蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能講義

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能講義

蛋白質(zhì)(protein，Pr)

——是由許多氨基酸(aminoacids)肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。蛋白質(zhì)的生物學重要性

分布廣：所有器官、組織及細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分

含量高：細胞內(nèi)最豐富的有機分子，占人體干重的45％，脾、肺及橫紋肌等組織高達80％。作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲運動與支持作用參與細胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能3.氧化供能具有催化功能的蛋白質(zhì)免疫球蛋白如肌動蛋白、肌球蛋白蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)

一、蛋白質(zhì)的元素組成有些蛋白質(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。主要有C、H、O、N和S。

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Pr為主，可通過樣品中的含氮量推算出Pr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)元素組成的特點組成蛋白質(zhì)的基本單位自然界中的AA有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的AA僅有20種。二、氨基酸(aminoacid,aa/AA)基本氨基酸/編碼氨基酸1.種類：

手性碳原子2.氨基酸結(jié)構(gòu)通式：H甘氨酸CH3丙氨酸RC+NH3COO-H均為α-氨基酸，其中脯氨酸為亞氨基酸；均為L-構(gòu)型（甘氨酸例外）；區(qū)別在于R基團的不同。標準氨基酸的共同結(jié)構(gòu)特點：

三、氨基酸的分類根據(jù)R側(cè)鏈基團的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的不同，可將20種氨基酸分為5類：

1.非極性脂肪族氨基酸2.極性中性氨基酸3.芳香族氨基酸4.酸性氨基酸5.堿性氨基酸

1.非極性脂肪族氨基酸

2.極性中性氨基酸

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-+NH3巰基3.芳香族氨基酸TrpTyr4.酸性氨基酸5.堿性氨基酸胍基咪唑基幾種特殊的氨基酸:支鏈氨基酸：纈氨酸，亮氨酸，異亮氨酸亞氨基酸：脯氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸堿性氨基酸：賴氨酸、精氨酸、組氨酸含-OH氨基酸：絲氨酸，蘇氨酸1.各種蛋白質(zhì)中含量相近的元素是

A．碳B．氫C．氧D．氮E．硫2．能出現(xiàn)在蛋白質(zhì)分子中的下列氨基酸，哪一種沒有遺傳密碼？

A．色氨酸B．蛋氨酸C．谷氨酰胺D．脯氨酸E．羥脯氨酸3.不出現(xiàn)于蛋白質(zhì)中的氨基酸是(1995年)

A．半胱氨酸B．胱氨酸C．瓜氨酸D．精氨酸E．賴氨酸4.組成人體蛋白質(zhì)分子的氨基酸屬于下列哪一種？

A．L-β-AAB．D-β-AAC．L-α-AAD．D-α-AA5．下列氨基酸中，屬于酸性氨基酸的是(2008年)

A．精氨酸B．甘氨酸C．亮氨酸D．天冬氨酸6．含有兩個羧基的氨基酸是(1997年)

A．谷氨酸B．絲氨酸C．酪氨酸D．賴氨酸E．蘇氨酸7．以下哪種氨基酸是含硫的氨基酸？(1999年)

A．谷氨酸B．賴氨酸C．亮氨酸D．蛋氨酸E．酪氨酸8．下列哪一種氨基酸是亞氨基酸?(2000年)

A．Lys

B．Pro

C．His

D．Trp

E．Ile9.含有兩個氨基的氨基酸是(2004年)

A.LysB.TrpC.ValD.GluE.Leu四、氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。

等電點(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。測蛋白質(zhì)溶液在280nm的吸光值可分析溶液中蛋白質(zhì)含量。芳香族氨基酸的紫外吸收240250260270280290300310光密度色氨酸酪氨酸波長(nm)3.茚三酮反應氨基酸(除Pro和羥脯氨酸)與茚三酮水合物共熱可生成藍紫色化合物，可用作定性分析；該化合物最大吸收峰在570nm處，峰值與AA的含量成正比，可作為AA定量分析方法。五、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式

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鍵。（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵*肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*

肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。*由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端

多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。

多肽鏈的書寫方向：N末端C末端。N末端C末端牛核糖核酸酶

1.

谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸(二)幾種生物活性肽γβαGSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換

谷胱甘肽有還原型（GSH）與氧化型（GSSG)。體內(nèi)重要的還原劑，對機體起到保護作用生物學功能：與致癌劑、藥物等結(jié)合，保護機體免受毒物侵害

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽第二節(jié)

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括：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)空間結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

1.定義：指蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

2.主要的維系鍵：肽鍵一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎。F.Sanger牛胰島素結(jié)晶二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

1.定義：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，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。

2.主要的維系鍵：氫鍵

二級結(jié)構(gòu)的形成基礎:

肽平面／酰胺平面

肽鍵鍵長0.132nm，介于單鍵（0.149nm）和雙鍵(0.127nm)之間，具有部分雙鍵性質(zhì)。肽單元參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元(peptideunit)

。

-C

原子為肽平面間的連接點↗↗↗↗↗主鏈骨架：N-C-C-N-C-C重復α-螺旋(α-helix)β-折疊(β-pleatedsheet)β-轉(zhuǎn)角(β-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)3.蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式：（1）α-螺旋：以-C為轉(zhuǎn)折點，形成右手螺旋1.形成右手螺旋，側(cè)鏈向外伸出；2.每圈螺旋含3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm；3.維系化學鍵：氫鍵4.氫鍵方向與螺旋軸基本平行。-螺旋的結(jié)構(gòu)要點：1、側(cè)鏈基團的性質(zhì)；2、側(cè)鏈基團的大??；3、Pro不利于螺旋的穩(wěn)定。影響-螺旋穩(wěn)定的因素：

(1)多肽鏈呈伸展狀態(tài)，肽鍵平面沿長軸折疊呈鋸齒狀(2)肽段間通過氫鍵連接，氫鍵的方向與長軸垂直（2）-折疊

順向平行反向平行(3)兩條肽鏈走向一致（N、C端方向相同），稱為順向平行結(jié)構(gòu)，反之，則稱為反向平行結(jié)構(gòu)。更穩(wěn)定肽鏈出現(xiàn)180°回折的部分形成β-轉(zhuǎn)角；回折部分通常由4個氨基酸殘基構(gòu)成；第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。（3）-轉(zhuǎn)角無規(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)。（4）無規(guī)卷曲（5）模體在許多蛋白質(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，形成一個特殊的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)?！哂刑厥夤δ艿某壗Y(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu)

三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)包括疏水鍵、離子鍵（鹽鍵）、氫鍵和范德華力等。2.主要的化學鍵：次級鍵整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。1.定義:

H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-abc氫鍵離子鍵疏水鍵維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的各種化學鍵S不屬于次級鍵蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)N端

C端肌紅蛋白(Mb)(3)結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域示意圖

(4)分子伴侶

分子伴侶是一類可識別肽鏈非天然構(gòu)象，促進各功能域和整體蛋白質(zhì)折疊的保守蛋白質(zhì)。參與二硫鍵的正確形成協(xié)助蛋白質(zhì)正確折疊與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚再誘導其正確折疊作用

亞基(subunit)：

體內(nèi)有許多蛋白質(zhì)分子含有兩條或兩條以上多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。

1.定義：

2.主要化學鍵：亞基之間的結(jié)合以非共價鍵相連，主要是氫鍵和離子鍵。血紅蛋白（Hb）的四級結(jié)構(gòu)

血紅蛋白是由含有血紅素的2個α亞基和2個β亞基組成的四聚體。由一條多肽鏈組成的蛋白質(zhì)最多只有三級結(jié)構(gòu)，由兩條以上多肽鏈組成的蛋白質(zhì)必須要形成四級結(jié)構(gòu)才具有功能。維持鍵定義基本結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)肽鍵AA的排列順序高級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)氫鍵主鏈骨架構(gòu)象三級結(jié)構(gòu)次級鍵（疏水鍵）主鏈與側(cè)鏈構(gòu)象(所有原子的排布）四級結(jié)構(gòu)非共價鍵(氫鍵、離子鍵)亞基的排布(亞基≥2)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)五、蛋白質(zhì)的分類

