蛋白质的结构与功能

第二章蛋白质的化学目标要求依据蛋白质的理化性质，学会蛋白质分离纯化、含量测定的基本方法和技术。知识目标技能目标掌握氨基酸的结构和结构特点，蛋白质的理化性质及应用；熟悉蛋白质的分子结构以及氨基酸、肽、蛋白质类药物；了解蛋白质结构与功能的关系。第五节蛋白质的分离纯化和含量测定第四节蛋白质的功能和分类第三节蛋白质的理化性质第二节蛋白质的分子结构第一节蛋白质的化学组成内容提要第六节多肽和蛋白质类药物第一节蛋白质的化学组成一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的基本结构单位——氨基酸一、蛋白质的元素组成组成蛋白质的元素主要元素有C、H、O、N,有的含S有些含有少量的P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co等个别的含有I各种不同生物蛋白质中N的含量很接近，平均为16%，用凯氏定氮法测定生物样品中的含氮量即可推算出蛋白质的含量。样品中蛋白质含量（g）=样品中含氮量（g）×6.25蛋白质元素组成的特点1/(16%)某品牌奶粉，按照标准冲调100ml，用凯氏定氮法测得含氮量为0.416g，那么奶粉中蛋白质的含量为多少呢？100：16=x：0.416x=2.6g所以100ml奶粉中含有2.6g蛋白质三聚氰胺（Melamine，C3H6N6），俗称蛋白精，白色晶体，几乎无味，含氮量约为66.67%，在奶粉中加入三聚氰胺，用非蛋白氮冒充蛋白氮，可提高表观粗蛋白含量，造成许多婴幼儿发生膀胱、肾部结石，严重者，可诱发膀胱癌。二、蛋白质的基本结构单位——氨基酸（二）氨基酸的分类（一）氨基酸的结构特点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，称为基本氨基酸，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。H2NCCOOHRHL—α—AA结构通式（一）氨基酸的结构特点1．非极性氨基酸在水中溶解度较小。包括丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、甘氨酸。2．不带电荷的极性氨基酸在水中的溶解度较非极性氨基酸大。丝氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、半胱氨酸。3．芳香族氨基酸具有紫外吸收的性质。包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。4．带正电荷的碱性氨基酸在生理条件下，带正电荷，包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸。5．带负电荷的酸性氨基酸在生理条件下，带负电荷，包括天冬氨酸和谷氨酸。（二）氨基酸的分类分类名称缩写代号结构式相对分子质量pI非极性氨基酸丙氨酸（alanine）丙，Ala，A89.066.0缬氨酸（valine）缬，Val，V117.095.96亮氨酸（leucine）亮，Leu，L131.115.98异亮氨酸（isoleucine）异亮，Ile,I131.116.02脯氨酸（proline）脯，Pro，P115.136.30蛋氨酸（methionine）蛋，Met，M149.155.74甘氨酸（glycine）甘，Gly，G75.055.97不带电荷的极性氨基酸丝氨酸（serine）丝，Ser，S105.65.68苏氨酸（threonine）苏，Thr，T119.86.17H3CCHCOOHNH2CHCHCOOHNH2H3CH3CCHCOOHNH2CH2CHH3CH3CCHCOOHNH2CHCH2CH3H3CNHCOOHCHCOOHNH2CH2CH2SH3CCHCOOHNH2HHOCH2CHCOOHNH2H3CCHOHCHNH2COOH表2-1氨基酸的分类不带电荷的极性氨基酸半胱氨酸（cysteine）半胱，Cys，C121.25.17天冬酰胺（asparagine）天胺，Asn，N132.125.41谷氨酰胺（glutamine）谷胺，Gln，Q146.155.65芳香族氨基酸苯丙氨酸（phenylalanine）苯丙Phe，F165.095.48色氨酸（tryptophan）色，Tre，W204.225.89酪氨酸（tyrosine）酪，Tyr，Y181.095.66酸性氨基酸天冬氨酸（asparticacid）天，ASP，D133.602.77谷氨酸（glutamicacid）谷，Glu，E147.083.22碱性氨基酸赖氨酸（lysine）赖，Lys，K146.139.74精氨酸（arginine）精，Arg，R174.1410.76组氨酸（histidine）组，His，H155.167.59CHCOOHNH2CH2HSCHCOOHNH2CH2CH2NOCHCOOHNH2(CH2)2CH2NOCH2CHCOOHNH2CH2NHCHNH2COOHCHCOOHNH2CH2HOOCCHCOOHNH2(CH2)2HOOCCHCOOHNH2(CH2)2CH2H2NCHCOOHNH2(CH2)2CH2NHCNHH2NNNHCH2CHCOOHNH2第二节蛋白质的分子结构一级结构二级结构三级结构四级结构一、蛋白质的一级结构蛋白质分子中氨基酸之间是怎样连接的呢？每种蛋白质是否有确定的氨基酸排列顺序？肽键………一个氨基酸分子的-羧基与另一个氨基酸分子的-氨基之间脱水缩合而形成的共价键。（一）肽键和肽键平面肽键CNOHCNOH肽键平面（或肽单位）(组成肽键的四个主要原子）肽键中的C-N键具有部分双键的性质，不能自由旋转组成肽键的4个原子（C、O、N、H）和与之相邻的2个α-碳原子均位于同一个平面上，构成肽键平面（peptideplane）或肽单位（peptideunit）肽键平面2肽键平面（或肽单位）氨基酸通过肽键相连形成的化合物。两个氨基酸之间脱水缩合形成的肽叫做二肽，依此类推，三肽、四肽……一般10个以下氨基酸组成的肽，称为寡肽；十个以上氨基酸组成的肽，称为多肽。肽链分子中的氨基酸相互衔接，形成长链，称为多肽链（poly-peptidechain）。（二）肽和多肽链肽多肽链*肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而残缺，故称为氨基酸残基(residue)。OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2主链侧链氨基末端羧基末端蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的一级结构（primarystructure）。主要化学键：肽键此外还含有二硫键。（三）蛋白质的一级结构一级结构胰岛素于1921年由加拿大医生班廷（F.Banting）和贝斯特（C.Best）首先发现的。1953年英国化学家F.Sanger首次测定了牛胰岛素的氨基酸序列，F.Sanger于1958年获得Nobel化学奖。1965年9月17日，中国科学家率先合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素，开创了人工合成蛋白质的先河。牛胰岛素一级结构A链B链二、蛋白质的空间结构（一）蛋白质的二级结构（二）蛋白质的三级结构（三）蛋白质的四级结构指蛋白质分子中多肽链主链的某一段（包含若干肽单位）沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要的次级键而形成的有规则的构象。二级结构蛋白质二级结构的主要形式-螺旋-折叠-转角（一）蛋白质的二级结构左手螺旋右手螺旋特征如下：（1）多个肽键平面通过α-碳原子旋转，相互紧密盘曲成稳固的右手螺旋。肽键平面与螺旋长轴平行。1.-螺旋3.6残基0.54nm（2）（2）主链每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距是0.54nm。（3）链内氢键，是α-螺旋稳定的次级键。脯氨酸是亚氨基酸，形成肽键后N上无氢原子，不能形成氢键，故不能形成α-螺旋。（4）侧链R位于螺旋的外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成。氢键结构特点如下：（1）肽链的伸展使肽键平面之间一般折叠成锯齿状。（2）两条以上肽链（或同一条肽链的不同部分）平行排列，相邻肽链之间的氢键是维持稳定的主要次级键。（3）肽链平行的走向有顺式和反式两种。（4）侧链R位于片层的上下。2.-折叠蛋白质多肽链中肽键平面不规则排列而形成的松散结构称为无规则卷曲。多肽链的主链经过180°回折结构称为β-转角。