1-蛋白质的结构和功能.

第1章蛋白质的结构与功能Chapter1Struction&functionofProtein概述1.什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。2.蛋白质的生物学重要性2-1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织、细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：占人体干重的45％；脾、肺及横纹肌等高达80％。1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递2-2.蛋白质具有重要的生物学功能2-3.氧化供能第1节蛋白质的分子组成Section1theMolecularComponentofProtein蛋白质的元素组成蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近且恒定，平均为16％。通过测定生物样品中的含氮量，再根据以下公式推算蛋白质的大致含量：主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%1.氨基酸•氨基酸是组成蛋白质的基本单位。•组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且多属L-氨基酸（仅甘氨酸除外）。L-glyceraldehyde(anL-sugar)CHOHHOCH2OHCOOHHH2NCH2OHL-serine(anL-AA)•氨基酸的结构通式H甘氨酸CH3丙氨酸氨基酸的通式RC+NH3COO-H1-1氨基酸的分类1）非极性脂肪族氨基酸2）极性中性氨基酸3）芳香族氨基酸4）酸性氨基酸5）碱性氨基酸*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:｝1-1-1非极性脂肪族氨基酸(侧链含烃链)1-1-2极性中性氨基酸(侧链有极性但不带电荷)1-1-3芳香族氨基酸(侧链含芳香基团)1-1-4酸性氨基酸(侧链含负性解离基团)1-1-5碱性氨基酸(侧链含正性解离基团)几种特殊氨基酸•脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2半胱氨酸(含巯基)-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH31-2氨基酸的理化性质1-2-1.两性解离及等电点等电点(isoelectricpoint,pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。pH=pI+OH-pHpI+H++OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子CHNH2COOHRCHNH2COOHRCHNH3+COO-RCHNH3+COO-RCHNH2COO-RCHNH2COO-RCHCOOHRNH3+CHCOOHRNH3+怎样确定氨基酸pI•酸碱滴定根据酸碱基团pKa计算中性氨基酸pI酸性氨基酸pI碱性氨基酸pI1-2-2.紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收Trp、Tyr(含共轭双键)最大吸收峰在280nm附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，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的方法。1-2-3茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，大多可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此峰值与氨基酸的含量存在正比关系，可作为氨基酸定量分析方法。(氧化脱羧脱氨)2.肽2-1肽(peptide)*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*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。NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH-CH-CHOHOOH甘氨酸+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。*由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端*多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端C末端牛核糖核酸酶2-2几种重要的生物活性肽2-2-1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换•体内许多激素属寡肽或多肽•神经肽(neuropeptide)2-2-2.多肽类激素及神经肽第2节蛋白质的分子结构Section2theMolecularStructureofProtein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1.蛋白质的一级结构•蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序。•稳定蛋白质一级结构的主要化学键是肽键，有些蛋白质还包括二硫键。•蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础，但不是唯一的因素。2.蛋白质的二级结构•蛋白质的二级结构是指多肽链中某个肽段的主链骨架原子的相对空间位置。•主链骨架原子包括N(H)，C(O)和相邻的2个C。•稳定蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。2-1肽单元或肽单位(peptideunit)57°47°参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元。2-2二级结构的主要形式•-螺旋(-helix)•-折叠(-pleatedsheet)•-转角(-turn)•无规卷曲(randomcoil)2-2-1-螺旋肽段主链围绕中心轴做有规律的螺旋式上升,螺旋走向为顺时针(右手螺旋).肽单位(肽平面)围绕N-Cα键旋转57°(Phi角)或绕C-Cα键旋转47°(Psi角).氨基酸侧链伸向螺旋外侧.每3.6个氨基酸残基上升一圈(360°),螺距为0.54nm.每个肽键的N-H和第四个肽键的C=O形成与长轴平行的氢键.2Cα间距0.15nm。影响-螺旋形成的因素•氨基酸结构刚性(Pro)•氨基酸形成离子键或静电斥力(Glu/Asp/His/Lys/Arg)•氨基酸侧链大小(Val/Ile)2-2-2-折叠•伸展(2C间的距离达0.35nm)•瘦长/弯曲/桶状，两链同向或反向•在不同链或同一条链不同片段形成氢键•侧链突出在折叠的上方或下方•强度大,有刚性2-2-3-转角和无规卷曲-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。•常由4个AA残基组成•1stAA-C=O与4thAA-N-H形成氢键•2ndAA是Pro或Gly/Asp/Asn/Trp•形似发夹•反向•常见于反向平行末端2-3超二级结构(模体/模序，motif)二级结构组合形式如：，ββ，ββ。在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近所形成的有规则的二级结构组合，被称为模体(motif)。模体是赋予功能含义的超二级结构。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构2-4侧链对二级结构形成的影响蛋白质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-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。theconformationalpreferencesofthe20AAsforthe-helixGlu、Met、Ala、LeuLys、Phe、Gln、Trp、Ile、ValAsp、HisCys、Ser、Thr、ArgAsn、TyrGly、ProStrongWeakWeak(usuallyfoundinthebeta-reverseturn)3.蛋白质的三级结构•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。•在二级结构基础上进一步折叠形成•天然结构/功能结构•稳定因素：疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。•肌红蛋白(Mb)三级结构N端C端3-1结构域(domain)•较大的蛋白质分子中折叠形成的结构较为紧密的具独特空间构象的并各行其功能的局部区域称之纤连蛋白分子的结构域3-2分子伴侣(chaperon)*热休克蛋白70(Hsp70)*伴侣蛋白(chaperonin)(如Hsp60/GroEL、GroES)*核质蛋白(nucleoplasmin)是为加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构提供合适微环境的一类蛋白质。*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。*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。*分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。4.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。•含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每条具有完整三级结构的多肽链称为蛋白质的亚基(subunit)。•亚基间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。•由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。血红蛋白的四级结构第3节蛋白质结构与功能的关系Section3TheRelationofStructure&FunctionofProtein1.蛋白质一级结构与功能的关系1-1一级结构是空间结构的基础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，无活性牛核糖核酸酶1-2一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构和功能胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla1-3一级结构提供重要的生物进化信息细胞色素(cytochromeC)的进化树表：细胞色素C的种属差异量（以人CytC为参照）生物名称黑猩猩恒河猴兔袋鼠鲸牛猪羊狗骡马残基差异数019101010101112生物名称鸡、火鸡响尾蛇乌龟狗、鱼蛾小麦面包霉酵母残基差异数1314153131354345同一种蛋白质一级结构差异愈小，物种间进化愈接近1-4一级结构改变可引起疾病•例如：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)由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。2.蛋白质空间结构与功能的关系2-1Hb亚基与Mb空间结构相似，都具有运输氧气的功能MbHbαHbβHbA2-2Hb亚基构象变化可影响亚基与氧结合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。O2saturationpO2(mmHg)P50P50Hb和Mb的氧结合/解离曲线S型矩型变构效应(allostericeffect)又称别构效应。是指寡聚体蛋白质与其配体结合后，引起该蛋白质分子的构象变化，而导致其活