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1、第 二 章,蛋白质结构与功能,Structure and Function of Protein,蛋白质（Protein）是由许多氨基酸（amino acids）通过肽键（peptide bond）相连形成的高分子含氮化合物,蛋白质具有重要的生物学功能：,1）生物催化剂（酶）2）代谢调节3）免疫保护4）物质的转运和储存5）运动和支持作用6）参与细胞间信息传递,第 一 节,蛋白质的分子组成,The Molecular Component,of Protein,碳(C)50%55%,氢(H)6%8%,氧(O)19%24%,氮(N)13%19%,硫(S)0%4%,少量的：磷(P)、铁(Fe)、铜(C
2、u)、锌(Zn)和碘(I)等,组成蛋白质的元素：,主要元素组成：,蛋白质元素组成特点,各种蛋白质含氮量很接近，平均为16,可根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：每克样品中蛋白质的含量 每克样品含氮克数6.25,1/16%,凯氏定氮法-只能检测样品中氮的含量，并不能鉴定蛋白质的真伪,天然动植物食物的主要成分只有蛋白质含有氮，其他主要成分（糖、脂）都不含氮,非蛋白氮 氮含量 性质 用途三聚氰胺 66.6%白色无味 化工原料 尿素 46.6%刺鼻 农业肥料 肼 86.1%液态 火箭燃料,一、氨基酸(amino acid，aa)蛋白质的基本组成单位,构成人体蛋白质的20种氨基酸(aa)的特点：,1.均
3、为L氨基酸，各种aa的R侧链各不相同,2.碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除外),3.-碳原子为不对称(手性)碳原子(甘氨酸除外）,（一）氨基酸的分类,根据氨基酸侧链基团()的结构和理化性质，将其分为5类：,1.非极性氨基酸,2.不带电荷的极性氨基酸,4.酸性氨基酸,5.碱性氨基酸,3.芳香族氨基酸,1.非极性氨基酸,包括7个：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、甲硫氨酸（Met）和脯氨酸（Pro）,2.不带电荷的极性氨基酸,R-基含有极性基团,丝氨酸(Ser)、,半胱氨酸(Cys),天冬酰胺(Asn)、,谷氨酰胺(Gln)、,苏氨酸(Th
4、r)、,包括5个：,3.芳香族氨基酸,包括3个：,色氨酸(Trp)、,苯丙氨酸(Phe),酪氨酸(Tyr)、,4.酸性氨基酸,R-基有COOH(COO-),带负电荷,5.碱性氨基酸,R-基有NH2(NH3+),赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His),带正电荷,精氨酸（Arg）,组氨酸（His）,1.两性解离及等电点,（二）氨基酸的理化性质,等电点(pI)：,aa酸性解离和碱性解离的程度相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值就称为该aa的等电点,pI=1/2（pK1+pK2）,除碱性aa外，其余氨基酸等电点均小于pH7,pHpI,pHpI,pH=pI,问题：组氨酸在pH值
5、为5.5的溶液中带？电荷,2.紫外吸收性质,色氨酸和酪氨酸在280nm波长附近对紫外光有最大吸收峰,据此可以通过测定蛋白质溶液280nm的吸光值快速测定其蛋白质含量,3.茚三酮反应,aa与水合茚三酮一起加热，生成蓝紫色的化合物，在570nm处有最大吸收峰。据此亦可用作aa含量分析,（一）肽与肽键,二、肽（peptide）,肽键（peptide bond）是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,+,肽键,苯丙氨酰丙氨酸,肽键中与-相连的氧原子和氢原子呈反式构型,（反式）,（顺式）,C=N双键为0.127nm,因此，肽键具有部分双键性质，
6、不能自由旋转,肽键中键长为0.132nm,CN单键为0.149nm，,肽键的6个原子C1、C、N、O、H、C 2位于同一平面，构成肽单元(peptide unit),肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,寡肽(oligopeptide),由10个以内氨基酸连成的小肽,多肽(polypeptide),由许多氨基酸连成的肽,多肽链（polypeptide chain）是指许多氨基酸之 间以肽键连接而成的一种结构,多肽链有两端：N末端：多肽链中有自由氨基的一端 C末端：多肽链中有自由羧基的一端,氨基末端(端),羧基末端(C端),氨基酸残基(amino acid residue)：是指氨 基酸在形成
7、肽链时丢失了一分子水，肽链 中的氨基酸分子已不完整,蛋白质与多肽的区别：,Peptide,空间构象不稳定,氨基酸残基数较少,Protein,空间构象相对稳定,氨基酸残基数较多,（二）生物活性肽,1.谷胱甘肽(glutathione，GSH),构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的羧基,由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)组成的三肽,(1)组成,(2)功能,GSH是体内重要的还原剂,由下丘脑分泌，其功能是促进腺垂体释放促甲状腺素(调节糖代谢),2.促甲状腺素释放激素,(1)组成,(2)功能,第 二 节,蛋白质的分子结构,The Molecular structure of Prote
