蛋白質的結構與功能

其次章蛋白質的構造與功能蛋白質(protein)10物體含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，細胞干重的70％。幾乎全部的器官都含有蛋白質，并各自具有其特別的構造，因而打算了蛋白質功能的多樣性。第一節(jié)蛋白質的分子組成(proteincompositionandconstruction)一、蛋白質的元素組成蛋白質的元素主要有碳〔50～55、氫〔6～7、氧〔1924、氮〔13～19。大局部蛋白質還含有硫，有的還含有少量的磷或鐵、錳、鋅、銅、鈷、鉬，個別還含有碘。蛋白質元素組成特點：含氮量很接近，平均為16%。1g6.25g蛋白質。測定誕生物樣品的含氮量可按下式計算出其蛋白質大致含量：100g樣品中蛋白質含量〔g%〕＝每克樣品中含氮克數(shù)×6.25×100二、蛋白質的根本組成單位——氨基酸〔thebasicunitofproteincomposition——aminoacid〕氨基酸(aminoacid)是組成蛋白質的根本單位?！惨弧嘲被岬拿猜浴场捕嘲被岬臉嬙焯攸c300余種，組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種。都有相應的遺傳密碼，故又稱為編碼氨基酸。氨基酸的構造通式可用下式表示R為氨基酸側鏈：雖然各種氨基酸構造各不一樣，但都具有如下特點：組成蛋白質的氨基酸都是α-氨基酸。即氨基均連在α-碳原子上。脯氨酸為α-亞氨基酸。α-L型和D型。組成人體蛋白質的氨基酸都是LL-α-氨基酸。L-α-氨基酸 D-α-氨基酸〔三〕氨基酸的分類氨基酸的按側鏈的構造和理化性質可分為４類：非極性側鏈氨基酸：甘氨酸〔Gly〕，丙氨酸(Ala)，纈氨酸，亮氨酸，異亮氨酸，丙氨酸，脯氨酸(Pro)；側鏈為烴基、吲哚環(huán)或甲硫基等非極性疏水集團。非電離極性側鏈氨基酸：色氨酸，絲氨酸，酪氨酸，半胱氨酸(Cys)，蛋氨酸〔Met〕，天冬酰胺，谷氨酰胺，蘇氨酸；側鏈上帶有羥基、巰基或酰氨基等極性基團，具有親水性，而帶負電荷。酸性氨基酸：天冬氨酸，谷氨酸〔Glu〕；堿性氨基酸：賴氨酸，精氨酸，組氨酸。20種氨基酸中，甘氨酸分子量最小，脯氨酸屬亞氨基酸，但其亞氨基仍能與另一羧基形成肽鏈，它形成的肽鍵N原子上沒有Hα質中的半胱氨酸多數(shù)是以胱氨酸形式存在?！菜摹嘲被岬睦砘再|：具有兩性解離的特性，在晶體狀態(tài)下幾純水溶液中主要以兩性離子存在。熔點高，除甘氨酸、丙氨酸及亮氨酸外都不溶于無水乙醇，幾乎全不溶于乙醚?；瘜W性質〔１〕 兩性游離與等電點：由于全部氨基酸都含有一個堿性的氨基和一個酸性的α羧基，因此氨基酸是兩性電解質，在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨pH〔isoelectricpoint,pI〕。

R CH COOHNH2RCH COOH+OHR CH COO+OHRCHCOONH+3+H+NH+3+H+NH2pH<pI陽離子pH=pI氨基酸的兼性離子pH>pI陰離子〔２〕一個氨基酸分子的α-羧基與另一個氨基酸分子的α-氨基脫水縮合形成的酰胺鍵稱為肽鍵〔peptidebond〕，是多肽及蛋白質的主要化學鍵。〔３〕紫外吸取性質：色氨酸，酪氨酸及苯丙氨酸的最大吸取峰在２８０ｎｍ波長四周，280nm的光吸取值是蛋白含量的快速測定方法。〔４〕茚三酮反響〔Ninbydrinreaction〕，氨基酸與茚三酮的水合物共熱可縮合成藍紫色的５７０ｎｍ?！参濉嘲被岬倪B接方式〔theconjunctionmethodof Aminoacidsinprotein〕CRα-羧基與另一個氨基酸的氨基脫水縮合形成的酰胺鍵-CO-NH。CRR1 CHNC2H

