1、生化蛋白质结构与功能已看一、蛋白质的生物学意义一、蛋白质的生物学意义1.蛋白质是构成生物体的重要组成物质蛋白质是构成生物体的重要组成物质 2.蛋白质是生物体生命活动的执行者蛋白质是生物体生命活动的执行者 第一节第一节 概述概述蛋白质（蛋白质（protein）是生命的物质基）是生命的物质基础，具有多样性的生物学功能础，具有多样性的生物学功能二、蛋白质的功能二、蛋白质的功能 催化功能催化功能酶酶 运输与储存运输与储存血红蛋白血红蛋白 调节功能调节功能蛋白质多肽类激素蛋白质多肽类激素 机械运动与支持机械运动与支持肌肉蛋白肌肉蛋白 保护与免疫保护与免疫凝血酶原和免疫球蛋白凝血酶原和免疫球蛋白 营养和储
2、存营养和储存酪蛋白、铁蛋白酪蛋白、铁蛋白第二节第二节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成 C H O N S（50%）（7%）（23%）（16%）（03%）（凯氏定氮法）（凯氏定氮法）蛋白质含量蛋白质含量/g样品样品=含氮量含氮量/g样品样品 6.25根据含氮量推算生物样品中蛋白质含量根据含氮量推算生物样品中蛋白质含量二、二、20 L-氨基酸（氨基酸（amino acids）（一）（一）氨基酸的结构氨基酸的结构1.-氨基酸结构通式氨基酸结构通式 组成蛋白质的氨基酸都是组成蛋白质的氨基酸都是L型型。2 旋光异构性（甘氨酸）旋光异构性（甘氨酸）（二）（二）氨基
3、酸的分类氨基酸的分类编码氨基酸编码氨基酸：20种种非编码氨基酸非编码氨基酸（无相应的遗传密码）（无相应的遗传密码）修饰氨基酸修饰氨基酸仅参与代谢的氨基酸仅参与代谢的氨基酸（有相应的遗传密码）（有相应的遗传密码）-丙氨酸、丙氨酸、-氨基丁酸氨基丁酸羟赖氨酸、羟脯氨酸羟赖氨酸、羟脯氨酸组成蛋白质的氨基酸为组成蛋白质的氨基酸为20 L-氨基酸氨基酸2种新发现的基本氨基酸种新发现的基本氨基酸 硒半胱氨酸（第硒半胱氨酸（第21种）种）吡咯赖氨酸（第吡咯赖氨酸（第22种）种）（三）（三）氨基酸氨基酸的理化性质的理化性质 1.两性电离和等电点（两性电离和等电点（isoelectric point,pI）不同
4、不同pHpH时氨基酸以不同的离子化形式存在：时氨基酸以不同的离子化形式存在：H3NCHCOOHRH3NCHCOOR-+H+OH-+H+OH-H2NCHCOOR-正离子正离子两性离子两性离子负离子负离子 氨基酸所带静电荷为氨基酸所带静电荷为“零零”时，溶液的时，溶液的pH值称为该值称为该氨基酸的等电点（氨基酸的等电点（isoelectric point），以），以pI表示。表示。溶液的溶液的pH=pI时时pHpI时时H3NCHCOOHRH3NCHCOOR-+H2NCHCOOR-H2NCHCOOHR由于基因突变导致其编码蛋白质的氨基酸序列异常，进而引起生物学功能改变的遗传性疾病称为分子病何为肽键？
5、其有何特点？氨基酸所带静电荷为“零”时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point），以pI表示。polypeptide chain组成蛋白质的氨基酸都是L型。组成蛋白质的氨基酸都是L型。蛋白质含量/g样品=含氮量/g样品 6.(3)侧链R分布在螺旋外侧硒半胱氨酸（第21种）(2)链内氢键维持螺旋稳定不同pH时氨基酸以不同的离子化形式存在：conformation motif domain2.紫外吸收性质紫外吸收性质n 酪氨酸酪氨酸 max275nmn 苯丙氨酸苯丙氨酸 max257nmn 色氨酸色氨酸 max280nm 三、肽键和多肽链三、肽键和多肽链（一）肽与肽键
6、（一）肽与肽键 H +H3N-C-CO R1 H+N-C-COO-R2O-+H3 H +H3N-C-C R1 H -C-COO-R2 O-C-N HOH2NC CH R1O R2 NC CHH R3 NC CHHO R4 NC CHHO R5 NC CHHO R6 NC COHHHO寡肽寡肽 10aa 多肽多肽+H3NCOO-R1R2R3R4R5N-末端末端C-末端末端多肽链侧链多肽链侧链肽链书写方式：肽链书写方式：N端端C端端（二）（二）生物活性肽生物活性肽 谷胱甘肽（谷胱甘肽（glutathione,GSH）171.按组成成分按组成成分 单纯蛋白质单纯蛋白质 结合蛋白质结合蛋白质四、蛋白质
7、的分类四、蛋白质的分类 2.按分子的形状或空间构象按分子的形状或空间构象 纤维状蛋白纤维状蛋白 球状蛋白质球状蛋白质3.按按“家族家族”具有相同或类似结构的蛋白归为一个具有相同或类似结构的蛋白归为一个“家族家族”18第三节第三节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 19蛋白质结构的组织层次蛋白质结构的组织层次蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次一级结构一级结构空间结构空间结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构超二级结构超二级结构结构域结构域一、一级结构（一、一级结构（primary structure）1.定义定义 蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中
