生物化学——第一章蛋白质.ppt

第一第一章章 蛋蛋 白白 质质7学时学时ProteinProtein第一节第一节 蛋白质的生物学意义蛋白质的生物学意义 体现两点：体现两点：1、蛋白质是构成原生质的重要组成之一；、蛋白质是构成原生质的重要组成之一；2、是生物体赖以生存的物质基础，是生物体内一切、是生物体赖以生存的物质基础，是生物体内一切生理机能的体现者。生理机能的体现者。一、蛋白质的生物学意义一、蛋白质的生物学意义蛋白质分布广泛、功能多样1.催化功能催化功能-酶（如：淀粉酶）酶（如：淀粉酶）2.结构功能结构功能-皮、毛、骨、牙、细胞骨架皮、毛、骨、牙、细胞骨架3.收缩和运载工具收缩和运载工具-血红蛋白血红蛋白-鞭毛、肌肉蛋白鞭毛、肌肉蛋白4.免疫作用免疫作用-免疫球蛋白免疫球蛋白5.激素作用激素作用6.贮藏功能贮藏功能-种子中的谷蛋白种子中的谷蛋白7.接受、传递信息的受体作用接受、传递信息的受体作用-受体蛋白受体蛋白 8.遗传信息的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物遗传信息的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构等等的记忆、识别机构等等1 1 1 1、元素的组成：、元素的组成：、元素的组成：、元素的组成：C、H、O、N、S等等 N的含量一般为的含量一般为16%凯氏定氮法测定蛋白质的含量：凯氏定氮法测定蛋白质的含量：蛋白质含量蛋白质含量=蛋白氮蛋白氮6.25 （6.25=1/16%）2 2、组成单位组成单位组成单位组成单位氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸 第二节第二节 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成 第三节第三节 蛋白质的氨基酸组成蛋白质的氨基酸组成一、一、蛋白质的组成单位蛋白质的组成单位氨基酸氨基酸 1.1.化学结构化学结构R-CH(NH2)-COOH含有氨基的羧酸含有氨基的羧酸R代表氨基酸之间差异的部代表氨基酸之间差异的部分叫分叫R基，又称为侧链基，又称为侧链。酪氨酸分子酪氨酸分子 A、地球上天然形成的氨基酸有地球上天然形成的氨基酸有300 种以上，但是种以上，但是 构成蛋白质的氨基酸只有构成蛋白质的氨基酸只有20种种,除了脯氨酸外，除了脯氨酸外，都是都是-氨基酸。氨基酸。什么是什么是-氨基酸？氨基酸？-C-C-C-C-COOH -C-C-C-C(NH2)-COOH -氨基酸氨基酸-C-C-C(NH2)-C-COOH -氨基酸氨基酸-C-C(NH2)-C-C-COOH -氨基酸氨基酸w除除脯脯氨氨酸酸外外，其其他他均均具具有有如如下下结结构构通式通式。-氨基酸氨基酸可变部分可变部分不变部分不变部分B B、除了甘氨酸外，除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原子其他均具有不对称碳原子，具有具有旋光性，旋光性，比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。是鉴别各种氨基酸的重要依据。C C、从蛋白质水解得到的从蛋白质水解得到的-氨基酸均为氨基酸均为 L-L-型氨基酸型氨基酸 2 2、分类、分类各种氨基酸的区别在于侧链各种氨基酸的区别在于侧链R R基的不同。基的不同。2020种基本氨基酸按种基本氨基酸按R的极性可分为：的极性可分为：（1 1）非极性氨基酸）非极性氨基酸（2 2）极性氨基酸）极性氨基酸（不带电荷氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸）（不带电荷氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸）（一）极性氨基酸（一）极性氨基酸酸性氨基酸：含两个羧基，带负电荷酸性氨基酸：含两个羧基，带负电荷碱性氨基酸：含两个碱基，带正电荷碱性氨基酸：含两个碱基，带正电荷中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸（二）非极性氨基酸（二）非极性氨基酸氨基酸分类（根据氨基酸分类（根据R