生物化學(xué)課件2

2蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能2.1

概述

2.2

蛋白質(zhì)的基本組成單位–氨基酸2.3

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

2.4

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

2.5

蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)、分離純化與鑒定2.1

概述2.1.1蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義和元素組成2.1.2蛋白質(zhì)的分類2.1.3蛋白質(zhì)在生產(chǎn)和生活中的利用

2.1.1蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義和元素組成2.1.1.1蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義

(1)蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的多樣性

酶的催化功能、控制生長和分化、代謝調(diào)節(jié)功能、運(yùn)動(dòng)功能、運(yùn)輸作用、免疫保護(hù)作用、接受和傳遞信息、貯存營養(yǎng)功能、結(jié)構(gòu)支持作用。（2）蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的復(fù)雜性

某一功能的發(fā)揮往往受到多種因素的影響與調(diào)節(jié)。2.1.1.2蛋白質(zhì)的元素組成一般含有：碳（50％~55％）、氮（15％~18％）、氧（20％~23％）、氫（6％~8％）、硫（0％~4％）。在某些蛋白質(zhì)中，還含有一些微量元素如：磷、鐵、銅、鉬、碘、鋅等。蛋白質(zhì)元素組成的一個(gè)特點(diǎn)：各種蛋白質(zhì)的氮含量比較恒定，平均值為16％左右。由于容易用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定氮的含量，因此，蛋白質(zhì)的含量可由氮的含量乘以6.25（100/16）計(jì)算出來。2.1.2蛋白質(zhì)的分類2.1.2.1根據(jù)蛋白質(zhì)的構(gòu)象2.1.2.2按蛋白質(zhì)功能分類2.1.2.3按蛋白質(zhì)的組成和溶解性分類2.1.2.1根據(jù)蛋白質(zhì)的構(gòu)象分為纖維狀蛋白質(zhì)和球狀蛋白質(zhì)。

球狀蛋白質(zhì)(globularprotein)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：近似于球形或橢圓形，多數(shù)可溶于水或鹽溶液中。許多具有生理活性的蛋白質(zhì)如酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、蛋白質(zhì)類激素、免疫球蛋白等均屬球狀蛋白。纖維狀蛋白質(zhì)（fibroueprotein）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多數(shù)為結(jié)構(gòu)蛋白，結(jié)構(gòu)很不對(duì)稱，多數(shù)難溶于水。能耐受強(qiáng)的拉力。

如皮膚、肌鍵、軟骨及骨組織中的膠原蛋白；毛發(fā)及皮膚中的角蛋白；存在于皮膚、動(dòng)脈血管壁、結(jié)締組織中的彈性蛋白。主要功能是給機(jī)體提供堅(jiān)實(shí)的支架，連接各細(xì)胞、組織及器官。催化蛋白調(diào)節(jié)蛋白結(jié)構(gòu)蛋白運(yùn)輸?shù)鞍踪A藏蛋白運(yùn)動(dòng)蛋白防御蛋白電子傳遞蛋白2.1.2.2按蛋白質(zhì)功能分類2.1.2.3按蛋白質(zhì)的組成和溶解性分類按組成分為：簡單蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)。簡單蛋白質(zhì)：根據(jù)溶解度的不同，又分為清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、組蛋白、精蛋白、硬蛋白7小類。結(jié)合蛋白質(zhì)：根據(jù)輔基的不同，可以將結(jié)合蛋白質(zhì)分為：核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、黃素蛋白、色蛋白、金屬蛋白等。2.1.3蛋白質(zhì)在生產(chǎn)和生活中的利用2.1.3.1在食品和飼料領(lǐng)域的應(yīng)用2.1.3.2在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用2.2蛋白質(zhì)的基本組成單位–氨基酸

2.2.1氨基酸的結(jié)構(gòu)2.2.2氨基酸的分類2.2.3氨基酸的性質(zhì)2.2.1氨基酸的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)中常見的氨基酸有21種。除脯氨酸以外，這些天然氨基酸在結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)是：與羧基相鄰的α-碳原子上都有一個(gè)氨基，因而稱為α-氨基酸。脯氨酸的結(jié)構(gòu)式：

