蛋白质的结构与功能兼容

蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节目前一页\总数七十七页\编于十八点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其他元素，如：磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼、碘等。

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。根据生物样品中的含氮量可以推算出蛋白质的大致含量。目前二页\总数七十七页\编于十八点一、组成人体蛋白质的20种L--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氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。目前三页\总数七十七页\编于十八点COO-C+NH3L-氨基酸的通式RH目前四页\总数七十七页\编于十八点非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类目前五页\总数七十七页\编于十八点几种特殊氨基酸1.脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2其他氨酸（-氨基酸）COO-C+NH3RH目前六页\总数七十七页\编于十八点2.半胱氨酸胱氨酸二硫键-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目前七页\总数七十七页\编于十八点在蛋白质翻译后，脯氨酸和赖氨酸可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。3.羟脯氨酸和羟赖氨酸目前八页\总数七十七页\编于十八点三、氨基酸的理化性质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。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。（一）氨基酸具有两性解离的性质目前九页\总数七十七页\编于十八点pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子目前十页\总数七十七页\编于十八点（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。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目前十一页\总数七十七页\编于十八点（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物所有氨基酸及具有游离α-氨基的肽与茚三酮反应都产生蓝紫色物质，只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质。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。目前十二页\总数七十七页\编于十八点四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽+NH-CH-CHOHOOH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO肽键目前十三页\总数七十七页\编于十八点二肽R2-N-CHCOH-NH2-CH-CR1ONH2-CH-COR10N-CHCOH-OH……肽(peptide)是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。R3N-CHCOH-三肽十个以内氨基酸构成的肽称为寡肽。十个以上氨基酸构成的肽称为多肽。氨基酸残基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-羧基的一端目前十四页\总数七十七页\编于十八点

蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽。一般而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍称为多肽。目前十五页\总数七十七页\编于十八点（二）体内存在多种重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)目前十六页\总数七十七页\编于十八点GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换目前十七页\总数七十七页\编于十八点

体内许多激素属寡肽或多肽

神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽目前十八页\总数七十七页\编于十八点蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节目前十九页\总数七十七页\编于十八点蛋白质的分子结构包括:

高级结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)目前二十页\总数七十七页\编于十八点定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一、蛋白质的一级结构主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。目前二十一页\总数七十七页\编于十八点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。目前二十二页\总数七十七页\编于十八点二、蛋白质二级结构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。定义:

CR2-……CR1--CO-COHNHHCO-N-HHCOR3N-CH-HCOR10N-CH-OHH肽链主链骨架由氨基氮N、Cα和羰基C等3个原子依次重复排列构成。

目前二十三页\总数七十七页\编于十八点（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上肽键具有双键属性，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)

。目前二十四页\总数七十七页\编于十八点

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构蛋白质二级结构维持二级结构的化学键：氢键

目前二十五页\总数七十七页\编于十八点（二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构1）右手螺旋结构。2）螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基。3）靠链内氢键维持的，每个肽键的N-H与第4个残基的羰基氧形成氢键。4）侧链基团伸向螺旋外侧。目前二十六页\总数七十七页\编于十八点（三）-折叠使多肽链形成片层结构1）β-折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状结构。2）维持β-折叠结构稳定性的氢键在链与链之间形成，由一条链上的羰基氧和另一条链上的氨基N-H之间形成。3）侧链基团交替地分布于片层平面两侧。4）β-折叠分平行式和反平行式。

目前二十七页\总数七十七页\编于十八点目前二十八页\总数七十七页\编于十八点（四）-转角-转角也称β-回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折180°，使得第一个氨基酸残基的C=O和与第四个残基的N-H形成氢键。目前二十九页\总数七十七页\编于十八点（四）无规卷曲无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。目前三十页\总数七十七页\编于十八点（五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体(motif)

