第一章蛋白质的结构与功能介绍

第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein商洛职业技术学院“大头娃娃”2004年在安徽阜阳农村，很多刚出生不久的婴儿陆续患上一种怪病，头脸肥大、四肢细短、全身浮肿，成了畸形的“大头娃娃”。根据医院的诊断，这些婴儿所患的都是营养不良综合征，而扼杀这些幼小生命的“元凶”，正是蛋白质等营养元素指标严重低于国家标准的劣质婴儿奶粉。商洛职业技术学院三鹿毒奶粉事件2008年9月，中国爆发三鹿婴幼儿奶粉受污染事件，导致食用了受污染奶粉的婴幼儿产生肾结石病症，其原因是奶粉中含有三聚氰胺。三聚氰胺不是食品原料，也不是食品添加剂，是作为化工原料，可用于塑料、涂料、粘合剂、食品包装材料的生产。合格奶粉蛋白质含量为18%计算，含氮量为2.88%。而三聚氰胺含氮量为66.6%，是牛奶的151倍，是奶粉的23倍。主要内容蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质学习要点掌握蛋白质的元素组成及特点，氨基酸的结构特点及连接方式。掌握蛋白质各级结构及维持各级结构稳定的作用力。掌握蛋白质的两性解离和等电点、蛋白质变性。熟悉蛋白质的胶体性质、沉淀、紫外吸收和呈色反应。熟悉蛋白质的理化性质。了解蛋白质的结构与功能的关系。蛋白质是生物体的重要组成成分蛋白质的生物学重要性蛋白质的种类多：大肠杆菌约含蛋白质3000种，人体内含蛋白质10万余种。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％。蛋白质是生命的物质基础（重要的生物学功能）1.催化功能2.调节功能3.支持功能4.运输功能5.营养功能6.运动功能7.防御功能8.识别功能9.信息传递功能10.凝血与抗凝血功能氧化供能蛋白质的生物学重要性第一节蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein组成蛋白质的元素主要C、H、O、N和S有些蛋白质含少量P、Se、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还含有I。一、蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%，1g氮相当于6.25g蛋白质。生物体内的含氮物质主要是蛋白质，因此只要测定生物样品的含氮量就可按下式计算出其蛋白质大致含量：100g样品中蛋白质的含量（g%）＝每克样品中含氮克数×6.25×100二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸蛋白质受酸、碱或蛋白酶水解产生游离氨基酸。因此，组成蛋白质的基本单位是——氨基酸(aminoacid)。自然界存在的氨基酸有300多种，但组成人体蛋白质氨基酸仅有20种，且都有特异的遗传密码，为编码氨基酸。（一）氨基酸的结构特点R代表氨基酸侧链氨基酸的结构通式可用下式表示：H2NCHRCOOHCOO-CHRH3N+或1.组成蛋白质的氨基酸都是α-氨基酸（脯氨酸为α-亚氨基酸）。α-碳原子，即与-COOH相邻碳原子。氨基均连在α-碳原子上，故为α-氨基酸。2.组成人体蛋白质的氨基酸都是L型，即L-α-氨基酸。不同的氨基酸其侧链不同，除甘氨酸外，其余氨基酸的α-碳原子分别连接4个不同原子或基团，是手性碳原子，有两种不同的构型，即L型和D型。L-α-氨基酸D-α-氨基酸CNH2RCOOHHCHRCOOHNH2（二）氨基酸的分类基本氨基酸的分类方法一：按侧链结构分类脂肪族氨基酸(15种)芳香族氨基酸(3种)杂环氨基酸(2种)（二）氨基酸的分类基本氨基酸的分类方法二：按侧链R基团极性分类非极性(疏水)氨基酸(9种)极性不带电荷氨基酸(6种)极性带正电荷氨基酸(碱性氨基酸)(3种)极性带负电荷氨基酸(酸性氨基酸)(2种)1.非极性疏水氨基酸侧链为烃基、吲哚环、甲硫基等疏水性基团。这类氨基酸在水中的溶解度小于极性中性氨基酸。2.极性中性氨基酸侧链为羟基、巯基、或酰氨基等极性基团，有亲水性，但在中性水溶液中不电离的氨基酸。3.酸性氨基酸侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷的氨基酸。有谷氨酸、天冬氨酸。4.碱性氨基酸侧链上有氨基、胍基或咪唑基，在水溶液中能结合H+而带正电荷的氨基酸。有赖氨酸、精氨酸和组氨酸等。（二）氨基酸的分类基本氨基酸的分类方法三：按人体能否合成分类必需氨基酸：机体不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸（八种）半必需氨基酸：人体可合成，但合成量不足，如精氨酸及组氨酸。非必需氨基酸：可自身合成且能满足需要的氨基酸（10种）三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式（一）肽键和肽肽键（peptidebond)是由一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的化学键。NCCOHR2OHHH+肽键-H2ONH2CCNCCOOHR1R2OHHHNCCOHR1OHHH氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽。由两个氨基酸形成的肽称为二肽，由三个氨基酸形成的肽称三肽，以此类推。通常将10个以内的氨基酸形成的肽称为寡肽，十肽以上者称为多肽。多肽分子中的氨基酸相互连接形成长链，称为多肽链。肽链中的氨基酸因脱水缩合已不是完整的氨基酸，故称为氨基酸残基。氨基酸由肽键连接成的长链骨架，称为主链，而各氨基酸残基的R基团统称为侧链。多肽链有两端有自由氨基的一端称为氨基末端或N端，通常写在多肽链的左侧。有自由羧基的一端称为羧基末端或C端，通常写在多肽链的右侧。NH2CαCONHCαCONHCαCONHCαCOOHR1R4R2R3HHHH主链侧链N端C端多肽链中氨基酸残基的顺序编号从N端开始。肽的命名也从N端开始，如由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽称为谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称为谷胱甘肽(GSH)。－SH为活性基团为酸性肽（二）生物活性肽生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。1.谷胱甘肽有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。GSH是体内重要的还原剂，对机体起到保护作用。GSH过氧化物酶NADPH+H+NADP+H2O22GSHGSH还原酶2H2OGSSG2.