2.2.2氨基酸的分類2.2.2.1編碼氨基酸2.2.2.2非編碼氨基酸2.2.2.3非蛋白質(zhì)氨基酸

2.2.2.1編碼氨基酸

硒代-半胱氨酸(seleno-cysteine)

se-cys

2.2.2.2非編碼氨基酸蛋白質(zhì)中有一些不常見的稀有氨基酸，沒有相應(yīng)的三聯(lián)體遺傳密碼，故稱非編碼氨基酸。這些氨基酸都是在生物體合成蛋白質(zhì)分子后相應(yīng)的編碼氨基酸經(jīng)羥基化、甲基化、磷酸化等修飾形成的衍生物。例如：膠原蛋白和彈性蛋白中的4-羥脯氨酸和5-羥賴氨酸；甲狀腺球蛋白中的二碘酪氨酸和L-甲狀腺素；α-角蛋白中的胱氨酸等。2.2.2.3非蛋白質(zhì)氨基酸

在生物體內(nèi)的各種細(xì)胞或組織還發(fā)現(xiàn)150多種不參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸，故稱非蛋白質(zhì)氨基酸，這類氨基酸多呈游離，但也有結(jié)合態(tài)的。大部分是蛋白質(zhì)常見氨基酸衍生物，但也有D–型和一些β、γ或δ–氨基酸。這些非蛋白質(zhì)氨基酸不存在于蛋白質(zhì)中，多是重要的代謝物前體或代謝中間產(chǎn)物。如瓜氨酸和鳥氨酸是精氨酸的前體，γ–氨基丁酸是一種神經(jīng)遞質(zhì)。2.2.3氨基酸的性質(zhì)

構(gòu)成蛋白質(zhì)的α–氨基酸均為無色晶體，熔點(diǎn)高于200℃，一般能溶于水、稀酸、稀堿，不溶于有機(jī)溶劑，用酒精可把氨基酸從水溶液中沉淀析出。2.2.3.1氨基酸的兩性解離與等電點(diǎn)2.2.3.2氨基酸的光學(xué)活性與吸收光譜

2.2.3.1氨基酸的兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸分子既含有酸性的羧基(-COOH)，又含有堿性的氨基（-NH2）。其中的-COOH能放出質(zhì)子（H＋），而變成-COO－；其中的-NH2能接受質(zhì)子，而變成-NH3＋。因此，氨基酸是兩性電解質(zhì)（ampholyte）。氨基酸兩性解離示意圖：

氨基酸的等電點(diǎn)：對(duì)某種氨基酸來講，當(dāng)溶液在某一特定的pH時(shí)，氨基酸以兩性離子的形式存在，正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)相等，凈電荷為零，在電場(chǎng)中，既不向正極移動(dòng)，也不向負(fù)極移動(dòng)。這時(shí)，溶液的pH，稱為該氨基酸的等電點(diǎn)，用pＩ表示。

氨基酸的等電點(diǎn)的作用：

在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，等電點(diǎn)是氨基酸的特征常數(shù)。當(dāng)氨基酸處于等電點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，其溶解度最小，容易發(fā)生沉淀；不同氨基酸，由于R基團(tuán)結(jié)構(gòu)的不同，有不同的等電點(diǎn)。利用這一特性可以從各種氨基酸的混合物溶液中分離制取某種氨基酸。

（一）氨基酸的構(gòu)型:除甘氨酸以外，其余20種氨基酸的Cα都是不對(duì)稱碳原子（手性），因而每一種氨基酸都有D-型和L-型兩種構(gòu)型。天然蛋白質(zhì)中的幾乎所有的氨基酸都是L-型氨基酸。某些微生物和植物體中含有D-型氨基酸。2.2.3.2氨基酸的光學(xué)活性與吸收光譜甘氨酸的結(jié)構(gòu)式參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收；在紫外光區(qū)只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波長(λ)分別為280、275、257nm。是利用紫外分光光度計(jì)，在280nm波長處，測(cè)定蛋白質(zhì)濃度的基礎(chǔ)。（二）吸收光譜2.3蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)2.3.1蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)2.3.2蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)2.3.1蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)2.3.1.1

肽和肽鍵2.3.1.2天然活性肽2.3.1.3一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定步驟

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)概念多肽鏈上各種氨基酸殘基的排列順序，即氨基酸序列。2.3.1.1肽和肽鍵一個(gè)氨基酸分子的α-羧基可以與另一個(gè)氨基酸分子的α-氨基縮合，失去一個(gè)水分子，從而形成肽（peptide）。這種由二個(gè)氨基酸分子縮合而成的肽，稱為二肽（dipeptide）。其中，包含一個(gè)肽鍵。NHαCOCαNHαCOCOHHHR1R2H

