第一章 蛋白质的结构与功能讲述

南通大学医学院生化教研室钱慰绪论生物化学（Biochemistry）是研究生物体内化学分子与化学反应的科学，从分子水平探讨生命现象的本质。分子生物学（molecularbiology）研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控。第一节生物化学与分子生物学发展简史1.蛋白质是生命的主要基础物质EmilFisher首先证明蛋白质是由L--AA缩合而成的多肽。Sumner首先提纯结晶出尿素酶，导致证明大部分酶为蛋白质及与代谢的关系。Sanger胰岛素的AA序列分析，为确定AA序列的第一个蛋白质。继而加深了对蛋白质结构及在生命活动中的作用的认识。2．物质代谢通路图的描绘Krebs提出TCAC为核心的代谢过程。4．遗传信息传递中心法则的建立1958年，Crick提出DNA-RNA-protein5．基因工程技术的发展1970Smith发现核酸内切酶HinfI，为基因工程提供了有力的工具。1982Palmiter转基因动物的成功（生长素导入小鼠受精卵）转基因植物1990Blaese把基因导入人体---基因治疗。3．生物遗传的物质基础---核酸Watson&Crick:提出双螺旋结构7.细胞信号转导机制的研究1957年Sutherland发现cAMP，1965年提出第二信使学说---细胞信号转导里程碑。8.我国科学工作者对近代生物化学与分子生物学的贡献6．人类基因组计划及基因组后计划:人类基因组的工作草图已经绘制成功，即完成了人类基因组序列的“工作框架图”。弄清全部基因的位置、结构和功能第二节生物化学与其它学科的关系人类要了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、抗性、疾病、生命起源和演化等现象，都需要用生物化学的原理和方法进行探讨。生物化学是各门生物科学的基础，特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等各科的基础，在分子生物学等新兴学科中占有特别重要的位置；是后续一系列重要课程的基础课，具有举足轻重的重要地位。1．生物大分子的结构与功能包括蛋白质、核酸、酶的分子结构、主要理化性质、结构与功能的关系。2．物质代谢与调节细胞内所进行的化学反应，包括合成代谢、分解代谢以及物质之间的相互转化,人体各细胞中几大类物质的主要代谢变化及其与生理功能的关系，调节机制也是生物化学研究的重要内容。3．基因信息的传递及其调控4.分子生物学技术与应用第三节本书的内容第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProteinSomefunctionsofproteins蛋白质(Protein/Pr)是以氨基酸为基本组成单位、以肽键连接而成的结构复杂的生物大分子。含量多：约占人体固体成分的45%；约占细胞干重70%以上为什么说：蛋白质是生命的物质基础？种类多：一个大肠杆菌：＞3000种一个真核细胞：成千上万种参与构成各种细胞及组织参与体内的物质代谢、细胞信号的转导及生理功能的调节控制特殊功能:催化、运输、储存、凝血与纤溶、识别、免疫等等氧化供能:17.15kJ/g蛋白质功能多：CHONPS氨基酸蛋白质元素生命第一节蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成蛋白质的平均含氮量为16%C、H、O、N、S等应用：微量凯氏定氮法蛋白质含量(g)=蛋白质含氮量×6.25只有20种哟！自然界有大约300多种氨基酸、百亿种蛋白质，但是，组成人体蛋白的氨基酸……。一、蛋白质的基本组成单位---氨基酸编码氨基酸(codingaminoacid)定义：合成蛋白质的20种氨基酸在基因DNA分子中有特异遗传密码,称编码氨基酸.-CH3,-SH-COOH,-CH2OH-NH2,-CONH2氨基酸结构通式COOHCNH2HRNHNL--氨基酸（除甘氨酸）氨基酸的分类(根据侧链R在中性溶液中的极性和解离状态)碱性氨基酸3种酸性氨基酸2种指中性溶液中不电离极性中性氨基酸8种非极性疏水性氨基酸7种丙氨酸alanineAlaA6.00缬氨酸valineValV5.96亮氨酸leucineLeuL5.98异亮氨酸isoleucineIleI6.02苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48脯氨酸prolineProP6.301.非极性疏水性氨基酸甘氨酸glycineGlyG5.97色氨酸tryptophanTrpW5.89丝氨酸serineSerS5.68酪氨酸tyrosineTyrY5.66半胱氨酸cysteineCysC5.07天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonineThrT5.602.极性中性氨基酸蛋氨酸methionineMetM5.74天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸几种特殊氨基酸•脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOONH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2-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修饰氨基酸：天然氨基酸的衍生物.如：脯氨酸——羟脯氨酸(Pro-Hyp)赖氨酸——羟赖氨酸(Lys-Hyp)谷氨酸——焦谷氨酸[Glu-(Pyro-GLu)]半胱氨酸——胱氨酸等非蛋白质氨基酸如：γ-氨基丁酸、鸟氨酸、瓜氨酸等20种氨基酸具有共同或特异的理化性质两性解离及等电点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。（一）氨基酸具有两性解离的性质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+（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。