動物生物化學(xué)蛋白質(zhì)王鏡巖鄒思湘

第3章蛋白質(zhì)

Proteins1/49本章主要內(nèi)容

蛋白質(zhì)在生命活動中主要作用蛋白質(zhì)組成單位——氨基酸蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)多肽、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系蛋白質(zhì)理化性質(zhì)和分離與判定

2/491.蛋白質(zhì)在生命活動中主要作用

生物催化作用：酶運(yùn)輸作用：如血紅蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白調(diào)整作用：如胰島素、生長激素運(yùn)動作用：如肌動蛋白和肌球蛋白防御功效：如免疫球蛋白、凝血因子營養(yǎng)功效：如卵清蛋白、酪蛋白結(jié)構(gòu)蛋白：如膠原蛋白、角蛋白能量轉(zhuǎn)換蛋白：如細(xì)胞色素基因調(diào)整蛋白：如阻遏蛋白1.1蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)生物學(xué)功效3/49按形狀可將蛋白質(zhì)分為：纖維狀蛋白質(zhì)：多為結(jié)構(gòu)蛋白。球狀蛋白質(zhì)：含有廣泛生物學(xué)功效。如酶、蛋白類激素等。按結(jié)構(gòu)和功效可將蛋白質(zhì)分為：簡單蛋白（simpleprotein）：僅有蛋白質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)簡單蛋白質(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，還要有其它成份存在，才能確保其正常生物活性蛋白質(zhì)。分子中包含蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)兩部分。1.2蛋白質(zhì)分類4/492.蛋白質(zhì)化學(xué)組成2.1蛋白質(zhì)元素組成

全部蛋白質(zhì)均含有：

C50%-55%H6%-8%O20%-23%N15%-17%一些蛋白質(zhì)含有：S0.3%-2.5%以及P少數(shù)蛋白質(zhì)含有：Fe,Cu，Zn，Mo和I等元素蛋白質(zhì)中N平均含量約16%，所以食物與飼料中蛋白質(zhì)含量能夠經(jīng)過凱氏定N（Kjeldahl法）進(jìn)行大致預(yù)計。5/492.2蛋白質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸2.2.1氨基酸基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型存在于自然界氨基酸有300種。動物機(jī)體蛋白質(zhì)經(jīng)強(qiáng)酸水解之后能夠得到20種氨基酸，而且均為L-氨基酸（除了甘氨酸），含不對稱α-碳原子。它們之間差異在于有不一樣側(cè)鏈基團(tuán)R。氨基酸結(jié)構(gòu)通式氨基酸與甘油醛構(gòu)型6/492.2.2組成蛋白質(zhì)20種氨基酸

7/498/499/4910/4911/492.2.3氨基酸分類

在中性pH條件下按其R側(cè)鏈極性和所帶電荷不一樣，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

12/49含非極性側(cè)鏈基團(tuán)含極性側(cè)鏈基團(tuán)Ser,SThr,TCys,CPro,PAsn,NGln,QGly,GAla,AVal,VLeu,LMet,MIle,I13/49含芳香基團(tuán)

含堿性側(cè)鏈基團(tuán)（帶正電荷）

Phe,F;Tyr,Y;Trp,WLys,K;Arg,R;His,H14/49含酸性側(cè)鏈基團(tuán)（帶負(fù)電荷）

Asp,D;Glu,E15/492.2.4氨基酸主要理化性質(zhì)

各種氨基酸在可見區(qū)都沒有光吸收。在紫外光區(qū)芳香族氨基酸在280nm處有最大吸收峰（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸最大吸收波長分別為279、278、259nm）

光吸收特征16/49

氨基酸兩性解離氨基酸分子在水溶液中呈兩性離子狀態(tài)，在其等電點(diǎn)時，氨基酸所帶正、負(fù)電荷相等，凈電荷為零。17/49

氨基酸等電點(diǎn)

對某一個氨基酸而言，當(dāng)溶液在某一個特定pH，氨基酸以兩性離子形式存在，而且其所帶正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)相等，即凈電荷為零。在直流電場中，它既不向正極，也不向負(fù)極移動。此時溶液pH稱為這種氨基酸等電點(diǎn)（pI）。比如，甘氨酸羧基pK1為2.34，氨基pK2為9.60，其pI為5.97。18/493.蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)

3.1肽鍵（peptidebond）和肽（peptide）

肽鍵：指蛋白質(zhì)分子中，由一個氨基酸α-COOH和另一個氨基酸α-NH2之間脫水縮合而成酰胺鍵，它是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中主要共價鍵。肽：由肽鍵形成化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）19/49多肽（polypeptide）和多肽鏈（polypeptidechain）

