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1、第二章 蛋白质的结构与功能(Structure and Function of Protein)一、什么是蛋白质一、什么是蛋白质?蛋蛋 白白 质质(protein)是是 由由 氨氨 基基 酸酸(amino acids)通通过过肽肽键键(peptide bond)相连形成的高分子相连形成的高分子含氮含氮化合物。化合物。二、蛋白质的生物学功能二、蛋白质的生物学功能(一一)蛋白质在生物体内的分布特征蛋白质在生物体内的分布特征1.1.分分分分布布布布广广广广 所所所所有有有有器器器器官官官官、组组组组织织织织都都都都含含含含有有有有蛋蛋蛋蛋白白白白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。质；细胞的各个部分都含
2、有蛋白质。质；细胞的各个部分都含有蛋白质。质；细胞的各个部分都含有蛋白质。2.2.含含含含量量量量高高高高 蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质占占占占人人人人体体体体干干干干重重重重的的的的4545，某某某某些些些些组组组组织织织织含含含含量量量量更更更更高高高高，例例例例如如如如脾脾脾脾、肺肺肺肺及及及及横横横横纹纹纹纹肌肌肌肌等等等等高达高达高达高达8080。3.3.种种种种类类类类多多多多 人人人人体体体体中中中中蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质种种种种类类类类达达达达十十十十万万万万余余余余种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。
3、种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。1.作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）2.代谢调节作用代谢调节作用3.免疫保护作用免疫保护作用4.物质的转运和存储物质的转运和存储5.运动与支持作用运动与支持作用6.参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递7.氧化供能氧化供能(二二)蛋白质的生物学功能蛋白质的生物学功能三、蛋白质的分类三、蛋白质的分类 (一一)根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 1.单纯蛋白质单纯蛋白质2.结合蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分蛋白质部分+非蛋白质部分非蛋白质部分(二二)根据蛋白质形状根据蛋白质形状 1.纤维状蛋白质纤维状蛋白质2.球状蛋白质球状蛋白质第一节 蛋白质的分子组成
4、一、一、蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成主要有主要有主要有主要有C C、HH、OO、NN和和和和S S。有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量磷磷磷磷或金属元素或金属元素或金属元素或金属元素铁、铜、铁、铜、铁、铜、铁、铜、锌、锰、钴、钼锌、锰、钴、钼锌、锰、钴、钼锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘碘碘 。(一一)组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素(The Molecular Component of Protein)(The Molecular Component of Protein)各种蛋白质的含氮量很
5、接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由由由由于于于于体体体体内内内内的的的的含含含含氮氮氮氮物物物物质质质质以以以以蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质为为为为主主主主，因因因因此此此此，只只只只要要要要测测测测定定定定生生生生物物物物样样样样品品品品中中中中的的的的含含含含氮氮氮氮量量量量，就就就就可可可可以以以以根根根根据据据据以以以以下下下下公式推算出蛋白质的大致含量：公式推算出蛋白质的大致含量：公式推算出蛋白质的大致含量：公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%(二二)蛋白质元素组成
6、的特点蛋白质元素组成的特点二、蛋白质的基本单位二、蛋白质的基本单位氨基酸氨基酸存存存存在在在在自自自自然然然然界界界界中中中中的的的的氨氨氨氨基基基基酸酸酸酸有有有有300300余余余余种种种种，但但但但有有有有遗遗遗遗传传传传密密密密码码码码的的的的氨氨氨氨基基基基酸酸酸酸仅仅仅仅有有有有2020种种种种，且且且且均均均均属属属属 L-L-氨氨氨氨基酸基酸基酸基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。(一一)氨基酸的通式氨基酸的通式H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式R 各种氨基酸的结构区别在于侧链（各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）
7、的不同基团）的不同，故具有不同的理化性质。，故具有不同的理化性质。C+NH3COO-H1.非极性侧链氨基酸非极性侧链氨基酸(8种种)水溶性小。其侧链为非水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。极性疏水基团。2.极性中性侧链氨基酸极性中性侧链氨基酸(7种种)易溶于水，但色氨酸易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性微溶于水。其侧链具有亲水性(除外色氨酸除外色氨酸)。3.酸性氨基酸酸性氨基酸(2种种)侧链上有羧基，在水溶液中能侧链上有羧基，在水溶液中能释放出释放出H+而带负电荷。而带负电荷。4.碱性氨基酸（碱性氨基酸（3种）种）侧链上有氨基、胍基、咪唑侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受基
8、等，在水溶液中能接受H+而带正电荷。而带正电荷。(二二)氨基酸的分类氨基酸的分类20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.961.非极性侧链非极性侧链氨氨氨氨基酸基酸(8种种)甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.30中文名称中
9、文名称 英文名称英文名称 缩写符号缩写符号 结构式结构式 等电点等电点 CHCOOHNH2HCH3CH3-CHCH3CH3-CH-CH2CH3CH3-CH2-CHCH3CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2 CH2CHCOOHNHCH2CH2 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH22.2.极性中性侧链氨基酸极性中性侧链氨基酸极性中性侧链氨基酸极性中性侧链氨基酸 (7(7种种种种)色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.6
