蛋白质的结构与功能

其次章蛋白质的构造与功能蛋白质(protein)10物体含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，细胞干重的70％。几乎全部的器官都含有蛋白质，并各自具有其特别的构造，因而打算了蛋白质功能的多样性。第一节蛋白质的分子组成(proteincompositionandconstruction)一、蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有碳〔50～55、氢〔6～7、氧〔1924、氮〔13～19。大局部蛋白质还含有硫，有的还含有少量的磷或铁、锰、锌、铜、钴、钼，个别还含有碘。蛋白质元素组成特点：含氮量很接近，平均为16%。1g6.25g蛋白质。测定诞生物样品的含氮量可按下式计算出其蛋白质大致含量：100g样品中蛋白质含量〔g%〕＝每克样品中含氮克数×6.25×100二、蛋白质的根本组成单位——氨基酸〔thebasicunitofproteincomposition——aminoacid〕氨基酸(aminoacid)是组成蛋白质的根本单位。〔一〕氨基酸的命名〔略〕〔二〕氨基酸的构造特点300余种，组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。都有相应的遗传密码，故又称为编码氨基酸。氨基酸的构造通式可用下式表示R为氨基酸侧链：虽然各种氨基酸构造各不一样，但都具有如下特点：组成蛋白质的氨基酸都是α-氨基酸。即氨基均连在α-碳原子上。脯氨酸为α-亚氨基酸。α-L型和D型。组成人体蛋白质的氨基酸都是LL-α-氨基酸。L-α-氨基酸 D-α-氨基酸〔三〕氨基酸的分类氨基酸的按侧链的构造和理化性质可分为４类：非极性侧链氨基酸：甘氨酸〔Gly〕，丙氨酸(Ala)，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，丙氨酸，脯氨酸(Pro)；侧链为烃基、吲哚环或甲硫基等非极性疏水集团。非电离极性侧链氨基酸：色氨酸，丝氨酸，酪氨酸，半胱氨酸(Cys)，蛋氨酸〔Met〕，天冬酰胺，谷氨酰胺，苏氨酸；侧链上带有羟基、巯基或酰氨基等极性基团，具有亲水性，而带负电荷。酸性氨基酸：天冬氨酸，谷氨酸〔Glu〕；碱性氨基酸：赖氨酸，精氨酸，组氨酸。20种氨基酸中，甘氨酸分子量最小，脯氨酸属亚氨基酸，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽链，它形成的肽键N原子上没有Hα质中的半胱氨酸多数是以胱氨酸形式存在。〔四〕氨基酸的理化性质：具有两性解离的特性，在晶体状态下几纯水溶液中主要以两性离子存在。熔点高，除甘氨酸、丙氨酸及亮氨酸外都不溶于无水乙醇，几乎全不溶于乙醚。化学性质〔１〕 两性游离与等电点：由于全部氨基酸都含有一个碱性的氨基和一个酸性的α羧基，因此氨基酸是两性电解质，在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋pH〔isoelectricpoint,pI〕。

R CH COOHNH2RCH COOH+OHR CH COO+OHRCHCOONH+3+H+NH+3+H+NH2pH<pI阳离子pH=pI氨基酸的兼性离子pH>pI阴离子〔２〕一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键称为肽键〔peptidebond〕，是多肽及蛋白质的主要化学键。〔３〕紫外吸取性质：色氨酸，酪氨酸及苯丙氨酸的最大吸取峰在２８０ｎｍ波长四周，280nm的光吸取值是蛋白含量的快速测定方法。〔４〕茚三酮反响〔Ninbydrinreaction〕，氨基酸与茚三酮的水合物共热可缩合成蓝紫色的５７０ｎｍ。〔五〕氨基酸的连接方式〔theconjunctionmethodof Aminoacidsinprotein〕CRα-羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成的酰胺键-CO-NH。CRR1 CHNC2H

2 R1O R2OHHNCCOOH H2OH2N CCN CCOOHHHHH H10个以内的氨基酸形成的肽称为寡肽〔oligopeptide〕，十肽以上者称为多肽〔polypeptide〕。多肽成链状，称为多肽链。肽链中的氨基酸因脱水缩合已不是完整的氨基酸，故称为氨基酸残基〔residue〕。蛋白质就是由很多氨基酸残基借肽键相互连接形成的多肽链。多肽链有两端，有自由氨基的一端称氨基末端〔aminoterminal〕N端，通常写在多肽链的左侧。有自由羧基的一端称羧基末端〔carboxylterminal〕C端，通常写在多肽链的右侧。多肽链中氨基酸残基的挨次编号是从N端开头，因此肽的命名也从N端开头。医学上重要的肽生物体内存在很多具有生物活性的低分子肽，称为生物活性肽。它们具有重要的生理功能。〔〕谷胱甘肽glutathione,GS：是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组的三肽，构造式SHO CH2CCHNHCCHNHCH N C CH2

