動物生物化學(xué)1蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

第二章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofProteins蛋白質(zhì)在生命活動中的重要作用蛋白質(zhì)的化學(xué)組成蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)多肽、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)和分離與鑒定本章主要內(nèi)容第一節(jié)蛋白質(zhì)在生命活動中的作用

一、蛋白質(zhì)的生理作用

1、催化作用

2、運輸作用

3、運動作用

4、機(jī)械支持作用

5、代謝調(diào)節(jié)

6、防御抑制

7、能量轉(zhuǎn)換

8、基因表達(dá)與調(diào)控

9、維持組織的生長、更新和修補(bǔ)

二、蛋白質(zhì)的分類（一）按形狀分

纖維狀蛋白質(zhì)：長軸是短軸的10倍以上，多為結(jié)構(gòu)蛋白。如結(jié)締組織中的膠原蛋白

球狀蛋白質(zhì)：近似球形或橢圓形，多數(shù)可溶于水，許多具有生理活性的蛋白如酶、轉(zhuǎn)運蛋白、蛋白類激素及免疫球蛋白等。（二）按結(jié)構(gòu)和功能分

簡單蛋白（simpleprotein）:僅有蛋白質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)簡單的蛋白質(zhì)

結(jié)合蛋白（conjugatedprotein）:在蛋白質(zhì)分子中除了含有氨基酸成分外，還要有其他的成分的存在，才能保證蛋白質(zhì)的正常生物活性的蛋白質(zhì)分類溶解度實例可溶不溶或沉淀清蛋白(albumins)水、稀鹽、稀酸、稀堿飽和硫酸銨血清清蛋白、卵清蛋白球蛋白（globulins）稀鹽、稀酸、稀堿水、1/2飽和硫酸銨血清清蛋白、溶菌酶谷蛋白(glutelins)稀酸、稀堿水、稀鹽麥谷蛋白醇溶蛋白(prolamines)70%~90%乙醇水小麥醇溶谷蛋白組蛋白(histones)水、稀酸氨水富含Arg、Lys的堿性蛋白，與DNA結(jié)合精蛋白(protamines)水、稀酸氨水富含Arg、Lys，缺少Trp、Tyr，如魚精蛋白硬蛋白(scleroproteins)水、稀鹽、稀酸、稀堿角蛋白、膠原蛋白簡單蛋白質(zhì)分類輔基實例核蛋白類DNA或RNA病毒、脫氧核糖蛋白糖蛋白類糖類免疫球蛋白、血型糖蛋白脂蛋白類脂類血細(xì)胞凝集素磷蛋白類磷酸基乳酪蛋白黃素蛋白類黃素腺嘌呤二核苷酸或黃素單核苷酸氨基酸氧化酶、琥珀酶脫氨酸色蛋白類血紅素或葉綠素血紅蛋白、葉綠素蛋白金屬蛋白金屬離子，如:Fe、Mo、Cu、Zn等固氮酶、鐵氧還蛋白結(jié)合蛋白第二節(jié)蛋白質(zhì)的化學(xué)組成一、蛋白質(zhì)的元素組成二、蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位和其它組分三、氨基酸

（一）氨基酸的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型（二）氨基酸的分類（三）稀有氨基酸（四）非蛋白質(zhì)的氨基酸（五）氨基酸的主要理化性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的元素組成所有蛋白質(zhì)均含有

C:50-55%H:6.1-7.0%O:23%N:16%某些蛋白質(zhì)含有：S:0-3%P個別蛋白質(zhì)含有：Zn,Fe,Cu等金屬元素二、構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位

---氨基酸（AminoAcid）（一）氨基酸的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型

存在自然界氨基酸有300種，組成動物體氨基酸有20種

1、均為α-氨基酸（除脯氨酸）

2、均為L-氨基酸（除甘氨酸）L-氨基酸通式（二）氨基酸的分類按R側(cè)鏈極性和電荷不同，分為四大類

不帶電荷極性氨基酸：Gly,Ser,Thr,Cys,Thr,Asn,Gln

帶負(fù)電荷極性氨基酸：Asp,Glu

帶正電荷極性氨基酸：His,Arg,Lys

非極性氨基酸：Ala,Val,Leu,Ile,Pro,Phe,Trp,Met（三）稀有氨基酸（2）組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸（四）氨基酸的主要理化性質(zhì)1氨基酸的光吸收特征各種氨基酸在可見區(qū)都沒有光吸收在紫外光區(qū)

