第2章蛋白质的结构与功能-lxy

什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。第一页，共100页。第一页，共100页。蛋白质研究的历史1833年，从麦芽中分离淀粉酶。1864年，血红蛋白被分离并结晶。19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成。第二页，共100页。第二页，共100页。20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。1962年，确定了血红蛋白的四级结构。20世纪90年代，蛋白质组学研究的展开第三页，共100页。第三页，共100页。蛋白质的生物学重要性分布广含量高1.蛋白质是生物体重要组成成分第四页，共100页。第四页，共100页。作为生物催化剂（酶）代谢调节作用免疫保护作用物质的转运和存储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.氧化供能第五页，共100页。第五页，共100页。蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节第六页，共100页。第六页，共100页。组成蛋白质的元素主要有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。第七页，共100页。第七页，共100页。

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％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%蛋白质元素组成的特点第八页，共100页。第八页，共100页。自然界中的氨基酸有300余种一、氨基酸(aminoacid，aa)—蛋白质的基本构成单位组成人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）。第九页，共100页。第九页，共100页。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H第十页，共100页。第十页，共100页。非极性氨基酸不带电荷的极性氨基酸芳香族氨基酸带正电荷的碱性氨基酸带负电荷的酸性氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类第十一页，共100页。第十一页，共100页。(一)非极性氨基酸:侧链为非极性基团的氨基酸第十二页，共100页。第十二页，共100页。(二)不带电荷的极性氨基酸:侧链有极性但生理pH条件下不解离的氨基酸第十三页，共100页。第十三页，共100页。(三)芳香族氨基酸:侧链基团含有笨环的氨基酸第十四页，共100页。第十四页，共100页。(四)带正电荷的碱性氨基酸:侧链含正性解离基团的氨基酸，生理条件下带正电荷第十五页，共100页。第十五页，共100页。(五)带负电荷的酸性氨基酸:侧链含负性解离基团的氨基酸，生理条件下带负电荷第十六页，共100页。第十六页，共100页。几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2第十七页，共100页。第十七页，共100页。半胱氨酸

+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3第十八页，共100页。第十八页，共100页。三、氨基酸的理化性质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。（一）氨基酸具有两性解离的性质第十九页，共100页。第十九页，共100页。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子

阳离子阴离子第二十页，共100页。第二十页，共100页。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。等电点（isoelectricpoint,pI第二十一页，共100页。第二十一页，共100页。（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在

280nm

附近。应用：快速测定蛋白质含量。第二十二页，共100页。第二十二页，共100页。（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物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。应用：氨基酸定量分析脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮反应呈黄色(440nm)天东酰胺与茚三酮反应呈棕色第二十三页，共100页。第二十三页，共100页。四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链肽键(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。（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)第二十四页，共100页。第二十四页，共100页。+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键第二十五页，共100页。第二十五页，共100页。第二十六页，共100页。第二十六页，共100页。虽是单键却有双键性质与C-N相连的O和H成反式构型周边六个原子在同一平面上肽键性质：第二十七页，共100页。第二十七页，共100页。肽单元(peptideunit)：组成肽键的4个原子(C、N、O、H)和与之相邻的2个α碳原子(Cα1、Cα2)位于同一平面，构成所谓的肽单元第二十八页，共100页。第二十八页，共100页。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)。第二十九页，共100页。第二十九页，共100页。N末端：多肽链中有游离α-氨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C末端：多肽链中有游离α-羧基的一端第三十页，共100页。第三十页，共100页。

从N末端的氨基酸残基开始，以C末端氨基酸残基为终点。上述五肽可简写表示为：H3N+-Ser-Val-Tyr-Asp-Gln-coo-多肽链顺序：N端C端第三十一页，共100页。第三十一页，共100页。N末端C末端牛核糖核酸酶第三十二页，共100页。第三十二页，共100页。（二）体内存在多种重要的生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)构成第一个肽键的羧基是Glu的γ－羧基由Glu、Cys和Gly组成的三肽GluCysGly(1)组成(2)功能GSH是体内重要的还原剂第三十三页，共100页。第三十三页，共100页。