R性质）性质）（1 1）脂肪族氨基酸）脂肪族氨基酸（2 2）芳香族氨基酸）芳香族氨基酸（3 3）杂环氨基酸）杂环氨基酸（4 4）杂环亚氨基酸）杂环亚氨基酸 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine非极性氨基酸非极性氨基酸 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine非极性氨基酸非极性氨基酸 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine非极性氨基酸非极性氨基酸 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine非极性氨基酸非极性氨基酸 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine非极性氨基酸非极性氨基酸吡咯吡咯 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine非极性氨基酸非极性氨基酸硫醚硫醚 苯丙氨酸苯丙氨酸Phenylalanine色氨酸色氨酸 Trytophan非极性氨基酸非极性氨基酸苯基苯基 苯丙氨酸苯丙氨酸Phenylalanine色氨酸色氨酸 Trytophan非极性氨基酸非极性氨基酸特点：难溶于水，具有很强的疏水聚合能力。特点：难溶于水，具有很强的疏水聚合能力。特点：难溶于水，具有很强的疏水聚合能力。特点：难溶于水，具有很强的疏水聚合能力。R R R R基团基团基团基团疏水性强，在蛋白质高级结构中形成疏水键，对稳定疏水性强，在蛋白质高级结构中形成疏水键，对稳定疏水性强，在蛋白质高级结构中形成疏水键，对稳定疏水性强，在蛋白质高级结构中形成疏水键，对稳定高级结构很重要。高级结构很重要。高级结构很重要。高级结构很重要。吲吲哚哚精氨酸精氨酸 Argini赖氨酸赖氨酸 Lysine组氨酸组氨酸 Histidine 碱性碱性氨基酸氨基酸胍基胍基碱性氨基酸在碱性氨基酸在pH值值7.0时侧链基团带正电荷时侧链基团带正电荷精氨酸精氨酸 Arginine赖氨酸赖氨酸 Lysine组氨酸组氨酸 Histidine 碱性碱性氨基酸氨基酸碱性氨基酸在碱性氨基酸在pH值值7.0时侧链基团带正电荷时侧链基团带正电荷精氨酸精氨酸 Arginine赖氨酸赖氨酸 Lysine组氨酸组氨酸 Histidine 碱性碱性氨基酸氨基酸咪唑基咪唑基组氨酸在组氨酸在pH值值7.0时侧链基团带部分正电荷时侧链基团带部分正电荷天冬氨酸天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸谷氨酸 Glutamate 酸性酸性氨基酸氨基酸酸性氨基酸在酸性氨基酸在pH值值7.0时侧链基团带负电荷时侧链基团带负电荷天冬氨酸天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸谷氨酸 Glutamate 酸性酸性氨基酸氨基酸酸性氨基酸在酸性氨基酸在pH值值7.0时侧链基团带负电荷时侧链基团带负电荷 丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine甘氨酸甘氨酸 Glycine极性不带电荷氨基酸极性不带电荷氨基酸羟基羟基比非极性比非极性R基氨基酸易溶于水，侧链中含有不基氨基酸易溶于水，侧链中含有不解离的极性基。解离的极性基。丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine甘氨酸甘氨酸 Glycine极性不带电荷氨基酸极性不带电荷氨基酸比非极性比非极性R基氨基酸易溶于水，侧链中含有不基氨基酸易溶于水，侧链中含有不解离的极性基。解离的极性基。丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine甘氨酸甘氨酸 Glycine极性不带电荷氨基酸极性不带电荷氨基酸酰胺酰胺比非极性比非极性R基氨基酸易溶于水，侧链中含有不基氨基酸易溶于水，侧链中含有不解离的极性基。解离的极性基。丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine甘氨酸甘氨酸 Glycine极性不带电荷氨基酸极性不带电荷氨基酸比非极性比非极性R基氨基酸易溶于水，侧链中含有不基氨基酸易溶于水，侧链中含有不解离的极性基。解离的极性基。丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine甘氨酸甘氨酸 Glycine极性不带电荷氨基酸极性不带电荷氨基酸巯基巯基比非极性比非极性R基氨基酸易溶于水，侧链中含有不基氨基酸易溶于水，侧链中含有不解离的极性基。解离的极性基。丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine甘氨酸甘氨酸 Glycine极性不带电荷氨基酸极性不带电荷氨基酸比非极性比非极性R基氨基酸易溶于水，侧链中含有不基氨基酸易溶于水，侧链中含有不解离的极性基。解离的极性基。二、氨基酸的理化性质二、氨基酸的理化性质1 1、一般物理性质、一般物理性质 无色结晶无色结晶，熔点：均大于熔点：均大于200200，味道，溶解性：，味道，溶解性：溶解于水，特别是稀酸稀碱溶液，不溶于乙醚、氯溶解于水，特别是稀酸稀碱溶液，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂。仿等有机溶剂。构成蛋白质的构成蛋白质的2020种氨基酸在种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但可见光区都没有光吸收，但在远紫外区在远紫外区(220(220nm)nm)均有光均有光吸收。吸收。在近紫外区在近紫外区(220-300(220-300nm)nm)只只有有T Tyryr、P Phehe和和T Trprp有吸收光有吸收光的能力。的能力。T Tyryr的的 maxmax275nm275nm，PhePhe的的 maxmax257nm257nm，TrpTrp的的 maxmax280nm280nm。平均平均 maxmax280nm280nm 氨基酸的光吸收氨基酸的光吸收2、两性解离和等电点、两性解离和等电点光谱分析证明光谱分析证明,氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-(-NHNH3 3+)形形式存在，羧基是以解离状态式存在，羧基是以解离状态(-(-COOCOO-)存在。存在。纯晶体状态CHCOOHH2NRCOO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷 0 加加 酸酸H+H+H+H总电荷“+”CHCOOHH3NRCOO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷 0 加加 碱碱OHOHOH总电荷“-”H2NH2Ow氨氨基基酸酸是是个个两两性性电电解解质质，既既可可进进行行酸酸解解离离也也可可进进行行碱碱解解离离，氨氨基基酸酸在在水水溶溶液液中中就就可可能能带带+电电或或-电电，以以及呈电中性，由溶液的及呈电中性，由溶液的pHpH值来决定。值来决定。正离子正离子正离子正离子 两性离子两性离子两性离子两性离子 负离子负离子负离子负离子 +pHpH pHpIpI 氨基酸的等电点氨基酸的等电点当当溶溶液液浓浓度度为为某某一一pHpH值值时时，氨氨基基酸酸分分子子中中所所含含的的-NHNH3 3+和和-COOCOO-数数目目正正好好相相等等，净净电电荷荷为为0 0。这这一一pHpH值值即即为为氨氨基基酸酸的的等等电电点点（pIpI）。在在等等电电点点时时，氨氨基基酸既不向正极也不向负极移动。酸既不向正极也不向负极移动。w侧链不含解离基团的中性氨基酸，其等电侧链不含解离基团的中性氨基酸，其等电点是它的点是它的p pK K1 1和和p pK K2 2的平均值：的平均值：pI=(pK1+pK2)/2 甘氨酸：（甘氨酸：（pK1=2.34）一羧基一羧基 （pK2=9.60）一氨基一氨基pI=(pK1+pK2)/2=5.97 w对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其p pI I值也决定值也决定于两性离子两边的于两性离子两边的p pK K值的平均值。