生物化學 課件 第2章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成一、蛋白質(zhì)的元素組成(一)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。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%(二)蛋白質(zhì)元素組成的特點二、蛋白質(zhì)的基本單位——氨基酸(一)氨基酸的通式存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的編碼氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。各種氨基酸的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于側(cè)鏈（R基團）的不同，故具有不同的理化性質(zhì)C+NH3COO-HCH3R甘氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式(二)氨基酸的分類非極性側(cè)鏈氨基酸(8種)水溶性小。其側(cè)鏈為非極性疏水基團。

極性中性側(cè)鏈氨基酸(7種)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其側(cè)鏈具有親水性(除外色氨酸)。酸性氨基酸(2種)側(cè)鏈上有羧基，在水溶液中能釋放出H+而帶負電荷。堿性氨基酸（3種）側(cè)鏈上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+

而帶正電荷。20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:1.非極性側(cè)鏈氨基酸(8種)中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點甘氨酸glycineGlyG5.97CHCOOHNH2H纈氨酸valineValV5.96CHCOOHNH2CH3丙氨酸alanineAlaA6.00CHCOOHNH2CH3-CHCH3亮氨酸leucineLeuL5.98CH3-CH-CH2CHCOOHNH2CH3

異亮氨酸isoleucineIleI6.02CHCOOHNH2CH3-CH2-CHCH3脯氨酸prolineProP6.30

苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48-CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNHCH2CH2

蛋氨酸methionineMetM5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH2絲氨酸serineSerS5.68HO-CH2CHCOOHNH2酪氨酸t(yī)yrosineTryY5.66-CH2CHCOOHNH2HO-

半胱氨酸cysteineCysC5.07HS-CH2CHCOOHNH22.極性中性側(cè)鏈氨基酸(7種)中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點天冬酰胺asparagineAsnN5.41

谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65CHCOOHNH2HO-CHCH3

蘇氨酸t(yī)hreonineThrT5.60CHCOOHNH2HO-CHCH3H2N-C-CH2CHCOOHNH2O色氨酸t(yī)ryptophanTryW5.89CHCOOHNH2-CH2NH3.酸性氨基酸(2種)中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點

天冬氨酸asparticacidAspD2.97CHCOOHNH2

HOOC-CH2谷氨酸glutamicacidGluE3.22CHCOOHNH2HOOC-CH2-CH24.堿性氨基酸(3種)中文名稱英文名稱縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點賴氨酸lysineLysK9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2精氨酸arginineArgR10.76CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NH組氨酸histidineHisH7.59CHCOOHNH2HCCH2NHCNCH(三)幾種特殊氨基酸1.含硫氨基酸半胱氨酸

+-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS--COOHCH-CH2NH2半胱氨酸

-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S--COOHCH-CH2NH2二硫鍵胱氨酸(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)，其解離方式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。CHNHCOOHRCHNH2COOHRCHNHCOOHRCHNH3COOHR++H++OH-CHNHCOORCHNH3COO-R++OH-+H+CHNHCOORCHNH2COO-RpH<pI陽離子pH=pI氨基酸的兼性離子pH>pI陰離子2.紫外吸收240250260270280290300310光密度色氨酸酪氨酸色氨酸、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。波長(nm)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。2NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+RCHOCO2+H++水合茚三酮羅曼紫(藍紫色)第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成（四）氨基酸的分離與分析2.分配柱層析1.分配層析3.紙層析7.高效液相層析6.氣液層析5.離子交換層析4.薄層層吸三、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式

(一)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。甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH

(一)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。三、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH肽鍵1.肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。(二)肽(peptide)2.兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……3.由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽。

4.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)。5.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)。分別有：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。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124(三)幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸半胱氨酸甘氨酸2.多肽類激素體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽。CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸組氨酸脯氨酰胺

促甲狀腺素釋放激素(TRH)第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第二節(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)一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(一)定義與主要化學鍵1.定義蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。2.主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。

肽鍵的鍵長為0.132nm，短于單鍵的0.147nm，長于雙鍵的0.123nm，故具有部分雙鍵的特性，不能旋轉(zhuǎn)。(二)肽單元(肽鍵平面)參與肽鍵的6個原子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個原子構(gòu)成了所謂的肽單元(peptideunit)

。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽鍵平面示意圖二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(一)定義與主要化學鍵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.主要的化學鍵

氫鍵

(二)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

1.

