蛋白质的结构与功能

蛋白质的结构与功能第一章StructureandFunctionofProtein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。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；细胞的各个局部都含有蛋白质。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％。1〕作为生物催化剂〔酶〕2〕代谢调节作用3〕免疫保护作用4〕物质的转运和存储5〕运动与支持作用6〕参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节一、组成蛋白质的元素及特点

有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se、I等。

C50~55%H6~7%O19~24%N13~19%S0~4%主要元素组成

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*二、蛋白质的根本组成单位—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根本氨基酸仅有20种。氨基酸的通式:L-α-氨基酸氨基均连接在紧靠羧基的-碳原子上故称-氨基酸且均属L-氨基酸〔甘氨酸除外〕。H甘氨酸CH3丙氨酸L--氨基酸的通式R

侧链氨基酸的旋光异构根本氨基酸中，除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-α-氨基酸。例外：Pro—亚氨基酸Gly

—

没有手性非极性疏水性氨基酸(7种)极性中性氨基酸(8种)酸性氨基酸〔Asp、Glu〕碱性氨基酸〔Arg、His、Lys〕三、氨基酸的分类*〔按R基团在中性溶液中的解离性质分〕甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00缬氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucineLeuL

5.98

异亮氨酸

isoleucineIleI

6.02

苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非极性疏水性氨基酸色氨酸

tryptophanTrpW

5.89丝氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTyrY

5.66

半胱氨酸

cysteineCysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagineAsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

苏氨酸

threonineThrT5.602.极性中性氨基酸天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22赖氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76组氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸——侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。3.酸性氨基酸Glu，Asp天冬氨酸

Asp

谷氨酸

Glu

4.碱性氨基酸His，Arg，Lys——侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。组氨酸His赖氨酸Lys

精氨酸Arg芳香族氨基酸：苯丙、色、酪脂肪族氨基酸：丙、缬、亮、异亮含硫氨基酸：蛋、半胱含羟基氨基酸：丝、苏、酪氨基酸的其它分类*另外：1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修饰的——修饰氨基酸如：脯氨酸羟基化成羟脯氨酸

赖氨酸羟基化成羟赖氨酸2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在

半胱氨酸

+胱氨酸二硫键-HH四、氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点等电点(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。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子

阳离子阴离子思考:酸性氨基酸的等电点偏酸还是偏碱?2.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。3.茚三酮反响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。五、氨基酸之间的连接方式1〕连接方式：肽键肽键(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，本质为酰胺键。氨基酸残基(residue):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。+-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12*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合那么形成三肽……*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：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端２〕多肽链有方向性：Ala-Tyr-Asp-GlyNCN端C端N末端C末端牛核糖核酸酶六、重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH复原酶NADPH+H+NADP+GSH有抗氧化剂的作用，可复原细胞内产生的过氧化氢

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七、蛋白质的分类

*根据蛋白质组成分

单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分

*根据蛋白质形状分

纤维状蛋白质:多为结构蛋白，难溶于水球状蛋白质:多数具有生理活性，根本可溶*根据蛋白质功能分

蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节蛋白质的分子结构包括〔人为划分〕

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维系键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

第一个被确定一级结构的蛋白质：牛胰岛素一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的根底,但不是唯一的决定因素。多肽链中氨基酸序列分析分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基把肽链水解成片段，分别进行分析测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用Edman降解法一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然后经过组合排列比照，最终得出完整肽链中氨基酸顺序的结果。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

。一、定义:

二级结构的根本单位：肽键平面或肽单元肽键有局部双键性质肽键由于共振而具有局部双键性质，因此，肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面相邻的a碳原子呈反式构型肽键平面——由于肽键具有局部双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。肽单元(肽键平面)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(二〕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)

1.α-螺旋：α-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象结构要点：〔1〕主链通过α－碳原子旋转形成稳固的右手螺旋。〔2〕每3.6个氨基酸残基上升一圈，间距0.15nm，螺距0.54nm。〔3〕相邻两圈螺旋之间借氢键稳定。〔这是稳定α－螺旋的主要键〕〔4〕肽链中氨基酸侧链R，伸展在螺旋外侧。〔其形状、大小及电荷影响α－螺旋的形成〕2.

-折叠β-折叠是由假设干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象

结构特征：

(1)肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110。夹角

(2)氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。

(3)依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与N-H形成氢键，使构象稳定。

(4)两段肽链可以是逆向平行，也可以是顺向平行。

β-折叠包括平行式和反平行式两种类型3.