2 R1O R2OHHNCCOOH H2OH2N CCN CCOOHHHHH H10個以內的氨基酸形成的肽稱為寡肽〔oligopeptide〕，十肽以上者稱為多肽〔polypeptide〕。多肽成鏈狀，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〔residue〕。蛋白質就是由很多氨基酸殘基借肽鍵相互連接形成的多肽鏈。多肽鏈有兩端，有自由氨基的一端稱氨基末端〔aminoterminal〕N端，通常寫在多肽鏈的左側。有自由羧基的一端稱羧基末端〔carboxylterminal〕C端，通常寫在多肽鏈的右側。多肽鏈中氨基酸殘基的挨次編號是從N端開頭，因此肽的命名也從N端開頭。醫(yī)學上重要的肽生物體內存在很多具有生物活性的低分子肽，稱為生物活性肽。它們具有重要的生理功能?！病彻入赘孰膅lutathione,GS：是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組的三肽，構造式SHO CH2CCHNHCCHNHCH N C CH2

如下：GSH是體內重要的復原劑。其分子中半胱氨酸巰基可保護細胞內含巰GSH的巰基OCH HO2CH NHC2

COO-

DNA、RNA以及蛋白質結合，從而對機體起到保護作用。COOH

肽類激素和神經肽：①肽類激素：如神經垂體分泌的抗利尿激素是939肽等。這些肽在調整物質代謝方面起重要作用。②神經肽：是一些在神經傳導中發(fā)揮信號作用的肽，如腦啡肽〔5肽〕和強啡肽(17肽)等。它們都是具有類嗎啡作用的活性肽，有很強的鎮(zhèn)痛作用。其次節(jié)蛋白質的分子構造〔Numeratorconstructionof protein〕蛋白質分子是由很多氨基酸通過肽鍵相連形成的生物大分子性質是由其構造所打算的。一、蛋白質的一級構造〔primarystructure〕蛋白質分子中氨基酸的排列挨次稱為蛋白質的一級構造基的巰基脫氫氧化生成。胰島素是世界上第一個被確定一級構造的蛋白質。它由A、B兩條鏈組成，A鏈有21個氨基酸殘基，B30個氨基酸殘基，它們之間靠兩個二硫鍵連接在一起，A鏈內部還有一個二硫鍵。胰島素的一級構造的說明，對提醒某些疾病的發(fā)病機制、指導疾病治療有格外重要的意義。某些疾病的發(fā)病機制、指導疾病治療有格外重要的意義。二、蛋白質的空間構造蛋白質分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構成特有的比較穩(wěn)定的空間結的氨基酸組成和它們的排列挨次并不能完全了解蛋白質分子的生物學活性和理化性質球狀蛋白質()和纖維狀蛋白質(原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，顯而易見，此種性質不能僅用蛋白質的一級構造的氨基酸排列挨次來解釋。主鏈構象：多肽主鏈骨架上各原子〔包括各氨基酸殘基的α-碳原子及肽鍵有關原子〕的排布及相互關系。側鏈構象：各氨基酸殘基側鏈基團〔Ｒ基〕中原子的排布及彼此關系。蛋白質的空間構造就是指蛋白質的二級、三級和四級構造?！惨弧车鞍踪|的二級構造〔secondarystructure〕蛋白質的二級構造是指多肽鏈主鏈原子的局部空間排布，不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。形成二級構造的根底 肽鏈中肽鍵〔C-N〕的鍵長為0.132nm，介于C-N單鍵長〔0.149nm〕和C=N雙鍵長〔0.123nm〕之間，有局部雙鍵性能，不能自由旋轉，可消滅順反異構現(xiàn)象。在肽鍵中與C-N相連的OH為反式構造，這樣使肽鍵中的C、O、N、H四個原子和與它們相鄰的Cα處在同一平面內，這個平面稱為肽鍵平面，又稱肽單元。肽鍵兩端的Cα-N和Cα-C單鍵可以自由旋轉，旋轉的角度打算了兩個相鄰肽鍵平面的相對空間位置。肽鏈的卷曲、折疊是由于肽鍵平面隨Cα兩側單鍵的旋轉而形成的。肽鍵平面示意圖二級構造的根本形式主要有α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規(guī)卷曲等，維系蛋白質二級構造穩(wěn)定的化學鍵是氫鍵?！?〕α-螺旋：多肽鏈中肽鍵平面通過α-碳原子的相對旋轉，沿長軸方向按規(guī)律盤繞成螺旋狀，螺旋走向為順時針方向，稱右手螺旋。每3.60.54nm。氨基酸側鏈伸向螺旋外側，其基團大小、外形及電荷性質均影響α-螺旋的形成。螺旋與螺旋之間通過肽鍵的N-H與第四個肽鍵的羰基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與長軸根本平行，因α-螺旋是人們對蛋白質構造所提出的第一種折疊類型，是球狀蛋白質構象中最常見的存在形式，空間構造第一個被說明的蛋白質〔肌紅蛋白〕正好幾乎完全是α-螺旋。蛋白質分子的α－螺旋β-β-片層，如幻燈片所示,β-折疊構造中，多肽鏈充分伸展，每個肽單元以Cα為旋轉點，依次折疊成鋸齒狀構造，氨基酸殘基側鏈交替地位于鋸齒狀構造的上下方。