多肽类激素和神经肽肽类激素种类较多，生理功能各异。主要见于下丘脑及垂体分泌的激素。神经肽在神经传导中发挥信号作用。促甲状腺素释放激素（TRH）：3肽3.其他催产素、升压素：9肽脑肽：种类多，其中脑啡肽重要，为5肽胆囊收缩素：33肽，与消化有关胰高血糖素：29肽，促进血糖浓度增大第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接形成的具有特定分子结构的高分子化合物。蛋白质的分子结构可分为一级、二级、三级和四级。一级结构是蛋白质的基本结构，二级、三级、四级结构称为高级或空间构象。一、蛋白质的一级结构(primarystructure)概念是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。主要的化学键肽键、有些蛋白质还含有二硫键。胰岛素（Insulin）世界上第一个被确定一级结构的蛋白质。人胰岛素的一级结构一级结构是决定蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象唯一因素。测定蛋白质的一级结构的主要意义一级结构是研究高级结构的基础。可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。二、蛋白质的空间结构空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系，称为蛋白质的构象。蛋白质的构象分为主链构象和侧链构象。（一）蛋白质的二级结构(secondarystructure)概念是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间排列，不涉及氨基酸残基侧链的构象。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。蛋白质二级结构的主要形式α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲1、α-螺旋(-helix)——最常见α-螺旋的结构特点①多肽链以肽键平面为单位，α-碳原子为转折点，有规律的盘绕成右手螺旋结构。②每3.6个氨基酸残基盘绕一圈，螺距为0.54nm。③相邻螺旋的肽键之间形成氢键，方向与长轴基本平行，维持螺旋的稳定。④R基团伸向螺旋外侧，其大小、形状及电荷性质均影响α-螺旋的形成。2、β-折叠(β－pleatedsheet)侧视图俯视图β-折叠的结构特点①多肽链呈伸展状态，肽键平面沿长轴折叠呈锯齿状，两平面间夹角为110°，R基交替地伸向锯齿状结构的上下方。②若干肽段互相靠拢，平行排列，通过氢键连接。氢键的方向与长轴垂直。③若两条肽段走向一致（N端、C端方向相同），称为顺向平行；反之，称之为逆向平行，逆向更稳定。3、β-转角（β－turn）β-转角的特点①主链骨架本身以大约180°回折②回折部分通常由4个氨基酸残基构成③构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。4、无规卷曲（nonregularcoil）是指多肽链中除了以上几种比较规则的构象外，其余没有确定规律性的那部分肽链构象。（二）蛋白质的三级结构(tertiarystructure)概念是指整条肽链中所有原子的空间排布，它包括主链构象和侧链构象。主要化学键疏水键、氢键、盐键等非共价键和二硫键。疏水键是维持三级结构稳定的最主要作用力。超二级结构(supersecondarystructure)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。βαβααββ结构域（domain）是在超二级结构基础上进一步卷曲折叠成紧密的近似球状的结构，在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。由一条多肽链形成的蛋白质，其最高级结构为三级结构。只有具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性。结构域（domain）小的蛋白质分子只有一个结构域，大的蛋白质分子有数个结构域√结构域＝三级结构概念蛋白质分子中各亚基之间的空间排布和相互接触关系。体内有许多蛋白质分子是由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键聚合而成，其中每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基。化学键氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。（三）蛋白质的四级结构(quaternarystructure)蛋白质结构中应注意的几个问题由一条多肽链形成的蛋白质其最高级结构为三级，具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性。形成蛋白质的四级结构至少要有两条多肽链。两条或两条以上的多肽链靠共价键连接的蛋白质没有四级结构。由一条多肽链形成的蛋白质与亚基不同。维持蛋白质结构的作用力一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键）二级结构：氢键（主链上—C=O—和N—H之间形成）三、四级结构：次级键（氢键、疏水键、离子键、范德华力、配位键）蛋白质分子中的次级键氢键常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子与另一电负性很强的原子之间。蛋白质分子中氢键的形成氢键疏水键非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。离子键（盐键）是由正、负离子间通过静电引力相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。范德华氏（vanderWaals)引力原子之间存在的相互作用力商洛职业技术学院从一级结构到四级结构按组成分类单纯蛋白质：仅由氨基酸组成结合蛋白质：蛋白部分和非蛋白部分组成按分子形状分类球状蛋白质纤维状蛋白质按功能分类活性蛋白质非活性蛋白质三、蛋白质的分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级结构决定蛋白质的空间结构；一级结构决定蛋白质的生物学功能。二、蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质构象是其生物学功能的基础，构象改变功能改变。商洛职业技术学院同种蛋白质中氨基酸顺序的个体差异（分子病）血红蛋白的一级结构变化引起镰刀型贫血病正常细胞镰刀形细胞•血液中大量出现镰刀型红细胞，患者因此缺氧窒息；•它