蛋白质的基本组成单位氨基酸及其连接方式

第一章蛋白质(Proteins)内容•蛋白质的基本组成单位氨基酸及其连接方式•蛋白质的一级、二级、三级、四级结构，模体、结构域•蛋白质一级结构与空间结构和功能的关系•蛋白质的理化性质及其提取、纯化的原理•蛋白质组和蛋白质组学什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。蛋白质的分类根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质每克样品中所含蛋白质的克数=每克样品中的含氮量（克）×6.25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％。1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能一、蛋白质的基本组成单位——氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余种，但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）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H1.非极性疏水性氨基酸2.极性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸（一）氨基酸的分类*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:甘氨酸glycineGlyG5.97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目录色氨酸tryptophanTryW5.89丝氨酸serineSerS5.68酪氨酸tyrosineTryY5.66半胱氨酸cysteineCysC5.07蛋氨酸methionineMetM5.74天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonineThrT5.602.极性中性氨基酸目录天冬氨酸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.碱性氨基酸目录几种特殊氨基酸•脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+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（二）氨基酸的理化性质1.两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。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+2.紫外吸收色氨酸、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吸光值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便方法。芳香族氨基酸的紫外吸收酪氨酸色氨酸吸光度波长nm苯丙氨酸023024025026027028029065433.茚三酮反应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。茚三酮反应(ninhydrinreaction)OOOHOHRCHCOOHNH2OOHOH++RCHO+NH3+CO2茚三酮氨基酸茚三酮(还原型)醛OOHOH+NH3OOOON茚三酮蓝色或紫色化合物2二、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式——肽键*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。（一）肽(peptide)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NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*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……*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(polypeptide)。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末端C末端牛核糖核酸酶（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+•体内许多激素属寡肽或多肽•神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽蛋白质的分子结构包括：一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein定义蛋白质的一级结构（primarystructure）是指蛋白质分子中多肽链的氨基酸排列顺序。一、蛋白质的一级结构主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。目录人胰岛素的一级结构胰岛素由A、B两条多肽链组成，A链含21个氨基酸残基，B链含30个氨基酸残基。A链内有一个链内二硫键，A与B之间有两个链间二硫键。由于两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。SerGlyIleValGluGlnCysCysThrIleCysSerLeuTyrGlnLeuGluAsnTyrCysAsnPheValAsnGlnHisLeuCysGlySerHisLeuValGluAlaLeuTyrLeuValCysGlyGlyGluArgPhePheTyrThrProLysThrNH215101520COOHA链NH2151015202530HOOCB链1.测序前的准备N端分析以确定蛋白质的多肽链数目断裂二硫键分离单一多肽链测定多肽链的氨基酸组成2.多肽链氨基末端与羧基末端分析二硝基氟苯（1-fluoro-2,4-dinitrobenzene）法丹酰氯(dansylchloride)法3.多肽链的氨基酸序列测定和重叠组合对多肽链进行限制性水解成小片段Edman降解法进行小片段肽段的序列分析对各片段序列进行比较叠加，拼出完整的多肽序列（二）多肽链的氨基酸序列分析(自学)相对荧光值04812谷天冬羧甲半胱天胺丝谷胺组甘苏精丙氨基丁酸酪蛋缬苯丙异亮亮赖氨基酸的高效液相色谱分析分析多肽链的氨基酸组成CHCNCHOHCCHNCR''HNHCCOHOH2NROOR'''HR'水解肽键的位置水解肽键的酶或试剂对被水解肽键羧基侧R的要求胰蛋白酶精、赖胰凝乳蛋白酶芳香族氨基酸：苯丙、酪、色金黄色葡萄球菌内肽酶V8谷溴化氰蛋亚碘酰基苯甲酸色常用的多肽链水解方法及其作用点二、蛋白质的二级结构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。定义主要的化学键：氢键（一）肽单元参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptideunit)。蛋白质二级结构的主要形式•-螺旋(-helix)•-折叠(-pleatedsheet)•-转角(-turn)•无规卷曲(randomcoil)（二）-螺旋目录-螺旋的基本要点1.右手螺旋；2.每3.6氨基酸上升一个螺旋,螺距为0.54nm,每个氨基酸上升0.15nm；3.螺旋的稳定靠氢键；4.甘氨酸和组氨酸不能形成-螺旋（三）-折叠（四）-转角和无规卷曲-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。-螺旋-转角HTH模体结构示意图螺旋-转角-螺旋模体由2个螺旋和1个转角组成。HTH模体是DNA结合蛋白三维结构中的一部分，每一DNA结合蛋白含一个HTH模体，位于分子表面。DNA结合蛋白常以二聚体形式存在，两个HTG模体相距3.4nm，与DNA的螺距相当，分别结合于DNA分子中相邻的两个深沟中。HTH模体约由20个氨基酸残基组成，第1个螺旋含7个氨基酸残基，转角含4个氨基酸残基，第2个螺旋含9个氨基酸残基。第2个螺旋是DNA识别部位，结合于DNA分子的深沟中。螺旋螺旋转角NC模体：在许多蛋白质的分子中，常发现几个（多为23个）具有二级结构的肽段相互靠近，形成具有特定功能的空间构象；或者仅是一个具有特定功能的很短的肽段。模体（motif）锌指模体结构锌指模体存在于类固醇激素受体超家族和一些转录因子中，属DNA结合蛋白。锌指模体约由30个氨基酸残基组成。4个半胱氨酸残基或2个半胱氨酸残基和2个组氨酸残基与1个锌离子配价结合。其中前一对半胱氨酸残基与后一对半胱氨酸（或组氨酸）残基之间相隔12个氨基酸残基。锌指模体的-螺旋部分是与DNA结合的部位。Zn组氨酸残基半胱氨酸残基-折叠-折叠-螺旋ZnYKCGERSFVEKSALSRHQRVHKNCLZn三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。定义目录肌红蛋白(Mb)N端C端-螺旋-折叠-转角无规卷曲无规卷曲限制性内切核酸酶BamHI的三级结构（示二级结构的几种类型）（三）蛋白质的四级结构含有两条以上具有独立三级结构的多肽链的蛋白质，其多肽链通过非共价键相互连接形成的多聚体结构。每个具有独立三级结构的多肽链程为亚基。蛋白质四级结构是蛋白质分子中各亚基之间的空间排布。稳定蛋白质四级结构的化学键是氢键、离子键、疏水作用和VanderWaals力等次级键。1221NCNC血红蛋白的四级结构成人血红蛋白由2条链和2条链组成,各亚基分别含一个血红素.三、胶原蛋白的分子结构胶原蛋白(collagen)简称胶原，是纤维状蛋白质，主要存在于细胞外基质。胶原分子又称原胶原（tropocollagen），是富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸的三股螺旋结构。胶原分子一级结构特点：富含甘氨酸和脯氨酸和羟脯氨酸，存在长段的由三个氨基酸组成的重复顺序：甘-脯-Y或甘-X-脯（X和Y代表任何氨基酸）。某些组织中胶原蛋白的含量组织含量骨（矿物质除外）88.0跟腱86.0皮肤71.9角膜68.1软骨4663韧带17.0主动脉1224肝3.9胶原蛋白简称胶原，主要存在于细胞外基质，是体内含量最多的蛋白质，约占人体蛋白总量的2530%。胶原具有柔韧性和抗张力作用，在组织中构成