1、生化学习资料第 二 章蛋白质结构与功能Structure and Function of Protein一、什么是蛋白质？蛋白质（Protein）是由许多氨基酸（amino acids）通过肽键（peptide bond）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 ，含量高2. 蛋白质具有重要的生物学功能1）生物催化剂（酶） 2）代谢调节 3）免疫保护 4）物质的转运和储存 5）运动和支持作用 6）参与细胞信号转导第一节 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein组成蛋白质的元素：碳(C) 0% 55
2、% 氧(O)19% 24% 氢(H)6% 8% 氮(N)13% 19% 硫(S) 0% 4% 还有少量的磷 (P)铁(Fe) 铜(Cu)锌(Zn)等。蛋白质元素组成特点：各种蛋白质含氮量很接近，平均为 16 故可根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100g 样品中蛋白质的含量（g%）每克样品含氮克数6.25100三聚氰胺 (Melamine)三鹿奶粉事件的元凶 是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，俗称蜜胺、蛋白精 白色单斜棱晶体，不可燃，无味，低毒 可用于装饰面板、氨基塑料、粘合剂、涂料等 长期大量摄入可导致膀胱、肾脏结石 分子式：C 3H6N6 含氮量：66.6% ，是牛奶的 151 倍，是奶粉
3、的 23 倍 每增加 1%，会使通常以凯氏定氮法测定的蛋白质虚涨 4% ,而花费却只有真实蛋白原料的 1/5 一 、氨基酸(amino acid，aa) 蛋白质的基本构成单位自然界中的氨基酸有 300 余种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）构成蛋白质的 20 种氨基酸 (aa)的结构特点：1. 均为 L- 氨基酸，各种 aa 的侧链 R 各不相同2. -C 原子上均连有一个氨基( 脯氨酸除外) 3. -C 原子为不对称(手性 )碳原子(甘氨酸除外）（一）氨基酸的分类根据氨基酸侧链基团() 的结构和理化性质，将其分为 4 类： 1.非极性疏水性氨基酸 2.极性中性
4、氨基酸 3.酸性氨基酸 4.碱性氨基酸 1. 非极性疏水性氨基酸：甘氨酸(Gly) 、丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val) 、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe) 、甲硫氨酸(Met)和脯氨酸(Pro)2. 极性中性氨基酸： R 含有极性基团； 生理 pH 条件下不解离。 色氨酸(Trp)、丝氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、苏氨酸(Thr) 、酪氨酸(Tyr)3. 碱性氨基酸：R 有 NH2(NH3+) ，带正电荷 赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg) 、组氨酸(His) 4. 酸性氨基酸：R 有 COOH(COO-) ，带负电荷 （
5、二） 氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点 AA 的带电状况取决于溶液的 pH 值酸性环境 中性环境 碱性环境阳离子（+1） 等电兼性离子（0 ） 阴离子（-1）等电点(pI) ： 分子所带的净电荷为零，此时溶液的 pH 值就称为该aa 的等电点。 除碱性 aa 外，其余氨基酸等电点均小于 pH7 2. 紫外吸收性质 Trp 、 Tyr 和 Phe 在 280nm 波长附近对紫外光有最大吸收峰。应用：快速测定蛋白质含量。3. 茚三酮反应氨基酸+水合茚三酮 蓝紫色的化合物 570nm 处有最大吸收应用：氨基酸定量分析脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮反应呈黄色 (440nm)天氡酰胺与茚三酮反应呈棕色
6、二、肽 （一） 肽（peptide ）肽键（peptide bond）：由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键。肽键的特点：在肽键中，与相连的氧原子和氢原子呈反式构型肽键中键长为 0.132nm 正常情况下：CN 单键为 0.149nm C=N 双键为 0.127nm 因此，肽键具有部分双键性质，不能自由旋转肽单元(peptide unit)：组成肽键的 4 个原子(C、N、O 、H )和与之相邻的 2 个 碳原子(C 1 、 C 2)位于同一平面，构成所谓的肽单元。氨基酸借肽键相连而形成的化合物称肽(peptide) 。寡肽：N50 肽链不分支且有方向性肽链中的
