1、第二章 蛋白质的结构与功能,一、概述 二、蛋白质的基本组成单位氨基酸解) 三、蛋白质的结构 四、蛋白质结构与功能的关系 五、蛋白质的重要性质、分离纯化与鉴定,了解蛋白质的元素组成；掌握蛋白质的基本结构单位氨基酸的基本结构；了解氨基酸的分类；了解稀有氨基酸和非蛋白质氨基酸；掌握氨基酸的各种理化性质；掌握肽键、肽链和蛋白质一级结构的概念，同时了解蛋白质一级结构的表示方法；掌握二肽及多肽的形成过程；了解蛋白质一级结构的测定方法。 。,思考题,1. 蛋白质分为哪些类型？各行使何种功能？2. 自然界存在的氨基酸种类、结构、性质？3. 肽键有何特点？对蛋白质构象的形成有何 影响？4. 何谓蛋白质的一、二、
2、三、四级结构？维 系蛋白质构象的作用力有哪些？5. 何谓蛋白质的超二级结构和结构域？6. 试述蛋白质一级结构和高级结构与功能的 关系。7. 何谓蛋白质的变性作用与复性作用？,一、概述,（一）蛋白质的生物学意义和元素组成 （二）蛋白质的分类,（一）蛋白质的生物学意义和元素组成,1. 蛋白质的生物学意义（1）蛋白质生物学功能的多样性 酶的催化功能、控制生长和分化、代谢调节功能、运动功能、运输作用、免疫保护作用、接受和传递信息、贮存营养功能、结构支持作用。（2）蛋白质生物学功能的复杂性 某一功能的发挥往往受到多种因素的影响与调节。,2. 蛋白质的元素组成,一般含有：碳（5055） 、氮（1518）、
3、氧（2023）、氢（68）、硫（04）。在某些蛋白质中，还含有一些微量元素如：磷、铁、铜、钼、碘、锌等。蛋白质元素组成的一个特点：各种蛋白质的氮含量比较恒定，平均值为16左右。 用凯氏定氮法测定氮的含量，计算蛋白质的含量（由氮的含量乘以6.25）出来。,（二）蛋白质的分类,1.按蛋白质的构象分类2.按蛋白质的功能分类3.按蛋白质的组成和溶解性分类,1. 按蛋白质的构象分类,分为球状蛋白质 和纤维状蛋白质。,球状蛋白质（globular protein）血红蛋白、肌红蛋白等。,纤维状蛋白质（fibroue protein） 胶原蛋白、弹性 蛋白、角蛋白、丝心蛋白等。,催化蛋白（酶） 调节蛋白 结
4、构蛋白 运输蛋白 贮藏蛋白 运动蛋白 防御蛋白 电子传递蛋白,2.按蛋白质的功能分类,3.按蛋白质的组成和溶解性分类,单纯蛋白质 （simple protein） 结合蛋白质 （complex protein）,二、蛋白质的基本组成单位氨基酸,（一）氨基酸的结构 （二）氨基酸的分类 （三）氨基酸的性质,（一） 氨基酸的结构,蛋白质的基本结构单位-氨基酸的结构通式,侧链,脯氨酸,亚氨基,（二）氨基酸的分类,1.编码氨基酸2.非编码氨基酸3.非蛋白质氨基酸,1. 编码氨基酸,第21种氨基酸硒代半胱氨酸,2. 非编码氨基酸,没有相应的三联体遗传密码。由编码氨基酸经羟基化、甲基化、磷酸化等修饰形成的衍
5、生物。例如：胶原蛋白和弹性蛋白中的 4-羟脯氨酸 、5-羟赖氨酸等。,3.非蛋白质氨基酸,在生物体内，还发现150多种不参与蛋白质组成的氨基酸。这些非蛋白质氨基酸多是重要的代谢物前体或代谢中间产物。,1.氨基酸的两性解离及等电点氨基酸是两性电解质（ampholyte）,（三）氨基酸的性质,氨基酸两性解离,R,COOH,C,H,NH,2,R,COO,C,H,NH,3,+,-,中性分子形式,两性离子形式,R,COOH,C,H,NH,3,R,COO-,C,H,NH,3,+,R,COO-,C,H,NH,2,+,OH-,H+,对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的 pH 时，氨基酸所带净电荷为零（即正电荷
6、数与负电荷数相等） ，在电场中，既不向正极移动，也不向负极移动。这时，溶液的pH 称为该氨基酸的等电点(isoelectric point)，用pI表示。 两性解离物质所带静电荷为零时溶液的pH。,氨基酸的等电点,（1）不同氨基酸，由于R 基团结构的不同，有不同的等电点。在一定实验条件下，等电点是氨基酸的特征常数。 （2）当氨基酸处于等电点状态时，其溶解度最小，容易发生沉淀。利用这一特性，可以从各种氨基酸的混合物溶液中，分离制取某种氨基酸。,氨基酸等电点的作用,（1）氨基酸的构型除甘氨酸以外，其余 20 种氨基酸的 C都是不对称碳原子（手性）。,2.氨基酸的光学活性与吸收光谱,甘氨酸的结构式,