8、in,一级结构（primary structure）,二级结构（secondary structure）,三级结构（tertiary structure）,四级结构（quaternary structure）,高级结构或空间结构,蛋白质分子结构包括：,一、蛋白质的一级结构,定义：指蛋白质中氨基酸的数目、排列顺序及共价连接主要的化学键：肽健，有些蛋白质还包括二硫键(P8)氨基酸序列书写：以N-末端开始，C-末端结束，依次编1、2、3,胰岛素的一级结构,各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同,二、蛋白质的二级结构,定义：是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置
9、，并不涉及到aa侧链R基团的构象主要的化学键：氢键,负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引的作用力,蛋白质的二级结构类型：,螺旋结构(helix),折叠结构(pleated sheet),-转角(turn),无规卷曲(random coil),(一)螺旋,由肽键平面(肽单元)盘旋形成的右手螺旋状构象,1.概念,2.-螺旋的结构特征,(1)以肽键平面(肽单元)为单位,以-碳原子为转折盘旋形成右手螺旋,(2)每3.6个氨基酸残基 绕成一个螺圈(3600),螺距为0.54nm,每个氨基酸上升0.15nm,肽键平面与中心轴平行,(3)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部,(4)
10、肽键的CO和NH 都形成氢键,是稳定螺旋的主要作用力,氢键的方向与中心轴大致平行,（二）折叠,又叫-片层，由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象 在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上,1.概念,2.折叠结构特点,()相邻肽键平面的夹角为1100，呈锯齿状排列；,侧链基团交错地分布在片层平面的两侧,()由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴接 近垂直,()条肽段平行排列构成，肽段之间可 顺向平行(均从N-C)，也可反向平行,(三)转角,肽链出现1800回折的转角处结构称为转角,1.概念,2.结构特征,*第一个残
11、基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键,*常见于球状蛋白质分子表面,(四)无规卷曲,概念,没有确定规律性的肽键构象,常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠,(五)超二级结构,指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体 具有特殊功能的超二级结构，被称为模体（motif）,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,三、蛋白质的三级结构,（一）定义,一条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置,主要的化学键：,疏水键、盐键(离子键)、氢键、范德华力,卵溶菌酶的三级结
12、构含有螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲四种二级结构,疏水键示意图,疏水键,由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力,离子键,由异性电荷间的静电吸引形成,氢键,负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引，这种作用力称为氢键,（二）结构域,在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成两个或多个稳定的球形结构单位，称为结构域,酵母己糖激酶的三级结构两个结构域之间有一个裂隙,四、蛋白质的四级结构(quaternary structure),蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成，每条肽链都有完整的三级结构，称为亚基,亚基(subunit),蛋白质分子中各个亚基
13、的空间排布，以及亚基接触部位的布局和相互作用,蛋白质的四级结构,亚基间的结合力主要是疏水键，其次是离子键和氢键,第 三 节,蛋白质结构与功能的关系,The Relation of Structure andFunction of Protein,（一）一级结构是空间结构的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,以124个氨基酸残基组成的牛胰核糖核酸酶（4对二硫键）为例说明,牛胰核糖核酸酶的变性与复性,-巯基乙醇,尿素或盐酸胍,透析,有活性,无活性,1.一级结构相似的蛋白质功能相似,胰岛素的一级结构及种属差异,（二）一级结构是功能的基础,ACTH 促肾上腺素皮质激素,MSH 促黑激素,2.一级结构
