生物化学课件4.蛋白质

上海市精品课程系列----生物化学第四章

蛋白质第四章蛋白质4.1

概述4.2

基本结构单位——氨基酸4.3

肽4.4

蛋白质的分子结构4.5

蛋白质的性质4.1

概述蛋白质的概念蛋白质的生物学功能蛋白质的组成与分类4.1

概述蛋白质的概念两种蛋白质的氨基酸组成

蛋白质是以氨基酸为基本单位所构成的、有特定结构并具有一定生物学功能的一类重要的生物大分子。

4.1

概述蛋白质的生物学功能酶的催化功能

转运和储存功能

运动功能

结构支持作用

免疫作用

生物膜的功能

接受和传递信息

代谢调节功能

控制生长与分化

感染和毒性作用

4.1

概述蛋白质的组成与分类组成主要组成元素：碳、氢、氧、氮（16％）

其它组成元素：硫、磷、碘或微量金属元素元素组成特点：各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%,1g氮相当于6.25g蛋白质。凯氏定氮法就是根据这个原理测定蛋白质的含量。氨基酸是基本结构单位4.1

概述分类

简单蛋白质结合蛋白质根据蛋白质的化学组成根据蛋白质的溶解性和组成根据蛋白质的分子形状根据蛋白质的生物功能简单蛋白质分为七类结合蛋白质分为七类球状蛋白质纤维状蛋白质活性蛋白质非活性蛋白质4.2

基本结构单位——氨基酸氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的理化性质氨基酸的制备4.2

基本结构单位——氨基酸氨基酸的结构通式蛋白质由20种氨基酸（编码氨基酸）组成除了脯氨酸外，都是a-氨基酸4.2

基本结构单位——氨基酸构型甘油醛丙氨酸除甘氨酸外，都有不对称碳原子蛋白质中所有氨基酸都是L构型4.2

基本结构单位——氨基酸氨基酸的分类根据R基侧链的极性

根据侧链基团的化学结构

疏水性（非极性）氨基酸亲水性（极性）氨基酸

不带电荷的极性带正电荷的碱性带负电荷的酸性

脂肪族类羟基类酰胺类含硫类芳香族类亚氨基酸类分类名称符号结构非极性氨基酸

丙氨酸（alanine）Ala(A)缬氨酸（valine）Val(V)亮氨酸（leucine）Leu(L)异亮氨酸（isoleucine）Ile(I)分类名称符号结构非极性氨基酸

脯氨酸（proline）Pro(P)苯丙氨酸（phenylalanine）Phe(F)色氨酸（tryptophan）Trp(W)蛋氨酸（methionine）Met(M)分类名称符号结构极性氨基酸不带电荷的极性氨基酸甘氨酸（glycine）Gly(G)丝氨酸（serine）Ser(S)苏氨酸（threonine）Thr(T)半胱氨酸（cysteine）Cys(C)分类名称符号结构极性氨基酸不带电荷的极性氨基酸酪氨酸（tyrosine）Tyr(Y)天冬酰胺（asparagine）Asn(N)谷氨酰胺（glutamine）Gln(Q)分类名称符号结构极性氨基酸带负电荷的酸性氨基酸天冬氨酸（asparate）Asp(D)谷氨酸（glutamate）Glu(E)带正电荷的赖氨酸（lysine）Lys(K)分类名称符号结构极性氨基酸碱性氨基酸精氨酸（arginine）Arg(R)组氨酸（histidine）His(H)非编码氨基酸胱氨酸羟脯氨酸羟赖氨酸非蛋白质氨基酸

200多种以游离或结合方式存在于生物界4.2

基本结构单位——氨基酸根据生物体的需要

必需氨基酸半必需氨基酸（Arg，His）非必需氨基酸必需氨基酸：指人体需要，但自身不能合成或者合成速度不能满足机体需要的一类氨基酸。它们必需从膳食中摄入，以满足人体正常生长发育的生理需要。包括

Lys，Val，Ile，Leu，Phe，Met，Trp，Thr。4.2

基本结构单位——氨基酸氨基酸的理化性质一般物理性质a-氨基酸为无色晶体，不同氨基酸其晶体形状不相同熔点一般在200-300℃溶于水，但溶解度各不相同。能溶解于稀酸或稀碱中，但不能溶解于有机溶剂中各种氨基酸有不同的味感，如甘氨酸具有甜味，谷氨酸呈酸味，其单钠盐呈鲜味

