01蛋白质化学

1第一章蛋白质的结构与功能第一节蛋白质的分子组成一．氨基酸氨基酸是组成蛋白质的基本单位。人体内组成蛋白质的氨基酸均为Ｌ－α氨基酸，共有20种。（一）氨基酸的分类：20种天然氨基酸按侧链的理化性质分为4类:1．非极性疏水性氨基酸,包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸七种。2．极性中性氨基酸,包括色氨酸、丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸等共8种氨基酸。3．酸性氨基酸,包括天冬氨酸和谷氨酸。4．碱性氨基酸,包括赖氨酸、精氨酸、组氨酸。氨基酸属于两性电解质，因而具有两性解离的特点。在某一pH溶液中，氨基酸解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等，净电荷为零，此溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。色氨酸和酪氨酸在280nm波长处有最大光吸收，而绝大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸，因此紫外吸收法是分析溶液中蛋白质含量的简便方法。（二）氨基酸的理化性质1．两性解离及等电点：氨基酸的等电点：在某一pH溶液中，氨基酸解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等，净电荷为零，此溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。2．紫外吸收性质：根据氨基酸的吸收光谱，含有共轭双键的色氨酸、；酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近。由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便方法。3．印三酮反应：氨基酸与茚三酮水合物共加热，茚三酮水合物被还原，其还原无可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝色的化合物，此化合物最大吸收峰在570nm2波长处。可作为氨基酸的定量分析方法。二、肽（一）肽（peptide）肽键:一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱去1分子水，所形成的酰胺键称为肽键。肽键的键长为0.132nm,具有一定程度的双键性质。参与肽键的6个原子位于同一平面。多肽链中肽键与α－碳原子形成一条主链骨架,氨基酸的侧链在此骨架上向外伸出,按规定,多肽链中氨基末端写在左侧,羧基末端写在肽链的右侧,如果把氨基酸序列标上数码,应以氨基末端的氨基酸为1号,从左向右顺序排列。氨基酸通过肽键相连而成肽链，少于10个氨基酸的肽链称为寡肽，大于10个氨基酸的肽链称为多肽。（二）生物活性肽：体内有许多生物活性肽。例如谷胱甘肽，谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成的三肽,第一个肽键不是α－肽键而由谷氨酸γ－羧基与半胱氨酸的氨基组成,GSH的SH代表半胱氨酸残基上的疏基,是该化合物的主要功能基团。功能：1．解毒功能：SH基团的嗜核性，能与外源的嗜电子毒物如致癌剂和药物等结合，从而避免这些毒物和DNA、RNA及蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害。2．GSH是细胞内重要还原剂，它保护蛋白质分子中的SH基团免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。3．GSH上的氢，在谷胱甘肽过氧化物酶的催化下，能还原细胞内产生的H2O2，使其变成H2O，同时GSH成为氧化型即GSSG，后者又在谷胱甘肽还原酶催化下，再生成GSH。因此，GSH是细胞内十分重要的还原剂。第二节蛋白质的分子结构一．蛋白质的一级结构：蛋白质分子中，从N－端到C－端的氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构（primarystructure）。蛋白质一级结构中的主要化学键是肽键，有些蛋白质还包含二硫键。蛋白质一级结构是高级结构的基础，但不是唯一决定因素。二．蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构（secondarystructure）是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该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。蛋白质二级结构包括α—螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。维持蛋白质二级结构的化学键是氢键。3（一）肽单元肽单元（peptideunit）：参与肽键的6个原子—Cα1，C，O，N，H，Cα2位于同一平面，Cα1和Cα2在平面上所处的位置为反式（trans）构型，此同一平面上的6个原子构成肽单元。（二）α-螺旋：（1）多肽链的主链围绕中心轴呈有规律的螺旋式上升，螺旋的走向为顺时钟方向，即右手螺旋；（2）氨基酸侧链伸向螺旋外侧；（3）每个肽键的亚氨基氢和第四个肽键的羰基氧形成氢键，依此类推，肽链中的全部肽键都形成氢键，以稳固α-螺旋结构；（4）每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，所以每个氨基酸残基上升的高度为0.15nm。（三）β-折叠：（1）多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿结构；（2）氨基酸侧链交替地位于锯齿状结构的上、下方；（3）两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，通过链间羰基氧和亚氨基氢形成氢键，从而稳固β-折叠结构；（4）肽链有顺式平行和反式平行两种。（四）β-转角和无规卷曲：：（1）常发生于肽链180°回折时的转角上；（2）通常有4个氨基酸残基组成，其第一个残基的羰基氧与第四个残基的亚氨基氢可形成氢键。没有确定规律性的那部分肽链结构。（五）模序（motif）：在许多蛋白质分子中，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结构。一个模序总有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能，如锌指结构，α-螺旋-环-α-螺旋。（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质的二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成α-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。三、蛋白质的三级结构（一）三级结构蛋白质的三级结构（tertiarystructureofprotein）：在蛋白质二级结构的基础上，侧链基团相互作用，使多肽链进一步折叠卷曲，形成的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。蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键——疏水作用，离子键、氢键和Vander4waals等。一些蛋白质的三级结构可形成数个结构域，各结构域都有特殊的功能。例如纤连蛋白每条多肽链含有6个结构域，分别与细胞，胶原，DNA，肝素等结合。（二）结构域（domain）分子量大的蛋白质三级结构常可分割成1个和数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，具有独立的生物学功能，称为结构域。如纤连蛋白(fibronectin)含有6个结构域。（三）分子伴侣蛋白质空间构象的正确形成，除一级结构为决定因素外，还需分子伴侣的参与。分子伴侣是一类帮助新生多肽链正确折叠的蛋白质，其作用：1．蛋白质在合成时，分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。2．分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。3．分子伴侣对蛋白质分子中二硫键的正确形成，起到重要作用。四、蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构：蛋白质的四级结构（quaternarystructrueofprotein）：由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基（subunit），亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接，这种蛋白质分子中各个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。有些蛋白质分子含有二条或多条肽链，才能完整地表达功能，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间分布，并以非共价链相连接，蛋白质分子中各亚基的空间分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。维系四级结构的作用力主要是疏水作用，氢键和离子键也参与维持四级结构。并非所有蛋白质都有四级结构。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能。五、蛋白质的分类蛋白质是由20种氨基酸组成的大分子化合物，除氨基酸外，某些蛋白质还含有其他非氨基酸组分。因此根据蛋白质组成成分可分成单纯蛋白质和结合蛋白质。蛋白质还可根据其形状分为纤维状蛋白和球状蛋白质两大类。第三节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（一）一级结构是空间构象的基础5以核糖核酸酶为例说明。核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的一条多肽链，有4对二硫键。加入尿素（或盐酸胍，作用是破坏氢键）和β-巯基乙醇（可将二硫键还原成巯基，破坏二硫键），导致此酶的二、三级结构遭到破坏，酶活性丧失，但肽键不受影响，所以一级结构不变，采用透析去除尿素和β-巯基乙醇后，理论上二硫键的形成有105种方式，即正错配对率低于1%，而实验结果发现正确配对率为95%～100%。证明空间构象遭到破坏的核糖核酸酶，只要其一级结构未被破坏，松散的多肽链可循其特定的氨基酸顺序，卷曲折叠成天然的空间构象，酶活性又逐渐恢复至原来水平。再如镰刀型红细胞贫血。镰刀型红细胞贫血发生的根本原因是血红蛋白的一级结构发生了差错，人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸应该是谷氨酸，而在镰刀型贫血的血红蛋白中却是缬氨酸，本是水溶性的血红蛋白，就会聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形成镰刀状而极易破裂，产生贫血。（二）一级结构与功能的关系已有大量的试验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。例如不同哺乳动物的胰岛素分子结构都由A和B两条链组成，且二硫键的配对和空间构象也极相似，一级结构也相似仅有个别氨基酸差异，因而它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。此外，垂体前叶分泌的促肾上腺皮质激素（ACTH）和促黑激素（α-MSH,β-MSH）共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可以促进皮下黑色素生成，但作用较弱。一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素C（cytochromeC），比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。物种间越接近，则细胞色素C的一级结构越相似，其空间构象和功能也相似。二、蛋白质空间结构与功能的关系（一）肌红蛋白和血红蛋白结构肌红蛋百（myoglobin,Mb）与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。血红素是铁卟啉化合物，它由4个吡咯环通过4个甲炔基连接成为一个环形，Fe2+居于环中。血红蛋白（hemoglobin,Hb）具有4个亚基组成的四级结构。Hb由2条α链和2条β链组成。4个亚基间通过8个盐键，紧密结合形成亲水的球状蛋白。未结合O2时，α1与β1，α2与β2呈对角排列，结构紧密，称紧张态（tensestate,T态），Hb与O2亲和力小，此时Fe2+半径比卟啉环中间的孔大，高出卟啉环0.075nm，当第1个O2与Fe2+结合后，Fe2+半径6变小，进入卟啉环的孔中，引起F肽的微小的移动，影响附近肽段的构象，α1、α2间的盐键断裂，结合松弛，促进α2与O2结合，依此方式影响第三、四个亚基与O2结合。随着与O2的结合，4个亚基间的盐键断裂，二、三、四级结构发生剧烈的变化，α2/β2相对α1/β1移动15°夹角，Hb结构变得松驰，称为松驰态（relaxedstate,R态），最后四个亚基全处于R态。此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起亚基构象变化，称为变构效应（allostericeffect）。所谓变构效应是指一个蛋白质与它的配体（或其它蛋白质）结合后，蛋白质的构象发生变化，使它更适于功能需要，这一类变化称为变构效应。例如Hb是变构蛋白，小分子O2是Hb的变构剂或效应剂。Hb与氧的结合也呈现出一种协同效应，当Hb的第一个亚基与O2结合以后，促进了第二及第三个亚基与O2结合后，又大大促进了第四个亚基与O2结合。所谓协同效应是指一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力，如果是促进作用，则称为正协同效应，反之则为负协同效应。（二）蛋白质构象改变与疾病生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程，其中多肽链的正确折叠对其正确构象形成和功能发挥至关重要。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，有人将此类疾病称为蛋白构象疾病。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