八版第一章蛋白质的结构与功能

2023/2/11第一章蛋白质的结构与功能

(Chapter1:StructureandFunctionofproteins)教学内容第一节蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的结构单位三、蛋白质的辅基四、肽键和肽（一）肽键与肽键平面（二）肽（三）生物活性肽第二节

蛋白质的分子结构一、一级结构二、二级结构三、三级结构四、四级结构五、维持蛋白质结构的化学键第三节蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系二、蛋白质构象与功能的关系第四节蛋白质的理化性质一、一般性质二、大分子性质第五节

蛋白质的分离、纯化与结构分析蛋白质化学与中药2023/2/122023/2/13蛋白质(Protein)是生命的物质基础，是生物体的基本组成成分，几乎所有的细胞和组织都含蛋白质。蛋白质是组织细胞的结构成分，并参与几乎所有的生命活动。蛋白质在物质转运、物质代谢、遗传信息控制、损伤修复、信号转导、免疫防御等以及高等动物的识别与记忆、感觉与思维等方面都起着重要的作用。第一节蛋白质的分子组成2023/2/14一、蛋白质的元素组成蛋白质主要由C、H、O、N四种元素组成，还含有少量的S。N元素是蛋白质的特征元素，在蛋白质分子中的含量比较恒定，约占16%。因此，可通过测定样品中的含N量来计算出蛋白质的含量。样品蛋白质含量=样品含氮量×6.252023/2/15二、蛋白质的结构单位（一）氨基酸的结构合成天然的蛋白质的氨基酸共有20种，称为标准氨基酸，它们具有相应的遗传密码。20种标准氨基酸中，脯氨酸是α-亚氨基酸，其余都是α-氨基酸。20种标准氨基酸中，除甘氨酸以外，其余19种氨基酸的α-碳原子都是手性碳原子，均为L-α-氨基酸。氨基酸的结构2023/2/162023/2/17（二）氨基酸的分类分类依据分类R基结构与性质非极性脂肪族R基氨基酸、极性不带电荷R基氨基酸、芳香族R基氨基酸、带正电荷R基氨基酸、带负电荷R基氨基酸R基酸碱性酸性氨基酸、碱性氨基酸、中性氨基酸人体内能否自己合成必需氨基酸、非必需氨基酸分解产物进一步转化生糖氨基酸、生酮氨基酸、生糖兼生酮氨基酸1.非极性脂肪族R基氨基酸2023/2/18习惯名称符号分子量（Da）pK1pK2pKR等电点甘氨酸GlyG752.349.605.97丙氨酸AlaA892.349.696.01脯氨酸ProP1151.9910.966.48缬氨酸ValV1172.329.625.97亮氨酸LeuL1312.369.605.98异亮氨酸IleI1312.369.686.02甲硫氨酸MetM1492.289.215.742.极性脂肪族不带电荷R基氨基酸2023/2/19习惯名称符号分子量（Da）pK1pK2pKR等电点丝氨酸SerS1052.219.155.68苏氨酸ThrT1192.119.625.87半胱氨酸CysC1211.9610.288.185.07天冬酰胺AsnN1322.028.805.41谷氨酰胺GlnQ1462.179.135.653.芳香族R基氨基酸2023/2/110其中酪氨酸的R基含酚羟基，具有极性。苯丙氨酸（R基为苯环）、色氨酸（R基为吲哚基）为非极性氨基酸。习惯名称符号分子量（Da）pK1pK2pKR等电点苯丙氨酸PheF1651.839.135.48酪氨酸TyrY1812.209.1110.075.66色氨酸TrpW2042.389.395.894.带正电荷R基氨基酸2023/2/111习惯名称符号分子量（Da）pK1pK2pKR等电点赖氨酸LysK1462.188.9510.539.74组氨酸HisH1559.176.007.597.59精氨酸ArgR1742.179.0412.4810.765.带负电荷R基氨基酸2023/2/112习惯名称符号分子量（Da）pK1pK2pKR等电点天冬氨酸AspD1331.889.603.652.77谷氨酸GluE1472.199.674.253.22（三）氨基酸的性质1.紫外吸收特征色氨酸和酪氨酸对280nm的紫外线有一吸收峰，由于大多蛋白质含色氨酸和酪氨酸，测定样品溶液280nm的吸光度，用于蛋白质定量分析。2023/2/1132023/2/1142.茚三酮反应α-氨基酸可与茚三酮水合物发生氧化还原反应，生成蓝紫色化合物。该化合物在570nm处有一个吸收峰，可用于氨基酸的定量分析。2023/2/1153.两性电离和等电点氨基酸含有呈酸式电离的羧基和呈碱式电离的氨基，因此氨基酸是两性电解质，电离以后可以既带正电荷又带负电荷，称为兼性离子。在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的倾向相等，溶液中的氨基酸以兼性离子形式存在，且净电荷为零，此时溶液的pH值称为氨基酸的等电点（isoelectricpoint,pI）。氨基酸的两性电离2023/2/116三、蛋白质的辅基2023/2/117分类辅基举例糖蛋白糖类免疫球蛋白、凝集素、干扰素、人绒毛膜促性腺激素磷蛋白磷酸基酪蛋白核糖核蛋白核酸核糖体、端粒酶、信号识别颗粒血红素蛋白血红素血红蛋白黄素蛋白黄素核苷酸琥珀酸脱氢酶金属蛋白铁铁蛋白锌醇脱氢酶、碳酸酐酶钙钙调蛋白钼固氮酶铜铜蓝蛋白2023/2/118（一）肽键与肽键平面

