生物化学课件---蛋白质

第二章蛋白质的结构与功能一、概述二、蛋白质的基本组成单位–氨基酸解)三、蛋白质的结构四、蛋白质结构与功能的关系五、蛋白质的重要性质、分离纯化与鉴定了解蛋白质的元素组成；掌握蛋白质的基本结构单位—氨基酸的基本结构；了解氨基酸的分类；了解稀有氨基酸和非蛋白质氨基酸；掌握氨基酸的各种理化性质；掌握肽键、肽链和蛋白质一级结构的概念，同时了解蛋白质一级结构的表示方法；掌握二肽及多肽的形成过程；了解蛋白质一级结构的测定方法。。思考题1.蛋白质分为哪些类型？各行使何种功能？2.自然界存在的氨基酸种类、结构、性质？3.肽键有何特点？对蛋白质构象的形成有何影响？4.何谓蛋白质的一、二、三、四级结构？维系蛋白质构象的作用力有哪些？5.何谓蛋白质的超二级结构和结构域？6.试述蛋白质一级结构和高级结构与功能的关系。7.何谓蛋白质的变性作用与复性作用？一、概述（一）蛋白质的生物学意义和元素组成（二）蛋白质的分类（一）蛋白质的生物学意义和元素组成1.蛋白质的生物学意义（1）蛋白质生物学功能的多样性酶的催化功能、控制生长和分化、代谢调节功能、运动功能、运输作用、免疫保护作用、接受和传递信息、贮存营养功能、结构支持作用。（2）蛋白质生物学功能的复杂性某一功能的发挥往往受到多种因素的影响与调节。2.蛋白质的元素组成一般含有：碳（50％~55％）、氮（15％~18％）、氧（20％~23％）、氢（6％~8％）、硫（0％~4％）。在某些蛋白质中，还含有一些微量元素如：磷、铁、铜、钼、碘、锌等。蛋白质元素组成的一个特点：各种蛋白质的氮含量比较恒定，平均值为16％左右。用凯氏定氮法测定氮的含量，计算蛋白质的含量（由氮的含量乘以6.25）出来。（二）蛋白质的分类1.按蛋白质的构象分类2.按蛋白质的功能分类3.按蛋白质的组成和溶解性分类1.按蛋白质的构象分类分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。球状蛋白质（globularprotein）血红蛋白、肌红蛋白等。纤维状蛋白质（fibroueprotein）胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝心蛋白等。催化蛋白（酶）调节蛋白结构蛋白运输蛋白贮藏蛋白运动蛋白防御蛋白电子传递蛋白2.按蛋白质的功能分类3.按蛋白质的组成和溶解性分类单纯蛋白质（simpleprotein）结合蛋白质（complexprotein）二、蛋白质的基本组成单位–氨基酸（一）氨基酸的结构（二）氨基酸的分类（三）氨基酸的性质αCHCOOHRNH2氨基酸的结构通式（一）氨基酸的结构蛋白质的基本结构单位α-氨基酸的结构通式侧链COOHCH2CH2CNHCHH2脯氨酸亚氨基（二）氨基酸的分类1.编码氨基酸2.非编码氨基酸3.非蛋白质氨基酸氨基酸名称符号R基化学结构等电点分类H3CH3CAla(alanine)CHCH3H3CCHCH3CH2H3CCHCH3CH2H3CCH2NCH2CH2CH2SCH2H2CH2CCHNCOOHH缬氨酸亮氨酸苯丙氨酸色氨酸蛋氨酸脯氨酸ValProTrpMetLeuIlePhe异亮氨酸(valine)(leucine)(phenylalanine)(tryptophan)(methionine)(proline)(isoleucine)6.025.975.986.025.485.895.756.30非极性氨基酸（8种）丙氨酸1.编码氨基酸CH2HNCHCNHNH氨基酸名称符号R基化学结构等电点分类CH2CH2CH2CH2CH2H3N+CH2CH2NHCNH2H2N+OOC-CH2CH2OOC-CH2His组氨酸赖氨酸精氨酸天冬氨酸谷氨酸(histidine)(lysine)(arginine)(asparticacid)(glutamicacid)LysArgAspGlu7.599.7410.762.973.22带正电荷极性氨基酸带负电荷极性氨基酸第21种氨基酸—硒代半胱氨酸2.非编码氨基酸没有相应的三联体遗传密码。由编码氨基酸经羟基化、甲基化、磷酸化等修饰形成的衍生物。例如：胶原蛋白和弹性蛋白中的4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等。3.