肽鍵（peptidebone）：是連接多肽鏈中氨基酸殘基的唯一共價(jià)鍵。多肽鏈（polypeptidechain）：由許多氨基酸殘基通過肽鍵彼此連接而成的線狀聚合體，稱為多肽鏈。氨基酸殘基（aminoacidresidue）

多肽鏈上的每個(gè)氨基酸，由于形成肽鍵而失去了一分子水，成為不完整的分子形式。這種不完整的氨基酸被稱為氨基酸殘基。肽單位平面結(jié)構(gòu)和二面角

（一）肽單位平面結(jié)構(gòu)的特征肽單位的特征：1．肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵的鍵長是0.1325nm，比C—N單鍵（鍵長0.147nm）短些，比C=N雙鍵（鍵長0.127nm）長些。2．肽單位是剛性平面結(jié)構(gòu)。這就是說，肽單位上的6個(gè)原子都位于同一個(gè)剛性平面上，稱為酰胺平面。3．在肽單位上，其C＝O和N—H都是反式排布。（二）二面角（dihedralangle）

肽平面1圍繞Cα2—N1單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用Φ表示；肽平面2也可以圍繞Cα2—C2單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用Ψ表示。由于Φ和Ψ這二個(gè)轉(zhuǎn)角決定了相鄰二個(gè)肽平面在空間上的相對(duì)位置，因此，習(xí)慣上將這二個(gè)轉(zhuǎn)角稱為二面角。二面角決定多肽鏈主鏈骨架的構(gòu)象。

N1Cα2C22.3.1.2天然活性肽⑴谷胱甘肽⑵腦啡肽⑶短桿菌肽S⑷肽類激素2.3.1.3一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定步驟測(cè)序一般要求樣品均一，純度應(yīng)在97%以上，允許誤差在10%左右。

1.測(cè)定蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量和多肽鏈的數(shù)目2.拆開蛋白質(zhì)分子的多肽鏈3.斷開多肽鏈內(nèi)的二硫鍵4.分析每一條多肽鏈的氨基酸組成5.鑒定多肽鏈的N末端和C末端殘基6.把多肽鏈裂解成兩套以上大小不等的較小片段7.測(cè)定各肽段的氨基酸序列8.重疊各肽段，重建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)順序9.確定半胱氨酸殘基間形成的S—S二硫鍵位置蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示法蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，通常根據(jù)參與組成多肽鏈的氨基酸殘基種類，按照其排列順序，從N—末端氨基酸殘基開始，依次命名。舉例：甲硫腦啡肽中文氨基酸殘基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸三字母符號(hào)表示法：Tyr·Gly·Gly·Phe·Met單字母符號(hào)表示法：Y·G·G·F·M肽鍵H2NCOHCH3SCOOHNHCCOHNHCCOHNHCCOHNHCHHCH2CHCH2OHCH2CH2

2.3.2蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

2.3.2.1

穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力2.3.2.2

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)2.3.2.3

蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域2.3.2.4

蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)2.3.2.5蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)（二）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)指的是蛋白質(zhì)分子中全部原子和基團(tuán)相互間的立體關(guān)系，包括全部原子和基團(tuán)的排列、分布及肽鏈的走向。又稱為蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象，可分為二級(jí)、超二級(jí)、結(jié)構(gòu)域、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。2.3.2.1

穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力

非共價(jià)鍵維持，如：氫鍵、范德華引力、疏水作用力、離子鍵。二硫鍵、配位鍵參與維持構(gòu)象。2.3.2.2

二級(jí)結(jié)構(gòu)概念：

指多肽鏈主鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，某些肽段借助氫鍵進(jìn)一步的盤旋或折疊，從而形成有規(guī)律的構(gòu)象。維系二級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力是氫鍵。主要類型：（一）α-螺旋（二）β-折疊片（三）β-轉(zhuǎn)角（四）無規(guī)卷曲

（一）α-螺旋(α-helix)

即一個(gè)氨基酸殘基的＞N－H與前面第四個(gè)氨基酸殘基的＞C＝O形成氫鍵。

氫鍵的取向與螺軸幾乎平行。α-螺旋構(gòu)象允許所有的肽鍵都能參與鏈內(nèi)氫鍵的形成。因此，α-螺旋構(gòu)象是相當(dāng)穩(wěn)定的，是最普遍的螺旋形式。（二）β-折疊片又稱為β-折疊，二條β-折疊股平行排布，彼此以氫鍵相連。為了在相鄰主鏈骨架之間形成最多的氫鍵，避免相鄰側(cè)鏈間的空間障礙，各主鏈骨架同時(shí)作一定程度的折疊，從而產(chǎn)生一個(gè)折疊的片層。其側(cè)鏈近似垂直于相鄰二個(gè)平面的交線，交替地位于片層的兩側(cè)。（三）回折(reverseturn)