-转角是多肽链180°回折局部所形成的一种二级结构无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那局部肽链结构。4.无规卷曲〔三〕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。常见形式有：螺旋绕螺旋型锌指型亮氨酸拉链型螺旋-环-螺旋型

螺旋-转角-螺旋

锌指结构

亮氨酸拉链

螺旋-环-螺旋

〔五〕影响二级结构形成的因素：1〕侧链基团的大、小2〕侧链基团的带电性质3〕脯氨酸是α-螺旋的绝对破坏者〔四〕主要的维系键：氢键三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。（二）维系键：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。〔一〕定义次级键

肌红蛋白(Mb)

N端C端

为单肽蛋白质，含有153个氨基酸，有8个螺旋区对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能〔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。三级结构中独立执行某种功能的局部区域，称为结构域(domain)。四、蛋白质的四级结构定义：具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构(quarternarystructure)。

有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条具有完整三级结构的多肽链，称为蛋白质的亚基(subunit)。

。亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。血红蛋白的四级结构

胰岛素受体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根底一级结构相似的蛋白质，其根本构象及功能也相似。如不同哺乳类动物的胰岛素分子，一级结构中仅个别氨基酸有差异，形成的空间结构与功能均相似在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明显的影响。一、蛋白质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)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〞。重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病蛋白质的空间构象是其功能活性的根底，构象发生变化，其功能活性也随之改变。二、蛋白质空间结构与功能的关系

肌红蛋白Mb血红蛋白Hb蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象疾病：假设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。蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。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。举例：疯牛病中的蛋白质构象改变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-折叠正常疯牛病第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein〔一〕蛋白质的两性电离特性一、理化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。*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碱负酸正思考：1〕含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点是偏酸还是偏碱？2〕等电点为6的蛋白质于8.6的缓冲溶液中，其于电场中向何方向移动？应用：电泳、离子交换层析别离蛋白质〔二〕蛋白质的胶体性质

1、分子大，不易透过半透膜-用于透析、超滤。

举例：胶原蛋白的别离纯化2、可形成稳定的水溶液：

水化膜、外表电荷

思考：假设欲使蛋白质沉淀，可采取何策略？+++++++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〔三〕蛋白质的变性、沉淀和凝固１、蛋白质的变性(denaturation)１〕定义：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。３〕造成变性的因素物理因素：高温、高压、紫外线照射、剧烈震荡等化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等

２〕变性的本质：空间结构破坏〔次级键断裂〕４〕性质改变：①生物学活性丧失②溶解度下降③粘度增加④易被蛋白酶水解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。假设蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或局部恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)。２、蛋白质的复性

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３、蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白质从溶液中析出的现象。变性与沉淀的关系变性的蛋白质易于沉淀，但不一定沉淀；沉淀了的蛋白质也并不一定变性。４、蛋白质的凝固作用(proteincoagulation)蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较巩固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。〔四〕蛋白质的紫外吸收*由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。特点：快速、方便但准确度较差

〔五〕蛋白质的呈色反响(举例〕⒈茚三酮反响(ninhydrinreaction)蛋白质及氨基酸均可与茚三酮反响生成蓝紫色化合物。⒉双缩脲反响(biuretreaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反响称为双缩脲反响，双缩脲反响可用来进行蛋白质定量分析或检测蛋白质水解程度。附：蛋白质的别离纯化方法〔一〕根据分子大小不同〔三〕利用溶解度和亲和力差异〔二〕根据带电性质和多少不同透析、超滤、凝胶过滤、超速离心等电泳、离子交换层析等

丙酮沉淀、盐析、免疫沉淀、亲和层析等利用电荷性质可采用电泳法别离蛋白质*蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而到达别离各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。电泳中分子越小、带电荷量越多的移动越快待别离蛋白质溶液〔流动相〕经过一个固态物质〔固定相〕时，根据溶液中待别离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待别离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而到达别离蛋白质的目的。层析(chromatography)蛋白质别离常用的层析方法*离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行别离。*凝胶过滤(gelfiltration)又称分子筛层析，利用各蛋白质分子大小不同别离。凝胶过滤(gelfiltration)又称分子筛层析。利用各蛋白质分子大小不同别离。分子大的先洗脱下来，分子小的后下来。

大分子蛋白先洗脱下来

什么是蛋白质组？

蛋白质组是指“由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质〞。荧光染色的细胞内蛋白质对应于基因组的所有蛋白质构成的整体，不是局限于一个或几个蛋白质。同一基因组在不同细胞、不同组织中的表达情况各不相同。在空间和时间上动态变化着的整体。蛋白质组是：蛋白质组学(proteomics)

指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新兴科学，其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成份、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。

主要研究内容

了解某种特定的细胞、组织或器官制