14临本(查)第一章蛋白质的结构与功能.

第一篇生物分子结构与功能蛋白质、核酸、酶、聚糖、维生素第一章蛋白质的结构与功能第一节蛋白质的分子组成（熟悉）第二节蛋白质的分子结构（熟悉）第三节蛋白质结构与功能的关系（了解）第四节蛋白质的理化性质（掌握）第五节蛋白质的分离、纯化与结构分析（了解）学习目标蛋白质蛋白质（protein）是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物是生命活动的主要体现者。生物体的组成及生长、发育、繁殖、遗传等一切生命活动都与蛋白质有关。第一节蛋白质的分子组成蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广:所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45%。某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80%。2.蛋白质具有重要的生物学功能1)酶的催化作用，已知酶有2000多种；2)运输和储藏作用；3)运动功能，肌肉收缩；4)结构成分和机械支持物，胶原蛋白和弹性蛋白；5）免疫功能，抗体（免疫球蛋白）；6）凝血功能；7）构成生物膜，体现膜功能，膜蛋白、载体、受体；8）激素的调节作用，肽类和氨基酸类、蛋白类；3.氧化供能蛋白质的元素组成主要有C、H、O、N、S大多数蛋白质含有少量磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼个别蛋白质还含有碘。掌握蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的平均含N量为16％。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量100g样品中蛋白质的含量（g／100g蛋白质）＝每克样品中含氮克数×6.25×100掌握一、组成人体蛋白质的基本组成单位——氨基酸（aminoacid)蛋白质是高分子化合物，可以受酸、碱或蛋白酶作用水解为小分子物质。蛋白质彻底水解后，其基本组成单位为氨基酸。在自然界中存在的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种。氨基酸的结构与分类1.氨基酸的氨基（－NH2）或亚氨基（==NH）都与邻接羧基（－COOH）的a-碳原子相连接，故它们都属于a-氨基酸（脯氨酸为a-亚氨基酸）。2.不同氨基酸在于R不同。除了R为H的甘氨酸外，其他氨基酸（包括脯氨酸）的a-碳原子都是手性碳原子（碳原子所连的4个原子或基团互不相同）因而每种氨基酸都有两种构型：D型和L型均属L-a-氨基酸（甘氨酸除外）掌握氨基酸结构式ααH甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R①非极性疏水性侧链氨基酸②极性中性侧链氨基酸③芳香族氨基酸④酸性氨基酸⑤碱性氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:1.非极性脂肪族氨基酸2.极性中性氨基酸R-基含有极性基团；生理pH条件下不解离。3.芳香族氨基酸4.酸性氨基酸R基有COOH(COO-)带负电荷5.碱性氨基酸R基有NH2(NH3+)带正电荷-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3不常见的蛋白质氨基酸NHHOCOOH4-羟基脯氨酸H2NCH2CHCH2CH2CHCOOHOHNH25-羟基赖氨酸NH2CH3NHCH2CHCH2CH2CHCOOH6-N-甲基赖氨酸HOIICH2CHCOOHNH23,5-二碘酪氨酸三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质（一）氨基酸具有两性解离的性质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。等电点(isoelectricpoint,pI)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。NH3+HCRHCRCOO-NH3+NH2COOHCOO-OH-H+OH-H+氨基酸正离子氨基酸两性离子氨基酸负离子(pH＜pI)(pH=pI)(pH＞pI)HCRNH2COOH氨基酸的两性电离与等电点HCR（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸（含共轭双键）具有吸收紫外光的特性。在280nm附近有最大吸收峰。多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽一个氨基酸分子的a-羧基与另一个氨基酸分子的a-氨基脱水缩合形成的酰胺键称为肽键。掌握（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽+-HOHNH2-CH-C-N-CH-COOHCH3HHONH2-CH-CHOOH甘氨酸NH-CH-CCH3OOHH丙氨酸甘氨酰丙氨酸肽键*2个氨基酸缩合形成二肽，3个氨基酸缩合则形成三肽……*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）。*由10个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。*氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽N–末端：多肽链中有自由氨基的一端C–末端：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端*多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N-端C-端牛核糖核酸酶（二）体内存在多种重要的生物活性肽1.γ-谷胱甘肽(glutathione,GSH)γGSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+通过功能基团巯基参与：1.细胞的氧化还原作用，清除氧化剂，具有保护某些蛋白质的活性巯基不被氧化的作用。2.嗜核特性，可与外源性的嗜电子毒物结合。SSNH2NH2NH2半胱—酪—异亮—谷—天—半胱—脯—亮—甘SSNH2NH2NH2半胱—酪—苯丙—谷—天—半胱—精—亮—甘催产素抗利尿素2.多肽类激素催产素和升压素均为9肽，第3位和第7位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。•体内许多激素属寡肽或多肽促肾上腺皮质激素（ACTH）39肽，活性部位为第4~10位的7肽片段：Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。脑肽脑啡肽（5肽）具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾。