医用生物化学-01章蛋白质的结构与功能 教学课件

蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein生物科学与技术学院生物化学系唐建华第1章蛋白质的结构与功能

Chapter1StructureandFunctionofProtein重点与难点：氨基酸的分类肽键和肽蛋白质一、二、三、四结构的概念和维持这些结构的化学键蛋白质两性解离、等电点及变性与沉淀蛋白质一级结构与功能的关系血红蛋白的变构现象一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。Protein：Amacromoleculecomposedofoneormorepolypeptidechains.

Eachpolypeptidechainshasacharacteristicsequenceofaminoacidslinkedbypeptidebonds.

Themolarmassisusuallyabove100,000二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：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：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。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.氧化供能内蒙古先后发现两块肉样的软物太岁-----是生物吗？蛋白质分子中主要的元素组成是：C、H、O、N、S等。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一节蛋白质的分子组成一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于L-

-氨基酸

aminoacid：Anorganicacidwithanα-carbonatomlinkedtoacarboxylicacid,anaminogroup,ahydrogenatom,andasidechain(theRgroup).Twentydifferentaminoacidsarethebuildingblocksofproteins.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，且均属于L-α-氨基酸（除脯氨酸和甘氨酸外）。这20种氨基酸都有各自的遗传密码。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-HL型和D型的由来甘油醛的旋光性

左旋甘油醛的构型右旋甘油醛的构型按原子序数法确定了L型和D型氨基酸，但现在L和D已经不代表氨基酸的旋光性，只代表氨基酸的绝对构型。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(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸rpyr(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸几种特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸）在体内，一些特殊蛋白质分子中还含有其它氨基酸，如胱氨酸、胶原蛋白中的羟脯氨酸及羟赖氨酸等，它们都是在蛋白质生物合成之后，相应的氨基酸残基被修饰形成的。甘氨酸无旋光性

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-+NH3三、20种氨基酸具有共同或特异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pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子（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（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。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。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。peptidebond：Acovalentlinkageformedbetweentheα-carboxylgroupofoneaminoacidandtheα-aminogroupofanother.Alsoknownasanamidebond.（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。peptide:Twoormoreaminoacidscovalentlyjoinedbypeptidebonds.

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)。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carboxyl-terminalresidue：Theaminoacidresidueinapolypeptidechainwithafree-carboxylgroup.

多肽链有两端：polypeptide:Alongchainofaminoacidslinkedbypeptidebonds;themolecularweightisgenerallylessthan10,000.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。N末端C末端牛核糖核酸酶

表：多肽与蛋白质的比较

多肽

蛋白质共同点

都是氨基酸的多聚物分子大小氨基酸残基数举例

较小〈30ACTH（39个氨基酸残基）

较大〉50胰岛素（51个氨基酸残基）构象不稳定稳定

通常将氨基酸残基数目在50个以上，且具有特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸残基数目在50个以下，且无特定空间结构者称多肽。（二）体内存在多种重要的生物活性肽生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为体内重要的还原剂；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节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)蛋白质的一、二、三、四级结构是人为划分的。蛋白质的高级结构属于空间结构，即构象(conformation)

构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。Configuration.Thespatialarrangementinwhichatomsarecovalentlylinkedinamolecule.Conformation.Thespatialarrangementofatomsinaproteiniscalleditsconformation.Thethree-dimensionalarrangementadoptedbyamolecule,usuallyacomplexmacromolecule.Moleculeswiththesameconfigurationcanhavemorethanoneconformation.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。primarystructure：Inapolymer,thesequenceofaminoacidsandanyinterchainandintrachaindisulfidebondsofaprotein.Thissequenceisspecifiedbygeneticinformation.

一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键，有些蛋白质还包含二硫键

。一级结构是蛋白质最基本的结构，它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。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。胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。测定蛋白质的一级结构的主要意义：一级结构是研究高级结构的基础。可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。可以为生物进化理论提供依据可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构定义: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

。secondarystructure：Thelocalizedconformationofaprotein.

Asthepolypeptidechainfolds,itformscertainlocalizedarrangementsofadjacentaminoacids.

主要的化学键：氢键

（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的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)

。peptideunit:Thesixatomsofthepeptidegroup(C

1、C、O、N、H、C

2)lieinasingleplane,withtheoxygenatomofthecarbonylgroupandthehydrogenatomoftheamidenitrogentranstoeachother.ThepeptideCONbondsareunabletorotatefreelybecauseoftheirpartialdouble-bondcharacter.RotationispermittedabouttheNOC-andtheC-OCbonds.

由于C=O双键中的π电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。Cα1和Cα2在平面上所处的位置为反式(trans)构型

由于α-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。★多肽链可以看成由Cα串联起来的无数个酰胺平面组成

-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α-helix:Ahelicalconformationofapolypeptidechain,usuallyright-handed,withmaximalintrachainhydrogenbonding;oneofthemostcommonsecondarystructuresinproteins.LinusCarlPauling（1901-1994）USA.TheNobelPrizeinChemistry1954α-螺旋(α－helix)

是多个肽键平面通过α－碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋的构象形式。Pauling和Corey于1965年提出。

-螺旋左手螺旋右手螺旋结构要点：1）右手螺旋，螺旋的每圈有3.6个氨基酸残基，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100°。2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键（hydrogenbond），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。—C—(NH—C—CO

