生物化學(xué)第01章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能醫(yī)本

蛋白質(zhì)12023/2/18蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第1章StructureandFunctionofProtein什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由氨基酸構(gòu)成的具有特定空間結(jié)構(gòu)的、并具有一定生物功能的大分子有機(jī)化合物。蛋白質(zhì)存在于所有的生物細(xì)胞中，是構(gòu)成生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。32023/2/18蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80％。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分42023/2/18作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護(hù)作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲運(yùn)動與支持作用參與細(xì)胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3.氧化供能總特點：普遍存在、含量高、種類繁多、功能多樣52023/2/18蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和

S。

有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘。72023/2/18

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點82023/2/18一、組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸均屬于L--氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬

L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。92023/2/18H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H102023/2/18非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進(jìn)行分類112023/2/18(一)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸122023/2/18(二)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸132023/2/18(三)側(cè)鏈含芳香基團(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸TrpTyr142023/2/18(四)側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)的氨基酸是酸性氨基酸152023/2/18(五)側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)的氨基酸屬于堿性氨基酸162023/2/18少數(shù)的蛋白質(zhì)還存在一些上述20種基本氨基酸外的氨基酸:如羥脯氨酸、羥賴氨酸、胱氨酸、四碘甲腺原氨酸（甲狀腺素）非蛋白質(zhì)氨基酸：如β-丙氨酸、D-苯丙氨酸、同型半胱氨酸、瓜氨酸、鳥氨酸等幾種特殊氨基酸172023/2/18半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3182023/2/18pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI兼性離子

兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。CHNH2COOHRCHNH2COOHR陽離子CHCOOHRNH3+CHCOOHRNH3+陰離子CHNH2COO-RCHNH2COO-R三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)192023/2/18（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在

280nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收202023/2/18（三）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍(lán)紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。212023/2/18四、蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成的多肽鏈肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽

(peptide)222023/2/18+H2O肽鍵肽鍵的形成甘氨酸甘氨酸甘氨酰甘氨酸232023/2/18…肽鏈的兩個末端氨基酸殘基肽鍵氨基末端羧基末端242023/2/18肽(peptide)肽鍵(peptidebond)寡肽(oligopeptide)多肽(polypeptide)多肽鏈(polypeptidechanin）氨基酸殘基(residue)肽鏈兩端一組概念：252023/2/18人體內(nèi)具有特殊生物活性的肽類，如：谷胱甘肽（glutathione，GSH）谷胱甘肽的結(jié)構(gòu)谷胱甘肽參加的反應(yīng)及功能（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽262023/2/18寡肽、多肽類激素神經(jīng)肽中有一些是多肽促甲狀腺素釋放激素、催產(chǎn)素、加壓素等在神經(jīng)傳導(dǎo)過程中起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用272023/2/18蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:

高級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)例：292023/2/18什么是？

多肽鏈中從N→C端氨基酸的排列順序。主要的化學(xué)鍵—肽鍵有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)302023/2/18一級結(jié)構(gòu)的闡明具有重要意義：一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。312023/2/18

蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。(關(guān)鍵詞:主鏈、肽段、局部)什么是？二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵—?dú)滏I二級結(jié)構(gòu)的基本單位—肽單元二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)322023/2/18二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)—肽單元(peptideunit)

的說明：C1和C2為反式(trans)構(gòu)型,O和H也是反式構(gòu)型。肽鍵鍵長0.132nm＜0.149nm0.127nm＜Cα與羰基Co和N相連的單鍵能自由旋轉(zhuǎn)，角度為ψ

、

,該旋轉(zhuǎn)角度決定了相鄰2肽單元的相對空間位置。部分雙鍵性質(zhì),不能自由旋轉(zhuǎn)。C1、C、O、N、H、C26個原子在同一平面,稱為肽鍵平面。（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上332023/2/18