如下：GSH是体内重要的复原剂。其分子中半胱氨酸巯基可保护细胞内含巯GSH的巯基OCH HO2CH NHC2

COO-

DNA、RNA以及蛋白质结合，从而对机体起到保护作用。COOH

肽类激素和神经肽：①肽类激素：如神经垂体分泌的抗利尿激素是939肽等。这些肽在调整物质代谢方面起重要作用。②神经肽：是一些在神经传导中发挥信号作用的肽，如脑啡肽〔5肽〕和强啡肽(17肽)等。它们都是具有类吗啡作用的活性肽，有很强的镇痛作用。其次节蛋白质的分子构造〔Numeratorconstructionof protein〕蛋白质分子是由很多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子性质是由其构造所打算的。一、蛋白质的一级构造〔primarystructure〕蛋白质分子中氨基酸的排列挨次称为蛋白质的一级构造基的巯基脱氢氧化生成。胰岛素是世界上第一个被确定一级构造的蛋白质。它由A、B两条链组成，A链有21个氨基酸残基，B30个氨基酸残基，它们之间靠两个二硫键连接在一起，A链内部还有一个二硫键。胰岛素的一级构造的说明，对提醒某些疾病的发病机制、指导疾病治疗有格外重要的意义。某些疾病的发病机制、指导疾病治疗有格外重要的意义。二、蛋白质的空间构造蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结的氨基酸组成和它们的排列挨次并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质球状蛋白质()和纤维状蛋白质(原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级构造的氨基酸排列挨次来解释。主链构象：多肽主链骨架上各原子〔包括各氨基酸残基的α-碳原子及肽键有关原子〕的排布及相互关系。侧链构象：各氨基酸残基侧链基团〔Ｒ基〕中原子的排布及彼此关系。蛋白质的空间构造就是指蛋白质的二级、三级和四级构造。〔一〕蛋白质的二级构造〔secondarystructure〕蛋白质的二级构造是指多肽链主链原子的局部空间排布，不涉及氨基酸残基侧链的构象。形成二级构造的根底 肽链中肽键〔C-N〕的键长为0.132nm，介于C-N单键长〔0.149nm〕和C=N双键长〔0.123nm〕之间，有局部双键性能，不能自由旋转，可消灭顺反异构现象。在肽键中与C-N相连的OH为反式构造，这样使肽键中的C、O、N、H四个原子和与它们相邻的Cα处在同一平面内，这个平面称为肽键平面，又称肽单元。肽键两端的Cα-N和Cα-C单键可以自由旋转，旋转的角度打算了两个相邻肽键平面的相对空间位置。肽链的卷曲、折叠是由于肽键平面随Cα两侧单键的旋转而形成的。肽键平面示意图二级构造的根本形式主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲等，维系蛋白质二级构造稳定的化学键是氢键。〔1〕α-螺旋：多肽链中肽键平面通过α-碳原子的相对旋转，沿长轴方向按规律盘绕成螺旋状，螺旋走向为顺时针方向，称右手螺旋。每3.60.54nm。氨基酸侧链伸向螺旋外侧，其基团大小、外形及电荷性质均影响α-螺旋的形成。螺旋与螺旋之间通过肽键的N-H与第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与长轴根本平行，因α-螺旋是人们对蛋白质构造所提出的第一种折叠类型，是球状蛋白质构象中最常见的存在形式，空间构造第一个被说明的蛋白质〔肌红蛋白〕正好几乎完全是α-螺旋。蛋白质分子的α－螺旋β-β-片层，如幻灯片所示,β-折叠构造中，多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状构造，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状构造的上下方。所形成的锯齿状构造一般比较短，只含5～8个氨基酸残基。两条以上的多肽链或一条多肽链中的假设干肽段可相互靠拢，平行排列通过氢键相连，以维持β-折叠构造的稳定。假设两条肽链走向一样，即为顺向平行，反之则为逆向平行。蛋白质分子中的β－片层构造转角：β转角常发生在肽链进展18回折时的转角上。通常由4成，其第一个残基的羰基氧〔O〕和第四个残基的氨基氢〔H〕可形成氢键，以维持β-转角的稳定。无规卷曲：是指多肽链中除了以上几种比较规章的构象外，其余没有确定规律性的那局部肽链构象。模序〔motif〕：在很多蛋白质分子中，可觉察二个或三个具有二级构造的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特别功能的空间构造，被称为模序。蛋白质空间构象的形成，除一级构造为打算因素外，还需要一类分子伴侣〔chaperon〕的蛋白质参与。蛋白质在合成时，可防止错误的聚拢发生，使肽链正确折叠。分子伴侣也可硫键的形成起到重要作用。〔二〕蛋白质的三级构造〔tertiarystructure〕蛋白质的三级构造是指每一条肽链全部原子的空间排布，它包括主链构象和侧链构象，是在二级构造的根底上，由于侧链R基团的相互作用，进一步盘曲折叠而形成的。分子量1个或数个发挥生物学功能的特定区域称之为“构造域”“构造域”可以是酶的活性中心或是受体与配体结合的部位，大多呈裂缝、口袋、地窖状等。蛋白质三级构造的形成和稳定主要靠多肽链侧链基团间所形成的次级键如氢键、离子键、二硫键、疏水键、范德华力等。其中以疏水键最为重要。由一条多肽链构成的蛋白质，必需具有三级构造才有生物学活性。〔三〕蛋白质的四级构造〔quaternarystructure〕离子键参与维持其构造。亚基〔subunit〕：在体内有很多蛋白质分子含有二条或多条多肽链，才能全面地执行功能，每一条多肽链都有其完整的三级构造，称为蛋白质的亚基。又称为亚单位，原聚体，单体。具有四级构造的蛋白质只有形成完整的四级构造寡聚体时才具有生物活性一般没有生物学活性。亚基可以一样，也可以不同。如血红蛋白是由2α2β亚基构成的四聚体。血红蛋白α亚基和β亚基都能与氧结合，起运输氧和CO2的作用。但就丧失了运输氧的功能。五、蛋白质的分类〔Classificationofprotein〕一、按组成分类〔一〕单纯蛋白分子组成中除氨基酸外无别的组分〔二〕结合蛋白质由蛋白质和其他化合物〔非蛋白质结合而成，被结合的其它化合物称结合蛋白质的辅基。结合蛋白质又因辅基不同而分为糖蛋白、核蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白几色蛋白等如胰岛素、血红蛋白、酶、免疫球蛋白等。纤维蛋白多难溶解于水，多属于构造蛋白质，起支持作用，更慢三、按功能分类分为活性蛋白质和非活性蛋白质两类，前者包括：酶、蛋白质激素、运输和贮存的蛋白质、运动蛋白质和受体蛋白质。后者包括有角蛋白，胶原蛋白等。三、蛋白质构造与功能的关系〔Relationshipofproteinconstructionwithfunction〕〔一〕蛋白质一级构造与功能的关系一级构造是空间构造的根底：如核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的蛋白质，依靠分子内4β-巯基乙醇存在时，二硫键和非共价键断裂，空间构造破坏，酶活性丧失。用透析的方法除去尿素和β-巯基乙醇后，4并恢复原有的生物学功能。一级构造与功能的关系：一级构造相像的蛋白质其空间构造和功能也相像。如来源于人、猪、牛和羊等不同哺乳类动物的胰岛素，其分子均由A、B两条链组成，一级构造和空间构造也很相像，因此它们都执行着一样的调整糖代谢等的生理功能。〔二〕空间构造与功能的关系蛋白质的各种功能与其空间构造有着亲热的关系α链和两条β〔tensestat，T态，此时与氧的亲和力小。在组织中，血红蛋白呈T态，使血红蛋白释放出氧供组织利用。在肺血红蛋白各亚基间呈相对松弛状态即松弛态(relaxedstate，R态)，此时与氧变构效应转变其分子构象，从而完成其运输O2CO2的功能。第三节蛋白质的理化性质〔RelationshipofproteinconstructionwithPhysicsandchemistrycharacteristic〕一、蛋白质的两性解离和等电点蛋白质和氨基酸一样具有两性解离性质。蛋白质分子除两端游离的氨基和羧基可解离外，肽链中的酸性和碱性氨基酸残基侧链上的某些基团，在肯定的溶液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，蛋白质解离成阳离子和阴离子的趋势相等，既净电荷为零，成为兼性离子，此时溶液的 pH称为蛋白质的等电点isoelectricpoint,p。NH+Pr 3COOH