除甘氨酸外，每种氨基酸都有旋光性和一定的比旋光度4.2

基本结构单位——氨基酸酸碱性质氨基酸在水溶液中或在晶体状态时主要以两性离子的形式存在两性离子：同一氨基酸分子上含有等量能释放质子的正离子（如-NH3+）和能接受质子的负离子（如-COO-），分子呈电中性，又称兼性离子或偶极离子4.2

基本结构单位——氨基酸等电点：使氨基酸净电荷为零时溶液的pH值，以

pI表示，是氨基酸的一个特征值。pH>pI

氨基酸带负电，在电场中向正极移动

pH=pI

氨基酸不带电，在电场中不移动

pH<pI

氨基酸带正电，在电场中向负极移动+-pH>pI

pH<pI

pH=pI

pH=3pH=9+-pH梯度+-pH梯度pH=pI

pH=pI

pH=pI

在一定pH值范围内，氨基酸溶液的pH值离等电点愈远，氨基酸携带的净电荷数愈大4.2

基本结构单位——氨基酸甘氨酸的滴定曲线阳离子两性离子阴离子pI=½(pKn+pKn+1)=½(2.34+9.60)=5.974.2

基本结构单位——氨基酸光学性质芳香族氨基酸的紫外吸收谱280nm吸收值的测定是蛋白质定量最常用的方法4.2

基本结构单位——氨基酸化学反应用于氨基酸的定量分析与荧光胺反应（荧光物质，荧光分光光度计）与甲醛反应（a-氨基，释放H+用NaOH滴定）与亚硝酸反应（a-氨基羟酸+N2）与茚三酮反应（a-氨基酸蓝紫色化合物，570nm，

CO2生成量）4.2

基本结构单位——氨基酸氨基酸的制备从蛋白质水解液中分离提取（适宜于中小规模的生产）应用发酵法大规模生产氨基酸利用酶反应直接制取各种氨基酸有机合成法

酸水解：迅速而彻底，不引起消旋作用，但色氨酸全部破坏，

含羟基氨基酸部分破坏

碱法水解：色氨酸不破坏，水解液无色，但可破坏含硫，羟基

或胍基氨基酸，同时会产生消旋作用

酶法水解：条件温和，不破坏氨基酸，不引起消旋作用，但水

解时间长，不易完全4.3

肽肽的基本概念肽的结构和表示法生物活性肽4.3

肽肽的基本概念一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而成的化合物叫做肽。氨基酸之间的酰胺键称为肽键寡肽：10个以下氨基酸

多肽：10-50个氨基酸4.3

肽四肽的形成4.3

肽肽的结构和表示法氨基端

或N端羧基端

或C端肽键酰胺平面（肽平面）多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基

主链：氨基酸由肽键连接成的长链骨架。肽键的所有四个原子和与之相连的两个Ca所组成的基团又称肽单位，是多肽主链上的重复结构

侧链：各氨基酸残基的R基团性质相当于双键4.3

肽

中文表示法：从肽链的N端开始，对氨基酸残基逐一命名，残基称氨酰，如：甲硫氨酰天冬氨酰亮氨酰酪氨酸

三字母表示法：Met-Asp-Leu-Tyr或Met.Asp.Leu.Tyr

单字母表示法：MDLY4.3

肽生物活性肽指对生物机体的生命活动有益或具有生理作用的肽类化合物，又称功能肽

含量微量，功能显著吸收机制优于氨基酸与生物的生长、发育、细胞分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗衰老、生物钟规律及分子进化等相关是机体内传递信息、调节代谢和协调器官活动的重要化学信使如谷胱甘肽、神经肽、抗菌肽等4.3

肽重要的三肽——谷胱甘肽（GSH）组成：谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸

维护蛋白质活性中心的巯基参与二硫化合物相互转化作为某些酶的辅酶参与氧化还原反应g-肽键4.4

蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构分为四大层次

一级结构初级结构（共价结构）

二级结构高级结构（分子构象）

超二级结构

结构域

三级结构

四级结构4.4

蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构4.4

蛋白质的分子结构蛋白质的一级结构及其测定蛋白质的分子构象蛋白质分子结构与功能的关系4.4

蛋白质的分子结构蛋白质的一级结构及其测定指蛋白质分子中氨基酸残基的连接方式和排列顺序。包括肽链的数目、端基的组成、氨基酸的排列和二硫键的位置等，又称化学结构表示法三字母表示法单字母表示法

