第二章蛋白質結構與功能

第二章,蛋白質的結構與功能StructureandFunctionofProtein,主要內容,蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質的理化性質蛋白質的分類,學習要點,掌握蛋白質的元素組成及特點，氨基酸的結構特點及連接方式。掌握蛋白質各級結構及維持各級結構穩(wěn)定的作用力。掌握蛋白質的兩性解離和等電點、蛋白質變性。熟悉蛋白質的膠體性質、沉淀、紫外吸收和呈色反應。熟悉氨基酸的分類及理化性質。熟悉蛋白質的結構與功能的關系。了解蛋白質的分類。,商洛職業(yè)技術學院,蛋白質是由氨基酸以“脫水縮合”的方式組成的多肽鏈經(jīng)過盤曲折疊形成的具有一蛋白質是一種復雜的有機化合物，舊稱“朊（run)”。定空間結構的物質。,蛋白質是生物體的重要組成成分,蛋白質的生物學重要性,蛋白質的種類多：大腸桿菌約含蛋白質3000種，人體內含蛋白質10萬余種。分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，占人體干重的45，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80。,蛋白質是生命的物質基礎（重要的生物學功能）,1.催化功能2.調節(jié)功能3.支持功能4.運輸功能5.營養(yǎng)功能,6.運動功能7.防御功能8.識別功能9.信息傳遞功能10.凝血與抗凝血功能,氧化供能,蛋白質的生物學重要性,第一節(jié)蛋白質的分子組成TheMolecularComponentofProtein,組成蛋白質的元素主要C、H、O、N和S有些蛋白質含少量P、Se、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個別蛋白質還含有I。,一、蛋白質的元素組成,蛋白質的元素組成的特點,各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16%，1g氮相當于6.25g蛋白質。,生物體內的含氮物質主要是蛋白質，因此只要測定生物樣品的含氮量就可按下式計算出其蛋白質大致含量：,100g樣品中蛋白質的含量（g%）每克樣品中含氮克數(shù)6.25100,二、蛋白質的基本組成單位氨基酸,蛋白質受酸、堿或蛋白酶水解產生游離氨基酸。因此，組成蛋白質的基本單位是氨基酸(aminoacid)。,(一)氨基酸的命名,1.系統(tǒng)命名法以羧基為母體，碳原子的位次以阿拉伯數(shù)字或希臘字母標示。2.俗稱,自然界存在的氨基酸有300多種，但組成人體蛋白質氨基酸僅有20種，且都有特異的遺傳密碼，為編碼氨基酸。,（二）氨基酸的結構特點,R代表氨基酸側鏈,氨基酸的結構通式可用下式表示：,1.組成蛋白質的氨基酸都是-氨基酸（脯氨酸為-亞氨基酸）。,-碳原子，即與-COOH相鄰碳原子。氨基均連在-碳原子上，故為-氨基酸。,2.組成人體蛋白質的氨基酸都是L型，即L-氨基酸。,不同的氨基酸其側鏈不同，除甘氨酸外，其余氨基酸的-碳原子分別連接4個不同原子或基團，是手性碳原子，有兩種不同的構型，即L型和D型。,（三）氨基酸的分類,（三）氨基酸的分類,基本氨基酸的分類方法一：按側鏈結構分類脂肪族氨基酸(15種)芳香族氨基酸(3種)雜環(huán)氨基酸(2種),（三）氨基酸的分類,基本氨基酸的分類方法二：按側鏈R基團極性分類非極性(疏水)氨基酸(9種)極性不帶電荷氨基酸(6種)極性帶正電荷氨基酸(堿性氨基酸)(3種)極性帶負電荷氨基酸(酸性氨基酸)(2種),1.非極性疏水氨基酸側鏈為烴基、吲哚環(huán)、甲硫基等疏水性基團。這類氨基酸在水中的溶解度小于極性中性氨基酸。,2.極性中性氨基酸側鏈為羥基、巰基、或酰氨基等極性基團，有親水性，但在中性水溶液中不電離的氨基酸。,3.酸性氨基酸側鏈上有羧基，在水溶液中能釋放出H+而帶負電荷的氨基酸。有谷氨酸、天冬氨酸。,4.堿性氨基酸側鏈上有氨基、胍基或咪唑基，在水溶液中能結合H+而帶正電荷的氨基酸。有賴氨酸、精氨酸和組氨酸等。,（三）氨基酸的分類,基本氨基酸的分類方法三：按人體能否合成分類必需氨基酸：機體不能自身合成，必須由食物供給的氨基酸（八種）半必需氨基酸：人體可合成，但合成量不足，如精氨酸及組氨酸。