1.肽键：一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基缩合失去一分子水形成。2023/2/1192.肽键平面肽键属于单键，但具有部分双键刚性的性质，不能自由旋转。与肽键相连的原子始终处在同一个平面，称为“肽键平面”（amideplane）。肽键平面肽键平面肽键2023/2/120肽键平面（二）肽1.肽是氨基酸的链状缩合物多个氨基酸通过肽键连接起来的分子称为肽。2-10个称寡肽（oligopeptide），10个以上称多肽（polypeptide）。2.蛋白质是大分子肽在蛋白质分子中，当很多氨基酸通过肽键连接起来成为一条很长的链状结构时，称为多肽链（polypeptidechain）。2023/2/121一些蛋白质的分子量2023/2/122蛋白质来源分子量（Da）氨基酸数肽链数细胞色素c人130001041核糖核酸酶A牛胰137001241溶菌酶C鸡蛋清139301291肌红蛋白人170531531糜蛋白酶A牛胰216002413糜蛋白酶原A牛胰220002451血红蛋白人645005744白蛋白人685006091己糖激酶酵母1020009722RNA聚合酶大肠杆菌45000041585载脂蛋白B人51300045361谷氨酰胺合成酶大肠杆菌6190005628122023/2/123多肽链的结构

氨基酸残基的R基构成多肽链的侧链（sidechain），参与形成肽键的原子与α-碳原子一起构成其主链骨架（backbone），保留了完整的α-羧基的末端称羧基端或C端（C-terminus）；保留了完整的α-氨基的末端称氨基端或N端（N-terminus）。侧链N端C端主链骨架HOH（三）生物活性肽2023/2/124分类举例（氨基酸数）功能（1）血液活性肽①血管紧张素Ⅱ（8）增大外周阻力，升高动脉血压②缓激肽（9）抑制组织炎症③胰高血糖素（29）促进肝糖原分解（2）脑组织活性肽①促甲状腺激素释放激素（3）刺激垂体前叶促甲状腺激素分泌②促性腺激素释放激素（10）促进黄体生成素和促卵泡激素分泌③生长激素释放抑制激素（14）抑制生长激素等分泌④促肾上腺皮质激素释放激素（41）促进促肾上腺皮质激素分泌⑤促肾上腺皮质激素（39）刺激肾上腺皮质激素分泌⑥抗利尿激素（9）增强肾脏钠水重吸收，刺激血管收缩⑦催产素（9）刺激子宫收缩⑧促黑激素（18）调节黑素细胞代谢（3）神经肽脑啡肽（5）神经传导，痛觉抑制（4）肠道活性肽①胃泌素14、17、34（14、17、34）②胰泌素（27）调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌（5）其他组织活性肽①心钠素（28）促进肾脏排钠排水，降低动脉血压②降钙素（32）防止血钙血磷过高2023/2/125谷胱甘肽2023/2/126第二节蛋白质的分子结构2023/2/127一、一级结构蛋白质的一级结构（primarystructure）是指多肽链中氨基酸组成与排列顺序。一级结构决定蛋白质的高级结构，它包括氨基酸所有的共价连接，尤其是肽键和二硫键。氨基酸的排列顺序是由遗传密码决定的，通过肽键连接起来，故肽键是蛋白质结构中的主键。2023/2/128胰岛素的一级结构2023/2/129二、二级结构蛋白质的生物学活性和理化性质主要由其空间结构的完整性决定，空间结构是指蛋白质的二、三、四级结构，又称为高级结构。蛋白质的二级结构（secondarystructure）是指蛋白质分子中由于主链原子肽键平面的相对旋转，构成的有规则的局部空间构象，如α螺旋、β折叠、β转角等。蛋白质多肽链在二级结构的基础上进一步聚集、折叠形成超二级结构。2023/2/1301.α-螺旋α-螺旋（α-helix）是指肽键平面通过α-碳原子的旋转，主链原子盘绕成右手螺旋结构。螺旋上升一圈大约需要3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm，螺旋直径为0.50nm，R基分布在螺旋的外侧。相邻两个螺旋之间肽键的C=O与H–N形成氢键，从而使α-螺旋能够稳定。2023/2/131α-螺旋（α-helix）结构示意图0.50nm0.54nm氢键α-碳原子侧链2023/2/1322.β-折叠β-折叠（β-pleatedsheet）是蛋白质分子中肽链相对伸展的一种结构形式，其主链通过肽键平面折叠成锯齿状。一个折叠单位含两个氨基酸，R基交替排列在β-折叠两侧。同一条肽链内的若干肽段或不同肽链之间所形成的数段β-折叠可以平行结合，形成裙褶样结构。相邻β-折叠主链骨架的C=O和H–N之间形成氢键，使其构象稳定。数段结合的β-折叠可以是同相平行，也可以是反向平行。2023/2/133β-折叠（β-pleatedsheet）结构示意图2023/2/1343.β-转角β-转角（β-turn）是指蛋白质分子中，肽链形成180°的回折，构成一个转角。一个β-转角由4个氨基酸构成，其中第1个氨基酸残基的C=O与第4个氨基酸残基的H–N之间形成氢键，使构象稳定。第2个氨基酸常为脯氨酸。2023/2/135β-转角（β-turn）结构示意图

4.无规卷曲无规卷曲（randomcoil）是指蛋白质分子中的某些肽段，其走向没有规律可循，肽链的肽键平面不规则排列，形成较为松散的二级空间结构。2023/2/1362023/2/1375.超二级结构超二级结构（supersecondarystructure）又叫模体（motif）或基序，是指二级结构单元进一步聚集和结合形成的特定构象单元，如αα、βαβ、βββ等。超二级结构是蛋白质从二级结构延伸到三级结构的一个新的结构层次，如螺旋-环-螺旋（HLH）、亮氨酸拉链和锌指结构。超二级结构2023/2/1382023/2/139亮氨酸拉链亮氨酸疏水R基DNA2023/2/140锌指结构HisHisCysCysZnB