相鄰2肽單元（肽鍵平面）的相對空間位置Cα1OHNCoψ酰胺平面-1酰胺平面-2OHNCoCα3Cα2RH342023/2/18

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)352023/2/18①外觀：右手螺旋（順）。-螺旋結(jié)構(gòu)要點：

-螺旋(-helix)②螺距：3.6個氨基酸、0.54nm。③維持因素：氫鍵。④R基團(tuán)的位置：螺旋外側(cè)，

R基團(tuán)影響-螺旋的形成。362023/2/18①肽段折紙狀、鋸齒狀，相對伸展。-折疊結(jié)構(gòu)要點：

-折疊(-pleatedsheet)②幾個肽段順向平行、反向平行0.70nm。③維持因素：氫鍵。④R基團(tuán)的位置：鋸齒的上下方。372023/2/184個氨基酸殘基第二個常為脯氨酸

180回折氫鍵維持

-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)要點：無規(guī)卷曲：-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。382023/2/18（五）模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：αα，βαβ，ββ。

超二級結(jié)構(gòu)392023/2/18二個或三個二級結(jié)構(gòu)空間上靠近特殊的構(gòu)象特殊的功能

模體(motif)定義舉例模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。402023/2/18（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈對二級結(jié)構(gòu)形成的影響蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈（如電荷、大小、形狀）適合形成-螺旋或β-折疊，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。412023/2/18疏水鍵、離子鍵、氫鍵、VanderWaals力等。

整條肽鏈全部氨基酸所有原子什么是？主要的化學(xué)鍵：三維空間的位置排布三、在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多肽鏈進(jìn)一步折疊形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置422023/2/1830k40k

20k75k60k35k30kH2N-COOHAH2N-COOHB肝素纖維蛋白肌動蛋白細(xì)胞膠原蛋白纖維蛋白肝素纖維蛋白纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域

舉例結(jié)構(gòu)域：三級結(jié)構(gòu)中、分割成折疊較為緊密的區(qū)域，各行使其功能。（三）分子伴侶(chaperon)（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)432023/2/18四級結(jié)構(gòu)—亞基(subunit)—維持因素—各亞基的空間排布亞基間相互作用關(guān)系四級結(jié)構(gòu)中每條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈離子鍵、氫鍵不包括共價鍵四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)442023/2/18由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)452023/2/18一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)定義肽鍵氨基酸殘基基本單位主要鍵備注模體肽單元整條肽鏈亞基氫鍵疏離氫Van離氫結(jié)構(gòu)域亞基蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次比較462023/2/18五、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)六、蛋白質(zhì)組學(xué)472023/2/18蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)492023/2/18（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能胰島素氨基酸殘基序號A5A6A10B30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla502023/2/18（三）氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細(xì)胞色素(cytochromeC)，比較它們的一級結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。512023/2/18（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。522023/2/18二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合532023/2/18第一個氧分子與Fe2+結(jié)合Fe2+半徑變小，進(jìn)入卟啉平面牽動F8組aa殘基牽動其它亞基←Hb由T型變R型←第二亞基結(jié)合氧的速度↑第三亞基結(jié)合氧的速度↑↑第四亞基結(jié)合氧的速度↑↑↑Hb結(jié)合氧的過程：542023/2/18變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect):正協(xié)同效應(yīng)負(fù)協(xié)同效應(yīng)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變引起其功能的變化。變構(gòu)效應(yīng)劑/配體協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)幾個概念：552023/2/18蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：蛋白質(zhì)的折疊錯誤→構(gòu)象改變

→影響功能→導(dǎo)致疾病。發(fā)病機(jī)理：蛋白質(zhì)錯誤折疊相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性。包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病562023/2/18第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)582023/2/18二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。顆粒表面電荷水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:592023/2/18三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。蛋白質(zhì)的變性(denaturation)602023/2/18造成變性的因素:如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì):——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。612023/2/18臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

應(yīng)用舉例:622023/2/18若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性(renaturation)。632023/2/18在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，