蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

關(guān)于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的概念蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacid)通過(guò)肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。第2頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細(xì)胞中可達(dá)細(xì)胞干重的70%以上。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分第3頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天作為生物催化劑（酶）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)凝血功能免疫保護(hù)作用運(yùn)動(dòng)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.氧化供能蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)第4頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成TheMolecularComponentofProtein第5頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的元素組成主要含有碳、氫、氧、氮及硫。有些蛋白質(zhì)還含有磷、鐵、銅、鋅、錳、鈷及鉬等。第6頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)蛋白質(zhì)的含氮量接近，平均為16%。測(cè)定生物樣品含氮量可推算出蛋白質(zhì)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第7頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、蛋白質(zhì)的基本組成單位-氨基酸

氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位。自然界存在300余中氨基酸，組成蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均為L(zhǎng)-α-氨基酸

(除甘氨酸外)。第8頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H第9頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（一）氨基酸的分類(lèi)

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.堿性氨基酸第10頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.非極性脂肪族氨基酸

第11頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2．中性極性氨基酸

第12頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．芳香族氨基酸

第13頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.酸性氨基酸

第14頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.堿性氨基酸第15頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天胱氨酸與二硫鍵第16頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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)，其解離方式及帶電狀態(tài)取決于其所處溶液的酸堿度。

等電點(diǎn)(isoeletricpoint,pI)

在某一pH條件下，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的數(shù)量相等，分子呈電中性，此時(shí)溶液的pH稱(chēng)為該氨基酸的等電點(diǎn)。第17頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第18頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.氨基酸的紫外吸收酪氨酸、色氨酸含有共軛雙鍵，具有吸收紫外光的特性，在280nm處有最大吸收峰。蛋白質(zhì)在280nm處的紫外吸收與濃度成正比，可用于蛋白質(zhì)的定量分析。第19頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第20頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、氨基酸與多肽氨基酸通過(guò)肽鍵（peptidebond）相連接的

形成多肽鏈(peptidechain)。（一）肽鍵（peptidebond)一分子氨基酸的α-羧基與另一分子的α-氨基，脫水縮合形成的酰胺鍵（-CO-NH-）稱(chēng)為肽鍵。第21頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵第22頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天肽(peptide)是由氨基酸通過(guò)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?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱(chēng)為氨基酸殘基(residue)。由十個(gè)以?xún)?nèi)氨基酸相連而成的肽稱(chēng)為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱(chēng)多肽(polypeptide)。第23頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-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)。第24頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天N末端C末端牛核糖核酸酶第25頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）生物活性肽類(lèi)由幾個(gè)至幾十個(gè)氨基酸殘基組成

谷胱甘肽(glutathione,GSH)

谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成，簡(jiǎn)稱(chēng)為谷胱甘肽。第26頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天谷胱甘肽(glutathione,GSH)第27頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天GSH過(guò)氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換第28頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)多肽類(lèi)激素及神經(jīng)肽第29頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、蛋白質(zhì)的分類(lèi)

1．根據(jù)蛋白質(zhì)分子的組成特點(diǎn)單純蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)2．根據(jù)分子形狀的不同球狀蛋白和纖維狀蛋白3．根據(jù)蛋白質(zhì)的主要功能功能活性蛋白質(zhì)和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)。第30頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)TheMolecularStructureofProtein第31頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

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)第32頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)從N端到C端氨基酸排列順序稱(chēng)為蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子基本結(jié)構(gòu)，決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象則是實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。一級(jí)結(jié)構(gòu)中的主要化學(xué)鍵是肽鍵。

第33頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)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)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。第34頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)在一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分子單鍵旋轉(zhuǎn)而盤(pán)曲、折疊形成特定空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)的構(gòu)象包括主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)包括蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。第35頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（一）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

是指蛋白質(zhì)分子中某一肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即多肽鏈中主鏈原子的相對(duì)空間排列分布，而不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的空間排布。穩(wěn)定因素：氫鍵第36頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天肽平面

肽鍵具有部分雙鏈性質(zhì)，因此肽鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，而使涉及肽鍵的6各原子共處于同一平面，稱(chēng)為肽鍵平面，又稱(chēng)肽單元。第37頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天肽鍵平面示意圖肽鏈主鏈骨架原子即N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3個(gè)原子依次重復(fù)排列。第38頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象形式

α-螺旋(α-helix)β-折疊(β-pleatedsheet)β-轉(zhuǎn)角(β-turn)

無(wú)規(guī)卷曲(randomcoil)第39頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）α-螺旋

多肽鏈中的主鏈圍繞中心軸有規(guī)律的螺旋式上升，螺旋的走向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，稱(chēng)右手螺旋。氫鍵是維持α-螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要化學(xué)鍵。第40頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天左手螺旋右手螺旋*第41頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天α-螺旋結(jié)構(gòu)第42頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)肽單元圍繞中心軸呈有規(guī)律右手螺旋，每3.6個(gè)氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm；(2)α—螺旋的每個(gè)肽鍵的N—H與相鄰第四個(gè)肽鍵的羰基氧形成氫鍵(hydrogenbond)，氫鍵的方向與螺旋長(zhǎng)軸基本平行，是維持α—螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要次級(jí)鍵；(3)氨基酸側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)，不參與α-螺旋的形成，但其形狀、大小及電荷量的多少均影響α—螺旋的形成。α-helix特點(diǎn)：第43頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）β-折疊

