02蛋白质的结构与功能49918

第二章 蛋白质的结构与功能v第一节 蛋白质的分子组成v第二节 蛋白质的分子结构v第三节 蛋白质的结构与功能的关系v第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化v第五节 蛋白质的分类v 蛋白质(protein)概念：由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连 形成的高分子含氮化合物。v 蛋白质的重要性：u蛋白质是构成生物体的基本成分蛋白质是细胞中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体 成分的45% ，可达细胞干重的70%。u蛋白质的生物学功能生物催化作用酶或辅酶如淀粉酶、蛋白酶代谢调节作用激素蛋白调节体内新陈代谢如胰岛素运动支持作用肌动蛋白、胶原蛋白、 -角蛋白等运输储存作用血红蛋白、血清蛋白免疫防御作用免疫球蛋白、血纤维蛋白原及干扰素接受传递信息作用受体蛋白u氧化供能第一节 蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成v 主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷、硒或金属元素铁、铜、锌、锰、钴 、钼，个别蛋白质还含有碘。v 蛋白质元素组成的特点：各种蛋白质的含氮量很接均为16%；体内的含氮物质 以蛋白质为主。通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量 ( % ) = 含氮量( % ) × 6.25二、组成蛋白质的基本单位氨基酸1、氨基酸的命名：v 系统命名法 v 俗称H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R2、氨基酸的结构特点： v氨基酸的通式v 特点：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。u除脯氨酸为亚氨基酸外，其余19种均符合通式；u除甘氨酸的R基为H外，其余19种-碳原子为手性碳原子 ，有L、D型之分，组成人体蛋白质的氨基酸均为L型；u不同氨基酸的侧链基团不同。L-氨基酸D-氨基酸CNH2RCOOHHCHRCOOHNH23、氨基酸的分类：根据侧链基团的结构和性质不同将20种氨基酸分为4类：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v 非极性疏水氨基酸：侧链为烃基、杂环等疏水性基团。 这类氨基酸在水中的溶解度较小。v 极性中性氨基酸：侧链为羟基、巯基、或酰氨基等极性 基团，有亲水性，但在中性水溶液中不电离。v 酸性氨基酸：侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而 带负电荷。v 碱性氨基酸：侧链上有氨基、胍基或咪唑基，在水溶液 中能结合H+而带正电荷。v 几种特殊氨基酸：u甘氨酸：结构最简单的氨基酸，无手性C，不是L氨基 酸-氨基乙酸（甘氨酸）u脯氨酸：亚氨基酸u半胱氨酸：可形成二硫键u必需氨基酸（essential amino acid)：机体不能合成，必需从食物中摄取，有八种：甲硫（蛋）、色、缬、赖、异亮、亮、苯丙、苏氨酸“假 设 借 来 一 两 本 书”u修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。如：胱氨酸、 羟脯氨酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。u非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半 胱氨酸，是代谢途径中产生的。4、氨基酸的理化性质v 物理性质 都是白色晶体，熔点较高。能溶于强酸和强碱溶液；在水 中的溶解度各不相同。 v 两性解离及等电点+OH-pH>pI+H+OH-+H+pH<pI阳离子阴离子pH=pI氨基酸的兼性离子 等电点(isoelectric point, 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。“使 某种氨基酸所带正、负电荷数相等时溶液的pH值。”v 紫外吸收色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸 的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有这三种氨 基酸残基，所以测定蛋 白质溶液280nm的光吸收 值是分析溶液中蛋白质 含量的快速简便的方法 。v 茚三酮反应氨基酸与水合茚三酮共热，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。脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色化合物。-H2O甘氨酰甘氨酸肽键三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式v肽键(peptide bond)：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。u肽单元 (peptide unit)：参与组成肽键的6个原子位于 同一平面，又叫肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构 单位。u肽(peptide)：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，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)。u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)。v 生物活性肽u谷胱甘肽(glutathione, GSH)抗氧化剂，保护含巯基蛋白质活性u多肽类激素及神经肽第二节 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构v 概念：多肽链中氨基酸的排列顺序。v 主要化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。二、蛋白质的二级结构v 概念：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。v 主要化学键：氢键v 蛋白质二级结构的主要形式u-螺旋(-helix)多肽链以肽键平面为单位，-碳 原子为转折点，有规律的盘绕 成右手螺旋结构，侧链伸向螺 旋外侧。 每3.6个氨基酸残基盘绕一圈， 螺距为0.54nm。相邻螺旋的肽键之间形成氢键，方向与长轴基本平行。u-折叠(-pleated sheet)多肽链呈伸展状态，肽键平面沿长轴折叠呈锯齿状，两平 面间夹角为110°，R基交替地伸向锯齿状结构的上下方。若干肽段互相靠拢，平行排列，通过氢键连接。氢键的方向与长轴垂直。