蛋白质的结构与功能

关于蛋白质的结构与功能第一页，共八十九页，2022年，8月28日蛋白质的概念蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacid)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。第二页，共八十九页，2022年，8月28日蛋白质是生命活动的物质基础分布广：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。含量高：蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上。1.蛋白质是生物体重要组成成分第三页，共八十九页，2022年，8月28日作为生物催化剂（酶）物质的转运和存储凝血功能免疫保护作用运动与支持作用参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能蛋白质是生命活动的物质基础第四页，共八十九页，2022年，8月28日

第一节蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein第五页，共八十九页，2022年，8月28日蛋白质的元素组成主要含有碳、氢、氧、氮及硫。有些蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、锰、钴及钼等。第六页，共八十九页，2022年，8月28日蛋白质元素组成的特点蛋白质的含氮量接近，平均为16%。测定生物样品含氮量可推算出蛋白质大致含量。

100克样品中蛋白质的含量（g%）=

每克样品含氮克数×6.25×100第七页，共八十九页，2022年，8月28日一、蛋白质的基本组成单位-氨基酸

氨基酸是蛋白质的基本组成单位。自然界存在300余中氨基酸，组成蛋白质的氨基酸仅有20种，且均为L-α-氨基酸

(除甘氨酸外)。第八页，共八十九页，2022年，8月28日H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H第九页，共八十九页，2022年，8月28日

（一）氨基酸的分类

1.非极性脂肪族氨基酸

2.极性中性氨基酸

3.芳香族氨基酸

4.酸性氨基酸

5.碱性氨基酸第十页，共八十九页，2022年，8月28日1.非极性脂肪族氨基酸

第十一页，共八十九页，2022年，8月28日

2．中性极性氨基酸

第十二页，共八十九页，2022年，8月28日3．芳香族氨基酸

第十三页，共八十九页，2022年，8月28日4.酸性氨基酸

第十四页，共八十九页，2022年，8月28日5.碱性氨基酸第十五页，共八十九页，2022年，8月28日胱氨酸与二硫键第十六页，共八十九页，2022年，8月28日（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，其解离方式及带电状态取决于其所处溶液的酸碱度。

等电点(isoeletricpoint,pI)

在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的数量相等，分子呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。第十七页，共八十九页，2022年，8月28日第十八页，共八十九页，2022年，8月28日2.氨基酸的紫外吸收酪氨酸、色氨酸含有共轭双键，具有吸收紫外光的特性，在280nm处有最大吸收峰。蛋白质在280nm处的紫外吸收与浓度成正比，可用于蛋白质的定量分析。第十九页，共八十九页，2022年，8月28日第二十页，共八十九页，2022年，8月28日二、氨基酸与多肽氨基酸通过肽键（peptidebond）相连接的

形成多肽链(peptidechain)。（一）肽键（peptidebond)一分子氨基酸的α-羧基与另一分子的α-氨基，脱水缩合形成的酰胺键（-CO-NH-）称为肽键。第二十一页，共八十九页，2022年，8月28日+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键第二十二页，共八十九页，2022年，8月28日肽(peptide)是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。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……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)。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称多肽(polypeptide)。第二十三页，共八十九页，2022年，8月28日N末端：多肽链中有游离α-氨基的一端C末端：多肽链中有游离α-羧基的一端多肽链有两端：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。第二十四页，共八十九页，2022年，8月28日N末端C末端牛核糖核酸酶第二十五页，共八十九页，2022年，8月28日（二）生物活性肽类由几个至几十个氨基酸残基组成

谷胱甘肽(glutathione,GSH)

谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成，简称为谷胱甘肽。第二十六页，共八十九页，2022年，8月28日谷胱甘肽(glutathione,GSH)第二十七页，共八十九页，2022年，8月28日GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换第二十八页，共八十九页，2022年，8月28日

