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1、第二章 蛋白质的结构与功能,(Structure and Function of Protein),一、什么是蛋白质?,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。,二、蛋白质的生物学功能,(一)蛋白质在生物体内的分布特征1.分布广 所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。2.含量高 蛋白质占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。3.种类多 人体中蛋白质种类达十万余种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。,1.作为生物催化剂（酶）2.代谢调节作用3.免疫保护作用4.物质的
2、转运和存储5.运动与支持作用6.参与细胞间信息传递7.氧化供能,(二)蛋白质的生物学功能,一、蛋白质的元素组成,主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。,(一)组成蛋白质的元素,1.特点：各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：,2.应用 蛋白质含量分析 100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数 6.25100,1/16%,(二)蛋白质元素组成的特点,二、蛋白质的基本单位氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组
3、成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种，且均属-氨基酸（脯氨酸除外），L-氨基酸（甘氨酸除外）。,(一)氨基酸的通式,各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）的不同，故具有不同的理化性质。,非极性侧链氨基酸(8种)水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。极性中性侧链氨基酸(7种)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性(除外色氨酸)。酸性氨基酸(2种)侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。碱性氨基酸（3种）侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+而带正电荷。,(二)氨基酸的分类,20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,缬氨酸 valine Val V 5.96,1.非极性侧链
4、氨基酸(8种),甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,H,CH3,CH3-CH,CH3,CH3-CH2-CH,CH3,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,2.极性中性侧链氨基酸(7种),色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.6
5、8,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,3.酸性氨基酸(2种),天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,HOOC-CH2,4.碱性氨基酸(3种),中文名称 英文名称 缩写
6、符号 结构式 等电点,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,1.含硫氨基酸（半胱氨酸、蛋氨酸）,(三)几种特殊氨基酸,2.芳香族氨基酸（苯丙、酪、色）,3.支链氨基酸（缬、亮、异亮）,4.亚氨基酸（脯氨酸）,(四)氨基酸的理化性质,1.两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。,等电点(isoelectric point,pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2.紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰
7、在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,波长(nm),3.茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。,三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,(一)肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,肽键,1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,(二
8、)肽(peptide),3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。,4.肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。,5.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。分别有：,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。,(三)几种生物活性肽,1.谷胱甘肽(glutathione,GSH),*组成：谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸,*结构特点：谷氨酸以-羧基与半胱氨酸的-氨基 生成肽键（不典型三肽）,体内许多激素属寡肽或多肽。,2.多肽类激素,(The Molec
9、ular Structure of Protein),蛋白质的分子结构包括：一级结构(primary structure)二级结构(secondary structure)三级结构(tertiary structure)四级结构(quaternary structure),第二节 蛋白质的分子结构,1.定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸残基的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,2.主要的化学键 肽键,(一)定义与主要化学键,肽键的键长为0.132nm，短于单键的0.147nm，长于双键的0.123nm，故具有部分双键的特性，不能旋转。,3.举例：胰岛素,(二)肽单元(肽键平面),参与肽键的6
10、个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptide unit)。,二、蛋白质的二级结构,1.定义 蛋白质分子中某一段肽链主链原子的局部空间结构。,2.主要的化学键 氢键,(一)定义与主要化学键,(二)蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋(-helix)-折叠(-pleated sheet)-转角(-turn)无规卷曲(random coil),1.-螺旋 1951年根据 X 线衍射图提出。以碳原子为转折点，形成右手螺旋。,(1)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54n
