生物化學(xué)01蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein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(gè)別蛋白質(zhì)還含有碘

。 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(cè)定生物樣品中的含氮量，就可以推算出蛋白質(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)×6.25×100

蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)1/(16%)一、組成蛋白質(zhì)的基本單位——氨基酸H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。L-a-氨基酸COOHCHNH2RaD-a-氨基酸COOHCHH2NRa非極性疏水性氨基酸極性中性氨基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（一）氨基酸的分類亮氨酸

(Leucine,Leu,L)COOHCHH2NCH2aOHCOOHCHH2NCH2aCHCH3CH3絲氨酸(Serine,Ser,S)非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸谷氨酸

(Glutamicacid,Glu,E)COOHCHH2NCH2aCH2COOHCOOHCHH2NCH2aCH2CH2CH2NH2精氨酸

(Arginine,Arg,R)酸性氨基酸堿性氨基酸結(jié)構(gòu)特殊氨基酸——脯氨酸(Proline,Pro,P)（亞氨基酸）CH2CHCOOHCH2NHCH2最新發(fā)現(xiàn)的有遺傳密碼子編碼的氨基酸

——硒代半胱氨酸、吡咯賴氨酸硒代半胱氨酸Selenocysteine吡咯賴氨酸pyrrolysineCOOHCHCH2SeHH2N稀有氨基酸：由20個(gè)基本氨基酸延伸而來的其他氨基酸。+胱氨酸二硫鍵-HH賴氨酸羥賴氨酸[O]脯氨酸羥脯氨酸[O]（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點(diǎn)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。RpH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸為兼性離子氨基酸為陽離子氨基酸為陰離子等電點(diǎn)(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(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)（pI）。2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。含有這兩種氨基酸的蛋白質(zhì)在280nm附近有最大吸收峰。芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反應(yīng)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。二、肽肽鍵(peptidebond)：

是由一個(gè)氨基酸的

-羧基與另一個(gè)氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。 其化學(xué)本質(zhì)是一個(gè)酰胺鍵。（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵氨基酸殘基氨基酸殘基氨基末端羧基末端氨基酸殘基的編號(hào)方向：N末端C末端。習(xí)慣上N-末端寫在左邊。12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……由十個(gè)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)。多肽達(dá)到100個(gè)氨基酸殘基或分子量達(dá)到1萬時(shí)稱為蛋白質(zhì)(protein)。*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)。*肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。丙氨酰絲氨酰半胱氨酰甘氨酸OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2（丙氨酸）（絲氨酸）（半胱氨酸）（甘氨酸）主鏈側(cè)鏈氨基末端：多肽鏈中有自由氨基的一端羧基末端：多肽鏈中有自由羧基的一端*多肽鏈有兩端OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2氨基末端羧基末端氨基末端羧基末端牛核糖核酸酶（二）幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽2.多肽類激素及神經(jīng)肽三、蛋白質(zhì)的分類*根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分單純蛋白質(zhì)：僅由氨基酸組成的活性蛋白結(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)球狀蛋白質(zhì)(長(zhǎng)軸:短軸<5)纖維狀蛋白質(zhì)(長(zhǎng)軸:短軸>5)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

一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)高級(jí)結(jié)構(gòu)定義 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵

肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。 一級(jí)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)。二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)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(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義主要的化學(xué)鍵：

氫鍵

CNOHCNOH（一）肽單元（肽平面，peptideunit）(組成肽鍵的四個(gè)主要原子）（一）肽單元（肽平面，peptideunit）CNCCNCOHOH（一）肽單元（肽平面，peptideunit）參與肽鍵的6個(gè)原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2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(gè)原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）

-螺旋（二）

-螺旋（二）

-螺旋a-螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多肽鏈的主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋每3.6個(gè)氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm穩(wěn)定力：氫鍵氨基酸殘基的側(cè)鏈在螺旋的外側(cè)，并影響到a-螺旋的穩(wěn)定性（三）

-折疊（三）

-折疊b-折疊走向示意圖b-折疊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：呈折紙狀，即以每個(gè)肽單元的Ca為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，依次折疊成鋸齒狀兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的若干肽段的鋸齒狀結(jié)構(gòu)可平行排列，走向可以相同，也可相反穩(wěn)定力：氫鍵氨基酸殘基的側(cè)鏈基團(tuán)交替地位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方，并影響到折疊的穩(wěn)定性（四）

-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲

-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)。常見蛋白激酶結(jié)構(gòu)示意圖b-折疊無規(guī)卷曲a-螺旋b-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)表述的是蛋白質(zhì)主鏈的局部結(jié)構(gòu)特征（五）模體(motif)在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)特殊的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。兔的丙酮酸激酶三級(jí)結(jié)構(gòu)b-a-b環(huán)（模體）（五）模體(motif)鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。三級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)具有活性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。（一）定義肌紅蛋白(Mb)（外觀三維立體圖）（平面示意圖圖）（二）穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵

疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（三）結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)常可分割成一個(gè)或數(shù)個(gè)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)。鈣肌蛋白C（TroponinC）結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)域1結(jié)構(gòu)域2鈣肌蛋白C（TroponinC）結(jié)構(gòu)與功能 鈣肌蛋白C的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域分別與鈣肌蛋白I、T結(jié)合。當(dāng)鈣肌蛋白C與Ca2+結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，激發(fā)了肌肉的收縮。鈣肌蛋白C（四）分子伴侶（chaperon） 分子伴侶是一種引導(dǎo)蛋白質(zhì)正確折疊的蛋白質(zhì)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)折疊時(shí)，它們能保護(hù)蛋白質(zhì)分子免受其它蛋白質(zhì)的干擾。 很多分子伴侶屬于熱休克蛋白（例如HSP-60），它們?cè)诩?xì)胞受熱時(shí)大量合成。熱激可導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)定性降低，增加錯(cuò)誤折疊的幾率，因此在受到熱刺激時(shí)，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)需要更多熱休克蛋白的幫助。分子伴侶示意圖側(cè)面圖俯視圖四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu) 有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。 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(jí)結(jié)構(gòu)。 亞基之間的穩(wěn)定力：主要是疏水作用力，其次是氫鍵和離子鍵等次級(jí)鍵。血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)一至四級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系牛核糖核酸酶的一級(jí)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)，無活性牛核糖核酸酶的變性與復(fù)性（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系例：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”。一級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分相似，功能相似；一級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分改變，功能或活性改變。正常紅細(xì)胞與鐮形紅細(xì)胞的比較蛋白質(zhì)空間相似，功能相似；蛋白質(zhì)