第01章蛋白质的结构与功能.

第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein陈耕夫生物化学与分子生物学系基础学院[e-mail]主要内容一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽二、蛋白质的分子结构三、蛋白质结构与功能的关系四、蛋白质的理化性质五、蛋白质的分离、纯化一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（一）蛋白质的元素组成1.蛋白质的元素组成主要元素：碳、氢、氧、氮其他元素：磷、铁、铜、锌、锰、钴、碘，等等2.蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近，平均值为16％。凯氏定氮法测定蛋白质含量实验方法蛋白质中的N（有机N）消化NH4+（无机氮）OH-，加热NH3气硼酸硼酸铵已知浓度的HCl标定通过消耗的HCl量，计算出NH4+的量，并推算蛋白质样品中N的含量蛋白质含量测定方法计算方法100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×100116%问题1：这种蛋白质含量测定方法准确吗？问题2：为什么在牛奶中加入三聚氰胺可以“提高”牛奶中蛋白质含量？【提示：三聚氰胺的分子式：C3H6N6，N的含量为66%】一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（二）组成蛋白质的基本单位——L--氨基酸CHNH4+COO-H甘氨酸二、蛋白质的分子组成（二）组成蛋白质的基本单位——L--氨基酸CHNH4+COO-CH3丙氨酸二、蛋白质的分子组成（二）组成蛋白质的基本单位——L--氨基酸CHNH4+COO-R氨基酸通式一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（二）组成蛋白质的基本单位——L--氨基酸COOHCHNH2RD--氨基酸L--氨基酸COOHCHH2NR组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L--氨基酸（甘氨酸除外）。氨基酸的分类氨基酸的分类方法很多，比较常用的是根据氨基酸侧链结构和理化性质进行分类：非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸非极性脂肪族氨基酸：侧链含烃链极性中性氨基酸：侧链有不带电荷的极性基团芳香族氨基酸：侧链含芳香基团酸性氨基酸：侧链含负性解离基团碱性氨基酸：侧链含正性解离基团稀有氨基酸某些蛋白质中含有一些不常见的氨基酸，它们是基本氨基酸在蛋白质合成以后经羟化、羧化、甲基化等修饰衍生而来的，也叫稀有氨基酸或特殊氨基酸。CH2CH2CHCOO-CHCOO-NH2+NH2+CH2CH2CH2CH2CH2CH2CHCOO-CHCOO-NH2+NH2+CH2CH2CHCHHO[O]脯氨酸羟脯氨酸半胱氨酸与胱氨酸+二硫键-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-+NH3牛核糖核酸酶氨基酸重要的理化性质1.两性解离性pH=pI+OH-pHpI+H++OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子CHNH2COOHRCHNH2COOHRCHNH3+COO-RCHNH3+COO-RCHNH2COO-RCHNH2COO-RCHCOOHRNH3+CHCOOHRNH3+氨基酸重要的理化性质1.两性解离性氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint,pI）。氨基酸重要的理化性质2.紫外吸收性质含苯环的氨基酸（主要是色氨酸、酪氨酸）在280nm有最大紫外吸收峰。故测定蛋白质280nm的光吸收值，是分析溶液蛋白质含量的快速而简便的方法。氨基酸重要的理化性质3.氨基酸茚三酮显色反应氨基酸+茚三酮加热后显蓝紫色该反应常用于氨基酸定性或定量测定。一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链1.氨基酸的连接方式——肽键氨基酸的连接方式NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH2-CH-CHOOH甘氨酸+甘氨酰丙氨酸肽键NH-CH-CCHOHOOH丙氨酸3OONH2-CH-C-N-CH-COOHHHNH2-CH-C-N-CH-COOHHHCH3HOH氨基酸的连接方式NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH2-CH-CHOOH甘氨酸+甘氨酰丙氨酸NH-CH-CCHOHOOH丙氨酸3OONH2-CH-C-N-CH-COOHHHNH2-CH-C-N-CH-COOHHHCH3HOH氨基末端羧基末端氨基酸残基的编号方向：N末端C末端。习惯上N-末端写在左边。氨基酸的连接方式NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH2-CH-CHOOH甘氨酸+甘氨酰丙氨酸NH-CH-CCHOHOOH丙氨酸3OONH2-CH-C-N-CH-COOHHHNH2-CH-C-N-CH-COOHHHCH3HOH氨基酸残基的编号方向：N末端C末端。习惯上N-末端写在左边。12氨基酸残基氨基酸残基多肽链（polypeptidechain）多肽链是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。丙氨酰丝氨酰半胱氨酰甘氨酸OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2（丙氨酸）（丝氨酸）（半胱氨酸）（甘氨酸）主链侧链一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链1.氨基酸的连接方式——肽键肽键由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键称为肽键(peptidebond)，肽键化学本质是一个酰胺键。肽氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物称为肽（peptide）。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽，以此类推。寡肽由十个以内氨基酸缩合形成的肽。