生物化学-蛋白质的结构与功能

蛋白质的结构与功能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OUTLINE第一节蛋白质的分子组成第二节蛋白质的分子结构第三节蛋白质结构与功能的关系第四节蛋白质的理化性质第五节蛋白质的分离纯化第一节蛋白质的分子组成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。蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近，平均为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：100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%一、氨基酸——组成蛋白质的基本单位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.含芳香环的氨基酸4.酸性氨基酸5.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:1.非极性疏水性氨基酸甘氨酸（Gly,G）丙氨酸（Ala,A）缬氨酸（Val,V）脯氨酸（Pro,P）亮氨酸（Lue,L）异亮氨酸（Ile,I）2.极性中性氨基酸丝氨酸（Ser,S）苏氨酸（Thr,T）半胱氨酸（Cys,C）甲硫氨酸（Met,M）天冬酰胺（Asn,N）谷氨酰胺（Gln,Q）3.含芳香环的氨基酸苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸（Trp,W）4.酸性氨基酸5.碱性氨基酸天冬氨酸（Asp,D）谷氨酸（Glu,E）赖氨酸（Lys,K）精氨酸（Arg,R）组氨酸（His,H）非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸GlyAlaValLeuIlePheProTrpSerTryCysMetAsnGlnThrAspGluLysArgHis杂环氨基酸组氨酸（His,H）脯氨酸（Pro,P）芳香族氨基酸苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸（Trg,W）含羟基或硫脂肪族氨基酸丝氨酸（Ser,S）苏氨酸（Thr,T）半胱氨酸（Cys,C）甲硫氨酸（Met,M）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注：二十种氨基酸的结构特点支链氨基酸：缬氨酸、亮氨酸，异亮氨酸含羟基的氨基酸：丝氨酸、苏氨酸含硫的氨基酸：半胱氨酸（含巯基）、甲硫氨酸（含硫甲基）含苯环的氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含胍基的氨基酸：精氨酸含咪唑基的氨基酸：组氨酸亚氨基酸：脯氨酸含酰胺的氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺含吲哚基的氨基酸：色氨酸含ε-氨基的氨基酸：赖氨酸（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。CHRCOONH2pH=pI净电荷=0pHpI净电荷为正pHpI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH3++H++OH-+H++OH-(pK´1)(pK´2)当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelctricpoint)。TitrationCurveforGlutamicAcidpK1carboxylicacid=2.2pK2Rgroup=4.3pK3aminogroup=9.7pI=(pK1+pK2)/2=3.25赖氨酸滴定曲线和等电点计算二氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´2+pK´3BpIpK3pK2pK1加入的OH-mL数pH2.紫外吸收3.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。（Pro)+3H20茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加热+2NH3+还原性茚三酮还原性茚三酮（三）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链*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-COOHHHHOCOHOCH3NH2HC+HOCOCH2NH2HC丙氨酸苯丙氨酸COHOCH3HCCH2NH2HC肽键NCOH二肽丙苯氨丙氨酸氨基酸借肽键相连而形成的化合物称肽(peptide)MetPhe二肽LysMetPhe三肽CysThrLysMetPhe五肽氨基末端(Ｎ－端)羧基末端(C－端)CysMetPheLysSerThrValNH2COOH*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)。其形状为一条没有分支的长链,又称多肽链或肽链.*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)。氨基末端(Ｎ－端)羧基末端(C－端)CysMetPheLysSerThrValNH2COOH50N末端C末端牛核糖核酸酶几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+解毒,抗氧化•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高级结构第二节蛋白质的分子结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)蛋白质结构的主要层次一级结构四级结构二级结构三级结构primarystructuresecondarystructureTertiarystructurequariernarystructure超二级结构结构域supersecondarystructureStructuredoman一、蛋白质的一级结构定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键CysMetPheLysSerThrValNH2COOH一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构二、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主要的化学键：氢键在肽键中，与Ｃ－Ｎ相连的氧原子和氢原子呈反式构型（反式）（顺式）CNOHCNOH肽键的特点：肽键的特点：C—N单键为0.149nmC=N双键为0.127nm具有部分双键性质不能自由旋转肽键中Ｃ－Ｎ键长为0.132nmCNOH肽键中的Ｃ＝Ｏ和Ｃ－Ｎ均不能自由旋转肽键(-CONH-)中的４个原子２个α碳原子(Cα)和被约束在一个刚性平面（即肽键平面）上，构成一个肽单元(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)α－螺旋(α－helix)由肽键平面盘旋形成的螺旋状构象1.概念2.α－螺旋的结构特征(1)以肽键平面为单位,以α－碳原子为转折盘旋形成右手螺旋(2)每3.6个氨基酸残基绕成一个螺圈(3600)螺距为0.54nm每个氨基酸上升0.15nm肽键平面与中心轴平行(3)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部(4)肽键的CO和NH都形成氢键是稳定螺旋的主要作用力氢键的方向与中心轴大致平行,β－折叠肽键平面呈伸展的锯齿状排列形成的结构称β－折叠常为两条或两条以上伸展的多肽链侧向聚集在一起形成扇面状故又称β－折叠片或β－片层β－折叠结构特点相邻肽键平面的夹角为1100，呈锯齿状排列；侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧。２～５条肽段平行排列构成，肽段之间可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴接近垂直。β－转角(β－turn)肽链出现1800回折的转角处结构称为β－转角结构特征常见于球状蛋白质分子表面第一个残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键.无规卷曲(randomcoil)没有确定规律性的肽键构象常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠H2NCOOH无规则卷曲示意图无规则卷曲细胞色素C的三级结构氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。模体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，形成一个特殊的空间构象，被称为模体(motif)。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构βββααβ×β1234552341Β-链βαββ-迂回回形拓扑结构回形拓扑结构β-迂回结构域在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域纤连蛋白分子的结构域卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋-转角-折叠二硫键结构域1结构域2三、蛋白质的三级结构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。主要的化学键疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。目录氢键负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引，这种作用力称为氢键。疏水相互作用由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力离子键由异性电荷间的静电吸引形成的键。•肌红蛋白(Mb)N端C端分子伴侣分子伴侣(chaperon)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分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。四、蛋白质的四级结构有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。血红蛋白的四级结构五、蛋白质的分类(1)依据蛋白质的外形分类按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。球状蛋白质：globularprotein外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。纤维状蛋白质：fibrousprotein分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。（2）按照蛋白质的组成，可以分为简单蛋白(simplep