11、m。(2)螺旋以氢键保持稳固。(3)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。角蛋白、肌球蛋白等。,2.-折叠(1)是多肽链一种比较伸展、成锯齿状的肽链结构。,(2)两条肽链走向相同，称为顺向平行结构，反之，则称为反向平行结构。后者更为稳定。溶菌酶、羧基肽酶等。,3.-转角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,4.无规卷曲,肽链出现180回折的部分形成-转角。,三、蛋白质的三级结构,非共价键：疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals（范德华）力等。,2.主要的化学键次级键（非共价键）和二硫键（主要是疏水键）,整条肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,1.定义,(一)定义与主
12、要化学键,维持蛋白质分子构象的各种化学键,(二)结构域(domain),分子量较大的蛋白质在形成三级结构时，肽链中的有些局部的二级结构汇集在一起，形成能发挥生物学概念的特定区域。如：、T。,免疫球蛋白结构域示意图,(三)分子伴侣,1.分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。,3.已发现分子伴侣具有形成二硫键的酶活性，在蛋白质分子折叠过程中对二硫键正确形成起到重要的作用。,2.分子伴侣能可逆地与未折叠肽段结合，防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠；也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,2.主要化学键 非共价键（主要是盐键）,四、蛋白质的四级
13、结构,1.定义 是指由两个以上具有三级结构的多肽链通过非共价键而形成的空间排布称为蛋白质的四级结构。,(一)定义与主要化学键,3.亚基(subunit),概念：在蛋白质的四级结构中，各具三级结构 的多肽链。,数目：偶数，可相同，也可不同,特点：单独存在无活性,特点：,举例：H亚基、M亚基,举例：Hb、LDH、L-谷氨酸脱氢酶、RNA聚合酶,(一)一级结构与功能的关系,五、蛋白质结构与功能的关系,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,1.核糖核酸酶一级结构与功能的关系,二硫键破坏后，生物学活性丧失。,(1)将A链N端的第1个氨基酸残基切去，其活性只剩2
14、10，再将第24位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。,(2)将A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，胰岛素的功能完全消失。,(3)将B链第2830位氨基酸残基切去，其活性仍能维持100%。,2.胰岛素一级结构与功能的关系,3.血红蛋白一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血,*一级结构不同，构象和功能不同。,*一级结构相似，构象和功能可能相似。,结论：,(二)蛋白质空间结构与功能的关系,1血红蛋白空间结构与功能的关系,Hb未结合O2时，4个亚基结构紧密,称紧张态(T态)。随着O2 的结合,空间结构发生变化，使结构相对松弛，称松弛态(R态)。T态对氧亲和力低,R态对氧亲合力高，是Hb结合O
15、2 的形式。肺毛细血管O2 分压高,促使T态转变成R态,组织毛细血管,O2 分压低,促使R态转变成T态。,例：疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常PrP富含-螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋白质作用下转变成为-折叠的PrPsc，从而致病。,蛋白质构象疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。,2朊病毒蛋白空间结构与功能的关系,*蛋白质空间结构改变，生物活性改变。,结论：,*蛋白质空间结构破坏，生物活性丧失。,三、蛋白质的分类,(一)根据蛋白质组成成分,1.单纯蛋白质,2.结合蛋白质=蛋白
16、质部分+非蛋白质部分,(二)根据蛋白质形状,1.纤维状蛋白质,2.球状蛋白质,第三节 蛋白质的理化性质(The Physical and Chemical Characters of Protein),一、蛋白质的两性解离和等电点,(一)两性解离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团，故称两性解离。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,NH,COO,Pr,NH,3,COO-,+,NH,COO,Pr,NH,2,COO-,NH,COO,Pr,NH,3,COOH,+,概念：当蛋白质溶液处于
17、某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,(二)蛋白质的等电点,*应用,（原因：，pI7.0）,电泳分离蛋白质,血浆蛋白质带负电荷，组成缓冲对，维持酸碱平衡,（机理：蛋白质带电荷量不同，移动速度不同而分离,二、蛋白质的胶体性质,(一)蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,应用：破坏两个稳定因素沉淀蛋白质,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,1、概念,2.变性的本质,即破坏非共价键，不改变蛋白质肽链的一级结构。,(一)蛋白质的变性(denaturation),3.导致变
18、性的因素如高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属离子、生物碱试剂及辐射等因素。,4.临床应用 临床上利用加热或某些化学试剂使病原 微生物的蛋白质变性，从而达到消毒的 目的，如酒精、紫外线等消毒等 低温保存蛋白质制剂（如疫苗等）是防止 蛋白质变性。,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,5.复性(renaturation),若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。,(二)蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀
19、，但并不一定变性。,蛋白质沉淀的方法：,(三)蛋白质的凝固作用蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸或强碱中。,四、蛋白质的紫外吸收,1、原因：由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸2、波长：280nm3、应用：蛋白质定量测定。,芳香族氨基酸的紫外吸收,波长(nm),五、蛋白质的呈色反应,(一)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。,(二)双缩脲反应(biuret reaction)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，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,(三)Folin-酚试剂反应 蛋白质分子中酪氨酸残基在碱性条件下能与酚试剂反应生成蓝色化合物。该反应的灵敏度比双缩脲反应高100倍。,