非必需氨基酸：可自身合成且能滿足需要的氨基酸（10種）,蛋白質分子中幾種特殊的氨基酸,1.脯氨酸是亞氨基酸。2.不少半胱氨酸在蛋白質中以胱氨酸形式存在。2個半胱氨酸脫氫以二硫鍵結合形成胱氨酸。3.被修飾的氨基酸羥脯氨酸、羥賴氨酸等。,三、氨基酸在蛋白質分子中的連接方式,（一）肽鍵和肽肽鍵（peptidebond)是由一個氨基酸分子的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合形成的化學鍵。,氨基酸通過肽鍵連接形成的化合物稱為肽。由兩個氨基酸形成的肽稱為二肽，由三個氨基酸形成的肽稱三肽，以此類推。通常將10個以內的氨基酸形成的肽稱為寡肽，十肽以上者稱為多肽。多肽分子中的氨基酸相互連接形成長鏈，稱為多肽鏈。肽鏈中的氨基酸因脫水縮合已不是完整的氨基酸，故稱為氨基酸殘基。,氨基酸由肽鍵連接成的長鏈骨架，稱為主鏈，而各氨基酸殘基的R基團統(tǒng)稱為側鏈。,多肽鏈有兩端有自由氨基的一端稱為氨基末端或N端，通常寫在多肽鏈的左側。有自由羧基的一端稱為羧基末端或C端，通常寫在多肽鏈的右側。,多肽鏈中氨基酸殘基的順序編號從N端開始。肽的命名也從N端開始，如由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽稱為谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，簡稱為谷胱甘肽(GSH)。,SH為活性基團,為酸性肽,（二）生物活性肽生物體內具有一定生物學活性的肽類物質稱生物活性肽。1.谷胱甘肽有還原型（GSH）與氧化型（GSSG）兩種存在形式。GSH是體內重要的還原劑，對機體起到保護作用。,GSH過氧化物酶,NADPH+H+,NADP+,GSH還原酶,2.多肽類激素和神經(jīng)肽肽類激素種類較多，生理功能各異。主要見于下丘腦及垂體分泌的激素。神經(jīng)肽在神經(jīng)傳導中發(fā)揮信號作用。促甲狀腺素釋放激素（TRH）：3肽,3.其他催產素、升壓素：9肽腦肽：種類多，其中腦啡肽重要，為5肽膽囊收縮素：33肽，與消化有關胰高血糖素：29肽，促進血糖濃度增大,第二節(jié)蛋白質的分子結構TheMolecularStructureofProtein,蛋白質是由許多氨基酸單位通過肽鍵連接形成的具有特定分子結構的高分子化合物。蛋白質的分子結構可分為一級、二級、三級和四級。一級結構是蛋白質的基本結構，二級、三級、四級結構稱為高級或空間構象。,一、蛋白質的一級結構(primarystructure),概念是指蛋白質分子中氨基酸的排列順序。主要的化學鍵肽鍵、有些蛋白質還含有二硫鍵。胰島素（Insulin）世界上第一個被確定一級結構的蛋白質。,人胰島素的一級結構,一級結構是決定蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎，但不是決定蛋白質空間構象唯一因素。,測定蛋白質的一級結構的主要意義,一級結構是研究高級結構的基礎?？梢詮姆肿铀疥U明蛋白質的結構與功能的關系。可以為人工合成蛋白質提供參考順序。,二、蛋白質的空間結構,空間結構指蛋白質分子內各原子圍繞某些共價鍵的旋轉而形成的各種空間排布及相互關系，稱為蛋白質的構象。蛋白質的構象分為主鏈構象和側鏈構象。,（一）蛋白質的二級結構(secondarystructure),概念是指蛋白質多肽鏈主鏈原子局部的空間排列，不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。維系蛋白質二級結構的主要化學鍵是氫鍵。,1.形成二級結構的基礎肽鍵（C-N）鍵長為0.132nmC-N單鍵長為0.149nmC=N雙鍵長為0.127nm肽鍵有一定程度雙鍵性能，不能自由旋轉，有順反異構現(xiàn)象。,肽鍵平面(肽單元peptideunit)形成肽鍵的C-N鍵具有部分雙鍵的性質，使得形成的酰胺鍵的四個原子及相鄰的C處于同一平面上叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質構象的基本結構單位。,肽鍵平面,2.蛋白質二級結構的主要形式,-螺旋-折疊-轉角無規(guī)卷曲,（1）-螺旋(-helix)最常見,-螺旋的結構特點多肽鏈以肽鍵平面為單位，-碳原子為轉折點，有規(guī)律的盤繞成右手螺旋結構。