A

2023/2/141三、三级结构

三级结构（tertiarystructure）是指在二级结构基础上，多肽链中相距较远的侧链R基通过相互作用进一步盘绕成特定的、不规则的空间构象，其包括了主链和侧链所有原子的空间排布。维系三级结构的化学键主要有疏水键、氢键、离子键和范德华力等非共价键及二硫键等少量共价键。蛋白质的多肽链在形成三级结构时，其非极性的疏水侧链形成疏水核，而大多数极性基团则分布在分子的表面，形成亲水区。1.部分蛋白质的三级结构人肌红蛋白：153个氨基酸构成，包括8段α-螺旋（78%）及无规卷曲和β-折叠。整个分子呈球形，内部几乎都是疏水基团，极性基团位于表面。分子结构有一凹陷的口袋区，结合有一个血红素辅基。牛胰核糖核酸酶：124个氨基酸构成，4个二硫键，3段较短α-螺旋和3段较长β-折叠。2023/2/142肌红蛋白2023/2/143牛胰核糖核酸酶2023/2/1442.结构域许多较大蛋白质的三级结构中存在一个或多个稳定的、相对紧密的且在构象上常明显可区分的球状区域，这种结构称为结构域（domain）。结构域与结构域之间常由无规卷曲的松散肽段相连，可通过适当酶切与分子其他部分分开。一个结构域常常由一个外显子编码，可有几十个至几百个氨基酸残基组成。同一蛋白质分子中的各结构域相对独立，并且具有不同的生理功能。2023/2/1452023/2/146Src结构域（为蛋白酪氨酸激酶）2023/2/147四、四级结构

由两条或更多的多肽链构成的蛋白质分子，还要具备四级结构（quaternarystructre）才具有活性。在四级结构中，每一条肽链都有特定且相对独立的三级结构，称为该蛋白质的一个亚基。多个亚基之间按照特定的方式以非共价键结合，形成特定的空间结构，称为蛋白质的四级结构。在四级结构中，亚基与亚基之间通过疏水键、氢键、离子键和范德华力等非共价键相互作用而聚合在一起。2023/2/148血红蛋白四级结构示意图血红蛋白由4个亚基构成的异四聚体，包括两个α-亚基，两个β-亚基。2023/2/149

蛋白质一、二、三、四级结构示意图（B）二级结构（α-螺旋）（A）一级结构（C）三级结构（B）二级结构（β-折叠）（D）四级结构血红素辅基2023/2/150五、维持蛋白质分子空间构象的主要化学键

1.氢键氢键（hydrogenbond）是蛋白质分子中最多的非共价键。是指当氢原子与电负性很强的原子相连时，会带上部分正电荷，与另一带部分负电荷的原子产生静电引力。2.离子键离子键（ionicinteractionorionicbond）又称盐键（saltbridge），是带正电荷的基团与带负电荷的基团之间所产生的静电引力。

2023/2/151五、维持蛋白质分子空间构象的主要化学键

3.疏水键疏水键（hydrophobicinteraction）是指两个疏水基团为了避开水相而相互聚集在一起的作用力。4.范德华力范德华力（VanderWaalsinteractions）是指任何两个原子间的距离保持范德华半径时的一种静电引力。5.二硫键二硫键（disulfidebondordisulfidebridge）由蛋白质分子中两个半胱氨酸残基侧链上的巯基（—SH）氧化脱氢产生。2023/2/152二硫键胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸2023/2/153蛋白质分子中的主要次级键

离子键疏水键二硫键

氢键范德华力2023/2/154第三节蛋白质结构与功能的关系蛋白质的一级结构和空间结构与功能均有密切的关系。蛋白质的一级结构决定其高级结构，一级结构含有其空间构象的全部信息，而蛋白质的空间构象决定蛋白质的生物学功能。通过对蛋白质结构与功能关系研究发现：①功能不同蛋白质其氨基酸序列一定不同；②已经阐明的数千种遗传病都存在蛋白质一级结构异常；③不同物种具有相似功能的蛋白质其一级结构和构象也相似。2023/2/155一、一级结构与功能的关系