，也被称为超二级结构。目前三十一页\总数七十七页\编于十八点α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体链-β转角-链模体链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体模体常见的形式目前三十二页\总数七十七页\编于十八点钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构目前三十三页\总数七十七页\编于十八点（六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。目前三十四页\总数七十七页\编于十八点多聚丙氨酸在pH7的水溶液中能形成α-螺旋，多聚异亮氨酸不能形成α螺旋，多聚脯氨酸不能形成α螺旋。多聚赖氨酸在pH7不形成α螺旋，而在pH12时自发形成α螺旋。实例1、-螺旋肽链中脯氨酸经常形成β-转角，肽链中甘氨酸经常形成β-转角。2、-转角目前三十五页\总数七十七页\编于十八点三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成三级结构疏水键、离子键、氢键和范德华力等。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。定义:（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置目前三十六页\总数七十七页\编于十八点

肌红蛋白(Mb)N端C端目前三十七页\总数七十七页\编于十八点目前三十八页\总数七十七页\编于十八点（二）结构域是三级结构层次上的独立功能区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域(domain)。大多数结构域含有序列上连续的100至200个氨基酸残基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本不改变，并保持其功能。超二级结构则不具备这种特点。因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构。目前三十九页\总数七十七页\编于十八点3-磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构示意图目前四十页\总数七十七页\编于十八点（三）蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。分子伴侣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。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。目前四十一页\总数七十七页\编于十八点亚基之间的结合主要是氢键和离子键。四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有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，称为蛋白质的四级结构。许多功能性蛋白质分子含有2条或2条以上多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。目前四十二页\总数七十七页\编于十八点由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)。血红蛋白的四级结构目前四十三页\总数七十七页\编于十八点五、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目前四十四页\总数七十七页\编于十八点蛋白质家族（proteinfamily）

:氨基酸序列相似而且空间结构与功能也十分相近的蛋白质。属于同一蛋白质家族的成员，称为同源蛋白质（homologousprotein）。

蛋白质超家族（superfamily）

:2个或2个以上的蛋白质家族之间，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有发挥相似作用的同一模体结构。目前四十五页\总数七十七页\编于十八点蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节目前四十六页\总数七十七页\编于十八点（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键目前四十七页\总数七十七页\编于十八点

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，无活性目前四十八页\总数七十七页\编于十八点（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。────────────────────────

氨基酸残基序号胰岛素───────────────

A5A6A10A30────────────────────────

人ThrSerIleThr

猪ThrSerIleAla

狗ThrSerIleAla

兔ThrGlyIleSer

牛AlaGlyValAla

羊AlaSerValAla

马ThrSerIleAla────────────────────────目前四十九页\总数七十七页\编于十八点（三）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病例：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”。目前五十页\总数七十七页\编于十八点肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似目前五十一页\总数七十七页\编于十八点肌红蛋白(myoglobin，Mb)肌红蛋白由一个多肽链和一个含铁血红素辅基组成，存在于骨骼肌和心肌等组织。它有8段α-螺旋结构。血红素位于分子内部的袋形空穴，以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链相连，肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。目前五十二页\总数七十七页\编于十八点血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有4个亚基，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。Hb亚基的三级结构与肌红蛋白极为相似。目前五十三页\总数七十七页\编于十八点Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合目前五十四页\总数七十七页\编于十八点肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线目前五十五页\总数七十七页\编于十八点脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键目前五十六页\总数七十七页\编于十八点血红素与氧结合后，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。目前五十七页\总数七十七页\编于十八点目前五十八页\总数七十七页\编于十八点协同效应(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)目前五十九页\总数七十七页\编于十八点别构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应。目前六十页\总数七十七页\编于十八点（三）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。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。目前六十一页\总数七十七页\编于十八点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。疯牛病中的蛋白质构象改变目前六十二页\总数七十七页\编于十八点第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein目前六十三页\总数七十七页\编于十八点一、蛋白质具有两性电离的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。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。蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)目前六十四页\总数七十七页\编于十八点二、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:目前六十五页\总数七十七页\编于十八点+++++++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目前六十六页\总数七十七页\编于十八点三、蛋白质空间结构破坏而引起变性在某些物理和化学因素作用下，其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。蛋白质的变性(denaturation)目前六十七页\总数七十七页\编于十八点造成变性的因素: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。目前六十八页\总数七十七页\编于十八点

应用举例:临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。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。

目前六十九页\总数七十七页\编于十八点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)。目前七十页\总数七十七页\编于十八点在一定条件下，