促甲状腺素释放激素

神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽第三十四页，共100页。第三十四页，共100页。蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节第三十五页，共100页。第三十五页，共100页。蛋白质的分子结构:

第三十六页，共100页。第三十六页，共100页。定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子中从N-端至C-端的氨基酸数目及排列顺序。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。

第三十七页，共100页。第三十七页，共100页。第一个被测定的一级结构——牛胰岛素(1953,CambrigdeU)第三十八页，共100页。第三十八页，共100页。一级结构是蛋白质空间结构和特异生物学功能的基础，如发生改变往往会导致疾病的发生。第三十九页，共100页。第三十九页，共100页。二、蛋白质的二级结构（secondarystructure）指蛋白质分子中多肽链骨架中原子的局部空间排列，不涉及氨基酸残基侧链的构象。定义:

第四十页，共100页。第四十页，共100页。多肽链骨架：由－N－Ca－C－序列重复排列而成第四十一页，共100页。第四十一页，共100页。

-螺旋(-helix)

（二）蛋白质二级结构的主要类型

-折叠(-pleatedsheet)-转角(-turn)无规卷曲(randomcoil)

第四十二页，共100页。第四十二页，共100页。α－螺旋由肽键平面盘旋形成的螺旋状构象1.概念第四十三页，共100页。第四十三页，共100页。2.α-螺旋的结构特征(1)多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升，顺时钟走向，即右手螺旋。左手和右手螺旋(2)每隔3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距为0.54nm;肽键平面与中轴平行.第四十四页，共100页。第四十四页，共100页。(3)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成。第四十五页，共100页。第四十五页，共100页。(4)α-螺旋的每个肽键的Ｎ-Ｈ和第四个肽键的羰基氧形成氢键；氢键是稳定螺旋的主要作用力。氢键的方向与中心轴大致平行；第四十六页，共100页。第四十六页，共100页。LinusPauling＆αhelix第四十七页，共100页。第四十七页，共100页。-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。

-折叠第四十八页，共100页。第四十八页，共100页。第四十九页，共100页。第四十九页，共100页。

β－折叠结构特点(１)相邻肽键平面的夹角为1100，呈锯齿状排列；侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧。第五十页，共100页。第五十页，共100页。(２)２～５条肽段平行排列构成，肽段之间可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行。（a）顺向平行式

（b）反向平行式第五十一页，共100页。第五十一页，共100页。(３)由氢键维持稳定，其方向与折叠的长轴接近垂直。第五十二页，共100页。第五十二页，共100页。-转角肽链出现1800回折时转角处的结构第五十三页，共100页。第五十三页，共100页。无规卷曲没有确定规律性的肽链构象H2NCOOH第五十四页，共100页。第五十四页，共100页。常见形式:α-螺旋组合（αα）β-折叠组合（βββ）α-螺旋β折叠组合（βαβ）（三）超二级结构-----模体（motif）指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体。第五十五页，共100页。第五十五页，共100页。第五十六页，共100页。第五十六页，共100页。锌指结构第五十七页，共100页。第五十七页，共100页。三、蛋白质三级结构（tertiarystructure）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整体排布。（一）定义第五十八页，共100页。第五十八页，共100页。主要的化学键:次级键，如疏水键、氢键、离子键和VanderWaals力等。第五十九页，共100页。第五十九页，共100页。肌红蛋白(Mb)N端C端Mb是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段-螺旋结构。2.由于侧链基因的相互作用，多肽链缠绕，形成球状分子：疏水侧链大都在分子内部，亲水侧链则在分子表面。第六十页，共100页。第六十页，共100页。（二）结构域分子量较大的蛋白质常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(domain)。第六十一页，共100页。第六十一页，共100页。细胞表面蛋白CD4分子4个相似结构域

第六十二页，共100页。第六十二页，共100页。四、蛋白质的四级结构（quaternarystructure）亚基(subunit)蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成的，每条肽链都有完整的三级结构，称其为亚基第六十三页，共100页。第六十三页，共100页。蛋白质的四级结构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。亚基间的结合力主要是疏水作用、氢键和盐键。第六十四页，共100页。第六十四页，共100页。由2个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)。

