蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

關(guān)于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的概念蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacid)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。第2頁,共89頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細胞中可達細胞干重的70%以上。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分第3頁,共89頁，2024年2月25日，星期天作為生物催化劑（酶）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲凝血功能免疫保護作用運動與支持作用參與細胞間信息傳遞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)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)第4頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成TheMolecularComponentofProtein第5頁,共89頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的元素組成主要含有碳、氫、氧、氮及硫。有些蛋白質(zhì)還含有磷、鐵、銅、鋅、錳、鈷及鉬等。第6頁,共89頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)元素組成的特點蛋白質(zhì)的含氮量接近，平均為16%。測定生物樣品含氮量可推算出蛋白質(zhì)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)×6.25×100第7頁,共89頁，2024年2月25日，星期天一、蛋白質(zhì)的基本組成單位-氨基酸

氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位。自然界存在300余中氨基酸，組成蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均為L-α-氨基酸

(除甘氨酸外)。第8頁,共89頁，2024年2月25日，星期天H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H第9頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

（一）氨基酸的分類

1.非極性脂肪族氨基酸

2.極性中性氨基酸

3.芳香族氨基酸

4.酸性氨基酸

5.堿性氨基酸第10頁,共89頁，2024年2月25日，星期天1.非極性脂肪族氨基酸

第11頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

2．中性極性氨基酸

第12頁,共89頁，2024年2月25日，星期天3．芳香族氨基酸

第13頁,共89頁，2024年2月25日，星期天4.酸性氨基酸

第14頁,共89頁，2024年2月25日，星期天5.堿性氨基酸第15頁,共89頁，2024年2月25日，星期天胱氨酸與二硫鍵第16頁,共89頁，2024年2月25日，星期天（二）氨基酸的理化性質(zhì)

1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離方式及帶電狀態(tài)取決于其所處溶液的酸堿度。

等電點(isoeletricpoint,pI)

在某一pH條件下，氨基酸解離成陽離子和陰離子的數(shù)量相等，分子呈電中性，此時溶液的pH稱為該氨基酸的等電點。第17頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共89頁，2024年2月25日，星期天2.氨基酸的紫外吸收酪氨酸、色氨酸含有共軛雙鍵，具有吸收紫外光的特性，在280nm處有最大吸收峰。蛋白質(zhì)在280nm處的紫外吸收與濃度成正比，可用于蛋白質(zhì)的定量分析。第19頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共89頁，2024年2月25日，星期天二、氨基酸與多肽氨基酸通過肽鍵（peptidebond）相連接的

形成多肽鏈(peptidechain)。（一）肽鍵（peptidebond)一分子氨基酸的α-羧基與另一分子的α-氨基，脫水縮合形成的酰胺鍵（-CO-NH-）稱為肽鍵。第21頁,共89頁，2024年2月25日，星期天+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵第22頁,共89頁，2024年2月25日，星期天肽(peptide)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為脫水縮合而基團不全，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)。第23頁,共89頁，2024年2月25日，星期天N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)。第24頁,共89頁，2024年2月25日，星期天N末端C末端牛核糖核酸酶第25頁,共89頁，2024年2月25日，星期天（二）生物活性肽類由幾個至幾十個氨基酸殘基組成

谷胱甘肽(glutathione,GSH)

谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成，簡稱為谷胱甘肽。第26頁,共89頁，2024年2月25日，星期天谷胱甘肽(glutathione,GSH)第27頁,共89頁，2024年2月25日，星期天GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換第28頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)多肽類激素及神經(jīng)肽第29頁,共89頁，2024年2月25日，星期天三、蛋白質(zhì)的分類