10、8酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.60CHCOOHNH2-CH2NHHO-CH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2HO-HS-CH2CHCOOHNH2H2N-C-CH2CHCOOHNH2OCHCOOHNH2H2N-C-CH2-CH2OCHCOOHNH2HO-CHCH3中文名称中文名称 英文名称英文名称 缩写符号缩写符号 结构式结构式 等电
11、点等电点 中文名称中文名称 英文名称英文名称 缩写符号缩写符号 结构式结构式 等电点等电点 3.3.酸性氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸 (2(2种种种种)天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.59 HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22CHCOOHNH2 HOOC-CH2-CH24.4.碱性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸 (3(3种种种种)中文名称中文名称 英文名称英文名称 缩写符号缩写符号 结
12、构式结构式 等电点等电点 赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH1.1.含硫氨基酸含硫氨基酸含硫氨基酸含硫氨基酸 半胱氨酸和甲硫氨酸半胱氨酸和甲硫氨酸半胱氨酸和甲硫氨酸半胱氨酸和甲硫氨酸半胱氨酸半胱氨酸 +-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS-COOHCH-CH2NH2半胱氨酸半胱氨酸 -CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S-COOHCH-CH2NH2二硫键二硫键胱氨酸胱氨酸(三三)几种特殊氨基酸几种特殊
13、氨基酸2.芳香族氨基酸芳香族氨基酸3.支链氨基酸支链氨基酸CH3CH2CHCH3CHCOOHNH2亮氨酸亮氨酸CH2CHCOOHNH2苯丙氨酸苯丙氨酸CH2CHCOOHNHCH2CH24.亚氨基酸亚氨基酸脯氨酸脯氨酸(四四)氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离方式取决氨基酸是两性电解质，其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。于所处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)在在某某一一pH的的溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼兼性性离离子子
14、，呈呈电电中中性性。此此时时溶溶液液的的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子CHNHCOOHR CHNH2COOHRCHNHCOOR CHNH2COO-RCHNHCOOR CHNH3COO-R+CHNHCOOHR CHNH3COOHR+2.紫外吸收紫外吸收色氨酸、酪氨酸的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大大多多数数蛋蛋白白质质含含有有这这两两种种氨氨基基酸酸残残基基，所所以以 测测 定定 蛋蛋 白白 质质 溶溶 液液280nm的的光光吸
15、吸收收值值是是分分析析溶溶液液中中蛋蛋白白质质含含量量的的快速简便的方法。快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收240 250 260 270 280 290 300 310光光光光密密密密度度度度色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸波长波长波长波长(nm)(nm)三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式 (一一)肽肽键键(peptide bond)是是由由一一个个氨氨基基酸酸的的-羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的-氨氨基基脱脱水水缩缩合合而而形形成成的的化学键。化学键。肽键肽键甘甘氨氨酸酸+HNH2CHCOOHHNHCHC
16、OOHH甘甘氨氨酸酸-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH1.肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。2.两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨基酸缩，三分子氨基酸缩合则形成合则形成三肽三肽(二二)肽肽(peptide)3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，寡肽，由由更多的氨基酸相连形成的肽称更多的氨基酸相连形成的肽称多肽多肽。4.肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。5.多
17、多肽肽链链(polypeptide chain)是是指指许许多多氨氨基基酸酸之之间间以肽键连接而成的一种结构。分别有：以肽键连接而成的一种结构。分别有：N 末端：末端：多肽链中有多肽链中有自由氨基自由氨基的一端，的一端，C 末端：末端：多肽链中有多肽链中有自由羧基自由羧基的一端。的一端。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLys Phe GluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnT
18、hrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAsp PheHisValPro ValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶124(三三)几种生物活性肽几种生物活性肽 1.谷胱
19、甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸 半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸 甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸体内许多激素属寡肽或多肽。体内许多激素属寡肽或多肽。2.多肽类激素多肽类激素CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸焦谷氨酸 组氨酸组氨酸 脯氨酰胺脯氨酰胺 促甲状腺素释放激素促甲状腺素释放激素(TRH)(The Molecular Structure of Protein)(The Molecular Structure of Protein)蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子