8、氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置。的排列顺序，包括二硫键的位置。2.一级结构的意义一级结构的意义第三节第三节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 是生物学活性和空间结构的基础是生物学活性和空间结构的基础 最先由最先由Sanger于于1953年完成测定胰岛素一级结构年完成测定胰岛素一级结构构象（构象（conformation）二、二级结构（二、二级结构（secondary structure）肽键的键长介于肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转。的性质，不能自由旋转。（一）（一）肽单元（肽单元（peptide unit）参与肽键的参与肽键
9、的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2被约束于一个平面上，此同一平面上的被约束于一个平面上，此同一平面上的6个原子构成肽单元。个原子构成肽单元。coplanar（二）二级结构的概念和种类（二）二级结构的概念和种类n 蛋白质的二级结构指某一段肽链的局部空间结构蛋白质的二级结构指某一段肽链的局部空间结构n 也就是多肽链也就是多肽链主链骨架原子主链骨架原子通过氢键沿一定方向盘通过氢键沿一定方向盘 绕、折叠而形成的构象。绕、折叠而形成的构象。n 二级结构不涉及侧链的构象二级结构不涉及侧链的构象n 维持二级结构的化学键：氢键维持二级结构的化学键：氢键 n 主要有主要有 螺旋、螺旋、折叠、折叠、转
10、角、无规卷曲。转角、无规卷曲。1.螺旋螺旋(-helix)1950年美国年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时，等人在研究纤维状蛋白质时，提出了提出了螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在螺旋。螺旋。(1)右手螺旋，每圈含右手螺旋，每圈含3.6个个aa，螺距为螺距为0.54 nm (2)链内氢键维持螺旋稳定链内氢键维持螺旋稳定 (3)侧链侧链R分布在螺旋外侧分布在螺旋外侧2.片层片层/折叠（折叠（-sheet）也是也是 Pauling 等人提出来的，它是与等人提出来的，它是与螺旋完螺旋完全不同的一种结构。全不同的一种结构。(1)折叠主链骨架以一定的折
11、叠形式形成一个折叠折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层。的片层。(2)链间氢链维持稳定链间氢链维持稳定。(3)折叠有平行和反平行的两种形式折叠有平行和反平行的两种形式(4)侧链向片层上下伸出侧链向片层上下伸出肽链回折肽链回折180，使，使得 氨 基 酸 残 基 的得 氨 基 酸 残 基 的C=O和与第四个残和与第四个残基的基的N-H形成氢键。形成氢键。转角都在蛋白转角都在蛋白质分子的表面质分子的表面3.转角（转角（-turn）4.无规卷曲或自由回转无规卷曲或自由回转 （non-regular coil）肽段在空间的不规则排布称为无规卷肽段在空间的不规则排布称为无规卷曲。曲。没有一定规
12、律的松散肽链结构，但仍没有一定规律的松散肽链结构，但仍是有序的稳定结构。是有序的稳定结构。图1 泛素的空间构型（来自wilkinson lab page）泛素的二级结构包括泛素的二级结构包括-螺旋（螺旋（23-3423-34残基）、一个残基）、一个短而伸展的短而伸展的3.103.10螺旋（螺旋（56-5956-59）和）和5 5片片-折叠，一面折叠，一面-折叠占统治地位，相对的一面主要为折叠占统治地位，相对的一面主要为-螺旋。螺旋。超二级结构超二级结构（supersecondary structure）蛋白质中相邻的二级结构单位（蛋白质中相邻的二级结构单位（螺旋或螺旋或 折叠或折叠或 转角转角
13、）组合在一起，形成有规则的、在）组合在一起，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体。空间上能够辨认的二级结构组合体。模体模体 在许多蛋白质分子中，在许多蛋白质分子中，2个或多个具有二级个或多个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，并发挥专一的功能，被称为模殊的空间构象，并发挥专一的功能，被称为模体（体（motif）ZnCysHis三、三级结构（三、三级结构（tertiary strucure）指整条肽链中全部氨基酸残基的指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整条肽链中所有原相对空间位置，即整条肽链中所有原子在三维空间
14、的排布位置。子在三维空间的排布位置。三级结构的特征：三级结构的特征：n 含多种二级结构单元；含多种二级结构单元；n 有明显的折叠层次；有明显的折叠层次；n 是紧密的球状或椭球状实体；是紧密的球状或椭球状实体；n 分子表面有一空穴分子表面有一空穴(活性部位活性部位)；n 疏水侧链埋藏在分子内部，疏水侧链埋藏在分子内部，n 亲水侧链暴露在分子表面。亲水侧链暴露在分子表面。实例：肌红蛋白实例：肌红蛋白结构域结构域(domain)多肽链上相邻的超二级结构紧密联系多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成两个或多个在空间上可以明显，形成两个或多个在空间上可以明显区别的局部区域，具有独特的空间构区别的局部区域