所形成的鋸齒狀構造一般比較短，只含5～8個氨基酸殘基。兩條以上的多肽鏈或一條多肽鏈中的假設干肽段可相互靠攏，平行排列通過氫鍵相連，以維持β-折疊構造的穩(wěn)定。假設兩條肽鏈走向一樣，即為順向平行，反之則為逆向平行。蛋白質分子中的β－片層構造轉角：β轉角常發(fā)生在肽鏈進展18回折時的轉角上。通常由4成，其第一個殘基的羰基氧〔O〕和第四個殘基的氨基氫〔H〕可形成氫鍵，以維持β-轉角的穩(wěn)定。無規(guī)卷曲：是指多肽鏈中除了以上幾種比較規(guī)章的構象外，其余沒有確定規(guī)律性的那局部肽鏈構象。模序〔motif〕：在很多蛋白質分子中，可覺察二個或三個具有二級構造的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特別功能的空間構造，被稱為模序。蛋白質空間構象的形成，除一級構造為打算因素外，還需要一類分子伴侶〔chaperon〕的蛋白質參與。蛋白質在合成時，可防止錯誤的聚攏發(fā)生，使肽鏈正確折疊。分子伴侶也可硫鍵的形成起到重要作用。〔二〕蛋白質的三級構造〔tertiarystructure〕蛋白質的三級構造是指每一條肽鏈全部原子的空間排布，它包括主鏈構象和側鏈構象，是在二級構造的根底上，由于側鏈R基團的相互作用，進一步盤曲折疊而形成的。分子量1個或數(shù)個發(fā)揮生物學功能的特定區(qū)域稱之為“構造域”“構造域”可以是酶的活性中心或是受體與配體結合的部位，大多呈裂縫、口袋、地窖狀等。蛋白質三級構造的形成和穩(wěn)定主要靠多肽鏈側鏈基團間所形成的次級鍵如氫鍵、離子鍵、二硫鍵、疏水鍵、范德華力等。其中以疏水鍵最為重要。由一條多肽鏈構成的蛋白質，必需具有三級構造才有生物學活性?！踩车鞍踪|的四級構造〔quaternarystructure〕離子鍵參與維持其構造。亞基〔subunit〕：在體內有很多蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，才能全面地執(zhí)行功能，每一條多肽鏈都有其完整的三級構造，稱為蛋白質的亞基。又稱為亞單位，原聚體，單體。具有四級構造的蛋白質只有形成完整的四級構造寡聚體時才具有生物活性一般沒有生物學活性。亞基可以一樣，也可以不同。如血紅蛋白是由2α2β亞基構成的四聚體。血紅蛋白α亞基和β亞基都能與氧結合，起運輸氧和CO2的作用。但就喪失了運輸氧的功能。五、蛋白質的分類〔Classificationofprotein〕一、按組成分類〔一〕單純蛋白分子組成中除氨基酸外無別的組分〔二〕結合蛋白質由蛋白質和其他化合物〔非蛋白質結合而成，被結合的其它化合物稱結合蛋白質的輔基。結合蛋白質又因輔基不同而分為糖蛋白、核蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金屬蛋白幾色蛋白等如胰島素、血紅蛋白、酶、免疫球蛋白等。纖維蛋白多難溶解于水，多屬于構造蛋白質，起支持作用，更慢三、按功能分類分為活性蛋白質和非活性蛋白質兩類，前者包括：酶、蛋白質激素、運輸和貯存的蛋白質、運動蛋白質和受體蛋白質。后者包括有角蛋白，膠原蛋白等。三、蛋白質構造與功能的關系〔Relationshipofproteinconstructionwithfunction〕〔一〕蛋白質一級構造與功能的關系一級構造是空間構造的根底：如核糖核酸酶是由124個氨基酸殘基組成的蛋白質，依靠分子內4β-巰基乙醇存在時，二硫鍵和非共價鍵斷裂，空間構造破壞，酶活性喪失。用透析的方法除去尿素和β-巰基乙醇后，4并恢復原有的生物學功能。一級構造與功能的關系：一級構造相像的蛋白質其空間構造和功能也相像。如來源于人、豬、牛和羊等不同哺乳類動物的胰島素，其分子均由A、B兩條鏈組成，一級構造和空間構造也很相像，因此它們都執(zhí)行著一樣的調整糖代謝等的生理功能?！捕晨臻g構造與功能的關系蛋白質的各種功能與其空間構造有著親熱的關系α鏈和兩條β〔tensestat，T態(tài)，此時與氧的親和力小。在組織中，血紅蛋白呈T態(tài)，使血紅蛋白釋放出氧供組織利用。在肺血紅蛋白各亞基間呈相對松弛狀態(tài)即松弛態(tài)(relaxedstate，R態(tài))，此時與氧變構效應轉變其分子構象，從而完成其運輸O2CO2的功能。第三節(jié)蛋白質的理化性質〔RelationshipofproteinconstructionwithPhysicsandchemistrycharacteristic〕一、蛋白質的兩性解離和等電點蛋白質和氨基酸一樣具有兩性解離性質。蛋白質分子除兩端游離的氨基和羧基可解離外，肽鏈中的酸性和堿性氨基酸殘基側鏈上的某些基團，在肯定的溶液pH條件下，都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成陽離子和陰離子的趨勢相等，既凈電荷為零，成為兼性離子，此時溶液的 pH稱為蛋白質的等電點isoelectricpoint,p。NH+Pr 3COOH

