly(G)

半胱氨酸

+胱氨酸二硫键-HH（二）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，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。Asanacid（protondonor）：Asabase（protonacceptor）：pH=pIpH>pIpH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子+OH-+OH-+H++H+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(isoelectricpoint,pI)

。2.紫外吸收测定蛋白质溶液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。色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。257nm275nm280nm3.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。此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，可作为氨基酸定量分析方法。Ruhemanh氏蓝紫色复合物+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键三氨基酸的连接方式*肽（peptide）是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。

二肽，三肽……，多肽(polypeptide)-20个以上氨基酸残基相连。*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。*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)。*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。N末端C末端牛核糖核酸酶几种生物活性肽

谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH

2H2O

GSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+

体内许多激素属寡肽或多肽催产素、加压素、促肾上腺皮质激素

神经肽(neuropeptide)

脑啡肽、内啡肽多肽类激素及神经肽加压素功用作用：尿崩症、食管静脉曲张出血的治疗，也用于中枢性尿崩症、肾性尿崩症和精神性烦渴的鉴别诊断。蛋白质的分子组成小结含氮量平均为16%。20种，L-α-氨基酸（除Gly）非极性8，极性7，酸性2，碱性氨基酸3两性解离，等电点，兼性离子280nm紫外吸收茚三酮反应肽，肽键，N端C端蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节一级结构二级结构三级结构四级结构空间结构是不是所有的蛋白质都有一、二、三、四级结构呢？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(primarystructure)主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。Ser-Val-Tyr-Cys;SVYC蛋白质的一级结构研究

蛋白质的氨基酸组成测定：酸水解；碱水解。断裂二硫键：过甲酸氧化法；巯基化合物还原法。末端氨基酸残基测定：N末端：PITC法、DNFB或FDNB法；C末端：肼解法、还原法、羧肽酶法。氨基酸的排列顺序测定：酶裂解或化学裂解肽段后，Edman降解法进行氨基酸序列测定。二硫键位置的测定：对角线电泳。胰蛋白酶(Trypsin):切割Arg或Lys的羧基形成的肽键。溴化氢(cyanogenbromide):切割Met羧基形成的肽键。二硝基氟苯(FDNB):与肽链N末端氨基酸残基反应。二、蛋白质的二级结构(secondarystructure)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

ααα多肽链主链构象是否有空间限制？YES！肽平面二面角肽平面肽键的4个原子C、O、N、H及与之相邻的C1、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了肽平面(peptideplane)。C-N:0.146nmC=N:0.127nm

C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型。Peptideplane

-碳原子上的一对二面角(dihedralangle):

N-Cα之间称φ角，Cα-C之间称ψ角。这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。

是不是φ和ψ角的任意组合都是允许的？多肽链主链骨架的构象是由一系列

-碳原子的的二面角决定的CαCαHHNNCCHCαRφ=180°,ψ=180°完全伸展的主链构象φ=0°,ψ=0°时的主链构象非共价键合原子(non-convelently-bondedatom)之间的接触距离ARamachanrandiagram（拉氏构象图）showingvaluesforPhiandPsiHelix:red-strand:blueOthers:green多肽链主链构象的空间限制①肽平面是刚性平面。②

-碳原子的一对二面角φ

、ψ角的取值范围是有限制的。

蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

-螺旋3.6，0.54，0.15平行右手氢键

①多肽链主链绕中心轴形成右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈。③在同一肽链内相邻的螺圈之间形成氢键。氢键的方向与

-螺旋轴的方向几乎平行。②每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm。0.54nm一些侧链基团虽然不参与螺旋，但它们可影响

-螺旋的稳定性在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，

-螺旋就不稳定。在多肽链中只要出现Pro，

-螺旋就被中断。肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也难以形成

-螺旋。H2CH2CCH2

CH-COOHNH

-角蛋白胶原蛋白两个右手螺旋肽链拧成左手超螺旋三个左手螺旋肽链拧成右手超螺旋-折叠两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的C=O和NH之间形成氢键。平行式反平行式NNNNCCCC（1）氢键与肽链的长轴接近垂直。（2）多肽主链呈锯齿状折叠构象。（3）侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。（4）包括平行式和反平行式两种构象。

-折叠特征β-sheetinaProtein丝心蛋白-转角球状蛋白质分子中出现的180°回折，由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。

①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成;②主链骨架以180°返回折叠;③第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H形成氢键;④多数由亲水氨基酸残基组成。特征

无规卷曲没有规律性的主链骨架构象。但，仍具有特定构象。三、蛋白质的三级结构

(tertiarystructure)疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。Mb的三级结构

Mb由一条153个氨基酸残基组成的多肽链和一个血红素构成，血红素位于分子内部一个袋型空穴中。

Mb有8段

－螺旋结构，分别称为A、B、C、D、E、F、G及H肽段。

整条多肽链折叠成紧密球状分子，非极性氨基酸残基大都在分子内部，极性氨基酸残基则在分子表面。蛋白质的超二级结构(supersecondarystructures,motif)是指二级结构的基本结构单位（-螺旋，β-折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结构的聚集体。基本形式有、、。红素氧还蛋白前清蛋白（人）磷酸丙糖异构酶（鸡肌肉）