14、不同的蛋白质功能不同,蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间构象乃至生理功能,例子：镰刀状红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”,HbS与HbA的区别,-亚基第6位氨基酸,正常人：Glu(GAG),患 者：Val(GUG),二、蛋白质空间结构与功能的关系,（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构,肌红蛋白（1个亚基）与血红蛋白（4个亚基）的一级结构有较大差异，但均具有与氧可逆地结合的能力,两者分别与血红素共价结合后，再通过血红素中的亚铁离子与氧结合,O2,氧饱和度,静脉血,动脉血,氧分压,P50,100%-,Hb,Mb,血红蛋白与氧结合的正协同效
15、应,（二）血红蛋白空间结构变化与结合氧的能力,*协同效应（cooperativity)指一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响蛋白质分子中另一个亚基与配体的结合能力,促进,正协同效应,抑制,负协同效应,O2,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，继而引起肽链构象改变,变构效应,蛋白质分子与其它小分子物质结合后构象发生改变,其功能也随之变化的现象,Mb只有三级结构，对氧的亲和力大，功能为储存氧Hb有四个亚基，对氧的亲和力相对要 小，功能是在肺和肌肉组织间运输氧,结论：空间结构不同的蛋白质，在体内发 挥不同的生理功能,（三）蛋白质空间结构改变与疾病,若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构
16、不变，但空间结构发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生,如：疯牛病、致死性家族性失眠症等,疯牛病是朊病毒蛋白构象改变引起的人和动物神经退行性病变 正常的朊病毒蛋白（prion protein，PrP）富含螺旋，称为PrPC PrPC在某种未知蛋白质的作用下，可转变成全为-折叠的PrPSC，从而致病,PrPC,螺旋 正常,PrPSC,-折叠疯牛病,第 四 节,蛋白质的理化性质及其分离纯化,（一）两性解离和等电点,蛋白质是两性电解质。在溶液中的带电状况主要取决于溶液的pH值,pH=pI,pHpI,pHpI,等电点（pI）：在某一pH值溶液中，蛋白质酸性基团和碱性基团的解离程度相当，蛋白质分
17、子所带正负电荷相等，净电荷为零，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点(pI),蛋白质分子颗粒大小1100nm之间,属胶体颗粒范围，,蛋白质形成稳定胶体的原因：,表面形成水化膜,表面同种电荷的斥力,（二）蛋白质的胶体性质,是亲水胶体,（三）蛋白质的变性、沉淀与凝固,变性后的蛋白称为变性蛋白质,1.蛋白质的变性（denaturation）,在某些理化因素作用下，蛋白质的空间结构被破坏，失去其原有的性质和生物学活性，称为蛋白质的变性作用,常见的变性因素：,强酸、强碱、有机溶剂、生物碱、尿素、胍、重金属,化学因素：,物理因素：,热、紫外线、超声波、剧烈振荡,变性蛋白质的主要特征:,（2）生物活性丧失,（
18、1）破坏非共价键(甚至二硫键)，空间结构被破坏，不改变蛋白质的一级结构变性的本质,（3）变性蛋白质的溶解度降低,除去变性因素后，有的变性蛋白质又可恢复其天然构象和生物活性,蛋白质的复性(renaturation),牛胰核糖核酸酶的变性与复性,-巯基乙醇,尿素或盐酸胍,透析,有活性,无活性,当破坏了维持蛋白质胶体稳定的因素甚至蛋白质的构象时，蛋白质就会从溶液中析出，这种现象称为蛋白质的沉淀,2.蛋白质的沉淀,3.蛋白质的凝固,蛋白质的沉淀物被加热后，形成不易溶于强酸和强碱的凝块,变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性,4.蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中有含共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的A280nm与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定,5.蛋白质的呈色效应,茚三酮反应（ninhydrin reaction）,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应,双缩脲反应（biuret rection）,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色,因此双缩脲反应可检测蛋白质水解程度,