最大吸收波長分別色氨酸

Trp、279酪氨酸

Tyr、278苯丙氨酸

phe、259nm2.氨基酸的兩性解離與等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)：氨基酸在結(jié)晶形態(tài)或在水溶液中，并不是以游離的羧基或氨基形式存在，而是離解成兩性離子。在兩性離子中，氨基是以質(zhì)子化(-NH3+)形式存在，羧基是以離解狀態(tài)(-COO-)存在。氨基酸是兩性電解質(zhì)。氨基酸的等電點（Isoelectricpoint,PI）：氨基酸所帶凈電荷為零時溶液的pH值第三節(jié)蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)

一、肽鍵和肽二、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)三、蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)（一）肽單位（酰胺平面）（二）非共價鍵（非共價相互作用力）（三）二級結(jié)構(gòu)（四）超二級結(jié)構(gòu)（五）結(jié)構(gòu)域（六）三級結(jié)構(gòu)（七）四級結(jié)構(gòu)

一、肽鍵（peptidebond）和肽（peptide）肽鍵：蛋白質(zhì)分子中，由前一個氨基酸的-COOH和后一個氨基酸的-NH2脫水縮合而成的酰胺鍵，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主價鍵。肽：由肽鍵形成的化合物（二肽、三肽、寡肽）多肽（polypeptide）和多肽鏈（polypeptidechain）在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸順序在多肽鏈的一端含有一個游離的

-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個游離的

-羧基，稱為羧基端或C-端。多肽鏈上不完整的氨基酸，稱為氨基酸殘基二、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（一）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（proteinprimarystructure）蛋白質(zhì)多肽鏈氨基酸的組成和排列順序。又稱蛋白質(zhì)的初級結(jié)構(gòu)。（二）一級結(jié)構(gòu)的表示氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點的排列順序。如上述五肽可表示為：

Ser-Val-Tyr-Asp-Gln胰島素的一級結(jié)構(gòu)第四節(jié)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次肽單位平面結(jié)構(gòu)和二面角維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的化學(xué)鍵二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次

結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，具有明顯的結(jié)構(gòu)層次層次

一級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上的氨基酸排列順序）二級結(jié)構(gòu)（多肽鏈主鏈骨架的局部空間結(jié)構(gòu)）超二級結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)單位的集合體）結(jié)構(gòu)域（多肽鏈上可以明顯區(qū)分的球狀區(qū)域）三級結(jié)構(gòu)（整個多肽鏈上所有原子的空間排布）四級結(jié)構(gòu)（由球狀亞基或分子締和而成的集合體）二、肽單位平面結(jié)構(gòu)和二面角（一）肽單位平面結(jié)構(gòu)的特征肽單位（peptideunit）:肽鏈主鏈上的重復(fù)結(jié)構(gòu)。如Cα-CO-NH-Cα，稱為肽單位或肽單元。肽平面（peptideplane）:肽鏈主鏈的肽鍵C-N具有雙鍵的性質(zhì)，因而不能自由的旋轉(zhuǎn)，使連接在肽鍵上的六個原子共處于一個平面上，此平面稱為肽平面。（二）兩面角（dihedralangle）

在多肽鏈里，Cα碳原子剛好位于互相連接的兩個肽平面的交線上。Cα碳原子上的Cα-N和Cα-C都是單鍵，可以繞鍵軸旋轉(zhuǎn)，其中以Cα-N旋轉(zhuǎn)的角度稱為ф，而以Cα-C旋轉(zhuǎn)的角度稱為ψ，這就是α-碳原子上的一對二面角。三、維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的化學(xué)鍵

氫鍵（b）離子鍵(a)疏水作用力(c)范德華引力(d)配位鍵、二硫鍵(e)蛋白質(zhì)分子構(gòu)象主要靠非共價鍵維持四二級結(jié)構(gòu)

（secondarystructure）

指多肽鏈主鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的盤旋或折疊，形成的周期性構(gòu)象，維系二級結(jié)構(gòu)的力是氫鍵。

二級結(jié)構(gòu)的主要形式

α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、γ-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲1、α-螺旋（α-helix)