15、，具有独特的空间构象，承担不同的生物学功能象，承担不同的生物学功能 维持三级结构的化学键维持三级结构的化学键氢键氢键疏水作用疏水作用离子键离子键范德华力范德华力二硫键二硫键次级键次级键非共价键非共价键NH3+-OO=CO OCO HSS CH CH2 CH3CH3 CH3CH3 CH2CHCH3CH3CH2OHCH2OH C-NH2NH3OC=O+-离子键；离子键；氢键；氢键；疏水力；疏水力；范德华力；范德华力；二硫键二硫键四、四级结构四、四级结构（quaternarystructure）四级结构是指由两四级结构是指由两 个或两个以上具有三级结个或两个以上具有三级结构的多肽链按一定方式聚合而成
16、的特定构象的蛋构的多肽链按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。其中每条多肽链称为亚基。白质分子。其中每条多肽链称为亚基。n亚基单独存在时无生物学活性。亚基单独存在时无生物学活性。n一般来说具有四级结构的蛋白属于寡聚蛋白。一般来说具有四级结构的蛋白属于寡聚蛋白。n维持构象的化学键：氢键、离子键、疏水作用维持构象的化学键：氢键、离子键、疏水作用四级结构四级结构 亚基的排列方式亚基的排列方式三级结构三级结构 所有原子的排列所有原子的排列 完整的三维结构完整的三维结构二级结构二级结构 局部主链骨架的折叠局部主链骨架的折叠一级结构一级结构 氨基酸残基排列顺序氨基酸残基排列顺序第四节第四节 蛋白质结构
17、与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一级结构是空间构象的基础，一级结一级结构是空间构象的基础，一级结构决定高级结构构决定高级结构蛋白质的生物学功能依赖于高级结构蛋白质的生物学功能依赖于高级结构 一、一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系 镰状细胞贫血：镰状细胞贫血：Hb-A（正常人）：正常人）：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHb-S（患者）：患者）：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-链链 1 2 3 4 5 6 7 8 由于基因突变导致其编码蛋白质的氨基酸序列由于基因突变导致其编码蛋白质的氨基酸序列异常，进而引起生物学功能改变的遗传
18、性疾病称为异常，进而引起生物学功能改变的遗传性疾病称为分子病分子病二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系58肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线疯牛病：疯牛病：朊病毒蛋白朊病毒蛋白（prion protein,PrP）第五节第五节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 及其分离纯化及其分离纯化一、两性解离和等电点一、两性解离和等电点PCOOHNH3+PCOO-NH3+PCOO-NH2OH-H+OH-H+阳离子阳离子 两性离子两性离子阴离子阴离子（pHpI）二、蛋白质的变性二、蛋白质的变性(denaturation)（一）蛋白质的变性定义（一）蛋白质的变
19、性定义 天然蛋白质因受物理、化学因素的影响，使蛋天然蛋白质因受物理、化学因素的影响，使蛋白质分子的构象发生了异常变化，从而导致生物活白质分子的构象发生了异常变化，从而导致生物活性的丧失以及物理、化学性质的异常变化。但一级性的丧失以及物理、化学性质的异常变化。但一级结构未遭破坏，这种现象称为蛋白质的变性。结构未遭破坏，这种现象称为蛋白质的变性。三、紫外吸收特性三、紫外吸收特性 蛋白质在远紫外蛋白质在远紫外光区（光区（200230nm）有 较 大 的 吸 收，在有 较 大 的 吸 收，在280nm有一特征吸收有一特征吸收峰，可利用这一特性峰，可利用这一特性对蛋白质进行定性定对蛋白质进行定性定量鉴定
20、。量鉴定。本章要点：本章要点：1.20种种 L-氨基酸氨基酸2.氨基酸的等电点、紫外吸收性质氨基酸的等电点、紫外吸收性质3.肽键、肽键的性质肽键、肽键的性质4.蛋白质的结构蛋白质的结构:一级结构和空间构象一级结构和空间构象5.结构与功能的关系结构与功能的关系6.蛋白质的等电点、紫外吸收、变性蛋白质的等电点、紫外吸收、变性protein.amino acid.isoelectric pointpeptide bond.polypeptide chainconformation motif domaindenaturation思考题：思考题：1.何为氨基酸的等电点？何为氨基酸的等电点？2.何为肽键？其有何特点？何为肽键？其有何特点？3.什么是蛋白质的一级结构？其维系键是什么？什么是蛋白质的一级结构？其维系键是什么？4.什么是蛋白质的二级结构？它主要有哪几种什么是蛋白质的二级结构？它主要有哪几种?各有何结构特征？各有何结构特征？5.什么是蛋白质的三级结构？其维系键是什么？什么是蛋白质的三级结构？其维系键是什么？6.举例说明蛋白质的一级结构、空间结构与功能的关举例说明蛋白质的一级结构、空间结构与功能的关 系。系。8.何为蛋白质变性？变性蛋白有何特征？何为蛋白质变性？变性蛋白有何特征？