蛋白质的一级结构决定其构象蛋白质的一级结构相似则其功能也一致改变蛋白质的一级结构可以直接影响其功能1.蛋白质的一级结构决定其构象2023/2/1562.蛋白质的一级结构相似则其功能也一致2023/2/157胰岛素的来源胰岛素的一级结构差异A-8A-9A-10B-30人苏氨酸丝氨酸异亮氨酸苏氨酸猪、狗苏氨酸丝氨酸异亮氨酸丙氨酸牛丙氨酸丝氨酸缬氨酸丙氨酸羊丙氨酸甘氨酸缬氨酸丙氨酸马苏氨酸甘氨酸异亮氨酸丙氨酸兔苏氨酸丝氨酸异亮氨酸丝氨酸3.改变蛋白质的一级结构可以直接影响其功能2023/2/158正常β链：H-缬氨酸—组氨酸—亮氨酸—苏氨酸—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—异常β链：H-缬氨酸—组氨酸—亮氨酸—苏氨酸—脯氨酸—缬氨酸—谷氨酸—

正常红细胞镰状红细胞2023/2/159二、空间构象与功能的关系1.构象决定性质和功能蛋白质根据构象可分为纤维状蛋白质和球状蛋白质：纤维状蛋白质多为结构蛋白；球状蛋白质主要是酶、调节蛋白、转运蛋白和免疫球蛋白等。2.变构改变活性（1）血红蛋白变构血红蛋白的主要功能是对O2和CO2的运输。当血红蛋白结合氧之前叫脱氧血红蛋白，分子构象为紧张态（T态），当血红蛋白结合氧以后，α1β1与α2β2两个二聚体彼此滑动15°，其构象由T（tense）态转变为松弛态（R态），称为氧合血红蛋白。T态：亚基之间结合力强，氧合力弱R态：亚基之间结合力弱，氧合力强2023/2/1602023/2/161血红蛋白结合氧前后构象的变化