一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链1.氨基酸的连接方式——肽键多肽由十个以上的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。蛋白质多肽分子大到一定程度称为蛋白质。氨基酸残基肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链1.氨基酸的连接方式——肽键氨基末端多肽链中有游离α-氨基的一端，又称为N-末端。羧基末端多肽链中有游离α-羧基的一端，又称为C-末端。26409584726558牛核糖核酸酶N末端C末端一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链2.一些重要的多肽（1）谷胱甘肽（GSH）作用：具有强还原性，可清除细胞内产生的H2O2等强氧化剂或体外摄入的强氧化剂，保护细胞及核酸结构的完整性。一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链2.一些重要的多肽（2）多肽类激素及神经肽甜味素（又称阿斯巴甜，aspartame）天冬氨酰苯丙氨酸甲酯问题：委内瑞拉前总统查韦斯曾经说，“零度”可口可乐添加的甜味剂阿斯巴甜具有致癌作用，号召全国抵制喝可口可乐。——阿斯巴甜真的会致癌吗？你的观点呢？主要内容一、蛋白质的分子组成——氨基酸与多肽二、蛋白质的分子结构三、蛋白质结构与功能的关系四、蛋白质的理化性质五、蛋白质分离、纯化二、蛋白质的分子结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构空间构象或平面结构二、蛋白质的分子结构（一）蛋白质的一级结构——氨基酸的排列顺序蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。维持一级结构主要的化学键是肽键，有些蛋白质还包括二硫键。胰岛素的一级结构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构1.定义蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。蛋白质二级结构的主要有-螺旋、b-折叠、b-转角、无规卷曲等四种类型。稳定蛋白质二级结构的化学键：氢键二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构2.肽单元/肽平面参与肽键组成的6个原子，即C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptideunit)，又称为肽平面或酰胺平面。在肽单元中的C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型。肽单元肽单元成因：肽键具有局部双键性质HCCNCOJuangRH(2004)BCbasics二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构3.-螺旋——最常见的二级结构-螺旋二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构3.-螺旋——最常见的二级结构多肽链的主链围绕中心轴形成右手螺旋每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm稳定力：氢键氨基酸残基的侧链在螺旋的外侧，并影响到-螺旋的稳定性二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构4.b-折叠——多肽链形成片层结构b-折叠b-折叠的走向【平行排列】【反向平行排列】二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构4.b-折叠——多肽链形成片层结构多肽链呈折纸状，即以每个肽单元的C为旋转点，依次折叠成锯齿状两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，走向可以相同，也可相反稳定力：氢键氨基酸残基的侧链基团交替地位于锯齿状结构的上下方，并影响到折叠的稳定性二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构5.b-转角b-转角一般由四个氨基酸残基组成，并使肽链局部形成一个1800的回折。稳定力：氢键6.无规卷曲没有特点规律性的肽段统称为无规卷曲。总结：蛋白质二级结构b-折叠无规卷曲-螺旋b-转角常见蛋白激酶结构示意图二、蛋白质的分子结构（二）蛋白质的二级结构——蛋白质局部空间结构7.超二级结构——模体两个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间结构上相互接近，形成一个有规律的二级结构组合，称为超二级结构（super-secondarystructure）。两个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间结构上相互接近，并具有特殊功能的超二级结构，又称为模体（motif）。超二级结构与模体bbbbB.锌指结构A.钙结合蛋白中结合钙离子的模体常见的超二级结构模体二、蛋白质的分子结构（三）蛋白质的三级结构多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构，即三级结构指的是整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也即是肽链中所有原子在三维空间的排布位置。稳定三级结构的化学键：次级键，即疏水键、离子键、氢键和范德华氏力等基团间相互吸引力。三级结构是蛋白质具有生物学活性的基本结构。肌红蛋白的三级结构（外观三维立体图）（平面示意图图）稳定三级结构的化学键结构域（domain）分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。蛋白激酶结构示意图b-折叠无规卷曲-螺旋b-转角蛋白激酶结构示意图结构域1：结合调节其活性的小分子物质结构域2：实现其催化功能三级结构分子伴侣参与了蛋白质空间结构的形成分子伴侣(chaperon)是与蛋白质空间构象正确形成相关的一类蛋白质，其通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣作用机理示意图二、蛋白质的分子结构（四）蛋白质的四级结构含有二条或多条多肽链蛋白质分子，每一条多肽链都有完整的三级结构，各个三级结构的空间排布及接触部位的布局和相互作用形成的空间结构，称为蛋白质的四级结构。蛋白质四级