在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定次序排列，這種排列次序稱為氨基酸序列，多肽鏈上不完整氨基酸，稱為氨基酸殘基(aminoacidresidue)

上圖為：絲氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-異亮氨酸（N-端）（C-端）20/493.2肽單位平面與二面角

肽平面（peptideplane）：肽鏈主鏈肽鍵C-N含有雙鍵性質(zhì)，因而不能自由旋轉(zhuǎn)，使連接在肽鍵上六個原子共處于一個平面上，此平面稱為肽單位平面，又稱酰胺平面。通常是反式。

21/49二面角（dihedralangle）：肽平面連接處為α碳原子。它與相鄰兩個參加肽鍵形成C和N原子之間單鍵能夠在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，Cα-N之間稱φ角，在Cα-C之間稱ψ角，這就是α-碳原子上一對二面角。這對二面角決定了相鄰肽平面相對位置。

相鄰二個肽平面上二面角22/493.3蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)

一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）：即蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指多肽鏈上各種氨基酸殘基種類和排列次序，也包含二硫鍵數(shù)目。

牛胰島素一級結(jié)構(gòu)：51個氨基酸，A（21肽）、B（30肽）兩條肽鏈，A鏈內(nèi)一對S-S，A和B鏈間2對S-S23/493.4蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)

指一條或數(shù)條多肽鏈上全部原子和基團(tuán)在三維空間上排布，即構(gòu)象（conformation）或空間結(jié)構(gòu)。構(gòu)象由單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生各種立體結(jié)構(gòu)，而構(gòu)型（configuration）是經(jīng)過改變共價鍵形成結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)由顯著結(jié)構(gòu)層次。一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。24/49（1）非共價鍵氫鍵離子鍵范德瓦爾力疏水作用（2）S-S鍵

維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中主要化學(xué)鍵25/493.4.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但含有顯著結(jié)構(gòu)層次一級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上氨基酸排列次序）二級結(jié)構(gòu)（多肽鏈主鏈骨架局部空間結(jié)構(gòu)）超二級結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)單位集合體）結(jié)構(gòu)域（多肽鏈上能夠顯著區(qū)分球狀區(qū)域）三級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上全部原子和基團(tuán)空間排布）四級結(jié)構(gòu)（由球狀亞基或分子締合而成集合體）

26/49蛋白質(zhì)主要結(jié)構(gòu)層次27/493.4.2二級結(jié)構(gòu)

二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）：指多肽鏈主鏈在一級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上深入盤旋或折疊，形成周期性構(gòu)象，維系二級結(jié)構(gòu)力是氫鍵。

二級結(jié)構(gòu)主要形式有：α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲

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α-螺旋（α-helix）是在角蛋白中最常見構(gòu)象，為右手螺旋。每圈螺旋3.6個氨基酸殘基。側(cè)鏈基團(tuán)R在螺旋外側(cè)。主鏈內(nèi)部形成H-鍵，不包括側(cè)鏈R。經(jīng)典α-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6個氨基酸，跨越13個原子。29/49

β-折疊（β-sheet）平行結(jié)構(gòu)反平行結(jié)構(gòu)存在于絲心蛋白、角蛋白。呈平行和反平行比較伸展構(gòu)象。主鏈之間形成H鍵，側(cè)鏈基團(tuán)R交替地位于片層上、下。30/49

β-轉(zhuǎn)角（β-turn）肽鏈1800回折

無規(guī)卷曲（randomcoil）兩種主要類型β-轉(zhuǎn)角

指蛋白質(zhì)肽鏈中沒有確定規(guī)律性那部分肽段構(gòu)象。

31/493.4.3超二級結(jié)構(gòu)

超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）：在蛋白質(zhì)中經(jīng)常存在由若干相鄰二級結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律組合在一起，形成有規(guī)則二級結(jié)構(gòu)集合體，超二級結(jié)構(gòu)又稱基序或模體（motif）四種類型超二級結(jié)構(gòu)32/493.4.4結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域（domain）：在較大蛋白質(zhì)分子里，多肽鏈空間折疊經(jīng)常形成兩個或多個近似球狀三維實(shí)體,它們之間連接渙散。由β-折疊、α-螺旋形成結(jié)構(gòu)域

丙酮酸激酶一個結(jié)構(gòu)域免疫球蛋白一個結(jié)構(gòu)域

33/493.4.5三級結(jié)構(gòu)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）基礎(chǔ)上，深入盤繞、折疊而成含有特定肽鏈走向緊密球狀結(jié)構(gòu),或者說三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中全部原子和基團(tuán)在三維空間排布。