Met-脑啡肽Tyr-Gly-Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽Tyr-Gly-Gly-Phe-Leuβ-内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。•3.神经肽(neuropeptide)蛋白质的分子结构第二节蛋白质的结构层次一级结构空间结构二级结构三级结构四级结构超二级结构结构域蛋白质的空间结构涵盖了蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置，它们的蛋白质特有性质和功能的结构基础。蛋白质的空间结构定义：指蛋白质分子在一级结构的基础上盘曲和折叠构成特定的空间结构即构象。蛋白质构象决定蛋白质的分子形状、理化性质和生物学功能。在蛋白质分子中，从N-末端至C-末端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。由生物体的遗传信息所决定。一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构主要的化学键肽键，有的蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质的基本结构，它决定蛋白质空间结构，但不是决定蛋白质空间结构的唯一因素。二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构是指蛋白质中某一段肽链主链的局部空间结构，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。定义主要的化学键：氢键（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上在多肽链中，肽键的C---N健具有部分的双键性质,不能自由旋转，于是肽键上的4个原子和相邻的2个α－碳原子处在一个平面，称肽键平面肽键平面两端的a-碳原子的单键可以旋转。因此整个主链骨架的折叠、盘曲都是由此单键旋转形成的。肽键平面结构示意图（反式构象）C-N:0.149nmC=N:0.127nm肽键中C-N:0.132nm蛋白质二级结构的基本形式1.α-螺旋2.β-片层或β-折叠3.β-转角4.无规则卷曲（二）α-螺旋（α-helix）其特点如下：①多肽链以肽键平面为单位，以α一碳原子为转折，形成右手螺旋样结构；②每3.6个氨基酸残基旋转一周，相当于0.54nm。③上下两层螺旋之间形成CO…HN氢键，起稳定螺旋作用；④氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧,其形状、大小及电荷影响螺旋的形成。-螺旋是常见的蛋白质二级结构234567819R侧链基团伸向螺旋的外侧。RRRRRRRRR螺旋的横截面Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。•-折叠结构几乎所有肽键都参与链间氢键的形成，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠的特点：（三）-折叠使多肽链形成片层结构（-pleatedsheet）β-折叠层结构其特点是：①肽键平面之间折叠成锯齿状，两平面间夹角为110°。②R基因交错伸向锯齿状结构上下方。③2条肽链或1条肽链内2个肽段间的C==O与N－H形成氢键，使结构稳定；④若两段肽链走向相同，即N-末端都在同一端，称为顺向平行，反之为反向平行。反向平行更为稳定。β-折叠的形式十分多样，正逆平行能相互交替。影响：氨基酸残基的侧链及基团较小，保证彼此靠近形成氢键。NNN平行式NCN反平行式（四）β-转角（β-turn）为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羧基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的酰胺氢上。第2个氨基酸残基常为---脯氨酸。N—4CH—CC3CHN—HO=C2CHNC—1CH—NRRHOHRROHOβ-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头。•-回折（或发夹结构）•在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。•这类结构主要存在于球状蛋白分子中。•其特点是肽链回折180度★目前发现的-转角多数都存在蛋白质分子表面，它们的含量相当丰富，约占全部AA残基的1/4。无规则卷曲示意图无规则卷曲细胞色素C的三级结构（四）无规则卷曲：指没有确定规律性的松散肽链结构（五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体1.在许多蛋白质分子中，可由2个或2个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构。2.超二级结构的基本类型：、X、模体（motif）是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分。•α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体•链-β转角-链模体•链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体模体常见的形式钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构锌指结构：结合锌离子调控的基因转录（六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成与ＡＡ组成和排列顺序直接相关。静电斥力。若一段肽链有多个谷氨酸（Glu）或天冬氨酸（Asp）残基相邻,则因pH=7.0时都带负电荷,防碍α螺旋的形成;同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内,正电荷相斥,也防碍α螺旋的形成。位阻。如天冬酰胺(Asn）、亮氨酸（Leu）侧链很大，防碍α螺旋的形成。凡是有脯氨酸（Pro）存在的地方,不能形成。因Pro形成的肽键N原子上没有H,不可能形成氢键。形成-折叠的肽段，氨基酸残基的侧链要比较小。三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。（一）蛋白质的三级结构由一条多肽链构成的蛋白质，具有三级结构才具有生物学活性。维持蛋白质构象的作用力氢键：x—H…y（N-H…O,O-H…0)疏水作用力：是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而群集在一起的集合力范德华力：在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一种较弱的作用力离子键：它是