生物化学01蛋白质结构与功能

蛋白质的结构与功能第一章StructureandFunctionofProtein蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节

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

。 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×6.25×100

蛋白质元素组成的特点1/(16%)一、组成蛋白质的基本单位——氨基酸H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。L-a-氨基酸COOHCHNH2RaD-a-氨基酸COOHCHH2NRa非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸谷氨酸/天冬氨酸碱性氨基酸赖氨酸/精氨酸/组氨酸（一）氨基酸的分类亮氨酸

(Leucine,Leu,L)COOHCHH2NCH2aOHCOOHCHH2NCH2aCHCH3CH3丝氨酸(Serine,Ser,S)非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸谷氨酸

(Glutamicacid,Glu,E)COOHCHH2NCH2aCH2COOHCOOHCHH2NCH2aCH2CH2CH2NH2精氨酸

(Arginine,Arg,R)酸性氨基酸碱性氨基酸结构特殊氨基酸——脯氨酸(Proline,Pro,P)（亚氨基酸）CH2CHCOOHCH2NHCH2最新发现的有遗传密码子编码的氨基酸

——硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸硒代半胱氨酸Selenocysteine吡咯赖氨酸pyrrolysineCOOHCHCH2SeHH2N稀有氨基酸：由20个基本氨基酸延伸而来的其他氨基酸。+胱氨酸二硫键-HH赖氨酸羟赖氨酸[O]脯氨酸羟脯氨酸[O]（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，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。RpH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸为兼性离子氨基酸为阳离子氨基酸为阴离子等电点(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（pI）。2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。含有这两种氨基酸的蛋白质在280nm附近有最大吸收峰。芳香族氨基酸的紫外吸收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。二、肽肽键(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。 其化学本质是一个酰胺键。（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键氨基酸残基氨基酸残基氨基末端羧基末端氨基酸残基的编号方向：N末端C末端。习惯上N-末端写在左边。12肽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……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)。多肽达到100个氨基酸残基或分子量达到1万时称为蛋白质(protein)。*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。*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)。丙氨酰丝氨酰半胱氨酰甘氨酸OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2（丙氨酸）（丝氨酸）（半胱氨酸）（甘氨酸）主链侧链氨基末端：多肽链中有自由氨基的一端羧基末端：多肽链中有自由羧基的一端*多肽链有两端OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2氨基末端羧基末端氨基末端羧基末端牛核糖核酸酶（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)

体内许多激素属寡肽或多肽2.多肽类激素及神经肽三、蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质：仅由氨基酸组成的活性蛋白结合蛋白质=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球状蛋白质(长轴:短轴<5)纤维状蛋白质(长轴:短轴>5)蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein第二节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)高级结构定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。一、蛋白质的一级结构主要的化学键

肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。二、蛋白质的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

。定义主要的化学键：

氢键

CNOHCNOH（一）肽单元（肽平面，peptideunit）(组成肽键的四个主要原子）（一）肽单元（肽平面，peptideunit）CNCCNCOHOH（一）肽单元（肽平面，peptideunit）参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2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)

。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)

（二）

-螺旋（二）

-螺旋（二）

-螺旋a-螺旋的结构特点：多肽链的主链围绕中心轴形成右手螺旋每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm稳定力：氢键氨基酸残基的侧链在螺旋的外侧，并影响到a-螺旋的稳定性（三）

-折叠（三）

-折叠b-折叠走向示意图b-折叠的结构特点：呈折纸状，即以每个肽单元的Ca为旋转点，依次折叠成锯齿状两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，走向可以相同，也可相反稳定力：氢键氨基酸残基的侧链基团交替地位于锯齿状结构的上下方，并影响到折叠的稳定性（四）

-转角和无规卷曲

-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。常见蛋白激酶结构示意图b-折叠无规卷曲a-螺旋b-转角二级结构表述的是蛋白质主链的局部结构特征（五）模体(motif)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，形成一个特殊的空间构象，被称为模体(motif)。兔的丙酮酸激酶三级结构b-a-b环（模体）（五）模体(motif)钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构三、蛋白质的三级结构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。三级结构是蛋白质具有活性的结构基础。（一）定义肌红蛋白(Mb)（外观三维立体图）（平面示意图图）（二）稳定三级结构主要的化学键

疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。纤连蛋白分子的结构域（三）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)。钙肌蛋白C（TroponinC）结构与功能结构域1结构域2钙肌蛋白C（TroponinC）结构与功能 钙肌蛋白C的两个结构域分别与钙肌蛋白I、T结合。当钙肌蛋白C与Ca2+结合时，结构发生改变，激发了肌肉的收缩。钙肌蛋白C（四）分子伴侣（chaperon） 分子伴侣是一种引导蛋白质正确折叠的蛋白质。当蛋白质折叠时，它们能保护蛋白质分子免受其它蛋白质的干扰。 很多分子伴侣属于热休克蛋白（例如HSP-60），它们在细胞受热时大量合成。热激可导致蛋白质稳定性降低，增加错误折叠的几率，因此在受到热刺激时，细胞中的蛋白质需要更多热休克蛋白的帮助。分子伴侣示意图侧面图俯视图四、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)。 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。 亚基之间的稳定力：主要是疏水作用力，其次是氢键和离子键等次级键。血红蛋白的四级结构蛋白质一至四级结构的关系一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节（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，无活性牛核糖核酸酶的变性与复性（二）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)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”。一级结构关键部分相似，功能相似；一级结构关键部分改变，功能或活性改变。正常红细胞与镰形红细胞的比较蛋白质空间相似，功能相似；蛋白质