标注二硫键蛋白质的一级结构牛胰岛素4.4

蛋白质的分子结构蛋白质一级结构的测定蛋白质制剂的纯化活性蛋白质（未变性蛋白质）分子量测定活性蛋白质肽链数的测定和分离氨基酸序列测定氨基酸定量组成测定肽链末端分析，包括N端和C端肽链的部分裂解及肽片段的分离确定各个肽段在多肽链中的次序确定蛋白质分子中二硫键和酰胺基的位置自学为主4.4

蛋白质的分子结构氨基酸组成分析全自动氨基酸分析仪4.4

蛋白质的分子结构氨基酸末端分析N-末端分析

C-末端分析二硝基氟苯（DNFB）法二甲基氨基萘磺酰氯法（DNS-Cl法）异硫氰酸苯酯法（Edman法）

肼解法羧肽酶法主要的多肽测序方法4.4

蛋白质的分子结构蛋白质中肽链的拆离

非共价连接：温和条件解离共价连接：较强条件切断还原法氧化法4.4

蛋白质的分子结构肽链的部分降解和肽片段的分离

化学裂解法：溴化氰法、羟胺法

酶水解法：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、嗜热菌蛋白酶肽段氨基酸序列的测定及肽段的重叠Edman降解法是用于序列分析最主要的方法4.4

蛋白质的分子结构肽链的降解与肽片段的测定排序4.4

蛋白质的分子结构推导氨基酸序列4.4

蛋白质的分子结构蛋白质的分子构象（空间结构）由许多酰胺平面组成，平面之间以Ca相隔多肽主链的基本结构氨基端

或N端羧基端

或C端线性的多肽链在空间中折叠成特定的三维结构，即蛋白质的高级结构或分子构象这对二面角决定了相邻的两个酰胺平面所有原子在空间上的相对位置，就决定了肽链的构象4.4

蛋白质的分子结构二级结构螺旋结构（a-螺旋）b-折叠转角（b-转角）无规则卷曲多肽主链骨架有规则的盘曲折叠所形成的构象，不涉及侧链基团的空间排布，靠肽链中的氢键得到稳定4.4

蛋白质的分子结构a-螺旋螺距＝0.54nm每一圈包含3.6个氨基酸R基团伸向外侧相邻螺旋间形成链内氢键（第i个C=O和第i+4个N-H），取向与螺旋轴几乎平行氢键最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件4.4

蛋白质的分子结构左手螺旋和右手螺旋

右手螺旋较稳定天然蛋白质中主要是右手螺旋4.4

蛋白质的分子结构若干条肽链或一条肽链的若干肽段平行排列，肽链几乎完全伸展呈锯齿状，按层平行排列，肽平面呈片状，称为折叠片相邻肽链形成氢键，氢键几乎垂直于肽链肽链的R基团在折叠片的上下交替出现反平行式的b-折叠平行式的b-折叠氢键4.4

蛋白质的分子结构

出现在肽链180°回折处的特殊结构，由4个氨基酸残基构成

第一个残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键

转角结构通常负责各种二级结构单元之间的连接作用

对于确定肽链的走向起着决定性的作用b-转角4.4

蛋白质的分子结构无规则卷曲多肽链主链不规则随机盘曲形成的构象

球蛋白分子中，往往含有较多的无规卷曲，它

使蛋白质肽链从整体上形成球状构象4.4

蛋白质的分子结构超二级结构aa（a-螺旋组合）bXb或babbbb（b-折叠组合）指二级结构的基本结构单位相互聚集，形成有规律、空间上能辨认的二级结构的聚集体，充当三级结构的构件4.4

蛋白质的分子结构bab环右手交连的b折叠反平行b折叠桶4.4

蛋白质的分子结构结构域由相邻二级结构单元紧密联系，折叠形成两个或多个空间上可以明显区分的局部性区域，是多肽链的独立折叠单位，不同的结构域往往具有不同的功能。常见的结构域大小在100-200个残基之间免疫球蛋白IgG的12个结构域4.4

蛋白质的分子结构三级结构指一条多肽链中所有原子的空间排列，即由一条多肽链（包括主、侧链）所形成的在三维空间的整体排列，不涉及相邻蛋白质分子间或亚基间的关系肌红蛋白的三级结构肽链盘绕成紧密的球状结构大多数非极性侧链埋在分子内部形成疏水核极性侧链在分子表面形成亲水面分子表面的裂隙常常是蛋白质的活性中心4.4

蛋白质的分子结构四级结构蛋白质分子中两条或两条以上各自独立具有三级结构的多肽链（亚基）之间，通过次级键相互缔合而形成的排列有序的空间构象。包括亚基数目、类型、排列及相互作用

