动物生物化学第三章蛋白质 王镜岩 邹思湘

第3章蛋白质Proteins本章主要内容蛋白质在生命活动中的重要作用蛋白质的组成单位——氨基酸蛋白质的化学结构和高级结构多肽、蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质和分离与鉴定1.蛋白质在生命活动中的重要作用生物催化作用：酶运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白调节作用：如胰岛素、生长激素运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白结构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白能量转换蛋白：如细胞色素基因调节蛋白：如阻遏蛋白1.1蛋白质在机体内的生物学功能按形状可将蛋白质分为：纤维状蛋白质：多为结构蛋白。球状蛋白质：具有广泛的生物学功能。如酶、蛋白类激素等。按结构和功能可将蛋白质分为：简单蛋白（simpleprotein）：仅有蛋白质组成的、结构简单的蛋白质。结合蛋白（conjugatedprotein）：在蛋白质分子中除了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，才能保证其正常生物活性的蛋白质。分子中包含蛋白质和非蛋白质两部分。1.2蛋白质的分类2.蛋白质的化学组成2.1蛋白质的元素组成所有蛋白质均含有：C50%-55%H6%-8%O20%-23%N15%-17%某些蛋白质含有：S0.3%-2.5%以及P少数蛋白质含有：Fe,Cu，Zn，Mo和I等元素蛋白质中N的平均含量约16%，因此食物与饲料中蛋白质的含量可以通过凯氏定N（Kjeldahl法）进行大致估计。2.2蛋白质的基本结构单位——氨基酸2.2.1氨基酸的基本结构和构型存在于自然界的氨基酸有300种。动物机体的蛋白质经强酸水解之后可以得到20种氨基酸，并且均为L-氨基酸（除了甘氨酸），含不对称的α-碳原子。它们之间的差别在于有不同的侧链基团R。NH2CαCOOHRH氨基酸的结构通式CCOOCH2OHHH3NCCOHCH2OHHHOCCOOCH2OHHNH3CCOHCH2OHHOH镜面L-丝氨酸D-丝氨酸L-甘油醛D-甘油醛镜面氨基酸与甘油醛的构型2.2.2组成蛋白质的20种氨基酸中文名称英文名称符号与缩写分子量侧链结构类型丙氨酸AlanineA或Ala89.079CH3-脂肪族类精氨酸ArginineR或Arg174.188HN=C(NH2)-NH-(CH2)3-碱性氨基酸类天冬酰胺AsparagineN或Asn132.104H2N-CO-CH2-酰胺类天冬氨酸AsparticacidD或Asp133.089HOOC-CH2-酸性氨基酸类半胱氨酸CysteineC或Cys121.145HS-CH2-含硫类谷氨酰胺GlutamineQ或Gln146.131H2N-CO-(CH2)2-酰胺类谷氨酸GlutamicacidE或Glu147.116HOOC-(CH2)2-酸性氨基酸类甘氨酸GlycineG或Gly75.052H-脂肪族类组氨酸HistidineH或His155.141N=CH-NH-CH=C-CH2-|____________|碱性氨基酸类异亮氨酸IsoleucineI或Ile131.160CH3-CH2-CH(CH3)-脂肪族类亮氨酸LeucineL或Leu131.160(CH3)2-CH-CH2-脂肪族类赖氨酸LysineK或Lys146.17H2N-(CH2)4-碱性氨基酸类蛋氨酸MethionineM或Met149.199CH3-S-(CH2)2-含硫类苯丙氨酸PhenylalanineF或Phe165.177Phenyl-CH2-芳香族类脯氨酸ProlineP或Pro115.117-N-(CH2)3-CH-|_________|亚氨基酸丝氨酸SerineS或Ser105.078HO-CH2-羟基类苏氨酸ThreonineT或Thr119.105CH3-CH(OH)-羟基类色氨酸TryptophanW或Trp204.213Phenyl-NH-CH=C-CH2-|___________|芳香族类酪氨酸TyrosineY或Tyr181.1764-OH-Phenyl-CH2-芳香族类缬氨酸ValineV或Val117.133CH3-CH(CH2)-脂肪族类中文名称英文名称三字母缩写单字母符号甘氨酸GlycineGlyG丙氨酸AlanineAlaA缬氨酸ValineValV亮氨酸LeucineLeuL异亮氨酸IsoleucineIleI脯氨酸ProlineProP苯丙氨酸PhenylalaninePheF酪氨酸TyrosineTyrY色氨酸TryptophanTrpW丝氨酸SerineSerS苏氨酸ThreonineThrT半胱氨酸CystineCysC蛋氨酸MethionineMetM天冬酰胺AsparagineAsnN谷氨酰胺GlutarnineGlnQ天冬氨酸AsparticacidAspD谷氨酸GlutamicacidGluE赖氨酸LysineLysK精氨酸ArginineArgR组氨酸HistidineHisH2.2.3氨基酸的分类在中性pH条件下按其R侧链极性和所带电荷的不同，分为四大类,不带电荷极性氨基酸：Gly,Ser,Thr,Cys,Thr,Asn,Gln带负电荷极性氨基酸：Asp,Glu带正电荷极性氨基酸：His,Arg,Lys非极性氨基酸：Ala,Val,Leu,Ile,Pro,Phe,Trp,Met含非极性侧链基团含极性侧链基团Ser,SThr,TCys,CPro,PAsn,NGln,QGly,GAla,AVal,VLeu,LMet,MIle,I含芳香基团含碱性侧链基团（带正电荷）Phe,F;Tyr,Y;Trp,WLys,K;Arg,R;His,H含酸性侧链基团（带负电荷）Asp,D;Glu,E2.2.4氨基酸的主要理化性质光吸收特性氨基酸的两性解离氨基酸分子在水溶液中呈两性离子状态，在其等电点时，氨基酸所带的正、负电荷相等，净电荷为零。氨基酸的等电点对某一种氨基酸而言，当溶液在某一个特定的pH，氨基酸以两性离子的形式存在，并且其所带的正电荷数与负电荷数相等，即净电荷为零。在直流电场中，它既不向正极，也不向负极移动。此时溶液的pH称为这种氨基酸的等电点（pI）。例如，甘氨酸的羧基的pK1为2.34，氨基的pK2为9.60，其pI为5.97。3.蛋白质的化学结构和高级结构3.1肽键（peptidebond）和肽（peptide）肽键：指蛋白质分子中，由一个氨基酸的α-COOH和另一个氨基酸的α-NH2之间脱水缩合而成的酰胺键，它是蛋白质结构中的主要共价键。