第六十五页，共100页。第六十五页，共100页。例如，血红蛋白的四级结构第六十六页，共100页。第六十六页，共100页。五、蛋白质的分类根据蛋白质分子组成:根据蛋白质形状和空间构象:纤维状蛋白质球状蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分（辅基）根据蛋白质功能:酶蛋白调节蛋白运输蛋白第六十七页，共100页。第六十七页，共100页。蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节第六十八页，共100页。第六十八页，共100页。（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构与功能的关系牛核糖核酸酶的一级结构二硫键第六十九页，共100页。第六十九页，共100页。天然状态有催化活性非折叠状态－S－S－被还原无活性天然状态－S－S－恢复正确配对活性恢复牛RNA酶的变性与复性尿素b-巯基乙醇透析说明蛋白质一级结构是空间结构形成的基础，而只有具备了特定的空间结构的蛋白质才具有生物学活性第七十页，共100页。第七十页，共100页。一级结构相似的蛋白质功能相似，一级结构不同的蛋白质功能不同ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较

（二）一级结构是功能的基础第七十一页，共100页。第七十一页，共100页。蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间结构乃至生物学功能

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”（三）一级结构改变与分子病第七十二页，共100页。第七十二页，共100页。镰状红细胞贫血的分子机制

第七十三页，共100页。第七十三页，共100页。HbS与HbA的区别Β-亚基第6位氨基酸正常人：Glu患者：Val第七十四页，共100页。第七十四页，共100页。构象是蛋白质活性与功能的根本。构象为氨基酸序列所规定，而后者又为基因所规定。二、蛋白质空间结构与功能的关系构象决定功能（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构第七十五页，共100页。第七十五页，共100页。1.肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)的结构

（二）血红蛋白构象变化与结合氧第七十六页，共100页。第七十六页，共100页。蛋白质的空间结构决定生物学功能肌红蛋白（1条多肽链）与血红蛋白（4个亚基，具有完整的四级结构）空间结构有较大差异，其功能也不相同第七十七页，共100页。第七十七页，共100页。MbHb多肽链（亚基）数14空间结构三级四级血红素辅基数14结合氧分子数14协同效应无有氧离曲线直角双曲线S形曲线功能储存氧运输氧Mb和Hb结构与功能的比较第七十八页，共100页。第七十八页，共100页。Hb与Mb的氧解离曲线氧饱和度静脉血动脉血氧分压P50100%-HbMb第七十九页，共100页。第七十九页，共100页。2.血红蛋白构象变化与结合氧

Hb与Mb一样能可逆地与O2结合；但Hb第一个亚基与O2结合，可促进第二、第三个亚基与O2的结合，前三个亚基与O2结合，又大大促进第四个亚基与O2结合。第八十页，共100页。第八十页，共100页。协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negativecooperativity)第八十一页，共100页。第八十一页，共100页。O2血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。第八十二页，共100页。第八十二页，共100页。变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。第八十三页，共100页。第八十三页，共100页。（三）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。第八十四页，共100页。第八十四页，共100页。疯牛病老年痴呆症亨丁顿舞蹈病人纹状体脊髓变性病(克-雅病)折叠错误相互聚集淀粉样纤维沉淀毒性蛋白质构象疾病的作用机理第八十五页，共100页。第八十五页，共100页。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。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变第八十六页，共100页。第八十六页，共100页。第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein第八十七页，共100页。第八十七页，共100页。一、蛋白质具有两性电离的性质蛋白质两端的-NH2和-COOH以及侧链中的某些基团均可以在一定的pH值条件下解离为带正电或负电荷的基团。PrCOOHNH3+PrCOO-NH3+PrCOO-NH2pH=pIpH<pIpH>pI+OH-+H++OH-+H+第八十八页，共100页。第八十八页，共100页。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。第八十九页，共100页。第八十九页，共100页。二、蛋白质具有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。颗粒表面电荷水化膜蛋白质胶体稳定的因素:第九十页，共100页。第九十页，共100页。+++++++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第九十一页，共100页。第九十一页，共100页。三、蛋白质变性、沉淀与凝固在某