第二章蛋白质的结构与功能

第二章蛋白质的结构与功能(StructureandFunctionofProtein)一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。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三、蛋白质的分类

(一)根据蛋白质组成成分

1.单纯蛋白质2.结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分(二)根据蛋白质形状

1.纤维状蛋白质2.球状蛋白质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%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%(二)蛋白质元素组成的特点二、蛋白质的基本单位——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编码氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。(一)氨基酸的通式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非极性侧链氨基酸(8种)水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。

极性中性侧链氨基酸(7种)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性(除外色氨酸)。酸性氨基酸(2种)侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。碱性氨基酸（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。(二)氨基酸的分类20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:缬氨酸valineValV5.961.非极性侧链氨基酸(8种)甘氨酸glycine

GlyG5.97丙氨酸alanineAlaA6.00亮氨酸leucine

LeuL5.98异亮氨酸isoleucineIleI6.02苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48脯氨酸prolineProP6.30中文名称英文名称缩写符号结构式等电点

CHCOOHNH2HCH3CH3-CHCH3CH3-CH-CH2CH3CH3-CH2-CHCH3CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNHCH2CH2蛋氨酸methionineMetM5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH22.极性中性侧链氨基酸(7种)色氨酸tryptophanTryW5.89丝氨酸serineSerS5.68酪氨酸tyrosineTryY5.66半胱氨酸cysteine

CysC5.07天冬酰胺asparagine

AsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonine

ThrT5.60CHCOOHNH2-CH2NHHO-CH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2HO-HS-CH2CHCOOHNH2H2N-C-CH2CHCOOHNH2OCHCOOHNH2H2N-C-CH2-CH2OCHCOOHNH2HO-CHCH3中文名称英文名称缩写符号结构式等电点

中文名称英文名称缩写符号结构式等电点

3.酸性氨基酸(2种)天冬氨酸asparticacidAspD2.97精氨酸arginine

ArgR10.76组氨酸histidineHisH7.59

HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸glutamicacidGluE3.22CHCOOHNH2

HOOC-CH2-CH24.碱性氨基酸(3种)中文名称英文名称缩写符号结构式等电点

赖氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH1.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，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。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+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)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。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。(二)肽单元(肽键平面)参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptideunit)

。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽键平面示意图二、蛋白质的二级结构1.定义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

。

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(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

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。(2)螺旋以氢键保持稳固。(3)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。2.-折叠

(1)是多肽链一种比较伸展、成锯齿状的肽链结构。(2)两条肽链走向相同，称为顺向平行结构，反之，则称为反向平行结构。后者更为稳定。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。

三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和Vander

Waals力等。2.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。只有具有三级结构的多肽链才能称为蛋白质。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)结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain)。免疫球蛋白结构域示意图

(三)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。四、蛋白质的四级结构1.定义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)。(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

五、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)HbS

β肽链HbA

β肽链N-val·his·leu·thr·pro·

val

·glu·····C(146)

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，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。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。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(二)蛋白质的等电点(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，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。+++++++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