蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

第一篇

生物分子結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein2023/2/63什么是蛋白質(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。2023/2/64蛋白質(zhì)研究的歷史1833年，從麥芽中分離淀粉酶；隨后從胃液中分離到類似胃蛋白酶的物質(zhì)。1864年，血紅蛋白被分離并結(jié)晶。19世紀(jì)末，證明蛋白質(zhì)由氨基酸組成，并合成了多種短肽。20世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)；完成胰島素一級結(jié)構(gòu)測定。2023/2/6520世紀(jì)中葉，各種蛋白質(zhì)分析技術(shù)相繼建立，促進(jìn)了蛋白質(zhì)研究迅速發(fā)展；1962年，確定了血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代，功能基因組與蛋白質(zhì)組研究的展開。2023/2/66蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)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(dá)80％。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分2023/2/67作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護(hù)作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲運(yùn)動與支持作用參與細(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)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)2023/2/69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。2023/2/610

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。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%蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)2023/2/611三聚氰胺2023/2/612一、組成人體蛋白質(zhì)的20種L--氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。2023/2/613H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H2023/2/614根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)：非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸的分類2023/2/615(一)非極性脂肪族氨基酸2023/2/616(二)極性中性氨基酸2023/2/617(三)芳香族氨基酸2023/2/618(四)酸性氨基酸2023/2/619(五)堿性氨基酸幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH22023/2/620半胱氨酸

+胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH32023/2/6212023/2/622三、20種氨基酸的理化性質(zhì)兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。

等電點(diǎn)(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(diǎn)。（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子

陽離子陰離子2023/2/623（二）氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)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。芳香族氨基酸的紫外吸收2023/2/6242023/2/625（三）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍(lán)紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)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。茚三酮反應(yīng)水合茚三酮還原茚三酮

藍(lán)色物質(zhì)2023/2/6262023/2/627四、氨基酸通過肽鍵連接形成蛋白質(zhì)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(xué)鍵。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽

(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵2023/2/6282023/2/629肽鍵中羰基與亞氨基成反式結(jié)構(gòu) 羰基氧帶有部分負(fù)電荷，亞氨基氮帶有部分正電荷，形成一個偶極子。實(shí)際上，在蛋白質(zhì)中，所有的肽鍵都是以反式構(gòu)型存在的。2023/2/630肽是由氨基酸通過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，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。2023/2/631N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)。2023/2/632

肽鏈或稱多肽鏈由一些規(guī)則的重復(fù)的部分，叫做主鏈，和一些可變的部分，不同的側(cè)鏈,組成。主鏈有時也稱骨架。多肽鏈具有方向性，因?yàn)樗臉?gòu)成單位具有不同的末端，即α-氨基和α-羧基。根據(jù)常規(guī)，以氨基端（N端）作為一條肽鏈的起點(diǎn)。一條肽鏈中的氨基酸的順序，在書寫時，應(yīng)從氨基端(N端）殘基開始。N末端C末端牛核糖核酸酶2023/2/633

蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成、折疊成特定的空間結(jié)構(gòu)、并具有特定生物學(xué)功能的多肽。一般而論，蛋白質(zhì)的氨基酸殘基數(shù)通常在50個以上，50個氨基酸殘基以下則仍稱為多肽。（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)2023/2/635GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換2023/2/636

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽2023/2/637蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)2023/2/639蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:

高級結(jié)構(gòu)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)2023/2/640定義:蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。

一級結(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。2023/2/642二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)指蛋白質(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。

定義:

主要的化學(xué)鍵：氫鍵

2023/2/643（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2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)。2023/2/6462023/2/647

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)

-螺旋2023/2/649α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm;肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團(tuán)的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團(tuán)的-NH基形成氫鍵。蛋白質(zhì)分子為右手螺旋。2023/2/650（三）-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)2023/2/652β-折疊片層（或簡稱β-折疊；β-pleatedsheet）

多肽鏈充分伸展，每個肽單元以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。

兩條以上肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的若干肽段的鋸齒狀結(jié)構(gòu)可平行排列，其走向可相同也可相反，并通過鏈間的氫鍵穩(wěn)固各自的β

-折疊結(jié)構(gòu)。2023/2/653平行2023/2/654反向平行（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在-轉(zhuǎn)角2023/2/656β-

轉(zhuǎn)角（β-turn；β-bend)

β-

轉(zhuǎn)角通常由四個氨基酸組成，其第一個氨基酸的羰基與第四個氨基酸的亞氨基形成氫鍵。第二個殘基常為脯氨酸，其他常見的殘基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸。2023/2/6572023/2/658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)。2023/2/659（五）二級結(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)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：αα，βαβ，ββ。2023/2/6602023/2/661蛋白質(zhì)分子中具有特定空間構(gòu)象和特定功能的結(jié)構(gòu)成分稱為模體(motif)

。其中一類就是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)2023/2/663三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的化學(xué)鍵: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。（一）定義2023/2/665

肌紅蛋白(Mb)N端C端2023/2/666肌紅蛋白(myoglobin，Mb)纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的獨(dú)立功能區(qū)分子量較大的蛋白質(zhì)常可折疊成多個結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。2023/2/668大多數(shù)結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的100至200個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)常分解出獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域，而各結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象可以基本不改變，并保持其功能。超二級結(jié)構(gòu)則不具備這種特點(diǎn)。因此，結(jié)構(gòu)域也可看作是球狀蛋白質(zhì)的獨(dú)立折疊單位，有較為獨(dú)立的三維空間結(jié)構(gòu)。3-磷酸甘油醛脫氫酶亞基的結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/670亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)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)。許多功能性蛋白質(zhì)分子含有兩條或兩條以上多肽鏈，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)。亞基與亞基之間呈特定的三維空間排布，并以非共價鍵相連。2023/2/671由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)2023/2/672五、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵

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)，無活性2023/2/676（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能胰島素氨基酸殘基序號(?)A5A6A10A30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla（三）氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細(xì)胞色素(cytochromeC)，比較它們的一級結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。2023/2/678（四）蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：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，稱為“分子病”。2023/2/6792023/2/680肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu)

二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似2023/2/6812023/2/6822023/2/6832023/2/684肌紅蛋白(myoglobin，Mb)2023/2/6852023/2/686肌紅蛋白(myoglobin，Mb)肌紅蛋白是一個只有三級結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段α-螺旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結(jié)合，所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分穩(wěn)定結(jié)合。2023/2/687血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結(jié)構(gòu)，每個亞基可結(jié)合1個血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵2023/2/689Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線2023/2/691協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)

(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)(negativecooperativity)血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。2023/2/694別構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為別構(gòu)效應(yīng)。2023/2/695（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(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)重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。2023/2/696蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。2023/2/697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。正常的PrP富含α-螺旋，稱為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。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein2023/2/699一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)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(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(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，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)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(diǎn)。蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)2023/2/6100二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)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(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。顆粒表面電荷水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:2023/2/6101+++++++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)－－－－－－