7、参与蛋白质组成的氨基酸在可见光区都没有光吸收； 在紫外光区只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波长()分别为280nm、275nm、257nm； 是利用紫外分光光度计，在280nm波长处，测定蛋白质浓度的基础。,（2）吸收光谱,三、蛋白质的结构,（一）蛋白质的一级结构 （二）蛋白质的三维结构,蛋白质结构层次,一级结构（primary structure）； 二级结构（secondary structure）； 超二级结构（supersecondary structure）； 结构域（structural domain）； 三级结构（tertiary structure）； 四
8、级结构（quarternary structure）,蛋白质结构层次,（一）蛋白质的一级结构,概念：多肽链上各种氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸序列称为蛋白质的一级结构（primary structure）。,（51Aa，5733 u）,1.肽和肽键,肽由氨基酸构成的线形聚合物称为肽（peptide）。二个氨基酸分子缩合而成的肽，称为二肽（dipeptide）。,肽键（peptide bone）多肽链（polypeptide chain）,肽键氮氧原子共振产生：（1）部分双键性质；（2）多肽主链酰胺平面；（3）C处于顺式或反式构型；（4）二面角；（5）偶极性（N末端，C末端）。,氨基酸残基（am
9、ino acid residue）,H,OH,蛋白质一级结构的表示法,中文氨基酸残基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸 三字母符号表示法：TyrGlyGlyPheMet 单字母符号表示法：YGGFM, 谷胱甘肽 脑啡肽（5肽） 短杆菌肽S（10肽） 肽类激素,3.天然活性肽,（二）蛋白质的三维结构,蛋白 质的三维结构指的是蛋白质分子中全部原子和基团相互间的立体关系，包括全部原子和基团的排列、分布及肽链的走向。又称为蛋白质的高级结构、空间结构或构象，可分为二级、超二级、结构域、三级和四级结构。,1.蛋白质的二级结构 2.蛋白质的超二级结构和结构域 3.蛋白质的三级结构 4.蛋白质的四级结
10、构 5.稳定蛋白质构象的作用力,蛋白质结构层次,1.基本知识,（1）构型与构象构型（configuration）构象（conformation）1969年，IUPAC（2）蛋白质的立体结构原理肽单位与二面角将多肽链的基本结构中，-C-CO-NH-C-这一主链骨架的重复单位叫肽单位（Pauling和Corey在1951年根据X-射线衍射结果，提出蛋白质肽单位平面原则 3）。,肽单位平面结构,肽单位立体结构,二面角（dihedral angle）,肽平面1 围绕 C2N1 单键旋转，其旋转的角度用表示； 肽平面2 也可以围绕 C2C2 单键旋转，其旋转的角度用表示。(右为正,左为负),N1,C 2
11、,C2,多肽链主链骨架的构象是由每个C的成对二面角（，）所决定的。非键合原子间的最小接触距离在相邻的两个肽单位的构象中，非键合原子间的接近有无障碍，是否符合标准接触距离，即能量是否达到最低，也是肽链构象能否稳定存在的重要立体化学原则。,2. 二级结构,概 念指多肽链主链在一级结构的基础上，某些肽段借助氢键进一步盘旋或折叠，从而形成有规律的构象。主要类型 -螺旋、-折叠片、-转角、无规卷曲。,（1）-螺旋,即每个氨基酸残基（n）的CO 与另一个氨基酸残基（n+4）的NH 形成氢键。,Pauling 和Corey于1951 年提出蛋白质的-螺旋（-helix）结构模型。,羊毛等纤维状蛋白质中，球状