1、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

2、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)組學蛋白質(zhì)組是指一種細胞或一種生物所表達的全部蛋白質(zhì)，即“一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)”。第三節(jié)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性

（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ThrSerIleAla（三）一級結(jié)構(gòu)改變可引起疾病例：鐮刀形紅細胞貧血正常異常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)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。機制：二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白(hemoglobin，Hb)結(jié)構(gòu)由4個亞基組成，每個亞基可結(jié)合1個血紅素并攜帶1分子氧。亞基之間通過8對鹽鍵緊密結(jié)合形成親水的球狀蛋白。（二）Hb亞基構(gòu)象改變可影響亞基與氧的結(jié)合協(xié)同效應(cooperativity)：一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。

如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應；(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應

(negativecooperativity)變構(gòu)效應(allostericeffect)：蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為變構(gòu)效應。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病(CJD)、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。例：瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。在某種未知蛋白質(zhì)作用下轉(zhuǎn)變成為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病Gajdusek1976年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎StanleyPrusiner1997年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎朊病毒第四節(jié)

蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點1.蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)

蛋白質(zhì)分子中可解離的基團

多肽兩端游離的α-氨基和α-羧基多肽側(cè)鏈R上解離的基團

決定蛋白質(zhì)解離成正負離子的因素

蛋白質(zhì)所含酸性和堿性基團的數(shù)目蛋白質(zhì)所在溶液的pH值2.蛋白質(zhì)的等電點（pI）

當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，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。

pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI兼性離子陽離子陰離子NH2COOHPrNH2COOHNH3+COO-3-PrNH+COONH2COO-R2-PrNHCOORCOOHNH3+PrCOOHNH3+

血漿中，大部分蛋白質(zhì)的等電點在pH5.0左右，因而在生理條件下，血漿蛋白質(zhì)帶電荷。

人體內(nèi)，組成蛋白質(zhì)的氨基酸以酸性氨基酸居多，所以大部分蛋白質(zhì)的等電點在7.0以下。?負二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)是生物大分子，分子量在1萬～10萬之間，分子直徑在膠體顆粒的范圍（1~100nm），因此蛋白質(zhì)具有膠體的性質(zhì)。

顆粒表面電荷、水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉（一）變性：

在某些物理或化學因素的作用下，蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象被破壞，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性。

三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

造成變性的因素如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)

變性后理化性質(zhì)的變化溶解度降低，粘度增加，結(jié)晶能力消失，生物活性喪失，易被蛋白酶水解。

破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。

最主要應用舉例臨床上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。雞蛋、肉類等經(jīng)加溫后蛋白質(zhì)變性，熟后更易消化。保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）。若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復或部分恢復其原有的構(gòu)象和功能，稱為復性(renaturation)。

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性牛核糖核酸酶變性與復性（二）蛋白質(zhì)沉淀概念：在一定條件下，蛋白質(zhì)疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融匯相互纏繞繼而聚集，從溶液中析出的現(xiàn)象，稱為沉淀。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。（三）蛋白質(zhì)的凝固概念：

加熱使蛋白質(zhì)變性并凝聚成塊狀稱為凝固。此凝塊不溶于強酸或強堿中。凝固實際上是蛋白質(zhì)變性后進一步發(fā)展的不可逆的結(jié)果。因此，凡凝固的蛋白質(zhì)一定發(fā)生變性。四、蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。五、蛋白質(zhì)的呈色反應1.茚三酮反應蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。2.雙縮脲反應

蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色.可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。第五節(jié)

蛋白質(zhì)的分離、純化與結(jié)構(gòu)分析（一）透析及超濾法

1.透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。透析液濃縮的蛋白混合樣品透析袋臨床應用：

血液透析血液和透析液在透析器內(nèi)借半透膜接觸和濃度梯度進行物質(zhì)交換，血液中的代謝廢物和過多的電解質(zhì)向透析液移動，透析液中的鈣離子、堿基等向血液中移動。

2.超濾法

應用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。（二）丙酮沉淀、鹽析、免疫沉淀

鹽析——鹽能破壞其水化膜，中和其所帶電荷，而且不會導致蛋白質(zhì)變性有機溶劑（乙醇、丙酮等）沉淀——破壞其水化