非蛋白质氨基酸在生物体内，还发现150多种不参与蛋白质组成的氨基酸。这些非蛋白质氨基酸多是重要的代谢物前体或代谢中间产物。1.氨基酸的两性解离及等电点氨基酸是两性电解质（ampholyte）αCHCOOHRNH2（三）氨基酸的性质氨基酸两性解离RCOOHCHNH2RCOOCHNH3+-中性分子形式两性离子形式RCOOHCHNH3RCOO-CHNH3+RCOO-CHNH2+OH-H+对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的pH时，氨基酸所带净电荷为零（即正电荷数与负电荷数相等），在电场中，既不向正极移动，也不向负极移动。这时，溶液的pH称为该氨基酸的等电点(isoelectricpoint)，用pI表示。★两性解离物质所带静电荷为零时溶液的pH。氨基酸的等电点（1）不同氨基酸，由于R基团结构的不同，有不同的等电点。在一定实验条件下，等电点是氨基酸的特征常数。（2）当氨基酸处于等电点状态时，其溶解度最小，容易发生沉淀。利用这一特性，可以从各种氨基酸的混合物溶液中，分离制取某种氨基酸。氨基酸等电点的作用（1）氨基酸的构型除甘氨酸以外，其余20种氨基酸的Cα都是不对称碳原子（手性）。CRCOOHNH2H2NCRCOOHHHL-型氨基酸D-型氨基酸2.氨基酸的光学活性与吸收光谱甘氨酸的结构式HNH2CCOOHαH参与蛋白质组成的氨基酸在可见光区都没有光吸收；在紫外光区只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波长(λ)分别为280nm、275nm、257nm；是利用紫外分光光度计，在280nm波长处，测定蛋白质浓度的基础。（2）吸收光谱三、蛋白质的结构（一）蛋白质的一级结构（二）蛋白质的三维结构蛋白质结构层次一级结构（primarystructure）；二级结构（secondarystructure）；超二级结构（supersecondarystructure）；结构域（structuraldomain）；三级结构（tertiarystructure）；四级结构（quarternarystructure）蛋白质结构层次（一）蛋白质的一级结构概念：多肽链上各种氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸序列称为蛋白质的一级结构（primarystructure）。（51Aa，5733u）1.肽和肽键肽由氨基酸构成的线形聚合物称为肽（peptide）。二个氨基酸分子缩合而成的肽，称为二肽（dipeptide）。NHαCOCαNHαCOCOHHHR1R2H肽键（peptidebone）多肽链（polypeptidechain）HNCO氨基酸残基CCONHαHROCNHOCNHαCαC肽键肽单位肽链主链……OCNHαCαCOCNHαCαOCNHαCOCOHNH肽键氮氧原子共振产生：（1）部分双键性质；（2）多肽主链酰胺平面；（3）Cα处于顺式或反式构型；（4）二面角；（5）偶极性（N末端，C末端）。氨基酸残基（aminoacidresidue）RHαHNOCC氨基酸残基HOH蛋白质一级结构的表示法肽键H2NCOHCH3SCOOHNHCCOHNHCCOHNHCCOHNHCHHCH2CHCH2OHCH2CH2中文氨基酸残基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸三字母符号表示法：Tyr·Gly·Gly·Phe·Met单字母符号表示法：Y·G·G·F·M⑴谷胱甘肽⑵脑啡肽（5肽）⑶短杆菌肽S（10肽）⑷肽类激素3.天然活性肽（二）蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构指的是蛋白质分子中全部原子和基团相互间的立体关系，包括全部原子和基团的排列、分布及肽链的走向。又称为蛋白质的高级结构、空间结构或构象，可分为二级、超二级、结构域、三级和四级结构。1.蛋白质的二级结构2.蛋白质的超二级结构和结构域3.蛋白质的三级结构4.蛋白质的四级结构5.稳定蛋白质构象的作用力蛋白质结构层次1.