7、氨基酸因脱水而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。（二）天然存在的活性肽谷胱甘肽(glutathione，GSH)(1) 组成 由 Glu、Cys 和 Gly 组成的三肽 构成第一个肽键的羧基是 Glu 的 羧基(2) 功能：GSH 是体内重要的还原剂。第二节 蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein一、蛋白质的一级结构定义：多肽链中氨基酸的数目、排列顺序及共价连接主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键一级结构是蛋白质空间结构和特异生物学功能的基础，各种蛋白质的根本差异就在于一级结构的不同。二、蛋白质二级结构定义： 是指蛋白质分子中多
8、肽链骨架原子的局部空间排列，不涉及到氨基酸残基侧链的构象。 主要的化学键：氢键多肽链骨架 ：由NCaC序列重复排列而成蛋白质二级结构的主要类型 -螺旋、-折叠、 -转角、无规卷曲（一）螺旋 (-helix)1.概念 由肽键平面盘旋形成的右手螺旋状构象 最常见、最丰富，呈棒状2.-螺旋的结构特征(1)以肽平面为单位,以 -碳原子为转折，盘旋形成右手螺旋。 (2) 每 3.6 个氨基酸残基绕成一个螺圈(360 o),螺距为 0.54nm,肽键平面与中心轴平行。(3)主链原子构成螺旋的主体, 侧链在其外部(4)肽键的 CO 和 NH 都形成氢键氢键的方向与中心轴大致平行,是稳定螺旋的主要作用力（二）
9、-折叠 (-pleated sheet)是由两条或多条几乎完全伸展的肽段平行排列，通过肽段间的氢键交联而形成的。 肽段的主链呈锯齿状折叠构象 -折叠结构特点(1) 相邻肽键平面的夹角为 1100 ，呈锯齿状排列；侧链基团交错地分布在片层平面的两侧。 (2) 25 条肽段平行排列构成，肽段之间可顺向平行(均从 N-C)，也可反向平行 。 (3)由氢键维持稳定，其方向与折叠的长轴接近垂直。 （三）-转角 肽链出现 180回折的转角处的结构。（四）无规卷曲 没有确定规律性的肽链构象。（五）超二级结构-模体（motif）在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二
10、级结构聚集体。三、蛋白质的三级结构（一）定义 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。三级结构不仅包括蛋白质分子主链的构象，还包括侧链的构象主要的化学键 疏水作用、离子键、氢键、范德华力等（二）结构域(domain)分子量大的蛋白质三级结构常可分隔为两个和数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行其功能，称为结构域。四、蛋白质的四级结构亚基(subunit) 蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成，每条肽链都有完整的三级结构，称为亚基。 蛋白质的四级结构：亚基间的空间排布、亚基间相互作用与接触部位的布局，不包括亚基本身的空间结构。 亚基间的结合力主要是
11、疏水作用，其次是离子键和氢键。由一条肽链形成的蛋白质没有四级结构 。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才具有生物学功能。 五、蛋白质的分类1. 根据组成成分分为：单纯 Pr全部由 aa 组成；结合 Pr除蛋白部分外，还含非蛋白部分。2. 根据其形状分为：纤维蛋白质、球状蛋白质第 三 节 蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein一、蛋白质一级结构与功能的关系（一） 一级结构是构象的基础 顺序规定构象 构象：空间结构、三维结构牛 RNA 酶的变性与复性天然状态 有催化活性 ； 非折
12、叠状态 SS被还原 无活性天然状态 SS 恢复正确配对 活性恢复说明蛋白质一级结构是空间结构形成的基础，而只有具备了特定的空间结构的蛋白质才具有生物学活性 （二）一级结构是功能的基础一级结构相似的蛋白质功能相似，一级结构不同的蛋白质功能不同（三）一级结构改变与分子病蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间结构乃至生物学功能这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病” 。HbS 与 HbA 的区别 -亚基第 6 位氨基酸 正常人：Glu 患者：Val 二、蛋白质空间结构与功能的关系（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构构象决定功能 构象是蛋白质活性与功能的根本。 构