OH-H+

NH+Pr 3COO-

OH-H+

NH2PrCOO-〔pH＜pI〕

〔pH=pI〕

〔pH＞pI〕蛋白质解离成阳离子 蛋白质成兼性离子 蛋白质解离成阴离子不同的蛋白质其等电点不同，通常含碱性氨基酸较多的蛋白质其等电点偏碱。含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点偏酸。当蛋白质溶液的pH小于其等电点时，蛋白质颗粒带正电荷，反之则带负电荷。血浆中大多数蛋白质的等电点在pH5.0左右，因而在生理pH条件下，血浆蛋白质带负电荷。利用蛋白质两性解离的特性，可通过电泳将不同的蛋白质从混合物中分别出来。电泳较快；带电荷少，分子大的泳动较慢，从而到达分别蛋白质的目的。pH＝8.7α、α、β、γ球蛋白。清蛋白分子量最小，跑的最快，γ球蛋白最大，跑的最慢。1 2二、蛋白质的胶体性质1100万之间，其分子颗粒大小在胶体颗粒〔1～100nm〕范围之内。蛋白质颗粒外表大多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒外表形成一层水化膜；此外蛋白质在等电点以外的pH面电荷和水化膜两个稳定因素，蛋白质极易从溶液中析出而产生沉淀。离。如利用半透膜来分别纯化蛋白质，此方法称为透析。人体的细胞膜、线粒体膜、毛细血起着重要的作用。的沉降速度即为沉降系数〔S。蛋白质的分子量越大、颗粒密度越大其沉降系数也越大。故