生物化学 课件 第2章 蛋白质的结构与功能

第二章蛋白质的结构与功能一、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。第一节蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成(一)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。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%(二)蛋白质元素组成的特点二、蛋白质的基本单位——氨基酸(一)氨基酸的通式存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）的不同，故具有不同的理化性质C+NH3COO-HCH3R甘氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式(二)氨基酸的分类非极性侧链氨基酸(8种)水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。

极性中性侧链氨基酸(7种)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性(除外色氨酸)。酸性氨基酸(2种)侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。碱性氨基酸（3种）侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+

而带正电荷。20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:1.非极性侧链氨基酸(8种)中文名称英文名称缩写符号结构式等电点甘氨酸glycineGlyG5.97CHCOOHNH2H缬氨酸valineValV5.96CHCOOHNH2CH3丙氨酸alanineAlaA6.00CHCOOHNH2CH3-CHCH3亮氨酸leucineLeuL5.98CH3-CH-CH2CHCOOHNH2CH3

异亮氨酸isoleucineIleI6.02CHCOOHNH2CH3-CH2-CHCH3脯氨酸prolineProP6.30

苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48-CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNHCH2CH2

蛋氨酸methionineMetM5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH2丝氨酸serineSerS5.68HO-CH2CHCOOHNH2酪氨酸tyrosineTryY5.66-CH2CHCOOHNH2HO-

半胱氨酸cysteineCysC5.07HS-CH2CHCOOHNH22.极性中性侧链氨基酸(7种)中文名称英文名称缩写符号结构式等电点天冬酰胺asparagineAsnN5.41

谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65CHCOOHNH2HO-CHCH3

苏氨酸threonineThrT5.60CHCOOHNH2HO-CHCH3H2N-C-CH2CHCOOHNH2O色氨酸tryptophanTryW5.89CHCOOHNH2-CH2NH3.酸性氨基酸(2种)中文名称英文名称缩写符号结构式等电点

天冬氨酸asparticacidAspD2.97CHCOOHNH2

HOOC-CH2谷氨酸glutamicacidGluE3.22CHCOOHNH2HOOC-CH2-CH24.碱性氨基酸(3种)中文名称英文名称缩写符号结构式等电点赖氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2精氨酸arginineArgR10.76CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NH组氨酸histidineHisH7.59CHCOOHNH2HCCH2NHCNCH(三)几种特殊氨基酸1.含硫氨基酸半胱氨酸

+-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS--COOHCH-CH2NH2半胱氨酸

-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S--COOHCH-CH2NH2二硫键胱氨酸(四)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，其解离方式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。CHNHCOOHRCHNH2COOHRCHNHCOOHRCHNH3COOHR++H++OH-CHNHCOORCHNH3COO-R++OH-+H+CHNHCOORCHNH2COO-RpH<pI阳离子pH=pI氨基酸的兼性离子pH>pI阴离子2.紫外吸收240250260270280290300310光密度色氨酸酪氨酸色氨酸、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。波长(nm)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。2NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+RCHOCO2+H++水合茚三酮罗曼紫(蓝紫色)第一节蛋白质的分子组成（四）氨基酸的分离与分析2.分配柱层析1.分配层析3.纸层析7.高效液相层析6.气液层析5.离子交换层析4.薄层层吸三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式

(一)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。甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH

(一)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。三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH肽键1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。(二)肽(peptide)2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。

4.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)。5.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。分别有：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。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124(三)几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸2.多肽类激素体内许多激素属寡肽或多肽。CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸组氨酸脯氨酰胺

促甲状腺素释放激素(TRH)第二章蛋白质的结构与功能第二节蛋白质的分子结构

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)一、蛋白质的一级结构(一)定义与主要化学键1.定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。2.主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

肽键的键长为0.132nm，短于单键的0.147nm，长于双键的0.123nm，故具有部分双键的特性，不能旋转。(二)肽单元(肽键平面)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)

。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽键平面示意图二、蛋白质的二级结构(一)定义与主要化学键1.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

。

2.主要的化学键

氢键

(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.

-螺旋1951年根据X线衍射图提出。以

碳原子为转折点，形成右手螺旋。(1)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54nm。(2)螺旋以氢键保持稳固。(3)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。2.

-折叠

(1)是多肽链一种比较伸展、成锯齿状的肽链结构。(2)两条肽链走向相同，称为顺向平行结构，反之，则称为反向平行结构。后者更为稳定。3.

-转角肽链出现180°回折的部分形成β-转角。

4.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。三、蛋白质的三级结构(一)定义与主要化学键1.

定义

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。只有具有三级结构的多肽链才能称为蛋白质。2.主要的化学键疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-维持蛋白质分子构象的各种化学键abc氢键离子键疏水键N端C端肌红蛋白(Mb)

(二)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)。免疫球蛋白结构域示意图

四、蛋白质的四级结构(一)定义与主要化学键1.定义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)。2.主要化学键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

血红蛋白是由含有血红素的2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体。五、蛋白质结构与功能的关系(一)一级结构与功能的关系

1.核糖核酸酶一级结构与功能的关系

二硫键破坏后，生物学活性丧失。

天然状态，有催化活性26110958472584065HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840

去除尿素、β-巯基乙醇

尿素、β-巯基乙醇2.胰岛素一级结构与功能的关系(1)将A链N端的第1个氨基酸残基切去，其活性只剩2％～10％，再将第2～4位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。(2)

将A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，胰岛素的功能完全消失。(3)

将B链第28～30位氨基酸残基切去，其活性仍能维持100%。3.血红蛋白一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血HbAβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ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”。(二)蛋白质空间结构与功能的关系1．血红蛋白空间结构与功能的关系Hb未结合O2时，4个亚基结构紧密,称紧张态(T态)。随着O2

的结合,空间结构发生变化，使结构相对松弛，称松弛态(R态)。T态对氧亲和力低,R态对氧亲合力高，是Hb结合O2

的形式。肺毛细血管O2

分压高,促使T态转变成R态,组织毛细血管,O2

分压低,促使R态转变成T态。

2．朊病毒蛋白空间结构与功能的关系蛋白质构象疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。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PrP富含α-螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋白质作用下转变成为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病第二章蛋白质的结构与功能第三节蛋白质的理化性质一、蛋白质的两性解离和等电点

(一)两性解离

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，故称两性解离。(二)蛋白质的等电点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。二、蛋白质的胶体性质

(一)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。(二)蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜+++++++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

(一)

蛋白质的变性(denaturation)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。1.变性的本质

即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质肽链的一级结构。2.导致变性的因素如高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属离子、生物碱试剂及辐射等因素。

3.应用举例①临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。②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。

天然状态，有催化活性26110958472584065HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840

去除尿素、β-巯基乙醇

尿素、β-巯基乙醇4.复性(renaturation)

若蛋白质变性程