寡聚蛋白：由两个或以上亚基组成的蛋白质，其活性取决于形成正确的四级结构。亚基一般以a、b、g……命名血红蛋白的四级结构a2b2a1b14.4

蛋白质的分子结构维持蛋白质分子构象的作用力

氢键疏水键范德华力离子键二硫键4.4

蛋白质的分子结构蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的一级结构决定高级结构

蛋白质的可逆变复性

蛋白质一级结构的变异与分子病

蛋白质前体的激活和一级结构核糖核酸酶的变性与复性血红蛋白异常病变——镰刀型贫血症

胰岛素原的激活4.4

蛋白质的分子结构天然核糖核酸酶天然核糖核酸酶变性复性变性核糖核酸酶核糖核酸酶的可逆变性4.4

蛋白质的分子结构

-链N端氨基酸排列顺序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…

Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…正常红细胞镰刀形红细胞负电荷的Glu变为疏水性的Val，使HbS分子表面的负电荷减少，亲水基团变为疏水基团，使HbS分子聚合，溶解度降低，红细胞变形，呈镰刀状，并易于破裂溶血4.4

蛋白质的分子结构胰岛素原的激活切除C肽后，形成成熟的胰岛素分子胰岛素原CNS－SSSSSA链B链C链胰岛素SSSSNNCCA链B链S－S4.4

蛋白质的分子结构蛋白质分子构象与功能的关系顺序同源性现象与物种进化关系

蛋白质在表现生物功能时构象发生一定变化细胞色素C血红蛋白的变构效应

4.4

蛋白质的分子结构细胞色素C分子的空间结构不变的AA残基

参与维持分子构象参与电子传递参与识别并结合细胞色素还原酶和氧化酶4.4

蛋白质的分子结构名称肌红蛋白血红蛋白组成一条多肽链和一个血红素辅基构成由四个亚基组成（2个a链，2个b链，a2b2），每条肽链含一个血红素辅基大小分子量16700，含153个氨基酸残基分子量64000，a链141个残基，b链146个残基功能在哺乳动物肌肉细胞中运输和储存氧，为生物氧化直接提供O2红细胞的主要成分，是红细胞运输O2和CO2的载体结构包含8个a-右手螺旋，许多疏水侧链存在于分子内部，形成疏水的空穴。每一个亚基与肌红蛋白结构相似氧合曲线双曲线S形4.4

蛋白质的分子结构4.4

蛋白质的分子结构又称铁卟啉，是肌红蛋白、血红蛋白及许多其它血红素蛋白质的辅基，由卟啉环与一个Fe(II)离子组成4.4

蛋白质的分子结构血红蛋白的四级结构肌红蛋白血红蛋白b亚基4.4

蛋白质的分子结构肌红蛋白的氧合曲线血红蛋白的氧合曲线双曲线S形曲线高氧分压下能结合同样数量的O2低氧分压下，肌红蛋白容易吸收氧，血红蛋白容易释放氧4.4

蛋白质的分子结构变构效应（别构效应）：蛋白质的一个亚基与效应物结合后发生构象改变，引起相邻亚基的构象变化，从而使蛋白质的生物活性改变（提高或降低）的效应。变构蛋白：具有变构效应的蛋白质，都是寡聚蛋白。血红蛋白就是典型的变构蛋白协同效应正协同效应（激活）负协同效应（抑制）血红蛋白的一个亚基与氧结合后，导致其它亚基构象变化，从而增加了对氧的亲和力，4个亚基间产生正协同效应，提高血红蛋白运输氧的效率4.4

蛋白质的分子结构S形氧合曲线的生理意义氧分压较大变化不会引起血液中的氧饱和度太大变化，即存在较多氧合血红蛋白氧分压不大的变化会引起血液中的氧饱和度较大下降，即氧合血红蛋白能较多地释放氧，满足生物氧化的需要胶体性质4.5

蛋白质的性质

蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体。

蛋白质分子表面的水化层和同性电荷是亲水胶体稳定的因素。若破坏这些因素，则促使蛋白质颗粒相互聚集，从溶液中析出而产生沉淀。透析用于分离纯化蛋白质盐析和有机溶剂沉淀法的基本原理酸碱性质4.5

蛋白质的性质正负电荷互相吸引，使蛋白质分子内部紧缩，分子间有聚集的趋向，此时溶解度最小蛋白质电泳现象可用于蛋白质的分离纯化蛋白质的等电点：使溶液中蛋白质分子所带的正负电荷相等，即净电