蛋白质的结构与功能及理化性质

第一章绪论生物化学的概念：生物化学是研究生物体的组成、化学结构以及各种化学变化的科学，是从分子水平解释一切生命现象的科学，是生命科学和医学的重要组成部分。研究对象：生物体主要任务：研究生物体的物质组成、新陈代谢和生物大分子的结构与功能等。一、生物化学的内容（一）研究生物体的物质组成（二）研究新陈代谢（物质代谢）（三）研究生物大分子的结构和功能二、生物化学的发展过程①静态生物化学时期（1920年以前）研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主；②动态生物化学时期（1950年以前）这是一个飞速发展的辉煌时期；③机能生物化学时期（1950年以后）真正意义上的现代的生命化学，蛋白质化学和和核酸化学成

为研究重点。

三、生物化学与医学（一）生物化学与疾病的发生（二）生物化学与疾病的诊断（三）生物化学与疾病的治疗四、如何学好生物化学（一）建立广泛的联想，与其他学科联系。（二）不要把注意力放在结构式上。（三）理解记忆。（四）做好预习和复习。蛋白质的分子组成

第一节第二章蛋白质和核酸化学

蛋白质的元素组成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还含有I

。蛋白质的含氮量平均为16％。通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25

蛋白质元素组成的特点一、氨基酸

——蛋白质的基本组成单位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L--氨基酸（甘氨酸除外）。（一）氨基酸的结构特点：一个氨基和一个羧基链接在同个碳原子上酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸：精氨酸、赖氨酸、组氨酸中性氨基酸：其他（一）氨基酸的分类2.极性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点2.紫外吸收3.茚三酮反应第二节蛋白质的结构与功能蛋白质的功能：生物催化剂，如酶代谢调节作用，如胰岛素免疫保护作用，如抗体物质的转运和储存，如血红蛋白结构物质，如指甲和毛发一、肽和键肽*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。（一）肽(peptide)多肽链(polypeptidechain)二肽，三肽……寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide)氨基酸残基(residue)氨基末端（aminoterminal）和羧基末端（carboxylterminal）主链和侧链多肽链

多肽链（二）蛋白质的分子结构

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化学键：肽键

二硫键的位置属于一级结构研究范畴。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构3021二、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：稳定因素：

氢键

（一）肽单元(peptideunit)

参与组成肽键的6个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。肽单元HHHH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）

-螺旋结构要点:

①多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧。②每圈螺旋含3.6个氨基酸，螺距为0.54nm。③每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。（三）

-折叠①多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。②两段以上的β-折叠结构平行排列，两链间可顺向平行，也可反向平行。③两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β-折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。

（四）

-转角和无规卷曲

-转角：无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。①肽链内形成180º回折。②含4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。③第二个氨基酸残基常为Pro。

-转角：（五）模体蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体(motif)。螺旋－环－螺旋锌指三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。稳定因素：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。定义肌红蛋白(Mb)N端

C端亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。四、蛋白质的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。每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基(subunit)。血红蛋白（Hb）的四级结构三、蛋白质结构与功能的关系（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1、一级结构相似的多肽或蛋白质的空间结构及功能也相似

2、不同结构具有不同功能如抗利尿激素与催产素（二）蛋白质空间结构与功能的关系空间结构改变，功能则改变。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（三）蛋白质结构改变与疾病（三）蛋白质结构改变与疾病1、一级结构改变与疾病（分子病）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”。2、空间结构改变与疾病（构象病）蛋白质构象病：若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、亨廷顿氏舞蹈症、疯牛病等。人纹状体脊髓变性病Creutzfeldt－Jakob病（CJD）是可传播的致病性中枢神经系统疾病，以快速进展性痴呆及大脑皮质、基底节和脊髓局灶性病变为特征，是常见的人类朊蛋白病，又称为皮质－纹状体－脊髓变性。本病呈全球性分布，人群年发病率为1/100万，患者多为中老年，平均发病年龄60岁。亨廷顿氏舞蹈症亨廷顿氏舞蹈症是一种家族显性遗传型疾病。患者由于基因突变或者第四对染色体内DNA（脱氧核糖核酸）基质之CAG三核甘酸重复序列过度扩张，造成脑部神经细胞持续退化，机体细胞错误地制造一种名为“亨廷顿蛋白质”的有害物质。这些异常蛋白质积聚成块，损坏部分脑细胞，特别是那些与肌肉控制有关的细胞，导致患者神经系统逐渐退化，神经冲动弥散，动作失调，出现不可控制的颤搐，并能发展成痴呆，甚至死亡。疯牛病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-折叠正常疯牛病第三节蛋白质的理化性质和分类（一）蛋白质的两性电离和等电点

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。利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。电泳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达到分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。

几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳：常用于蛋白质分子量的测定。*等电聚焦电泳：通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳：是蛋白质组学研究的重要技术。（二）蛋白质的胶体性质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。*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*蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

变性的本质：——破坏非共价键，二硫键和空间结构，不改变蛋白质的一级结构。应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。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。

蛋白质变性后的性质改变：溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。（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。（五）蛋白质的呈色反应⒈茚三酮反应(ninhydrinreaction)

蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。生成紫色物质。⒉双缩脲反应(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，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。3、酚试剂反应：

酪氨酸残基在碱性铜试剂存在的情况下，与