01 第一章 蛋白质的结构与功能

第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein蛋白质的概念蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacid)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。第一节蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein蛋白质的元素组成主要含有碳、氢、氧、氮及硫。有些蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、锰、钴及钼等。蛋白质元素组成的特点蛋白质的含氮量接近，平均为16%。测定生物样品含氮量可推算出蛋白质大致含量。100克样品中蛋白质的含量（g%）=每克样品含氮克数×6.25×100一、蛋白质的基本组成单位-氨基酸氨基酸是蛋白质的基本组成单位。自然界存在300余中氨基酸，组成蛋白质的氨基酸仅有20种，且均为L-α-氨基酸(除甘氨酸外)。（一）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1.非极性脂肪族氨基酸甘氨酸glycineGlyG5.97丙氨酸alanineAlaA6.00缬氨酸valineValV5.96亮氨酸leucineLeuL5.98异亮氨酸isoleucineIleI6.02脯氨酸prolineProP6.302．中性极性氨基酸丝氨酸serineSerS5.68半胱氨酸cysteineCysC5.07甲硫氨酸methionineMetM5.74(蛋氨酸)天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷胺酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonineThrT5.60苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48色氨酸tryptophanTrpW5.89酪氨酸tyrosineTyrY5.663．芳香族氨基酸4.酸性氨基酸天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.2245.碱性氨基酸赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.59胱氨酸与二硫键（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离方式及带电状态取决于其所处溶液的酸碱度。等电点(isoeletricpoint,pI)在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的数量相等，分子呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。2.氨基酸的紫外吸收酪氨酸、色氨酸含有共轭双键，具有吸收紫外光的特性，在280nm处有最大吸收峰。蛋白质在280nm处的紫外吸收与浓度成正比，可用于蛋白质的定量分析。二、氨基酸与多肽氨基酸通过肽键相连接的形成多肽链。（一）肽键（peptidebond)一分子氨基酸的α-羧基与另一分子的α-氨基，脱水缩合形成的酰胺键（-CO-NH-）称为肽键。肽与肽键多肽链的序号从N端计算，书写时将N端写于左侧，用H2N-或H-表示；C端用-COOH或-OH表示。氨基酸残基(residue)肽链中的氨基酸分子因形成肽键失去部分基团，称为氨基酸残基。（二）生物活性肽类由几个至几十个氨基酸残基组成谷胱甘肽(glutathione,GSH)谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成，简称为谷胱甘肽。谷胱甘肽GSH与GSSG间的相互转换三、蛋白质的分类1．根据蛋白质分子的组成特点单纯蛋白质和结合蛋白质2．根据分子形状的不同球状蛋白和纤维状蛋白3．根据蛋白质的主要功能功能活性蛋白质和结构蛋白质。第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein蛋白质的分子结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构一、蛋白质的一级结构氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。一级结构是蛋白质分子基本结构，决定蛋白质空间构象的基础。蛋白质的空间构象则是实现其生物学功能的基础。一级结构中的主要化学键是肽键。牛胰岛素的一级结构二、蛋白质的空间结构蛋白质在一级结构的基础上，分子单键旋转而盘曲、折叠形成特定空间构象。蛋白质的构象包括主链构象和侧链构象。蛋白质的空间结构包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。（一）蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中某一肽链的局部空间结构，即多肽链中主链原子的相对空间排列分布，而不涉及氨基酸残基侧链的空间排布。稳定因素：氢键1.肽平面肽键具有部分双链性质，因此肽键不能自由旋转，而使涉及肽键的6各原子共处于同一平面，称为肽键平面，又称肽单元。肽键平面示意图2.蛋白质二级结构的主要构象形式•α-螺旋(α-helix)•β-折叠(β-pleatedsheet)•β-转角(β-turn)•无规卷曲(randomcoil)α-螺旋结构（1）α-螺旋多肽链中的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向，称右手螺旋。氢键是维持α-螺旋结构稳定的主要化学键。（2）β-折叠β-折叠呈折纸状多肽链充分伸展，各个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方。β-折叠（3）β-转角出现于肽链进行180o回折时的转角部位。由4个氨基酸残基组成，由第一个残基的羰基(O)与第四个残基的氨基氧(H)形成氢键，以维持转折结构的稳定。第二个氨基酸残基多为脯氨酸和甘氨酸。β-转角（4）无规卷曲肽链为环或卷曲结构，没有规律性排布，但是表现重要生物学功用，称为“无规卷曲”。由两个或三个二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。（二）蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间排布，即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。主要靠次级键，包括氢键、离子键(盐键)、疏水作用、范德华力、二硫键等。维持蛋白质分子构象的各种化学键a.氢键b.离子键c.疏水作用肌红蛋白结构域（domain）分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。结构域含有序列上连续的100～200个氨基酸残基，有较为独立的三维结构。（三）蛋白质的四级结构每一条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基。各亚基之间以非共价键相互连接形成特定的三维空间构象，称为蛋白质的四级结构。维持四级结构的作用力主要是疏水作用，包括氢键、离子键及范德华力等。血红蛋白由2个α亚基和2个β亚基构成的四聚体，每个亚基中都结合1个血红素辅基。4亚基通过8个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体。完整的血红蛋白分子具有运输O2和CO2的功能。蛋白质的四级结构-血红蛋白结构第三节蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofprotein一、蛋白质的一级结构与功能的关系蛋白质的功能是由其特定的构象所决定的，一级结构是空间构象的基础。某些肽段一级结构（氨基酸组成）决定特定二级结构（α-螺旋或β-折叠）的形成。哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，可通过影响空间构象而影响其生理功能。例如血红蛋白β亚基的第6位谷氨酸被缬氨酸替代，可导致镰刀形贫血。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)二、蛋白质的空间结构与功能的关系蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，所以蛋白质构象是其生物活性的基础。肌红蛋白和血红蛋白的结构肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，它的三级结构折叠方式使辅基血红素能与O2结合与解散，发挥储氧的功能。血红素结构血红蛋白的构象变化与运氧功能随氧分压增高，氧合Hb占总Hb的百分数随之增加，这一变化关系称为氧解离曲线。肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein一、蛋白质的两性解离蛋白质分子在一定的溶液pH条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团。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，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是高分子化合物蛋白质胶体稳定性的因素：颗粒表面水化膜表面电荷除去上述两个稳定因素时，蛋白质从溶液中析出。+++++++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沉淀三、蛋白质的变性、复性1.变性(denaturation)蛋白质在某些理化因素的作用下，空间构象受到破坏，改变理化性质，并失去其生物活性，称为蛋白质的变性。变性涉及空间结构的改变。一级结构不变，肽键无断裂。蛋白质变性的因素常见的有高温、高压、紫外线和乙醇等有机溶剂、重金属离子及生物碱试剂等。在医学上，变性因素可导致病原微生物蛋白的变性失活，常被用来消毒灭菌。2.复性(renaturation)当蛋白质变性程度较轻，消除变性因素使蛋白质恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。许多蛋白质或结构复杂或变性后空间构象严重破坏，不可能发生复性。四、蛋白质的紫外吸收蛋白质(色氨酸及酪氨酸)在紫外光波长280nm处有最大吸收，可以用于检测蛋白质含量。五、蛋白质的呈色反应某些试剂对蛋白质分子中肽键或特殊氨基酸残基发生显色反应，产生的有色物质与蛋白质浓度相关，可用于蛋白质定性、定量检测。如双缩脲反应，考马斯亮蓝、茚三酮反应等。