OH-H+

NH+Pr 3COO-

OH-H+

NH2PrCOO-〔pH＜pI〕

〔pH=pI〕

〔pH＞pI〕蛋白質解離成陽離子 蛋白質成兼性離子 蛋白質解離成陰離子不同的蛋白質其等電點不同，通常含堿性氨基酸較多的蛋白質其等電點偏堿。含酸性氨基酸較多的蛋白質其等電點偏酸。當?shù)鞍踪|溶液的pH小于其等電點時，蛋白質顆粒帶正電荷，反之則帶負電荷。血漿中大多數(shù)蛋白質的等電點在pH5.0左右，因而在生理pH條件下，血漿蛋白質帶負電荷。利用蛋白質兩性解離的特性，可通過電泳將不同的蛋白質從混合物中分別出來。電泳較快；帶電荷少，分子大的泳動較慢，從而到達分別蛋白質的目的。pH＝8.7α、α、β、γ球蛋白。清蛋白分子量最小，跑的最快，γ球蛋白最大，跑的最慢。1 2二、蛋白質的膠體性質1100萬之間，其分子顆粒大小在膠體顆?！?～100nm〕范圍之內。蛋白質顆粒外表大多為親水基團，可吸引水分子，使顆粒外表形成一層水化膜；此外蛋白質在等電點以外的pH面電荷和水化膜兩個穩(wěn)定因素，蛋白質極易從溶液中析出而產生沉淀。離。如利用半透膜來分別純化蛋白質，此方法稱為透析。人體的細胞膜、線粒體膜、毛細血起著重要的作用。的沉降速度即為沉降系數(shù)〔S。蛋白質的分子量越大、顆粒密度越大其沉降系數(shù)也越大。故