2 蛋白质的结构和功能

第一章蛋白质化学Chapter1Protein一、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。概述二、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：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。Erythrocytes（红细胞）containalargeamountofhemoglobins（血红蛋白）,theoxygen-transportingprotein.Theproteinkeratin（角蛋白）isthechiefstructuralcomponentsofhair,scales,horn,wool,nailsandfeathers.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.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能蛋白质的元素组成C（50－55%）、H（6－8%）、O（20－23%）、N（15－18%）、S（0－4%）,有些蛋白质还含有一些其它元素，如P、Fe、Cu、Mo、I等。N的含量平均为16%——凯氏（Kjadehl）定氮法的理论基础。1克氮就相当于6.25克蛋白质。三、蛋白质的基本单位-氨基酸（一)氨基酸的结构(通式)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(20-22)，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.非极性侧链氨基酸2.非电离极性侧链氨基酸3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸(二）氨基酸的分类*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下: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苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48脯氨酸prolineProP6.301.非极性側链氨基酸目录色氨酸tryptophanTryW5.89丝氨酸serineSerS5.68酪氨酸tyrosineTryY5.66半胱氨酸cysteineCysC5.07蛋氨酸methionineMetM5.74天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonineThrT5.602.非电离极性側链氨基酸目录天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸目录几种特殊氨基酸•脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3•人类8种必需氨基酸：（人体体内不能自身合成，必须从食物中获得）•Met、Val、Lys、Ile、Phe、Leu、Try、Thr•婴儿时期所需:Arg、His早产儿所需：Try、Cys1.光吸收组成蛋白质的20种氨基酸中，Trp、Tyr和Phe对紫外光有一定的吸收，这是因为它们分子中含有苯环，是苯环的共轭双键造成的，这三个氨基酸的光吸收都在280nm附近。（三）、氨基酸的理化性质酪氨酸的max＝275nm，苯丙氨酸的max＝257nm，色氨酸的max＝280nmH3NCHCOOHRH3NCHCOOR-+++H++OH-+H++OH-H2NCHCOOR-正离子两性离子负离子氨基酸所带静电荷为“零”时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint），以pI表示。2、氨基酸的两性解离和等电点等电点的计算中性氨基酸：以Gly为例K1=[Gly±][H+][Gly+]K2=[Gly-][H+][Gly±]pI时，[Gly+]=[Gly-][Gly±][H+]K1=[Gly±]K2[H+][H+]2=K1K2pH=（pK1+pK2）/2pI=（pK1+pK2）/2pI=（2.34+9.60）/2=5.97GlyH3NCH2COOHH3NCH2COO-++H2NCH2COO-Gly+Gly+-Gly-H+K1H+K2酸性氨基酸，以Asp为例：碱性氨基酸，以Lys为例：pI的用途：分离、纯化和鉴定蛋白质制剂、氨基酸制剂，在药物使用上可改变pI方法延长疗效。当pH＝pI时：（1）带净电＝0，电场上不移动，导电性最小。（2）溶解度最小，最易沉淀，粘度最小。3、其它化学性质烃基化反应（氨基的H原子被烃基取代）2，4-二硝基氟苯（DNFB或FDNB），称Sanger试剂苯异硫氰酸酯（PITC），Edman法测序丹磺酰氯(DNS)AADNFB+多肽蛋白用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.亦称Sanger反应弱碱DNP-AADNP-多肽DNP-蛋白+HF酸解DNP-AA（有机相）+游离AA（水相）用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.亦称Edman反应弱碱AAPITC+多肽蛋白AAPTC—多肽蛋白无水甲酸或HFPTH-AA+少一个AA的多肽或蛋白（乙酸乙酯）用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.DNS+AA多肽蛋白弱碱DNS-AA多肽蛋白酸DNS-AA+游离AA（乙醚抽提，有荧光）*以肽键相连接，肽键(peptidebond)是由一个氨基酸的-羧基上的羟基与另一个氨基酸的-氨基上的氢原子脱水缩合而形成的化学键，如图示:四、氨基酸在蛋白质中的连接方式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-COOHHHHOCorey在利用X-射线衍射技术研究多肽链结构时发现：1.肽键具有部分双键性质：2.肽键不能自由旋转3.组成肽键的四个原子和与之相连的两个碳原子都处于同一个平面内，此刚性结构的平面叫肽平面（peptideplane）或酰胺平面（amideplane）。ＣαＣαＣＮＨＯ肽平面肽键的特点：C—N单键键长为0.149nm，C=N双键键长为0.127nm肽键中Ｃ－Ｎ键长为0.132nm，具有部分双键性质，不能自由旋转；有顺反二型，与C-N相连的H、O均为反式，形成肽键平面。CNOHCNOH顺式反式肽键平面示意图*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*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C末端牛核糖核酸酶几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+催产素(9肽)、胰高血糖素（29肽）、脑啡肽（5肽）、胰岛素（51肽）2.多肽类激素TheMolecularStructureofProtein第二节蛋白质的分子结构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.概念：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.主要的化学键(主键)肽键，有些蛋白质还包括二硫键。方向:NC;或NH2末端羧基末端.提示：一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。它由遗传密码决定,其上有酶切位点,一级结构可测定,并不同种属间有同源性.目录二、蛋白质的二级结构指肽链的主链在空间的排列，或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键，并不涉及到氨基酸侧链R基团的构象。蛋白质的二级结构类型α－螺旋结构β－折叠结构β-转角无规卷曲左手和右手螺旋(1)-螺旋Pauling和Corey于1965年提出。结构要点：1）以肽键平面为单位,以α－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(3600)螺距为0.54nm，每个氨基酸上升0.15nm，肽键平面与中心轴平行.3）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键（hydrogenbond），氢键的走向平行于螺旋轴，肽键的CO和NH都形成氢键，是稳定螺旋的主要作用力。—C—(NH—C—CO)3N—OHHR4)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部5）-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的二级结构。6)Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。RRRRRRRRR螺旋的横截面（2）-折叠也叫-结构或-构象，它是蛋白质中第二种最常见的二级结构。是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。-折叠的特点：①在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm.②-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。③-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。-折叠的平行式与反平行式排列（较稳定）丝心蛋白：β-角蛋白（3）-转角为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状（U型结构）。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。常位于球蛋白分子表面，为蛋白质活性的重要空间结构部分。Gly和Pro最易形成-转角结构。β-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头（4）无规则卷曲•没有一定规律的松散肽链结构，但仍是紧密有序的稳定结构，通过主链间及主链与侧链间氢键维持其构象。•常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠。酶的活性部位和其它蛋白质的功能部位。核糖核酸酶分子中的二级结构α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲超二级结构和结构域（１）超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。（2)结构域：三级结构的局部折叠区，一条多肽链在这个域范围内来回折叠，与相邻的域常以一个或两个多肽片段连结，是空间上能辨认的三维实体，具有特殊的功能,多为蛋白质的活性部位。例如可以结合小分子等。每个结构域含有1～3个配体的结合部位。蛋白质的三级结构是整条多肽链在各种二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用，借助次级键维系，进一步盘绕折叠形成具有一定规律的三维空间结构。蛋白质的三级结构是由一级结构决定的三、蛋白质的三级结构2、特点（1）三级结构是球状或椭圆状蛋白质；（2）可形成亲水表面和疏水内核，表面也可有些“沟”“穴”以鲸肌红蛋白为例，说明蛋白质的三级结构，1963年Kendrew等通过鲸肌红蛋白的x-射线衍射分析，测得了它的空间结构。四、蛋白质的四级结构1、定义指几个各具独立三级