13、象为 AA 序列所规定，而后者又为基因所规定。（二）血红蛋白构象变化与结合氧1. 肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb) 的结构蛋白质的空间结构决定生物学功能肌红蛋白（1 条多肽链）与血红蛋白（ 4 个亚基，具有完整的四级结构）空间结构有较大差异，其功能也不相同Mb 和 Hb 结构与功能的比较Mb Hb多肽链（亚基）数 1 4空间结构 三级 四级血红素辅基数 1 4结合氧分子数 1 4协同效应 无 有氧离曲线 直角双曲线S 形曲线功能 储存氧 运输氧2. 血红蛋白构象变化与结合氧Hb 与 Mb 一样能可逆地与 O2 结合；但 Hb 第一个亚基与 O2 结合，可促进第二、第三个亚基与 O2 的结合，
14、前三个亚基与 O2 结合，又大大促进第四个亚基与 O2 结合，这种效应，称协同效应。 Hb 与 Mb 的氧解离曲线（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象病：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，严重时会导致疾病发生。折叠错误 相互聚集 淀粉样纤维沉淀 毒性疯牛病 老年痴呆症 亨丁顿舞蹈病 人纹状体脊髓变性病朊病毒(prion)是一种不同于病毒、类病毒、细菌、霉菌、寄生虫的传染性病原体。它不含有核酸，单纯由蛋白质组成。 朊病毒蛋白有两种构象：细胞型(PrP C)和搔痒型 (PrPSC)细胞型(PrP C)是一种正常无害的蛋白质，可能与神经系统功能维持有
15、关。 疯牛病：人和动物神经退行性病变，具传染性，发病时主要表现为视物模糊、平衡障碍、肌肉收缩和不随意运动现象等，一般在出现症状后 2 年内死亡。 第 四 节 蛋白质的理化性质及其分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein一 、蛋白质的理化性质（一）蛋白质的两性解离蛋白质两端的-NH 2 和-COOH 以及侧链中的某些基团均可以在一定的 pH 值条件下解离为带正电或负电荷的基团。等电点(pI) ：在某一 pH 值溶液中，蛋白质酸性基团和碱性基团的解离程度相当；蛋白质分子所
16、带正负电荷相等，净电荷为零；此时溶液的 pH 值称为蛋白质的等电点(pI)。（二）蛋白质的胶体性质蛋白质分子颗粒大小在 1100nm 之间,属胶体颗粒范围。在溶液中能形成稳定的胶体蛋白质胶体的稳定因素：水化膜 和 颗粒表面电荷（三）蛋白质的变性、沉淀与凝固1. 蛋白质的变性(denaturation)在某些理化因素作用下，蛋白质的构象被破坏，失去其原有的性质和生物活性，称为蛋白质的变性作用。变性后的蛋白称为变性蛋白质。常见的变性因素： 化学因素： 强酸、强碱、有机溶剂、生物碱、尿素、胍、重金属物理因素：热、紫外线、超声波、剧烈振荡变性的本质: 破坏非共价键和二硫键，空间结构被破坏，不改变蛋白质
17、的一级结构。蛋白质的复性(renaturation) 除去变性因素后，有的变性蛋白质又可恢复其天然构象和生物活性，这一现象称为蛋白质的复性。2. 蛋白质的沉淀在一定条件下，疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕而聚集，因而从溶液中析出的现象。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。应用: 蛋白质分离纯化、解毒3.蛋白质的凝固作用蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆结果。（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的 Tyr 和 Trp，因此在 280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的 A280 与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色效应1. 茚三酮反应2. 双缩脲反应蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中加热条件下与硫酸铜反应生成紫红色络和物。氨基酸无此反应，因此双缩脲反应可检测蛋白质水解程度