体内许多激素属寡肽或多肽

神经肽(neuropeptide)多肽类激素及神经肽第二十九页，共八十九页，2022年，8月28日三、蛋白质的分类

1．根据蛋白质分子的组成特点单纯蛋白质和结合蛋白质2．根据分子形状的不同球状蛋白和纤维状蛋白3．根据蛋白质的主要功能功能活性蛋白质和结构蛋白质。第三十页，共八十九页，2022年，8月28日第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein第三十一页，共八十九页，2022年，8月28日

蛋白质的分子结构

一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构第三十二页，共八十九页，2022年，8月28日

一、蛋白质的一级结构从N端到C端氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。一级结构是蛋白质分子基本结构，决定蛋白质空间构象的基础。蛋白质的空间构象则是实现其生物学功能的基础。一级结构中的主要化学键是肽键。

第三十三页，共八十九页，2022年，8月28日牛胰岛素的一级结构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。第三十四页，共八十九页，2022年，8月28日二、蛋白质的空间结构蛋白质在一级结构的基础上，分子单键旋转而盘曲、折叠形成特定空间构象。蛋白质的构象包括主链构象和侧链构象。蛋白质的空间结构包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。第三十五页，共八十九页，2022年，8月28日

（一）蛋白质的二级结构

是指蛋白质分子中某一肽链的局部空间结构，即多肽链中主链原子的相对空间排列分布，而不涉及氨基酸残基侧链的空间排布。稳定因素：氢键第三十六页，共八十九页，2022年，8月28日肽平面

肽键具有部分双链性质，因此肽键不能自由旋转，而使涉及肽键的6各原子共处于同一平面，称为肽键平面，又称肽单元。第三十七页，共八十九页，2022年，8月28日肽键平面示意图肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3个原子依次重复排列。第三十八页，共八十九页，2022年，8月28日2.蛋白质二级结构的主要构象形式

α-螺旋(α-helix)β-折叠(β-pleatedsheet)β-转角(β-turn)

无规卷曲(randomcoil)第三十九页，共八十九页，2022年，8月28日（1）α-螺旋

多肽链中的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向，称右手螺旋。氢键是维持α-螺旋结构稳定的主要化学键。第四十页，共八十九页，2022年，8月28日左手螺旋右手螺旋*第四十一页，共八十九页，2022年，8月28日α-螺旋结构第四十二页，共八十九页，2022年，8月28日(1)肽单元围绕中心轴呈有规律右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm；(2)α—螺旋的每个肽键的N—H与相邻第四个肽键的羰基氧形成氢键(hydrogenbond)，氢键的方向与螺旋长轴基本平行，是维持α—螺旋结构稳定的主要次级键；(3)氨基酸侧链伸向螺旋外侧，不参与α-螺旋的形成，但其形状、大小及电荷量的多少均影响α—螺旋的形成。α-helix特点：第四十三页，共八十九页，2022年，8月28日（2）β-折叠

β-折叠呈折纸状多肽链充分伸展，各个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方。第四十四页，共八十九页，2022年，8月28日第四十五页，共八十九页，2022年，8月28日β-折叠

第四十六页，共八十九页，2022年，8月28日β-pleatedsheets特点:1、多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状，侧链

R基团位于锯齿状结构的上下方；2、两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，其结

构稳定主要靠氢键维系(羰基上的氧和亚氨基上的氢)，

氢键的方向与折叠的长轴垂直3、顺平行折叠：两条肽链走向相同；反平行折叠：两条肽链走向相反；4、β—折叠涉及肽段一般比较短，只含5～10个氨基酸残基。第四十七页，共八十九页，2022年，8月28日（3）β-转角

出现于肽链进行180o回折时的转角部位。由4个氨基酸残基组成，由第一个残基的羰基(O)与第四个残基的氨基氧(H)形成氢键，以维持转折结构的稳定。第二个氨基酸残基多为脯氨酸和甘氨酸。第四十八页，共八十九页，2022年，8月28日β-转角

第四十九页，共八十九页，2022年，8月28日（4）无规卷曲

肽链为环或卷曲结构，没有规律性排布，但是表现重要生物学功用，称为“无规卷曲”。

第五十页，共八十九页，2022年，8月28日

3.二级结构可组成蛋白质分子中的模体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，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构或模体