肌紅蛋白三級結(jié)構(gòu)及其結(jié)合血紅素亞基三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要靠非共價相互作用氨基酸親水基團(tuán)傾向于分布在分子表面，疏水基團(tuán)在分子內(nèi)部。34/493.4.6四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）：多個含有三級結(jié)構(gòu)多肽鏈（稱亞基，Subunit）聚合。或者說四級結(jié)構(gòu)指亞基種類、數(shù)目及各個亞基在寡聚蛋白中空間排布和亞基之間相互作用。

血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)

四級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要靠是疏水作用力，另外還有離子鍵、氫鍵、范德華引力等。血紅蛋白由4個亞基組成（α2β2），每個亞基都與肌紅蛋白非常相同。35/494.多肽、蛋白結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系

4.1一級結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系

氨基酸組成改變改變其功效

一級結(jié)構(gòu)改變引發(fā)分子病

基因突變造成蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)突變，造成蛋白質(zhì)生物功效下降或喪失，就會產(chǎn)生疾病，這種病稱為分子?。╩oleculardisease）。

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最早從分子水平證明先天性遺傳病——鐮刀形紅細(xì)胞貧血癥(sickle-cellanemia)。鐮刀形紅細(xì)胞正常血細(xì)胞hemoglobin

6:GAA(Glu) ->GTA(Val)37/49

分子進(jìn)化

細(xì)胞色素c是由104個氨基酸組成蛋白質(zhì)。比較50種不一樣生物，發(fā)覺由35個是保守。凡與人類親緣關(guān)系越遠(yuǎn)生物，其氨基酸次序與人類差異越大。從細(xì)胞色素c一級結(jié)構(gòu)看生物進(jìn)化38/49

蛋白質(zhì)前體激活

一些蛋白質(zhì)或酶在細(xì)胞中首先合成(翻譯)是其前體,在成為有功效蛋白質(zhì)或酶之前需要激活.

比如,胰島素(insulin).前體是胰島素原(proinsulin),要在切除C肽之后才轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚砸葝u素胰島素原一級結(jié)構(gòu)39/494.2高級結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系

蛋白質(zhì)變性與復(fù)性

變性（denaturation）是指一些理化原因，如熱、光、機(jī)械力、酸堿、有機(jī)溶劑、重金屬離子、變性劑（如尿素等），破壞了維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象非共價作用力，使其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)果造成其生物活性喪失。變性普通并不引發(fā)肽鍵斷裂，但蛋白質(zhì)溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。變性有時是可逆。消除變性原因，有些蛋白質(zhì)生物活性可能得以恢復(fù)，稱為復(fù)性（renaturation）。40/49核糖核酸酶RNase變性與復(fù)性41/49

蛋白質(zhì)正確折疊與分子伴侶

多肽鏈特定空間結(jié)構(gòu)是其功效確保。肽鏈正確折疊或者亞基裝配經(jīng)常需要由一些蛋白質(zhì)，比如熱激蛋白（Heatshockprotein,Hsp）和一些酶幫助，而且消耗ATP。不過，這么蛋白質(zhì)與酶并不加入到最終折疊產(chǎn)物或裝配復(fù)合物中。它們被稱為分子伴侶（molecularchaperone）。42/49瘋牛病病牛海綿樣腦組織瘋牛病(BSE)可能是因?yàn)殡玫鞍祝≒ronprotein，PrP）錯誤折疊引發(fā)43/49

蛋白質(zhì)變構(gòu)與血紅蛋白輸氧功效

變構(gòu)作用（Allostericeffect）是指效應(yīng)劑（變構(gòu)劑）作用于多亞基蛋白質(zhì)或酶某個亞基后，造成其構(gòu)象改變，繼而引發(fā)其它亞基構(gòu)象改變，結(jié)果是蛋白質(zhì)或酶生物活性改變?？赡苁亲儤?gòu)激活，也可能是變構(gòu)抑制。血紅蛋白中4個亞基與氧分子親和性不一樣。氧分子與血紅蛋白一個亞基結(jié)合后，引發(fā)其構(gòu)象發(fā)生改變，這種改變在亞基之間傳遞，從而改變了其它亞基與氧結(jié)合能力。（郵票模型）44/49氧合能夠引發(fā)維系血紅蛋白4個亞基8對離子鍵相繼斷開，從比較緊湊T構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^松弛R構(gòu)象。45/49血紅蛋白和肌紅蛋白氧合曲線