)3N—OHHR3.613(ns)3)R侧链基团伸向螺旋的外侧。RRRRRRRRR螺旋的横截面4）Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。极大的R侧链基团（存在空间位阻）连续存在的R侧链带有相同电荷的R侧链（同种电荷的互斥效应）纤维状蛋白质β-折迭(β-pleatedsheet)是由若干肽段或肽链排列起来所形成的相当伸展的片层构象。

Beta-sheet:Asheetlikestructureformedbytheinteractionbetweentwoormoreextendedpolypeptidechains.Itistheextendedßconformation.结构特征为：⑴由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构；⑵主链骨架伸展呈锯齿状；氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。

⑶借相邻主链之间的氢键维系。（三）

-折叠使多肽链形成片层结构β-折迭包括平行式和反平行式两种类型

蚕丝的丝心蛋白二级结构-----

-折叠。α-螺旋与β-折迭的比较

表：α-螺旋与β-折迭的比较

形状氢键R基团延伸性α-螺旋螺旋状链内较大较大β-折迭

锯齿状链内或链间

较小

较小

无规卷曲(randomcoil)：无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构(构象)。β-转角(β-turn)是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构。

The

-turn,whichmakesatight180-degreeturn,involvesfouraminoacids.Thefirstaminoacidishydrogen-bondedtothefourth.

-turnoccurprimarilyatproteinsurfacesandoftencontainprolineorglycine.（四）

-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在β-转角的结构特征：

⑴主链骨架本身以大约180°回折;⑵回折部分通常由四个氨基酸残基构成;第二个残基常为脯氨酸。⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基形成氢键来维系。

RNase的分子结构α-螺旋β-折迭β-转角无规卷曲（五）模体是具有特殊功能的超二级结构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。二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ。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)

。模体是具有特殊功能的超二级结构。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构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（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响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。如谷氨酸、丙氨酸是最强的螺旋形成残基，而缬氨酸、异亮氨酸则是最强的折叠形成残基,Pro和Gly主要分布在转角中。因此，可以根据每种氨基酸残基形成二级结构的倾向性或者统计规律进行二级结构预测。例如：肽链Ala(A)-Glu(E)-Leu(L)-Met(M)倾向于形成

螺旋，而肽链Pro(P)-Gly(G)-Tyr(Y)-Ser(S)则不会形成

螺旋。

三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals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:Tertiarystructure：Theoverallthree-dimensionalconformationofaproteininitsnativefoldedstate.

（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肌红蛋白（Mb）N端C端蛋白质三级结构的特点外形呈球状或纤维状球状蛋白质形成疏水区（分子内部）和亲水区（分子表面）维系三级结构的化学键主要是R之间的次级键可表现生物学活性并形成结构域（domain)是含单一肽链蛋白质的最高结构形式所有蛋白质都具有三级结构纤连蛋白分子的结构域（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区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)。（三）分子伴侣参与蛋白质折叠分子伴侣(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。

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。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)。维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。并非所有蛋白质分子均具有四级结构，含单一肽链的蛋白质最高结构形式是三级结构。quaternarystructure：Inproteinscontainingmorethanonepolypeptidechain,thespatialarrangementsofthosechains(subunits)andthenatureofcontactsamongthem.subunit:Theindependentlythree-dimensionalstructureinaproteinwithquaternarystructure.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蛋白质四级结构特点：（3）亚基单独存在时无生物活性或活性很小，只有通过亚基相互聚合成四级结构时，蛋白质才具有完整的生物活性。（1）有多个亚基；（2）稳定性主要靠亚基间的疏水键相互作用维持，盐键、氢键、范德华力等次级键也有不同程度的作用。（4）构成更大分子的聚合体。蛋白质结构层次小结一级结构（肽链结构，指多肽链中的氨基酸排列顺序）↓二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形成的有规律性的结构）↓超二级结构（模体，相邻二级结构的聚集体）↓结构域（在空间上可明显区分的相对独立的区域性结构）↓三级结构（蛋白质中所有原子在空间的相对位置）↓四级结构（亚基聚合体）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六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。（二）蛋白质组学研究技术平台蛋白质组学是高通量，高效率的研究:双向电泳分离样品蛋白质蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析（三）蛋白质组学研究的科学意义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（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochromeC)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。镰刀状红细胞贫血：由于基因突变导致血红蛋白β-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。

（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病β-链1234567Hb-AVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys…Hb-SVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…Val取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑点含氧HbS脱氧HbS疏水位点血红蛋白分子凝集蛋白质一级结构与功能的关系小结：1、一级结构不同，空间结构各异，功能不同2、一级结构相似，空间结构相近，功能相同3、一级结构中非关键部位氨基酸残基发生变化，不影响生物活性。4、一级结构中关键部位氨基酸残基发生变化，可导致功能变化。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，无活性二、蛋白质的功能依赖特定空间结构肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基肌红蛋白(myoglubin，Mb)是一个只有三级结构的单链蛋白质血红蛋白(hemoglubin，Hb)是具有4个亚基组成的四级结构的球状蛋白。（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似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。当血红蛋白的一个α亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合Hb和Mb的氧解离曲线不同，前者为S状曲线，后者为直角双曲线。Hb与02结合存在变构效应。血红蛋白的变构Bindingaligandtoaspecificsiteinaproteintriggersaconformationalchangethataltersitsaffinityforotherligands.Ligand-inducedconformationalchangesinsuchproteinsarecalledallostericeffect.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。这是因为未结合02时，Hb的结构较为紧密，称为紧张态(tensestate，T态)

，T态Hb与02的亲