-螺旋1951年根據(jù)X線衍射圖提出。以

碳原子為轉(zhuǎn)折點，形成右手螺旋。(1)螺旋每圈含3.6個氨基酸殘基，殘基跨距0.15nm，螺距0.54nm。(2)螺旋以氫鍵保持穩(wěn)固。(3)各氨基酸殘基的R基團均伸向螺旋外側(cè)。2.

-折疊

(1)是多肽鏈一種比較伸展、成鋸齒狀的肽鏈結(jié)構(gòu)。(2)兩條肽鏈走向相同，稱為順向平行結(jié)構(gòu)，反之，則稱為反向平行結(jié)構(gòu)。后者更為穩(wěn)定。3.

-轉(zhuǎn)角肽鏈出現(xiàn)180°回折的部分形成β-轉(zhuǎn)角。

4.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)。三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(一)定義與主要化學鍵1.

定義

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。只有具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈才能稱為蛋白質(zhì)。2.主要的化學鍵疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的各種化學鍵abc氫鍵離子鍵疏水鍵N端C端肌紅蛋白(Mb)

(二)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

四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(一)定義與主要化學鍵1.定義蛋白質(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)。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結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。2.主要化學鍵亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。血紅蛋白的四級結(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。五、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系(一)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

1.核糖核酸酶一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

二硫鍵破壞后，生物學活性喪失。

天然狀態(tài)，有催化活性26110958472584065HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840

去除尿素、β-巰基乙醇

尿素、β-巰基乙醇2.胰島素一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系(1)將A鏈N端的第1個氨基酸殘基切去，其活性只剩2％～10％，再將第2～4位氨基酸殘基切去，其活性完全喪失。(2)

將A、B兩鏈間的二硫鍵還原，A、B兩鏈即分離，胰島素的功能完全消失。(3)

將B鏈第28～30位氨基酸殘基切去，其活性仍能維持100%。3.血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系例：鐮刀形紅細胞貧血HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ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”。(二)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1．血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系Hb未結(jié)合O2時，4個亞基結(jié)構(gòu)緊密,稱緊張態(tài)(T態(tài))。隨著O2

的結(jié)合,空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)相對松弛，稱松弛態(tài)(R態(tài))。T態(tài)對氧親和力低,R態(tài)對氧親合力高，是Hb結(jié)合O2

的形式。肺毛細血管O2

分壓高,促使T態(tài)轉(zhuǎn)變成R態(tài),組織毛細血管,O2

分壓低,促使R態(tài)轉(zhuǎn)變成T態(tài)。

2．朊病毒蛋白空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、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-折疊正常瘋牛病第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的兩性解離和等電點

(一)兩性解離

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，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團，故稱兩性解離。(二)蛋白質(zhì)的等電點當?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。二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)

(一)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1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。(二)蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜+++++++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)的聚沉三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

(一)

蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，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。1.變性的本質(zhì)

即破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)肽鏈的一級結(jié)構(gòu)。2.導(dǎo)致變性的因素如高溫、高壓、強酸、強堿、有機溶劑、重金屬離子、生物堿試劑及輻射等因素。

3.應(yīng)用舉例①臨床醫(yī)學上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。②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。

天然狀態(tài)，有催化活性26110958472584065HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840

去除尿素、β-巰基乙醇

尿素、β-巰基乙醇4.復(fù)性(renaturation)

若蛋白質(zhì)變性程