每3.6個氨基酸殘基盤繞一圈，螺距為0.54nm。相鄰螺旋的肽鍵之間形成氫鍵，方向與長軸基本平行，維持螺旋的穩(wěn)定。R基團伸向螺旋外側，其大小、形狀及電荷性質均影響-螺旋的形成。,（2）-折疊(pleatedsheet),-折疊的結構特點多肽鏈呈伸展狀態(tài)，肽鍵平面沿長軸折疊呈鋸齒狀，兩平面間夾角為110，R基交替地伸向鋸齒狀結構的上下方。若干肽段互相靠攏，平行排列，通過氫鍵連接。氫鍵的方向與長軸垂直。若兩條肽段走向一致（N端、C端方向相同），稱為順向平行；反之，稱之為逆向平行，逆向更穩(wěn)定。,（3）-轉角（turn）,-轉角的特點主鏈骨架本身以大約180回折回折部分通常由4個氨基酸殘基構成構象依靠第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。,（4）無規(guī)卷曲（nonregularcoil）,是指多肽鏈中除了以上幾種比較規(guī)則的構象外，其余沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈構象。,（二）蛋白質的三級結構(tertiarystructure),概念是指整條肽鏈中所有原子的空間排布，它包括主鏈構象和側鏈構象。主要化學鍵疏水鍵、氫鍵、鹽鍵等非共價鍵和二硫鍵。疏水鍵是維持三級結構穩(wěn)定的最主要作用力。,超二級結構(supersecondarystructure)超二級結構是指若干相鄰的二級結構中的構象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認的二級結構組合體。通常有，。,結構域（domain）是在超二級結構基礎上進一步卷曲折疊成緊密的近似球狀的結構，在空間上彼此分隔，各自具有部分生物功能的結構。由一條多肽鏈形成的蛋白質，其最高級結構為三級結構。只有具有三級結構的蛋白質才具有生物學活性。,結構域（domain）小的蛋白質分子只有一個結構域，大的蛋白質分子有數(shù)個結構域結構域三級結構,蛋白質的三級結構,蛋白質的三級結構,概念蛋白質分子中各亞基之間的空間排布和相互接觸關系。體內有許多蛋白質分子是由兩條或兩條以上具有獨立三級結構的多肽鏈通過非共價鍵聚合而成，其中每條具有獨立三級結構的多肽鏈稱為亞基。化學鍵氫鍵、鹽鍵、范氏引力、疏水鍵等非共價鍵。,（三）蛋白質的四級結構(quaternarystructure),蛋白質結構中應注意的幾個問題,由一條多肽鏈形成的蛋白質其最高級結構為三級，具有三級結構的蛋白質才具有生物學活性。形成蛋白質的四級結構至少要有兩條多肽鏈。兩條或兩條以上的多肽鏈靠共價鍵連接的蛋白質沒有四級結構。由一條多肽鏈形成的蛋白質與亞基不同。,維持蛋白質結構的作用力,一級結構：肽鍵、二硫鍵（都屬于共價鍵）二級結構：氫鍵（主鏈上C=O和NH之間形成）三、四級結構：次級鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力、配位鍵）,蛋白質分子中的次級鍵,氫鍵常見于連接在一電負性很強的原子上的氫原子與另一電負性很強的原子之間。蛋白質分子中氫鍵的形成,氫鍵,疏水鍵非極性物質在含水的極性環(huán)境中存在時，會產生一種相互聚集的力，這種力稱為疏水鍵或疏水作用力。蛋白質分子中的許多氨基酸殘基側鏈也是非極性的，這些非極性的基團在水中也可相互聚集，形成疏水鍵，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的側鏈基團。,離子鍵（鹽鍵）,是由正、負離子間通過靜電引力相互吸引而形成的化學鍵。在近中性環(huán)境中，蛋白質分子中的酸性氨基酸殘基側鏈電離后帶負電荷，而堿性氨基酸殘基側鏈電離后帶正電荷，二者之間可形成離子鍵。,范德華氏（vanderWaals)引力原子之間存在的相互作用力,血紅蛋白的四級結構,商洛職業(yè)技術學院,從一級結構到四級結構,三、蛋白質的結構與功能,蛋白質一級結構與功能的關系一級結構決定蛋白質的空間結構；一級結構決定蛋白質的生物學功能。蛋白質空間結構與功能的關系蛋白質構象是其生物學功能的基礎，構象改變功能改變。,商洛職業(yè)技術學院,同種蛋白質中氨基酸順序的個體差異（分子?。