Hb(T态)HbO2(R态)α1β1α2β215º（2）血红蛋白氧解离曲线2023/2/162（3）血红蛋白运氧能力影响因素PCO2、2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）、体温升高，pH降低时，血红蛋白氧合力减弱，氧解离曲线右移。2,3-BPG是糖酵解2,3-BPG支路中间产物，糖酵解加强，其含量增加，使血红蛋白氧合力减弱，促进氧分子释放，氧解离曲线右移。CO使血红蛋白氧合力增强，氧解离曲线左移。2023/2/163（4）变构蛋白与变构效应一些物质能与蛋白质相互作用，称为蛋白质的配体。蛋白质分子中与配体结合的部位称为配体结合位点或配体结合域。变构蛋白常有两个或多个配体结合位点，他们可结合相同或不同的配体。其中能使蛋白质变构的配体叫变构剂，变构剂结合的位点又叫调节部位。变构效应分异促效应（变构剂与配体是不同物质）和同促效应（即协同效应，变构剂与配体是相同物质）；协同效应又分为正协同效应和负协同效应。2023/2/1643.蛋白质构象病2023/2/1652023/2/166一、一般性质1.蛋白质的紫外吸收特征蛋白质分子中的肽键吸收220nm紫外线；蛋白质分子中的酪氨酸和色氨酸残基的吸收280nm紫外线。蛋白质溶液对280nm紫外线的的吸光度与浓度成正比，用于蛋白质定量分析。2023/2/1672.蛋白质的呈色反应蛋白质能与某些试剂产生特殊的颜色反应，可以用于对蛋白质的定量分析。茚三酮反应：蛋白质分子游离氨基与茚三酮反应，呈蓝紫色。双缩脲反应：2分子尿素脱氨缩合成双缩脲，碱性条件下与Cu2+螯合成紫红色。蛋白质分子中肽键可发生双缩脲反应。酚试剂反应：含磷钼酸-磷钨酸，碱性条件下与蛋白质生成深蓝色（磷钼蓝和磷钨蓝混合物）。米伦试剂反应、考马斯亮篮颜色反应3.氨基端反应2,4-二硝基氟苯、丹磺酰氯、异硫氰酸苯酯可与肽链氨基端的α-氨基反应，水解后得到相应的衍生物，通过层析鉴定。可用于分析蛋白质的一级结构。2023/2/1684.蛋白质的两性电离和等电点蛋白质分子的α-氨基和α-羧基虽然都参与形成肽键，但是在蛋白质的侧链上仍然存在一些可电离的基团，如天冬氨酸和谷氨酸残基的β-羧基和γ-羧基，赖氨酸的ε-氨基、精氨酸的胍基和组氨酸的咪唑基等，它们有的呈酸式电离，有的呈碱式电离，因此，蛋白质和氨基酸一样可以电离成兼性离子。在某一pH条件下，蛋白质的净电荷为零，则该pH值为蛋白质的等电点（pI）。2023/2/1692023/2/170蛋白质的等电点二、大分子特性1.蛋白质溶液是胶体溶液蛋白质的分子量在一万到百万之间，分子的直径在胶体颗粒的范围（1~100nm）。因此，当蛋白质溶于水中，可以形成胶体溶液。由于蛋白质表面分布有很多亲水的基团，会结合很多水分子，形成水化膜，使蛋白质颗粒不容易聚集起来。另一方面，蛋白质分子在溶液pH值不等于pI时，往往带有同种电荷而相互排斥。