(motif)

超二级结构组合常见形式有3种：αα，βαβ，ββ。第五十一页，共八十九页，2022年，8月28日模体是具有特殊功能的超二级结构。第五十二页，共八十九页，2022年，8月28日钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构模体常见的形式第五十三页，共八十九页，2022年，8月28日

（二）蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间排布，即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。主要靠次级键，包括氢键、离子键(盐键)、疏水作用、范德华力、二硫键等。第五十四页，共八十九页，2022年，8月28日第五十五页，共八十九页，2022年，8月28日肌红蛋白N端C端第五十六页，共八十九页，2022年，8月28日结构域（domain）

分子量较大的蛋白质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。

结构域含有序列上连续的100～200个氨基酸残基，有较为独立的三维结构。第五十七页，共八十九页，2022年，8月28日3-磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构示意图第五十八页，共八十九页，2022年，8月28日

（三）蛋白质的四级结构

每一条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基。各亚基之间以非共价键相互连接形成特定的三维空间构象，称为蛋白质的四级结构。

维持四级结构的作用力主要是疏水作用，包括氢键、离子键及范德华力等。第五十九页，共八十九页，2022年，8月28日血红蛋白由2个α亚基和2个β亚基构成的四聚体，每个亚基中都结合1个血红素辅基。4亚基通过8个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体。完整的血红蛋白分子具有运输O2和CO2的功能。第六十页，共八十九页，2022年，8月28日蛋白质的四级结构-血红蛋白结构第六十一页，共八十九页，2022年，8月28日由2个以上亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。第六十二页，共八十九页，2022年，8月28日第三节蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofprotein第六十三页，共八十九页，2022年，8月28日

一、蛋白质的一级结构与功能的关系

蛋白质的功能是由其特定的构象所决定的，一级结构是空间构象的基础。某些肽段一级结构（氨基酸组成）决定特定二级结构（α-螺旋或β-折叠）的形成。

第六十四页，共八十九页，2022年，8月28日牛核糖核酸酶的一级结构二硫键第六十五页，共八十九页，2022年，8月28日

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，无活性第六十六页，共八十九页，2022年，8月28日哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异第六十七页，共八十九页，2022年，8月28日

蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，可通过影响空间构象而影响其生理功能。

例如血红蛋白β亚基的第6位谷氨酸被缬氨酸替代，可导致镰刀形贫血。第六十八页，共八十九页，2022年，8月28日例：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)

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”第六十九页，共八十九页，2022年，8月28日二、蛋白质的空间结构与功能的关系

蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，所以蛋白质构象是其生物活性的基础。第七十页，共八十九页，2022年，8月28日肌红蛋白和血红蛋白的结构肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，它的三级结构折叠方式使辅基血红素能与O2结合与解散，发挥储氧的功能。第七十一页，共八十九页，2022年，8月28日血红素结构第七十二页，共八十九页，2022年，8月28日血红蛋白的构象变化与运氧功能随氧分压增高，氧合Hb占总Hb的百分数随之增加，这一变化关系称为氧解离曲线。第七十三页，共八十九页，2022年，8月28日肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线第七十四页，共八十九页，2022年，8月28日第七十五页，共八十九页，2022年，8月28日蛋白质构象改变可引起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。第七十六页，共八十九页，2022年，8月28日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α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。第七十七页，共八十九页，2022年，8月28日第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein第七十八页，共八十九页，2022年，8月28日一、蛋白质的两性解离

蛋白质分子在一定的溶液pH条件下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pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。

利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。第七十九页，共八十九页，2022年，8月28日二、蛋白质的胶体性质蛋白质是高分子化合物

蛋白质胶体稳定性的因素：颗粒表面水化膜表面电荷除去上述两个稳定因素时，蛋白质从溶液中析出。第八十页，共八十九页，2022年，8月28日+++++++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沉淀第八十一页，共八十九页，2022