在较大的球形蛋白质分子里，多肽链常常折叠形成两个或多个近似球状的三维实体,它们之间由舒展的肽链连接。结构域（domain)IgG

对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。

结构域是球状蛋白质的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。有的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。

亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键、离子键和VanderWaals力。四、蛋白质的四级结构(quaternarystructure)蛋白质分子中各亚基的种类、数目、空间排布以及相互作用，称为蛋白质的四级结构。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，称为蛋白质的亚基

(subunit)。血红蛋白（Hb）的四级结构4个亚基组成（

2β2)，-亚基含141个氨基酸，β–亚基含146个氨基酸。每个亚基含有1分子血红素，可结合1分子氧。β2β1

2

1蛋白质的结构层次一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构高级结构空间结构氨基酸排列顺序主链骨架局部空间结构二级结构聚集体多肽链中紧密的球状构象所有原子的空间排布多个亚基的聚合体并不是所有的蛋白都有以上结构层及。较小的蛋白质的肽链可以在形成一些三级结构后，直接产生具有特定结构和功能的三级结构，它们没有超二级结构和结构域等过渡层次，而且也不聚集装配，呈现任何四级结构。另一些蛋白质可以有一些过渡层及，但不一定全有，例如有的蛋白质只有一个结构域，这一结构域也就等同于一个蛋白质的三级结构。蛋白质的分子结构小结蛋白质的分子结构包括4个层次：一级结构、二级结构、三级结构、四级结构。其中二、三、四级称为高级结构。一级结构指多肽链中氨基酸残基的排列顺序。二级结构指多肽链主链局部空间构象。三级结构是多肽链中所有原子的空间排布。四级结构指两个或两个以上亚基组成的聚合体。。超二级结构指相邻的二级结构的聚集体。结构域是多肽链中紧密的球状构象。蛋白质都有一、二、三级结构。有些蛋白质有超二级结构和结构域两个过渡层次结构。两个或两个以上亚基构成的蛋白质有四级结构。肽键具有部分双键性质，参与肽键形成的4个原子和相邻的2个C形成一个刚性的肽平面。肽键的部分双键性质以及二面角φ和ψ限制了主链构象。蛋白质二级结构的主要类型有：

-螺旋、β-折叠、β-转角以及无规卷曲。稳定一级结构的作用力：肽键、二硫键稳定高级结构的作用力：氢键、盐键、疏水力、范德华力、二硫键蛋白质三级结构代表：肌红蛋白。蛋白质四级结构代表：血红蛋白。蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节一蛋白质一级结构与功能的关系二蛋白质空间结构与功能的关系一级结构相似可呈现相似功能一、蛋白质一级结构与功能的关系牛催产素SSlle-Leu-Asn-Cys-Tyr-Gln-Cys-Pro-GlyS牛加压素SArg-Asn-Phe-Cys-Tyr-Gln-Cys-Pro-Gly一级结构的序列比较

同源蛋白：在不同生物中执行相同或者相似功能的蛋白质。（保守性-相似性）细胞色素C(cytc)：存在于所有需氧生物线粒体中，电子传递链的组成成分。不同物种中，cytc的100多个氨基酸残基中有26个是相同的。保守残基可变残基镰刀状细胞贫血症蛋白质一级结构与分子病

HemoglobinSHemoglobinA

β

12345678HemoglobinAVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-

HemoglobinSVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-正常人氧合血红蛋白正常人脱氧血红蛋白贫血病人氧合血红蛋白贫血病人脱氧血红蛋白

这种由基因突变引起蛋白质一级结构改变所导致的疾病，称为“分子病”。蛋白质的一级结构是功能的基础二、蛋白质空间结构与功能的关系血红蛋白和肌红蛋白的氧结合曲线脱氧血红蛋白

脱氧血红蛋白氧合血红蛋白变构效应(allostericeffect)寡聚蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚蛋白质中另一个亚基与配体结合能力的现象。单体蛋白质：仅由一条多肽链构成、无四级结构的蛋白质。寡聚蛋白质：由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链构成的蛋白质。蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样沉淀的病理改变。这类疾病包括：疯牛病、绵羊瘙痒症、震颤病或称库鲁(Kuru)、人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病等。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。正常的PrP富含

-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成含β-折叠的PrPsc，从而致病。StanleyPrusiner

NobelPrizeinPhysiologyorMedicine(1997)PrPc

-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病蛋白质的结构与功能的关系小结蛋白质的一级结构、空间结构都与功能相关；一级结构是空间结构的基础，蛋白质以其特有的空间结构执行其功能；结构复杂的蛋白质具有相应复杂的功能。第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein（一）蛋白质的两性电离

一、理化性质

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。*蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)

当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。电泳蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)。

几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。（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1万至100万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷：氨基，羧基，侧链水化膜：极性氨基酸残基

造成变性的因素如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

变性的本质——破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构中氨基酸的序列。

应用举例消毒及灭菌此外,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。

*蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，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物活性的丧失。（三）蛋白质的变性和沉淀

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象和功能，称为复性(renaturation)。*蛋白质沉淀在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏了蛋白质的水膜或中和了蛋白质的电荷，则蛋白质胶体溶液就不稳定而出现沉淀现象。盐析法，有机溶剂沉淀、重金属盐沉淀、生物碱试剂沉淀+++++++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层++++++++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蛋白质的沉淀变