肽：由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）多肽（polypeptide）和多肽链（polypeptidechain）在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸序列，多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基(aminoacidresidue)上图为：丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-异亮氨酸（N-端）（C-端）3.2肽单位平面与二面角肽平面（peptideplane）：肽链主链的肽键C-N具有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。通常是反式的。二面角（dihedralangle）：肽平面的连接处为α碳原子。它与相邻的两个参与肽键形成的C和N原子之间的单键可以在一定范围内转动，Cα-N之间称φ角，在Cα-C之间称ψ角，这就是α-碳原子上的一对二面角。这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。相邻二个肽平面上的二面角3.3蛋白质的一级结构一级结构（primarystructure）：即蛋白质的化学结构，是指多肽链上各种氨基酸残基的种类和排列顺序，也包括二硫键的数目。GlyIleValGluGlnCysCysAlaSerValCysSerLeuTyrGlnLeuGluAsnTyrCysAsnPheValAsnGlnHisLeuCysGlySerHisLeuValGluAlaLeuTyrLeuValCysGlyGluArgGlyPhePheTyrThrProLysAlaSSSSSS510152151015202530AB牛胰岛素的一级结构：51个氨基酸，A（21肽）、B（30肽）两条肽链，A链内一对S-S，A和B链间2对S-S3.4蛋白质的高级结构指一条或数条多肽链上所有原子和基团在三维空间上的排布，即构象（conformation）或空间结构。构象由单键旋转产生的各种立体结构，而构型（configuration）是通过改变共价键形成的结构。蛋白质的高级结构由明显的结构层次。一级结构是空间结构的基础。（1）非共价键氢键离子键范德瓦尔力疏水作用（2）S-S键维持蛋白质空间结构中重要的化学键3.4.1蛋白质结构层次蛋白质结构极其复杂，但具有明显的结构层次一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序）二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构）超二级结构（二级结构单位的集合体）结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域）三级结构（多肽链上所有原子和基团的空间排布）四级结构（由球状亚基或分子缔合而成的集合体）蛋白质的主要结构层次3.4.2二级结构二级结构（secondarystructure）：指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。二级结构主要形式有：α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲α-螺旋（α-helix）是在角蛋白中最常见的构象，为右手螺旋。每圈螺旋3.6个氨基酸残基。侧链基团R在螺旋外侧。主链内部形成H-键，不涉及侧链R。典型的α-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6个氨基酸，跨越13个原子。β-折叠（β-sheet）平行结构反平行结构存在于丝心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比较伸展的构象。主链之间形成H键，侧链基团R交替地位于片层的上、下。β-转角（β-turn）肽链1800的回折无规卷曲（randomcoil）两种主要类型的β-转角指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。3.4.3超二级结构超二级结构（supersecondarystructure）：在蛋白质中经常存在由若干相邻的二级结构单元按一定规律组合在一起，形成有规则的二级结构集合体，超二级结构又称基序或模体（motif）四种类型的超二级结构3.4.4结构域结构域（domain）：在较大的蛋白质分子里，多肽链的空间折叠常常形成两个或多个近似球状的三维实体,它们之间连接松散。由β-折叠、α-螺旋形成的结构域丙酮酸激酶的一个结构域免疫球蛋白的一个结构域3.4.5三级结构三级结构（tertiarystructure）：指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构,或者说三级结构是指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。肌红蛋白的三级结构及其结合的血红素亚基三级结构的稳定主要靠非共价相互作用氨基酸亲水的基团倾向于分布在分子的表面，疏水的基团在分子的内部。3.4.6四级结构四级结构（quaternarystructure）：多个具有三级结构的多肽链（称亚基，Subunit）的聚合。或者说四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。血红蛋白的四级结构四级结构的稳定主要靠是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德华引力等。血红蛋白由4个亚基组成（α2β2），每个亚基都与肌红蛋白非常相似。4.多肽、蛋白结构与功能的关系4.1一级结构与功能的关系氨基酸组成变化改变其功能CysTyrIleGlnAsnCysProLeuGlyCysTyrPheGlnAsnCysProArgGlySSSS牛催产素牛加压素一级结构改变引起分子病基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病（moleculardisease）。最早从分子水平证明的先天性遗传病——镰刀形红细胞贫血症(sickle-cellanemia)。镰刀形红细胞正常血细胞hemoglobin6:GAA(Glu)-GTA(Val)