优秀本科课件《生物化学与分子生物学第九版》：第一章蛋白质的结构与功能.pdf

第一章 蛋白质的结构与功能 Structure and Function of Protein 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 重点难点 熟悉 了解 掌握 组成蛋白质的20种氨基酸的结构特点、分类及其三字母缩写符号；蛋白质一 级结构的概念，理解肽键、肽单元等概念及其结构特点；蛋白质的二级、三 级、四级结构的概念及其特点；模体、结构域的概念；蛋白质各级结构与功 能的关系，掌握别构效应、协同效应的概念 氨基酸、蛋白质的理化性质及有关的基本概念，如两性解离与等电点、变性、 紫外吸收等 蛋白质的重要生理功能；重要的生物活性肽；蛋白质分离纯化的主要方法及 其基本原理；多肽链中氨基酸的序列分析方法及其原理；蛋白质空间结构测 定的基本原理 生物化学与分子生物学（第9版） 生物化学与分子生物学（第9版） 什么是蛋白质? 蛋白质（protein）是由许多氨基酸（amino acids） 通过肽键（peptide bond）相连形成的高分子含氮化合物 生物化学与分子生物学（第9版） 蛋白质研究的历史 1833年Payen和Persoz分离出淀粉酶。

1838年荷兰科学家 G. J. Mulder引入“protein”（源自希腊字 proteios，意为primary）一词 1864年Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶 19世纪末Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了 多种短肽 1951年 Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结 构-螺旋（-helix） 1953年 Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定 1962年 John Kendrew和Max Perutz确定了血红蛋白的四级结构 20世纪90年代以后 随着人类基因组计划实施，功能基因组与蛋白质 组计划的展开 ，使蛋白质结构与功能的研究达到新的高峰 生物化学与分子生物学（第9版） 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein 第一节 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 含量高蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分 的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上 蛋白质的生物学重要性 1. 蛋白质是生物体重要组成成分（结构蛋白质） 生物化学与分子生物学（第9版） 物质运输 催化功能 信息交流 免疫功能 氧化供能 维持机体酸碱平衡 维持正常血浆渗透压 2. 蛋白质具有重要的生物学功能（功能蛋白质） 生物化学与分子生物学（第9版） 主要元素 碳、氢、氧、氮、硫 其他元素 磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼、碘 组成蛋白质的元素 生物化学与分子生物学（第9版） 各种蛋白质的含氮量很接均为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 蛋白质元素组成的特点 100克样品中蛋白质的含量 (g%) = 每克样品含氮克数 6.25100 生物化学与分子生物学（第9版） 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） 一、组成人体蛋白质的20种L- -氨基酸 生物化学与分子生物学（第9版） 生物化学与分子生物学（第9版） L-氨基酸的通式 R C + NH3 COO - H 生物化学与分子生物学（第9版） 除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱氨酸在某些情况下 也可用于合成蛋白质硒代半胱氨酸从结构上来看，硒原子替代了半 胱氨酸分子中的硫原子硒代半胱氨酸存在于少数天然蛋白质中，包 括过氧化物酶和电子传递链中的还原酶等硒代半胱氨酸参与蛋白质 合成时，并不是由目前已知的密码子编码，具体机制尚不完全清楚 生物化学与分子生物学（第9版） 体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的 L--氨基酸，如参与合成尿素的鸟氨酸（ornithine）、瓜氨酸 （citrulline）和精氨酸代琥珀酸（argininosuccinate）。

生物化学与分子生物学（第9版） 非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类 生物化学与分子生物学（第9版） （一）侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 生物化学与分子生物学（第9版） （二）侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 生物化学与分子生物学（第9版） （三）侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 生物化学与分子生物学（第9版） （四）侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸 生物化学与分子生物学（第9版） （五）侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸 生物化学与分子生物学（第9版） 几种特殊氨基酸 脯氨酸 （亚氨基酸） 半胱氨酸 + 胱氨酸 二硫键 -HH -OOC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- -OOC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 HS-CH2-CH-COO- + HS-CH2-CH-COO- NH3 生物化学与分子生物学（第9版） 在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸可分别 被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。

蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、 甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等 这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定性、亚 细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性质等，体现 了蛋白质生物多样性的一个方面 生物化学与分子生物学（第9版） 三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质 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 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 （一）氨基酸具有两性解离的性质 生物化学与分子生物学（第9版） pH=pI pHpI +OH- +H+ pH

芳香族氨基酸的紫外吸收 生物化学与分子生物学（第9版） （三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物 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 生物化学与分子生物学（第9版） 生物化学与分子生物学（第9版） 四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽 肽键（peptide bond）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 氨基酸通过肽键连接而形成肽 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH-CH-C H OH O O H 甘甘氨氨酸酸 + -HOH 甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸 肽键 NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O 生物化学与分子生物学（第9版） 肽（peptide）是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 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 ） 。

由 2-20 个 氨 基 酸 相 连 而 成 的 肽 称 为 寡 肽 （ oligopeptide ） ，蛋白质的氨基酸残基数通常在 50 个 以 上 ， 50 个 氨 基 酸 残 基 以 下 则 称 为 多 肽 （ polypeptide ） 生物化学与分子生物学（第9版） N 末端：多肽链中有游离-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端 多肽链有两端： 多肽链（polypeptide chain）是指许多 氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构 生物化学与分子生物学（第9版） 牛胰岛素的一级结构 生物化学与分子生物学（第9版） 蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定 的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽一般 而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上， 50个氨基酸残基以下则仍称为多肽 生物化学与分子生物学（第9版） （一）谷胱甘肽（glutathione, GSH） 五、生物活性肽具有生理活性及多样性 谷氨酸半胱氨酸甘氨酸 生物化学与分子生物学（第9版） GSH与GSSG间的转换 生物化学与分子生物学（第9版） 体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽（neuropeptide） （二）多肽类激素及神经肽 促甲状腺素释放激素 生物化学与分子生物学（第9版） 蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein 第二节 蛋白质的分子结构包括: 高级结构 一级结构（primary structure） 二级结构（ secondary structure ） 三级结构（ tertiary structure ） 四级结构（ quaternary structure ） 生物化学与分子生物学（第9版） 定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨 基酸排列顺序。

一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构 主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键 生物化学与分子生物学（第9版） 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能 的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素 牛胰岛素的一级结构 生物化学与分子生物学（第9版） 目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速 度增加 国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如： EMBL （ European Molecular Biology Laboratory Data Library） Genbank （Genetic Sequence Databank） PIR（Protein Identification Resource Sequence Database） 收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋白质结构与功能的 深入研究提供了便利 生物化学与分子生物学（第9版） 二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构 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 定义: 主要的化学键：氢键 生物化学与分子生物学（第9版） -螺旋 （ -helix） -折叠 （ -pleated sheet） -转角 （ -turn） 无规卷曲（random coil） 蛋白质二级结构 所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、 C（-碳 原子）和Co（羰基碳）3个原子依次重复排列。

生物化学与分子生物学（第9版） （一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上 参与肽键的6个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平面， C 1和C 2在平面上所处的位置为反式（trans）构型，此同一平面 上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit） 肽键与肽单元 生物化学与分子生物学（第9版） （二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 蛋白质二级结构 -螺旋 （ -h。