肽鏈主鏈骨架圍繞中心軸盤繞成螺旋狀，稱為α-螺旋。典型的α-螺旋的結(jié)構(gòu)是：1）外觀似棒狀，肽鏈的主鏈繞Cα相繼旋轉(zhuǎn)一定角度，形成緊密的螺旋，側(cè)鏈伸向外側(cè)2）每3.6個氨基酸殘基上升一圈，每個氨基酸殘基繞軸旋轉(zhuǎn)1000，每圈使軸上升0.54nm(0.15nm/氨基酸殘基)。這種典型的α-螺旋簡寫為3.613。3）每一個氨基酸殘基上的亞氨基氫（N-H）與前面第四個氨基酸殘基上的羰基氧(C=O)之間形成鏈內(nèi)氫鍵。在氫鍵封閉的環(huán)內(nèi)，有13個原子-CO-[-N-Cα-C-]3-NH-。4）大多數(shù)天然蛋白質(zhì)都是右手α-螺旋2、β-折疊（β-sheet）多肽鏈中一段較伸展的周期性折疊的鋸齒形的主鏈構(gòu)象β-折疊有兩種類型:即平行結(jié)構(gòu)和反平行結(jié)構(gòu).平行結(jié)構(gòu)反平行結(jié)構(gòu).3、β-轉(zhuǎn)角(β-turn)又稱為β-回折、β-彎曲或發(fā)卡結(jié)構(gòu)是多肽鏈1800回折處的特殊結(jié)構(gòu)。在β-轉(zhuǎn)角中彎曲的第一個氨基酸殘基的C=O和第四個氨基酸殘基的N-H之間形成一個氫鍵。

無規(guī)卷曲（randomcoil）指蛋白質(zhì)的肽鏈中沒有確定規(guī)律性的那部分肽段構(gòu)象。它的結(jié)構(gòu)比較松散。這種結(jié)構(gòu)和α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角比較起來是不規(guī)則的，但對于一些蛋白質(zhì)分子來講，特定的無規(guī)卷曲構(gòu)象是不能被破壞的，否則就失去活性。γ-轉(zhuǎn)角（γ-turnangle）

也存在于蛋白質(zhì)180回折處，是由3個連續(xù)的氨基酸殘基組成，第一個和第三個殘基之間形成兩個氫鍵以維持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定五、超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）

球狀蛋白質(zhì)分子中的一級結(jié)構(gòu)順序上相鄰的二級結(jié)構(gòu)常常在三維折疊中相互靠近，彼此作用，在局部區(qū)域形成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)的聚合體。常見的超二級結(jié)構(gòu)類型六、結(jié)構(gòu)域（domain）在較大的蛋白質(zhì)分子里，多肽鏈的三維折疊常常形成兩個或多個松散連接的近似球狀的三維實體。這些實體就稱為結(jié)構(gòu)域。

丙酮酸激酶的一個結(jié)構(gòu)域七、三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）

指一條多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)（超二級結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞、折疊而成的具有特定肽鏈走向的緊密球狀結(jié)構(gòu),或者說三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子的空間排布。維系三級結(jié)構(gòu)的力有疏水作用力、氫鍵、范德華力、鹽鍵八、四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）

四級結(jié)構(gòu)指亞基的種類、數(shù)目及各個亞基在寡聚蛋白中的空間排布和亞基之間的相互作用。

維系四級結(jié)構(gòu)的力

疏水作用力、氫鍵、范德華力、鹽鍵（靜電作用力）。Hb（hemeglobin）的四級結(jié)構(gòu)第五節(jié)

多肽、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系---分子病高級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系---變、復(fù)性理論

---變構(gòu)理論一、一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1、一級結(jié)構(gòu)多肽鏈中個別氨基酸改變可能改變功能Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly

加壓素SSCys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly

催產(chǎn)素SS2、關(guān)鍵肽端的改變導(dǎo)致功能改變ACTH(促腎上腺皮質(zhì)激素)

SYSMEHFRWGKPVGKKRRPVKVYPNGAEDELAEAFPLEF3、一級結(jié)構(gòu)反映物種的進(jìn)化---分子進(jìn)化細(xì)胞色素C的種屬差異性（以人為標(biāo)準(zhǔn)）物種殘基改變數(shù)物種殘基改變數(shù)黑猩猩0雞、火雞13牛羊豬10昆蟲20馬12酵母454、一級結(jié)構(gòu)改變引起分子病最早從分子水平證明的先天性遺傳病——鐮刀形紅細(xì)胞貧血癥。二、高級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)變性（proteinden