生物化学第1章蛋白质的结构与功能

蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein第一节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）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H1.非极性疏水性氨基酸2.极性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸（一）氨基酸的分类1.非极性疏水性氨基酸HCHNH3COOH3CCHNH3COOCHCHNH3COOH3CH3CCH2CHNH3COOCHH3CH3CCHCHNH3COOCH2H3CH3CGlycine(Gly)Isoleucine(Ile)Leucine(Leu)Valine(Val)Alanine(Ala)甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸CH2CHNH3COO苯丙氨酸Phenylalanine(Phe)CHCOOH2NH2CCH2CH2脯氨酸Proline(Pro)2.极性中性氨基酸Tryptophan(Try)Methionine(Met)Cysteine(Cys)Serine(Ser)色氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸蛋氨酸CH2CHNH3COO天冬酰胺Asparagine(Asn)谷氨酰胺Glutamine(Gln)NHCHCCH2CHNH3COOHOCH2CHNH3COOHSCH2CHNH3COOTyrosine(Tyr)HOCH2CHNH3COOCH3SCH2CH2CHNH3COOCCHCHNH3COOH3CCH2CHNH3COOH2NOCH2CH2NOHO苏氨酸Threonine(Thr)3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸Asparticacid(Asp)Glutamicacid(Glu)天冬氨酸谷氨酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COOOOCOOCCH2Lysine(Lys)精氨酸赖氨酸Arginine(Arg)组氨酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COONH2CH2CH2CH2CH2CHNH3COONH2CNHCH2CH2NHHCNCHNHCHistidine(His)习惯分类方法1.芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe2.含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr3.含硫氨基酸：Cys、Met4.杂环族氨基酸：His5.杂环族亚氨基酸：Pro6.支链氨基酸：Val、Leu、Ile几种特殊氨基酸Gly：无手性碳原子。Pro：为环状亚氨基酸。Cys：可形成二硫键。NH2CHCOOHCH2NH2CHCOOHCH22Cys胱氨酸二硫键SHSSCH2CHNH2COOH2HCH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生的。（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点2.紫外吸收3.茚三酮反应二、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)H2NCCHR1OHO+NCHHHR2COOHH2OH2NCCHR1ONCHR2COOHH肽键•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）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)结构:•谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽•谷氨酸的-羧基形成肽键•－SH为活性基团•为酸性肽•是体内重要的还原剂GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+主要功能:•肽类激素：如促甲状腺素释放激素（TRH）•神经肽(neuropeptide)2.肽类激素及神经肽三、蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分*根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein第二节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)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RCαCαCOORNCNψφ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（六）影响二级结构形成的因素氨基酸侧链所带电荷、大小及形状。影响α-螺旋形成的因素：β-折叠形成条件：要求氨基酸侧链较小。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端纤连蛋白分子的结构域结构域(domain)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，各行其功能，称为结构域。结构域Triosephosphateisomerase分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质。*可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可使肽链正确折叠。*与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。*对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。作用：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）的四级结构蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节（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（二）一级结构与功能的关系例：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”。（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构二、蛋白质空间结构与功能的关系Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线*协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。促进作用称为正协同效应(positivecooperativity)抑制作用称为负协同效应(negativecooperativity)变构效应(allostericeffect)凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质（或亚基）功能的变化，称为蛋白质的变构效应。（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、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。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-折叠正常疯牛病第四节蛋白质的理化性质与分离纯化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein（一）蛋白质的两性电离一、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。PrNH3+COOHPrNH3+COO-PrNH2COO-OH-H+OH-H+兼性离子pH=pI阳离子pHpI阴离子pHpI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。（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：——破坏非共价键和二硫键，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