12、蛋白中也广泛存在。它是蛋白质主链的一种典型结构形式 .,每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈，每圈间距0.54nm. 氢键环内包括13个主链原子，因此称这种螺旋为3.613螺旋。,电子显微镜下的人体头发,（2）-折叠,（a）Antiparallel,-折叠：伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片层结构，存在于纤维蛋白，球状蛋白也有。 又称为-折叠片（-pleated sheet）。,反平行式较为稳定，例如在丝心蛋白中存在稳定的反平行折叠。,（3）-转角,蛋白质分子中连接不同结构单位的180o转弯结构称为-转角（ -turn）。由氨基酸残基（n）的CO 与另一个氨基酸残基（n+3）的NH 形成氢键
13、。,（4）无规卷曲,没有规律性的多肽主链骨架的构象，就是无规卷曲（random coil， 、角度 不定）；球蛋白分子中，往往含有较多的无规卷曲；无规卷曲往往有利于多肽链形成灵活的、具有特异生物活性的构象。,（1）超二级结构相邻的二级结构单元（主要是螺旋和折叠）组合在一起，形成有规则的、空间上能够辨认的二级结构的组合体，充当三级结构的构件，称为超二级结构（supersecondary structure）。,3. 超二级结构和结构域,常见的组合形式：、,（2）结构域,多肽链在二级结构或超二级结构的基础上，进一步卷曲折叠成为相对独立、近似球形的三维实体称为结构域（structure domain
14、），是三级结构的局部折叠区。,结构域之间常常只有一段肽链相连，形成所谓“铰链区”（hinge region），使结构域容易发生相对运动。结构域之间的这种柔性（flexibility）有利于如酶和抗体活性的发挥。,4.三级结构,多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成特定的球状分子结构，称作三级结构（tertiary structure） 。 三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。,肌红蛋白 myoglobin,5. 四级结构,由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的特定三维结构（构象）称为蛋白质的四级结构（quarter-nary s
15、truc-ture）。涉及亚基的种类、数目和亚基的空间排布，包括亚基间的接触位点和相互作用关系，但不包括亚基本身的构象。,-亚基（subunit）,血红蛋白 hemoglobin, -亚基,血红素（ haem）,烟草花叶病毒（TMV）示意图,由2 130个相同亚基构成的螺旋对称性柱形蛋白质外壳，紧密排列于一含有6 390个核苷酸的单链RNA分子周围。解离的TMV外壳亚基和RNA，在合适的条件下能自装配成完整的TMV。,蛋白质结构层次,5. 稳定蛋白质构象的作用力,四、蛋白质结构与功能的关系,（一）蛋白质一级结构与功能的关系 （二）蛋白质构象与功能的关系,1. 一级结构变异与生物进化在不同生物体
16、中行使相同或相似功能的蛋白质，称为同功能蛋白质。它们的氨基酸序列具有明显的相似性，这种现象称为序列同源，有明显序列同源的蛋白质，也称同源蛋白质。,（一）蛋白质一级结构与功能的关系,（1）同源蛋白质完全相同的氨基酸残基，称不变残基，它们决定了蛋白质的空间结构与功能。（2）有相当大变化的氨基酸残基，称为可变残基，它们的差异体现了种属特异性。因此，对不同生物来源的同功能蛋白质的一级结构进行比较研究：可以帮助我们了解哪些氨基酸对其活性是重要的，哪些是不重要的；可为生物进化提供新的可靠依据。,同源蛋白质结构的种属差异与保守性,2.一级结构变异与分子病,（1）分子病基因突变 Aa变异 蛋白结构和功能改变引