基本知识（1）构型与构象构型（configuration）构象（conformation）1969年，IUPAC（2）蛋白质的立体结构原理①肽单位与二面角将多肽链的基本结构中，-Cα-CO-NH-Cα-这一主链骨架的重复单位叫肽单位（Pauling和Corey在1951年根据X-射线衍射结果，提出蛋白质肽单位平面原则3）。肽单位平面结构NHαCOCαNHαCOCOHHHR1R2H氨基酸残基CCONHαHROCNHOCNHαCαC肽键肽单位肽链主链……OCNHαCαCOCNHαCαOCNHαCOCOHNH肽单位立体结构二面角（dihedralangle）肽平面1围绕Cα2—N1单键旋转，其旋转的角度用Φ表示；肽平面2也可以围绕Cα2—C2单键旋转，其旋转的角度用Ψ表示。(右为正,左为负)N1Cα2C2多肽链主链骨架的构象是由每个Cα的成对二面角（Φ，Ψ）所决定的。②非键合原子间的最小接触距离在相邻的两个肽单位的构象中，非键合原子间的接近有无障碍，是否符合标准接触距离，即能量是否达到最低，也是肽链构象能否稳定存在的重要立体化学原则。2.二级结构概念指多肽链主链在一级结构的基础上，某些肽段借助氢键进一步盘旋或折叠，从而形成有规律的构象。主要类型α-螺旋、β-折叠片、β-转角、无规卷曲。（1）α-螺旋即每个氨基酸残基（n）的＞C＝O与另一个氨基酸残基（n+4）的＞N－H形成氢键。CHCO)3(NHCNOHRPauling和Corey于1951年提出蛋白质的α-螺旋（α-helix）结构模型。羊毛等纤维状蛋白质中，球状蛋白中也广泛存在。它是蛋白质主链的一种典型结构形式.每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈，每圈间距0.54nm.氢键环内包括13个主链原子，因此称这种螺旋为3.613螺旋。电子显微镜下的人体头发（2）β-折叠（a）Antiparallelβ-折叠：伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片层结构，存在于纤维蛋白，球状蛋白也有。又称为β-折叠片（β-pleatedsheet）。反平行式较为稳定，例如在丝心蛋白中存在稳定的反平行β–折叠。（3）β-转角蛋白质分子中连接不同结构单位的180o转弯结构称为β-转角（β-turn）。由氨基酸残基（n）的＞C＝O与另一个氨基酸残基（n+3）的＞N－H形成氢键。（4）无规卷曲没有规律性的多肽主链骨架的构象，就是无规卷曲（randomcoil，Φ、Ψ角度不定）；球蛋白分子中，往往含有较多的无规卷曲；无规卷曲往往有利于多肽链形成灵活的、具有特异生物活性的构象。（1）超二级结构相邻的二级结构单元（主要是α–螺旋和β–折叠）组合在一起，形成有规则的、空间上能够辨认的二级结构的组合体，充当三级结构的构件，称为超二级结构（supersecondarystructure）。3.超二级结构和结构域常见的组合形式：αα、ββ、βαβ（2）结构域多肽链在二级结构或超二级结构的基础上，进一步卷曲折叠成为相对独立、近似球形的三维实体称为结构域（structuredomain），是三级结构的局部折叠区。IgG分子的12个结构域CH3CH2VL补体结合部位抗原结合部位CLCH1LHVHSSSSSSSS结构域之间常常只有一段肽链相连，形成所谓“铰链区”（hingeregion），使结构域容易发生相对运动。结构域之间的这种柔性（flexibility）有利于如酶和抗体活性的发挥。4.三级结构多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成特定的球状分子结构，称作三级结构（tertiarystructure）。三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。肌红蛋白myoglobin5.四级结构由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的特定三维结构（构象）称为蛋白质的四级结构（quarter-narystruc-ture）。涉及亚基的种类、数目和亚基的空间排布，包括亚基间的接触位点和相互作用关系，但不包括亚基本身的构象。α-亚基（subunit）血红蛋白hemoglobinβ-亚基血红素（haem）烟草花叶病毒（TMV）示意图由21