20、结构包括：一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)第二节 蛋白质的分子结构空间结构空间结构1.定义定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。酸的排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构2.主要的化学键主要的化学键 肽键肽键，有些蛋白质还包括，有些蛋白质还包括二硫键。二硫键。二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构1.定义定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间蛋白
21、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置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。2.主要的化学键主要的化学键 氢键氢键 (一一)定义与主要化学键定义与主要化学键(二二)蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋(-helix)-折叠折叠(-pleated sheet)-转角转角(-turn)无规卷曲无规卷曲(random coil)三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。2.主要的化学键主要的化学键
22、整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。1.定义定义 H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-abc氢键氢键离子键离子键疏水键疏水键维持蛋白质分子构象的各种化学键维持蛋白质分子构象的各种化学键肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端2.主要化学键主要化学键 亚基之间的结合力主要是疏亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。水作用，其次
23、是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构1.定义定义 蛋白质分子中各蛋白质分子中各亚基亚基的空间排布的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白蛋白质的四级结构质的四级结构。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，称为蛋白质的条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基亚基(subunit)。血红蛋白是由含有血红素的血红蛋白是由含有血红素的2个个亚基和亚基和2个个亚基亚基组成的四聚体。组成的四聚体。血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构(一一)一级结构与功能的关系一级结构
24、与功能的关系 五、蛋白质结构与功能的关系五、蛋白质结构与功能的关系 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性HSSHSHHSHSSHHSHS2611095847265584026110958472584065核糖核酸酶一级结构与功核糖核酸酶一级结构与功能的关系能的关系 2.血红蛋白一级结构与功能的关系血红蛋白一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val hi
25、s leu thr pro val glu C(146)这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。蛋白的结构功能关系n n整体的构象决定功能；整体的构象决定功能；n n一级结构决定特定环境下的构象；一级结构决定特定环境下的构象；n n酶是蛋白质酶是蛋白质,有一、二、三、四级结构有一、二、三、四级结构n n影响蛋白质结构和功能的因素均能影响影响蛋白质结构和功能的因素均能影响酶活性酶活性第三节 蛋白质的理化性质(The Physical
26、and Chemical Characters of Protein)一、蛋白质的两性解离和等电点一、蛋白质的两性解离和等电点 (一一)两性解离两性解离 蛋蛋白白质质分分子子除除两两端端的的氨氨基基和和羧羧基基可可解解离离外外，氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链中中某某些些基基团团，在在一一定定的的溶溶液液pH条条件件下下都都可可解解离离成成带带负负电电荷荷或或正正电电荷荷的的基基团团，故故称称两性解离。两性解离。当当蛋蛋白白质质溶溶液液处处于于某某一一pH时时，蛋蛋白白质质解解离离成成正正、负负离离子子的的趋趋势势相相等等，即即成成为为兼兼性性离离子子，净净电电荷为零，此时溶液的荷为零，此时溶液的
27、pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。(二二)蛋白质的等电点蛋白质的等电点三、蛋白质的变性、沉淀和凝固三、蛋白质的变性、沉淀和凝固 在某些物理和化学因素作用下，其特定的在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。物活性的丧失。1.变性的本质变性的本质 即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质肽链的一级结构。肽链的一级结构。(一一)蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)2.导致变性
28、的因素导致变性的因素如高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、如高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属离子、生物碱试剂及辐射等因素重金属离子、生物碱试剂及辐射等因素。3.应用举例应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。灭菌。防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。（如疫苗等）的必要条件。天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性4.复性复性(renaturation)若蛋白质变性程度较轻，去除若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象或部分恢复其原有的构象和功能，称为和功能，称为复性复性。HSSHSHHSHSSHHSHS2611095847265584026110958472584065四、蛋白质的紫外吸收四、蛋白质的紫外吸收由由于于蛋蛋白白质质分分子子中中含含有有酪酪氨氨酸酸和和色色氨氨酸酸，因因此此在在280nm波波长长处处有有特特征征性性吸吸收收峰峰。蛋蛋白白质质的的OD280与与其其浓浓度度呈呈正正比比关关系系，因因此可作蛋白质定量测定。此可作蛋白质定量测定。