17、起的遗传病。（2）镰刀型红细胞贫血病 由Hb分子亚基N末端序列的一级结构改变引起Hb表面电荷和等电点变化，溶解度降低并出现不正常线形缔合。,正常红细胞和镰刀状红细胞的扫描电镜图谱,？,一级结构相似，可能会有相同的功能；一级结构有差异，功能会不同。如OX与ADH:,3. 多肽激素的一级结构与功能,（ADH）,（OX）,不同生物（哺乳动物、鸟类、鱼类）来源胰岛素分子一级结构，发现组成的 51 个氨基酸残基中，只有 24 个氨基酸残基始终保持不变，为不同生物所共有，为维持高级结构和生物活性所必需。,4.不同生物来源的胰岛素一级结构比较,5.一级结构断裂与功能激活,有些蛋白质常以无活性的前体形式产生和
18、贮存。在机体需要时，切去部分肽段之后，才变成有活性的蛋白质。如参与蛋白质消化的各种蛋白酶、参与血液凝固的凝血酶、凝血因子等。激活（activation）：使前体蛋白质变成活性蛋白质的过程，称为激活。,（二）蛋白质构象与功能的关系,1.变构调节活性 2.变性丧失活性,血红蛋白, -亚基,-亚基（ - subunit）,血红素（ haem）,血红蛋白的变构现象（变构时的亚基移动）,血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线不同，前者是 S 形曲线，后者是双曲线。-亚基可与氧结合，而-亚基由于存在空间位阻，几乎不与氧结合。当-亚基与氧结合后，发生三级结构的变化，此变化使相邻的-亚基发生三级结构的变化，与氧结合使血
19、红蛋白结合氧的能力在短时间内迅速上升，从，而使曲线程S 形。,氧饱和度（%）,（一）蛋白质的重要性质 （二）蛋白质分离纯化的原则与方法,五、蛋白质的重要性质、分离纯化与鉴定,1.蛋白质的两性解离与等电点 2.蛋白质的变性与复性 3.蛋白质的呈色反应,（一）蛋白质的重要性质,蛋白质的等电点（isoelectric point）当溶液在某个pH时，使蛋白质分子所带正电荷数与负电荷数恰好相等，即净电荷为零，在直流电场中，既不向阳极移动，也不向阴极移动，此时溶液的pH 就是该蛋白质的等电点，用pI表示。 两性解离物质所带静电荷为零时溶液的pH。,1.蛋白质的两性解离与等电点,（1）蛋白质变性 天然蛋白
20、质在变性因素作用之下，其一级结构保持不变，但其高级结构发生了异常的变化，即由天然态（折叠态）变成了变性态（伸展态），从而引起生物功能的丧失，物理、化学性质也发生改变，这种现象被称为变性（denaturation）。,2. 蛋白质的变性与复性,引起变性因素： 物理因素和化学因素。1.热（60100 ）；2.pH；3.盐；4.有机溶剂；5.尿素与盐酸胍；6.去垢剂等,变性表现：（1）物理性质的改变：溶解度下降；（2）化学性质的改变：易被蛋白酶消化；（3）生物功能的改变：酶丧失活性、激素蛋白丧失生理调节作用、抗体失去与抗原专一性结合能力。变性机理：破坏了蛋白质分子构象中的次级键。使原来埋藏在分子内部
21、的疏水集团大量暴露出来，使分子表面水化膜破坏，分子结合沉淀。,以天然蛋白质作对照，测定蛋白质的 物理变化，观察蛋白质的溶解度是否下 降，是否凝集、沉淀等；测定蛋白质化学性质的变化；测定蛋白质的比活性。,蛋白质变性的鉴定方法,蛋白质的变性有可逆变性和不可逆变性之分。可逆变性在除去变性因素之后，在适宜的条件下，变性的蛋白质可以从伸展态恢复到折叠态，并恢复全部的生物活性的现象，称之为复性（renaturation）。,（2）复性,3. 蛋白质的呈色反应,蛋白质分子结构中的自由 一NH2 、一COOH 和肽键，以及某些氨基酸的侧链基团，能够与某种化学试剂发生反应，产生有色物质 。,蛋白质的主要呈色反应,1.原则2.方法 （1）前处理 （2）沉淀分离 （3）分离纯化 （4）质量鉴定,（二）蛋白质分离纯化的原则与方法,思考题,1. 蛋白质分为哪些类型？各行使何种功能？2. 自然界存在的氨基酸种类、结构、性质？3. 肽键有何特点？对蛋白质构象的形成有何 影响？4. 何谓蛋白质的一、二、三、四级结构？维 系蛋白质构象的作用力有哪些？5. 何谓蛋白质的超二级结构和结构域？6. 试述蛋白质一级结构和高级结构与功能的 关系。7. 何谓蛋白质的变性作用与复性作用？,