1．根據(jù)蛋白質(zhì)分子的組成特點單純蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)2．根據(jù)分子形狀的不同球狀蛋白和纖維狀蛋白3．根據(jù)蛋白質(zhì)的主要功能功能活性蛋白質(zhì)和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)。第30頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)TheMolecularStructureofProtein第31頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)的分子結(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)高級結(jié)構(gòu)第32頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)從N端到C端氨基酸排列順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子基本結(jié)構(gòu)，決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象則是實現(xiàn)其生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。一級結(jié)構(gòu)中的主要化學(xué)鍵是肽鍵。

第33頁,共89頁，2024年2月25日，星期天牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)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。第34頁,共89頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分子單鍵旋轉(zhuǎn)而盤曲、折疊形成特定空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)的構(gòu)象包括主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)包括蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。第35頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

（一）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

是指蛋白質(zhì)分子中某一肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即多肽鏈中主鏈原子的相對空間排列分布，而不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的空間排布。穩(wěn)定因素：氫鍵第36頁,共89頁，2024年2月25日，星期天肽平面

肽鍵具有部分雙鏈性質(zhì)，因此肽鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，而使涉及肽鍵的6各原子共處于同一平面，稱為肽鍵平面，又稱肽單元。第37頁,共89頁，2024年2月25日，星期天肽鍵平面示意圖肽鏈主鏈骨架原子即N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3個原子依次重復(fù)排列。第38頁,共89頁，2024年2月25日，星期天2.蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象形式

α-螺旋(α-helix)β-折疊(β-pleatedsheet)β-轉(zhuǎn)角(β-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)第39頁,共89頁，2024年2月25日，星期天（1）α-螺旋

多肽鏈中的主鏈圍繞中心軸有規(guī)律的螺旋式上升，螺旋的走向為順時針方向，稱右手螺旋。氫鍵是維持α-螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要化學(xué)鍵。第40頁,共89頁，2024年2月25日，星期天左手螺旋右手螺旋*第41頁,共89頁，2024年2月25日，星期天α-螺旋結(jié)構(gòu)第42頁,共89頁，2024年2月25日，星期天(1)肽單元圍繞中心軸呈有規(guī)律右手螺旋，每3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm；(2)α—螺旋的每個肽鍵的N—H與相鄰第四個肽鍵的羰基氧形成氫鍵(hydrogenbond)，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行，是維持α—螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要次級鍵；(3)氨基酸側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)，不參與α-螺旋的形成，但其形狀、大小及電荷量的多少均影響α—螺旋的形成。α-helix特點：第43頁,共89頁，2024年2月25日，星期天（2）β-折疊

β-折疊呈折紙狀多肽鏈充分伸展，各個肽單元以Cα為旋轉(zhuǎn)點，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。第44頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共89頁，2024年2月25日，星期天β-折疊

第46頁,共89頁，2024年2月25日，星期天β-pleatedsheets特點:1、多肽鏈充分伸展，各肽鍵平面之間折疊成鋸齒狀，側(cè)鏈

R基團位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方；2、兩條以上肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的若干肽段平行排列，其結(jié)

構(gòu)穩(wěn)定主要靠氫鍵維系(羰基上的氧和亞氨基上的氫)，

氫鍵的方向與折疊的長軸垂直3、順平行折疊：兩條肽鏈走向相同；反平行折疊：兩條肽鏈走向相反；4、β—折疊涉及肽段一般比較短，只含5～10個氨基酸殘基。第47頁,共89頁，2024年2月25日，星期天（3）β-轉(zhuǎn)角

出現(xiàn)于肽鏈進行180o回折時的轉(zhuǎn)角部位。由4個氨基酸殘基組成，由第一個殘基的羰基(O)與第四個殘基的氨基氧(H)形成氫鍵，以維持轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。第二個氨基酸殘基多為脯氨酸和甘氨酸。第48頁,共89頁，2024年2月25日，星期天β-轉(zhuǎn)角

第49頁,共89頁，2024年2月25日，星期天（4）無規(guī)卷曲

肽鏈為環(huán)或卷曲結(jié)構(gòu)，沒有規(guī)律性排布，但是表現(xiàn)重要生物學(xué)功用，稱為“無規(guī)卷曲”。

第50頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

3.二級結(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)或模體

(motif)