若两条肽段走向一致（N端、C端方向相同），称为平行 式；反之，称之为反平行式，反向更稳定。u-转角(-turn) 肽链内形成180º回折。含4个氨基酸残基，第一个 氨基酸残基与第四个形成 氢键。 第二个氨基酸残基常为 Pro。u不规则卷曲(random coil) ：多肽链中除了以上几种 比较规则的构象外，其余 没有确定规律性的构象。v 模体(motif)/超二级结构：蛋白质分子中-螺旋、- 折叠、-转角等组合在一起，彼此相互作用，形成有规 则的二级结构组合体，作为三级结构的单元，其基本结 合形式有：,等。v 结构域(structural domain)：分子量大 的蛋白质，往往以 超二级结构为单元 组成两个或两个以 上相对独立的区域 ，行使各自功能， 再形成三级结构， 这些相对独立的区 域称为结构域。三、蛋白质的三级结构v 概念：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。v 主要化学键 ：疏水作用力、离子键、氢键、van der Waals 力等。四、蛋白质的四级结构 v 概念：蛋白质分子中各 亚基的空间排布及相互 作用。 蛋白质的亚基 (subunit) ：参与构成蛋白质四级 结构的、每条具有三级 结构的多肽链。 v 主要化学键：疏水作用 力，氢键和离子键v 蛋白质结构中应注意的问题：u由一条多肽链形成的蛋白质其最高级结构为三级，具有 三级结构的蛋白质才具有生物学活性。u形成蛋白质的四级结构至少要有两条多肽链。v 蛋白质结构的小结：u蛋白质一级结构是它的氨基酸序列u蛋白质二级结构是多肽链主链的卷曲与折叠u蛋白质三级结构是多肽链自然形成的三维结构u蛋白质四级结构是亚基的空间排列u主要作用力： 一级结构：肽键、二硫键 二级结构：氢键 三级结构：疏水作用力、氢键、范德华力、盐键等 四级结构：疏水作用力、氢键、盐键等第三节 蛋白质的结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系：一级结构是空间构象和 功能的基础v 一级结构决定空间结构与功能。u一级结构相似、空间结构相似；一级结构不同、空间结构不同u保守氨基酸改变，功能改变；保守氨基酸不变，功能不变例如： 分子病：由于基因结构改变，蛋白质一级结构中的关键氨基酸发生改变，从而导致蛋白质功能障碍，出现相应的疾病。（镰刀形红细胞贫血等）v 一级结构并非决定空间结构的唯一因素温度、离子强度，分子伴侣等分子伴侣：在蛋白质加工、折叠形成特定空间构象及穿膜 进入细胞器的转位过程中起关键作用的一类蛋白质。u与未折叠的肽段（疏水部分）进行可逆的结合，辅助 二硫键的正确形成；u引导肽链的正确折叠并集合多条肽链成为较大的结构 ；u可以解聚错误聚合的肽段，防止错误发生。二、蛋白质空间结构与功能的关系：蛋白质构象决定生物学 功能，构象改变，功能改变。例1：别构效应（allosteric effect）：蛋白质分子的特定 部位（调节部位）与小分子化合物（效应物）结合后，引 起空间构象发生改变，从而促使生物学活性变化的现象。 包括正协同、负协同效应。肌红蛋白（Mb）：由一条多肽链组成。血红蛋白（Hb）：由22四聚体组成。例2：蛋白质构象病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一 级结构不变，但蛋白质构象发生改变，仍可影响其功能 ，严重时可导致疾病发生。疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一组 人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋白质的 作用下可转变成-折叠的PrPsc，从而致病。第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化一、蛋白质的理化性质1、蛋白质的两性解离与等电点v 蛋白质的两性解离蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链 中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷 或正电荷的基团。v 蛋白质的等电点（pI）：当蛋白质溶液处于某一pH时， 蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子 ，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。体内大多数蛋白质的等电点在pH5.0左右，因而在生理条件 下以阴离子形式存在 。2、蛋白质的胶体性质v 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。 v 蛋白质胶体稳定的因素u颗粒表面同种电荷u水化膜+ +带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜+带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用蛋白质聚沉（Protein Precipitation)3、蛋白质的变性、沉淀和凝固v 蛋白质的变性(denaturation)：在某些物理化学因素的 作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，从而导致理化 性质改变和生物活性丧失的现象。u变性的本质：次级键断裂（有时也包括二硫键），空间 结构破坏，但蛋白质的一级结构不改变。u变性蛋白质的特点： 生物学活性丧失溶解度降低，易于沉淀粘度增加，结晶能力消失易被蛋白酶水解u造成变性的因素物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等。化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、尿素、重金属盐等。u应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。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。u若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可 恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性 (renaturation) 。牛核糖核酸酶v 蛋白质沉淀(protein precipitation)u概念：在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融 会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出的现象。u方法：盐析法、有机溶剂的沉淀、重金属盐沉淀、生物 碱试剂沉淀。变性的蛋白质易于沉淀，但不一定都发生沉淀。沉淀的蛋 白质易发生变性，但并不都变性，如盐析。 v 蛋白质的凝固(protein coagulation)：加热使蛋白质变 性并凝聚成块状。此凝块不溶于强酸或强碱中。凝固实 际上是蛋白质