因此，蛋白质溶液是稳定亲水胶体溶液。2023/2/1712.沉降与沉降系数在离心力的作用下，蛋白质颗粒发生沉降，对于某一特定蛋白质颗粒，其沉降速度在单位离心力场强度下为一常数，称为蛋白质的沉降系数，用S（Svedberg，1S=10-13秒）表示。蛋白质的沉降速度与蛋白质的分子质量和分子形状有关，用沉降系数可以粗略地反映蛋白质分子的大小。2023/2/1723.变性与复性天然蛋白质在某些物理或化学因素作用下，其特定的天然空间构象部分或全部改变，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，称之为蛋白质变性(denaturation)。变性蛋白质表现为结晶性丧失、扩散系数减小、溶解度降低、黏度增大、280nm吸光度增加、易被蛋白酶水解。2023/2/1733.变性与复性当蛋白质溶液的pH值接近其等电点，则加热可以使蛋白质形成较坚固的凝块，该凝块不溶于强酸或强碱，称为蛋白质凝固（coagulation）。有些蛋白质变性是可逆的，当变性程度较轻，去除使其变性的因素，能恢复或部分恢复其原来的空间构象，并恢复其生物学活性，称为蛋白质复性（renaturation）。2023/2/1742023/2/175核糖核酸酶的变性与复性示意图8M尿素或β-巯基乙醇透析第五节蛋白质的分离、纯化与结构分析一、蛋白质沉淀蛋白质分子相互聚集从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀(precipitation)。使蛋白质溶液稳定的因素主要有两个：同种电荷和水化膜。如果破坏使蛋白质溶液稳定的两个因素（如调节溶液pH值至等电点或加入脱水剂），蛋白质则会相互聚集而从溶液中析出沉淀。2023/2/1762023/2/177蛋白质的沉淀示意图1.盐析法盐析法（saltingout）是指向蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐破坏蛋白质的胶体稳定性（中和电荷、破坏水化膜），从而使蛋白质从溶液中析出沉淀的方法。常用的中性盐：(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4等。沉淀下来的蛋白质，一般不变性。2023/2/1782.有机溶剂沉淀蛋白质有机溶剂（如乙醇、丙酮等）沉淀蛋白质，是利用它们的强亲水性破坏水化膜，由于它们不能中和蛋白质所带电荷，因此，需要在等电点附近沉淀蛋白质。在常温下一般会发生变性，但是在低温条件下，变性则发生得缓慢。2023/2/1793.重金属离子沉淀蛋白质带负电荷的蛋白质可与重金属离子（如铅、汞、铜、银等）结合形成不溶性盐而沉淀。需调节溶液的pH>pI。沉淀下来的蛋白质一般发生了变性。2023/2/1804.生物碱试剂及某些酸类沉淀蛋白质带正电荷的蛋白质也可以与生物碱试剂（苦味酸、鞣酸、钨酸）或某