超二級結(jié)構(gòu)組合常見形式有3種：αα，βαβ，ββ。第51頁,共89頁，2024年2月25日，星期天模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。第52頁,共89頁，2024年2月25日，星期天鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)模體常見的形式第53頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

（二）蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間排布，即整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。主要靠次級鍵，包括氫鍵、離子鍵(鹽鍵)、疏水作用、范德華力、二硫鍵等。第54頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共89頁，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白N端C端第56頁,共89頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)域（domain）

分子量較大的蛋白質(zhì)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。

結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的100～200個氨基酸殘基，有較為獨立的三維結(jié)構(gòu)。第57頁,共89頁，2024年2月25日，星期天3-磷酸甘油醛脫氫酶亞基的結(jié)構(gòu)示意圖第58頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

（三）蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

每一條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱為亞基。各亞基之間以非共價鍵相互連接形成特定的三維空間構(gòu)象，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。

維持四級結(jié)構(gòu)的作用力主要是疏水作用，包括氫鍵、離子鍵及范德華力等。第59頁,共89頁，2024年2月25日，星期天血紅蛋白由2個α亞基和2個β亞基構(gòu)成的四聚體，每個亞基中都結(jié)合1個血紅素輔基。4亞基通過8個離子鍵相連，形成血紅蛋白的四聚體。完整的血紅蛋白分子具有運輸O2和CO2的功能。第60頁,共89頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)-血紅蛋白結(jié)構(gòu)第61頁,共89頁，2024年2月25日，星期天由2個以上亞基組成的蛋白質(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)。第62頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofprotein第63頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)的功能是由其特定的構(gòu)象所決定的，一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。某些肽段一級結(jié)構(gòu)（氨基酸組成）決定特定二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋或β-折疊）的形成。

第64頁,共89頁，2024年2月25日，星期天牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵第65頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

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)，無活性第66頁,共89頁，2024年2月25日，星期天哺乳類動物胰島素氨基酸序列的差異第67頁,共89頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基缺失或被替代，可通過影響空間構(gòu)象而影響其生理功能。

例如血紅蛋白β亞基的第6位谷氨酸被纈氨酸替代，可導(dǎo)致鐮刀形貧血。第68頁,共89頁，2024年2月25日，星期天例：鐮刀形紅細胞貧血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”第69頁,共89頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，所以蛋白質(zhì)構(gòu)象是其生物活性的基礎(chǔ)。第70頁,共89頁，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu)肌紅蛋白與血紅蛋白都是含有血紅素輔基的蛋白質(zhì)。肌紅蛋白是一個只有三級結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，它的三級結(jié)構(gòu)折疊方式使輔基血紅素能與O2結(jié)合與解散，發(fā)揮儲氧的功能。第71頁,共89頁，2024年2月25日，星期天血紅素結(jié)構(gòu)第72頁,共89頁，2024年2月25日，星期天血紅蛋白的構(gòu)象變化與運氧功能隨氧分壓增高，氧合Hb占總Hb的百分數(shù)隨之增加，這一變化關(guān)系稱為氧解離曲線。第73頁,共89頁，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線第74頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共89頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(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，嚴重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。第76頁,共89頁，2024年2月25日，星期天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。第77頁,共89頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein第78頁,共89頁，2024年2月25日，星期天一、蛋白質(zhì)的兩性解離

蛋白質(zhì)分子在一定的溶液pH條件下可解離成帶負電荷或正電荷的基團。當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。

利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。第79頁,共89頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)是高分子化合物

蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定性的因素：顆粒表面水化膜表面電荷除去上述兩個穩(wěn)定因素時，蛋白質(zhì)從溶液中析出。第80頁,共89頁，2024年2月25日，星期天+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的沉淀第81頁,共89頁，2