在多肽鏈中，經(jīng)常出現(xiàn)180°轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)就是回折。通常有β-轉(zhuǎn)角和γ-轉(zhuǎn)角兩種形式。（四）無規(guī)卷曲沒有規(guī)律性的多肽鏈主鏈骨架的構(gòu)象，就是無規(guī)卷曲。球蛋白分子中，往往含有較多的無規(guī)卷曲；無規(guī)卷曲往往有利于多肽鏈形成靈活的、具有特異生物活性的構(gòu)象。。超二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念在蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中經(jīng)常存在由相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（主要是α–螺旋和β–折疊片）組合在一起，形成有規(guī)則的、空間上能夠辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體，充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。常見的超二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合形式有αα、ββ、βαβ等三種組合形式。另外還有βαβαβ、βCβ結(jié)構(gòu)也可見到。βCβ中的C代表無規(guī)卷曲。2.3.2.3

蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域（1）超二級(jí)結(jié)構(gòu)（2）結(jié)構(gòu)域概念多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步卷曲折疊成為相對(duì)獨(dú)立、近似球形的松散連接的三維實(shí)體。是三級(jí)結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)。

結(jié)構(gòu)域這一層次的發(fā)現(xiàn)，與蛋白質(zhì)的功能是分不開的。很多結(jié)構(gòu)蛋白的活性中心都位于結(jié)構(gòu)域之間，由于結(jié)構(gòu)域之間常常只有一段肽鏈相連，形成所謂“鉸鏈區(qū)”（hingeregion），使結(jié)構(gòu)域容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)域之間的這種柔性（flexibility）有利于如酶和抗體活性的發(fā)揮。

2.3.2.4

三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）概念：

多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上，主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象相互作用，進(jìn)一步盤曲折疊形成特定的球狀分子結(jié)構(gòu)，稱作三級(jí)結(jié)構(gòu)。或者說三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子的空間排布。2.3.2.5四級(jí)結(jié)構(gòu)概念：由兩條或兩條以上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈聚合而成的有特定三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)構(gòu)象稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)中所含的每個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的球狀蛋白質(zhì)稱為亞基（subunit）或單體（monomer），游離的亞基無生物活性。四級(jí)結(jié)構(gòu)涉及亞基的種類和數(shù)目以及各亞基在整個(gè)分子中的空間排布，包括亞基間的接觸位點(diǎn)和相互作用關(guān)系，而不包括亞基本身的構(gòu)象。由少數(shù)亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，稱為寡聚蛋白（Oligomerprotein），根據(jù)亞基數(shù)目的不同，可以將寡聚蛋白分為二聚體、三聚體、四聚體等，根據(jù)亞基種類的不同，可以分別以α、β、γ、δ、ε命名不同的亞基。由幾十個(gè)，甚至于上千個(gè)亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，稱為多聚蛋白（polymerprotein）。煙草花葉病毒示意圖：煙草花葉病毒的外殼蛋白四級(jí)結(jié)構(gòu)：亞基呈螺旋狀排布。

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)；二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondarystructure）；超二級(jí)結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）；結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）；三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）；四級(jí)結(jié)構(gòu)（quarternarystructure）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次：2.4多肽、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

2.4.1蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系2.4.2蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系2.4.1蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系2.4.1.1

一級(jí)結(jié)構(gòu)與同源蛋白質(zhì)的物種差異和生物進(jìn)化2.4.1.2

一級(jí)結(jié)構(gòu)變異與分子病2.4.1.3

一級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂與功能激活2.4.1.1

一級(jí)結(jié)構(gòu)與同源蛋白質(zhì)的物種

差異和生物進(jìn)化在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質(zhì)稱同功能蛋白質(zhì)，它們的氨基酸序列具有明顯的相似性，這種現(xiàn)象稱為序列同源，有明顯序列同源的蛋白質(zhì)也稱同源蛋白質(zhì)。

從不同物種提取得到的同源蛋白質(zhì)中許多的氨基酸殘基是完全相同的，稱不變殘基，它們決定了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能。而其它氨基酸殘基有相當(dāng)大的變化，稱為可變殘基，它們的差異體現(xiàn)了種屬特異性。

因此，對(duì)不同生物來源的同功能蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究：1.可以幫助我們了解哪些氨基酸對(duì)蛋白質(zhì)的活性是重