β-折疊呈折紙狀多肽鏈充分伸展，各個(gè)肽單元以Cα為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，依次折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)，氨基酸殘基側(cè)鏈交替地位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方。第44頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第45頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-折疊

第46頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-pleatedsheets特點(diǎn):1、多肽鏈充分伸展，各肽鍵平面之間折疊成鋸齒狀，側(cè)鏈

R基團(tuán)位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方；2、兩條以上肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的若干肽段平行排列，其結(jié)

構(gòu)穩(wěn)定主要靠氫鍵維系(羰基上的氧和亞氨基上的氫)，

氫鍵的方向與折疊的長(zhǎng)軸垂直3、順平行折疊：兩條肽鏈走向相同；反平行折疊：兩條肽鏈走向相反；4、β—折疊涉及肽段一般比較短，只含5～10個(gè)氨基酸殘基。第47頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）β-轉(zhuǎn)角

出現(xiàn)于肽鏈進(jìn)行180o回折時(shí)的轉(zhuǎn)角部位。由4個(gè)氨基酸殘基組成，由第一個(gè)殘基的羰基(O)與第四個(gè)殘基的氨基氧(H)形成氫鍵，以維持轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。第二個(gè)氨基酸殘基多為脯氨酸和甘氨酸。第48頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-轉(zhuǎn)角

第49頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）無(wú)規(guī)卷曲

肽鏈為環(huán)或卷曲結(jié)構(gòu)，沒(méi)有規(guī)律性排布，但是表現(xiàn)重要生物學(xué)功用，稱(chēng)為“無(wú)規(guī)卷曲”。

第50頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3.二級(jí)結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子中的模體在許多蛋白質(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)有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合，被稱(chēng)為超二級(jí)結(jié)構(gòu)或模體

(motif)

超二級(jí)結(jié)構(gòu)組合常見(jiàn)形式有3種：αα，βαβ，ββ。第51頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天模體是具有特殊功能的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。第52頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)模體常見(jiàn)的形式第53頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（二）蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間排布，即整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。主要靠次級(jí)鍵，包括氫鍵、離子鍵(鹽鍵)、疏水作用、范德華力、二硫鍵等。第54頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第55頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白N端C端第56頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)域（domain）

分子量較大的蛋白質(zhì)可折疊成多個(gè)結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)域。

結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的100～200個(gè)氨基酸殘基，有較為獨(dú)立的三維結(jié)構(gòu)。第57頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天3-磷酸甘油醛脫氫酶亞基的結(jié)構(gòu)示意圖第58頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（三）蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

每一條具有完整三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱(chēng)為亞基。各亞基之間以非共價(jià)鍵相互連接形成特定的三維空間構(gòu)象，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。

維持四級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是疏水作用，包括氫鍵、離子鍵及范德華力等。第59頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天血紅蛋白由2個(gè)α亞基和2個(gè)β亞基構(gòu)成的四聚體，每個(gè)亞基中都結(jié)合1個(gè)血紅素輔基。4亞基通過(guò)8個(gè)離子鍵相連，形成血紅蛋白的四聚體。完整的血紅蛋白分子具有運(yùn)輸O2和CO2的功能。第60頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)-血紅蛋白結(jié)構(gòu)第61頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天由2個(gè)以上亞基組成的蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱(chēng)之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱(chēng)之為異二聚體(heterodimer)。第62頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofprotein第63頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)的功能是由其特定的構(gòu)象所決定的，一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。某些肽段一級(jí)結(jié)構(gòu)（氨基酸組成）決定特定二級(jí)結(jié)構(gòu)（α-螺旋或β-折疊）的形成。

第64頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天牛核糖核酸酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)二硫鍵第65頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(wú)活性第66頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天哺乳類(lèi)動(dòng)物胰島素氨基酸序列的差異第67頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基缺失或被替代，可通過(guò)影響空間構(gòu)象而影響其生理功能。

例如血紅蛋白β亞基的第6位谷氨酸被纈氨酸替代，可導(dǎo)致鐮刀形貧血。第68頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：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(chēng)為“分子病”第69頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，所以蛋白質(zhì)構(gòu)象是其生物活性的基礎(chǔ)。第70頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu)肌紅蛋白與血紅蛋白都是含有血紅素輔基的蛋白質(zhì)。肌紅蛋白是一個(gè)只有三級(jí)結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，它的三級(jí)結(jié)構(gòu)折疊方式使輔基血紅素能與O2結(jié)合與解散，發(fā)揮儲(chǔ)氧的功能。第71頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天血紅素結(jié)構(gòu)第72頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天血紅蛋白的構(gòu)象變化與運(yùn)氧功能隨氧分壓增高，氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)隨之增加，這一變化關(guān)系稱(chēng)為氧解離曲線。第73頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線第74頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第75頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(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(cuò)誤，盡管其一級(jí)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(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。第76頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱(chēng)為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。第77頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein第78頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、蛋白質(zhì)的兩性解離

蛋白質(zhì)分子在一定的溶液pH條件下可解離成帶負(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(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，此時(shí)溶液的pH稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。

利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過(guò)電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。第79頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)是高分子化合物

蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定性的因素：顆粒表面水化膜表面電荷除去上述兩個(gè)穩(wěn)定因素時(shí)，蛋白質(zhì)從溶液中析出。第80頁(yè),共89頁(yè)，2024年2月25日，星期天+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)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)的沉淀第81頁(yè),共89頁(yè)，2