┭t蛋白的一級結構變化引起鐮刀型貧血病,正常細胞鐮刀形細胞,血液中大量出現(xiàn)鐮刀型紅細胞，患者因此缺氧窒息；它是最早認識的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時就夭折,活過童年的壽命也不長，它是由于遺傳基因突變導致血紅蛋白分子結構的突變。,第三節(jié)蛋白質的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein,一、蛋白質的兩性解離與等電點,1.蛋白質是兩性電解質蛋白質分子中可解離的基團多肽兩端游離的-氨基和-羧基多肽側鏈R上解離的基團決定蛋白質解離成正負離子的因素蛋白質所含酸性和堿性基團的數(shù)目蛋白質所在溶液的PH值利用蛋白質兩性電離的性質，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術分離蛋白質。,2.蛋白質的等電點（isoelectricpoint,pI）當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、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稱為蛋白質的等電點。體內大多數(shù)蛋白質的等電點在pH5.0左右，因而在生理條件下以陰離子形式存在。,3.電泳(elctrophoresis)帶電粒子在電場中向電性相反的電極移動的現(xiàn)象。蛋白質在帶電場中泳動的速度和方向與其所帶電荷的性質、數(shù)量及分子的大小、形狀有關。帶電荷多，分子小的泳動速度較快；反之則泳動較慢，從而達到分離蛋白質的目的。血清蛋白醋酸纖維素薄膜電泳可將血清蛋白分為清蛋白、1球蛋白、2球蛋白、球蛋白、球蛋白。,A：染色后顯示的蛋白質區(qū)帶B：光密度掃描定量分析,二、蛋白質的膠體性質,1.蛋白質有膠體性質蛋白質是生物大分子，分子量在1萬10萬之間，分子直徑在膠體顆粒的范圍（1100nm），因此，蛋白質具有膠體的性質。具有膠體溶液的特征如布朗運動、丁達爾現(xiàn)象、電泳現(xiàn)象,不能透過半透膜,并具有吸附能力。,2.蛋白質親水膠體穩(wěn)定的因素蛋白質分子表面的水化膜和同種電荷。去掉兩個穩(wěn)定因素，則蛋白質從溶液中析出而產生沉淀。3.蛋白質膠體性質的應用透析用于分離純化蛋白質超速離心用于蛋白質的分離純化及分子量的測定。,變性的概念在某些物理或化學因素的作用下，蛋白質特定的空間構象被破壞，從而導致其理化性質改變和生物活性喪失，稱為蛋白質的變性。變性的實質次級鍵斷裂，空間結構破壞,不改變蛋白質的一級結構。,三、蛋白質的變性、沉淀和凝固(一)蛋白質的變性(denaturation),引起變性的因素物理因素高溫、高壓、紫外線、電離輻射、超聲波等?；瘜W因素強酸、強堿、有機溶劑、尿素、重金屬鹽等。,變性蛋白質的特點A.生物學活性喪失B.溶解度降低，易于沉淀C.粘度增加D.結晶能力消失E.易被蛋白酶水解,蛋白質變性的應用,應用變性的因素進行消毒、滅菌。保存生物制劑則要防止蛋白質變性。,蛋白質的復性(renaturation)大多數(shù)蛋白質變性后，空間構象嚴重破壞，不能恢復其天然狀態(tài)，稱為不可逆性變性；若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素，有些可恢復其天然構象和生物活性,稱為蛋白質的復性。,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、-巰基乙醇,去除尿素、-巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,（二）蛋白質沉淀,概念蛋白質從溶液中析出的現(xiàn)象稱為沉淀。方法鹽析法、有機溶劑的沉淀、重金屬鹽沉淀、生物堿試劑沉淀。,（三）蛋白質的凝固(proteincoagulation),加熱使蛋白質變性并凝聚成塊狀稱為凝固。此凝塊不溶于強酸或強堿中。凝固實際上是蛋白質變性后進一步發(fā)展的不可逆的結果。(四)蛋白質變性與沉淀之間的關系沉淀的蛋白質易發(fā)生變性，但并不一定變性，如鹽析作用變性的蛋白質易于沉淀，但也不一定沉淀，如牛奶加熱沸騰凡凝固的蛋白質一定