由转角处第1个氨基酸残基羰基上的氧与第4个氨基酸残基亚氨基上的氢形成的氢键维持该构象的稳定。3.-转角4.无规则卷曲一条多肽链中所有原子或基团在三维空间的整体排布，称为蛋白质的三级结构（tertiarystructure）。β-折叠无规则卷曲α-螺旋-转角三级结构疏水键是维持三级结构的主要作用力（二）蛋白质的三级结构具有两条或两条以上的具有独立三级结构的多肽链之间通过非共价键相连形成的更复杂的空间构象，称为蛋白质的四级结构。每一条具有完整三级结构的多肽链称为一个亚基（subunit）一般亚基单独存在没有活性，只有聚合形成四级结构才有生物学功能。亚基之间的稳定力：主要是疏水键。四级结构亚基（三）蛋白质的四级结构血红蛋白的四级结构β链α链血红素蛋白质一至四级结构的关系一级结构二级结构三级结构四级结构三、蛋白质结构与功能的关系（一）一级结构与生物学功能的关系（二）空间结构与功能的关系不同哺乳动物的胰岛素，一级结构仅个别氨基酸的差异，然而都具有相似的调节血糖的生理功能来源氨基酸残基序号A5A6A10A30人ThrSerIleThr牛AlaGlyValAla猪ThrSerIleAlaA表示A链，A5表示A链的第5位氨基酸1.一级结构关键部分相同，其生物学功能也相同（一）一级结构与生物学功能的关系N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)Hbβ肽链Hbβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·····C(146)正常人血红蛋白β亚基的第6位谷氨酸被缬氨酸替代，导致镰状红细胞贫血。一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，严重影响空间构象乃至生物学功能，甚至产生“分子病”2.一级结构关键部分改变，其生物学功能也改变正常红细胞与镰状红细胞的比较正常人红细胞镰状红细胞从广义上讲，任何由遗传原因引起的蛋白质功能异常所产生的疾病统称“分子病”，但习惯上把酶蛋白分子催化功能异常引起的疾病归属于先天性代谢缺陷，而把其他蛋白质异常和缺损导致的疾病称为“分子病”。目前已知几乎所有遗传病都是分子病。这些缺损的蛋白质可能仅一个氨基酸异常，如镰状红细胞贫血，这是一种隐性遗传性贫血症，患者异常的血红蛋白使红细胞变得僵硬，在显微镜下看上去为镰刀状，不能通过毛细血管，加上血红蛋白的凝胶化使血液粘滞度增大，堵塞微血管，引起局部供血和供氧不足，产生脾肿大、胸腹疼痛等临床表现。镰状红细胞比正常红细胞更容易衰老死亡，从而导致贫血。本病无特殊治疗，宜预防感染和防止缺氧。溶血发作时可予供氧、补液和输血等支持疗法。唯一能使患者痊愈的治疗方法是干细胞移植。分子病和镰状红细胞贫血症1.蛋白质前体的活化胰岛素原胰岛素（二）空间结构与功能的关系凝血酶原凝血酶（凝血作用）凝血因子无活性有活性酶原的激活疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)构象改变而引起的人和动物神经退行性病变。PrP有正常型（PrPc）和致病型（PrPsc）两种构象。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病2．蛋白质的变构现象PrPc主要由α-螺旋组成，在某种未知蛋白质的作用下可转变为β-折叠的PrPsc，从而致神经退化和病变。第三节蛋白质的理化性质一、蛋白质的两性电离性质和等电点二、蛋白质的胶体性质三、蛋白质的变性和复性四、蛋白质的沉淀六、蛋白质的呈色反应五、蛋白质的紫外吸收一、蛋白质的两性电离和等电点蛋白质分子除两端的α-NH2和α-COOH可解离外，氨基酸残基侧链上尚有不少可解离的基团，比如—NH2、—COOH、—OH、咪唑基、胍基。所以蛋白质是两性电解质。蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)。等电点PrNH2COOHPrNH3+COO-pH=pIpHpI+OH-+H+pHpI兼性离子正离子负离子PrNH2COO-PrNH3+COOH在pI状态下蛋白质的溶解度最低，可采用等电点沉淀法分离制备蛋白质。在一定的pH条件下，不同的蛋白质所带电荷不同，可用离子交换层析法和电泳法分离纯化。例：两种蛋白质的pI分别为5.35和7.80，在pH6.5的缓冲溶液中电泳，泳向阳极