大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。NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH2-CH-CHOOH甘氨酸NH-CH-CHOHOOH甘氨酸+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键(peptidebond)NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO二、氨基酸通过肽键连接成生物大分子—蛋白质*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子三肽……*肽是由氨基酸通过肽键相连而形成的化合物。*肽键(peptidebond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。*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)。*多肽链有方向性:N末端、C末端*由肽键连接各氨基酸残基形成的长链骨架，……N–C-C-N-C-C……，称为多肽链主链；而连接于C上的各氨基酸的R基团，称为多肽链侧链。*由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽或多肽链(polypeptide)，蛋白质通常指含有50个氨基酸以上的多肽。N-端C-端OHCN肽键蛋白质分子中氨基酸的连接方式生物活性肽对生物机体的生命活动具有生理作用或有益的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。1.谷胱甘肽(GSH)全称为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型(GSH)与氧化型(GSSG)两种存在形式。γ-羧基肽键肽键GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。2.多肽类激素及神经肽种类较多，生理功能各异。主要有下丘脑及垂体分泌的激素(ACTH、催产素、加压素、褪黑激素)、神经肽(脑啡肽、内啡肽等)。3.抗菌多肽及其他短杆菌肽S、多粘菌素E、α-鹅膏蕈碱等第二节蛋白质的分子结构一级结构空间构象一、蛋白质的一级结构123n•定义：指蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。•一级结构主要化学键是肽键，是共价键；蛋白质分子中二硫键也是共价键，因而也属于一级结构的范畴。•一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。牛胰岛素一级结构维系力：肽键、二硫键二、蛋白质的空间结构蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置。是蛋白质的特有性质和生物学功能的结构基础。主链构象和侧链构象。蛋白质二级结构多肽链中主链骨架原子在局部空间的排列分布状况，并不涉及各R侧链的空间排布。肽单元(peptideunit)ONHOCRNH2COOHCCCCCCOHHNNHHHHRRR肽链的主链原子中αC–C和αC—N之间的单键可以旋转，此单键的旋转决定两个肽单元的相对关系。肽单元的相对旋转，使主链可以多种构象出现。围绕肽键C原子和N原子的三个键角之和均为360。，说明肽键及其相连的四个原子共处一个平面肽键的C-N键长，比单键短，比双键长，具有部分双键的性质，不能自由旋转。α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲蛋白质的二级结构结构特点：▲右手螺旋。▲氨基酸残基的R基团伸向螺旋外侧。▲每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。▲主链中每个肽键的亚氨基氢与后面第四个肽单元的羰基氧构成氢键。-螺旋(-helix)-螺旋β-折叠(β-pleatedsheet)结构特点:相邻两肽单元间折叠成锯齿状。氨基酸残基侧链位于锯齿状结构的上下方。两条以上肽链或一条肽链的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，两条肽链走向可相同(顺向平行)，也可相反(反向平行)。稳定因素是链间肽键的羰基氧与亚氨基氢形成的氢键.β-折叠影响α-螺旋和β-折叠稳定的因素：(1)极大的侧链基团(存在空间位阻);(2)连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基(同种电荷的互斥效应);(3)有Pro等亚氨基酸存在(不能形成氢键);(4)Gly:由于自由度过大而不稳定。β-转角(β-turn)多肽链180°回折时形成的一种二级结构，结构特征为：(1)主链骨架本身以大约180°回折;(2)回折部分通常由4个氨基酸残基构成;(3)构象依靠第一aa残基的-CO基氧与第四个aa残基的-NH基氢之间形成氢键来维系。无规卷曲(randomcoil)在一级结构基础上形成的没有确定规律性的那部分肽链结构。实际上这些区域是一些稳定的、有序的非重复结构。RNA酶的分子结构α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲模体(motif)在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，相互作用，形成一个具有特殊功能的二级结构组合，被称为模体/模序/超二级结构。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构蛋白质的三级结构一条多肽链中所有原子在空间的整体排布，包括主链和侧链的全部构象。维系因素：疏水键(主要作用力）、氢键、范德华力和离子键等非共价键，二硫键也是维系蛋白质三级结构稳定的重要因素。肌红蛋白三级结构ded范德华力e二硫键纤连蛋白分子的结构域结构域(do