值的平均值。w 酸性氨基酸：酸性氨基酸：pIpI=(pK=(pK1 1+pK+pK2 2 )/2)/2 谷氨酸（二羧基一氨基）谷氨酸（二羧基一氨基）w 碱性氨基酸：碱性氨基酸：pIpI=(pK=(pK2 2+p+pK K3 3 )/2)/2 赖氨酸（一羧基二氨基）赖氨酸（一羧基二氨基）pKpK1 1pKpK1 1pKpK2 2pKpK2 2pKpK3 3pKpK3 3答案：答案：中性氨基酸中性氨基酸pI一般为一般为6.0提问：为什么偏酸性？提问：为什么偏酸性？-COOH解离程度略大于解离程度略大于-NH2提问：酸性氨基酸的提问：酸性氨基酸的pI(更偏酸、更偏碱更偏酸、更偏碱）？）？更酸更酸（3.0 左左 右）右）碱性氨基酸碱性氨基酸pI更碱（更碱（7.610.7)(只只 有有 三三 种）种）提提 问：问：大多数氨基酸在中性（大多数氨基酸在中性（pH=7）时，时，带带 电？电？等电点的应用等电点的应用 w氨氨基基酸酸溶溶液液能能起起缓缓冲冲作作用用-pI区区发发挥挥最最大大的的缓缓冲冲作作用；用；w等电点时，氨基酸的等电点时，氨基酸的溶解度最小溶解度最小-氨基酸的分离；氨基酸的分离；w氨氨基基酸酸的的带带电电性性质质-电电泳泳或或离离子子交交换换法法分分离离混混合合氨氨基酸。基酸。3 3、氨基酸的化学反应、氨基酸的化学反应 氨基酸的化学反应主要是指它的氨基酸的化学反应主要是指它的-氨基和氨基和-羧基以及侧链上的功能团所参羧基以及侧链上的功能团所参与的那些反应，因此可以发生的反应很与的那些反应，因此可以发生的反应很多，以下介绍几种反应。多，以下介绍几种反应。亚硝酸盐反应亚硝酸盐反应烃基化反应烃基化反应酰化反应酰化反应脱氨基反应脱氨基反应西佛碱反应西佛碱反应成盐成酯反应成盐成酯反应成酰氯反应成酰氯反应脱羧基反应脱羧基反应叠氮反应叠氮反应侧链反应侧链反应(1)(1)与茚三酮反应与茚三酮反应用途用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。常用于氨基酸的定性或定量分析。-氨基和羧基共同参与的反应氨基和羧基共同参与的反应茚三酮茚三酮水合茚三酮水合茚三酮 所有的游离所有的游离氨基酸都有此反应，并产氨基酸都有此反应，并产生生蓝紫色物质蓝紫色物质，但脯氨酸与茚三酮反应产生的，但脯氨酸与茚三酮反应产生的为为黄色物质黄色物质。因为它们是亚氨基酸，反应不释。因为它们是亚氨基酸，反应不释放放NH3，而直接生成黄色物质。而直接生成黄色物质。应用：应用：比色分析（定量氨基酸）比色分析（定量氨基酸）、显色剂显色剂、气体分析气体分析法法 与与2 2，4 4二硝基氟苯（二硝基氟苯（DNFBDNFB）反应反应（2 2）SangerSanger反应反应 应用：该反应常用于多肽链或蛋白质的应用：该反应常用于多肽链或蛋白质的N-N-端氨基端氨基酸的分析。酸的分析。19531953年，年，SangerSanger大量使用该反应测定了牛胰岛素大量使用该反应测定了牛胰岛素的一级结构的一级结构(51(51个氨基酸个氨基酸)，所以该反应也称，所以该反应也称SangerSanger反反应。应。近近年年来来测测定定N-N-端端氨氨基基酸酸，广广泛泛使使用用5 5-二二甲甲氨氨基基萘萘磺磺酰酰氯氯。反反应应生生成成物物5 5-二二甲甲氨氨基基萘萘磺磺酰酰氨氨基基酸酸有有强强烈烈的的荧荧光。可用荧光光度计快速测定出来。而且灵敏度极高。光。可用荧光光度计快速测定出来。而且灵敏度极高。（2 2）SangerSanger反应反应与异硫与异硫氰氰酸苯酸苯酯酯（PITCPITC）的反的反应应(3)Edman反应反应（3 3）Edman反应反应 与异硫与异硫氰氰酸苯酸苯酯酯（PITCPITC）的反的反应应 在弱碱性条件下，氨基酸中的在弱碱性条件下，氨基酸中的-氨基与氨基与PITCPITC反应，反应，生成相应的生成相应的PTC-PTC-氨基酸，在无水酸中，氨基酸，在无水酸中，PTC-PTC-氨基酸环氨基酸环化成化成PTH-PTH-氨基酸。氨基酸。蛋白质蛋白质+PITC PITCPITC PITC蛋白质蛋白质末端末端PTH-PTH-氨基酸和比原来少一个氨基酸的多肽链。氨基酸和比原来少一个氨基酸的多肽链。层析法鉴定，确定层析法鉴定，确定 N-N-端氨基酸种类。端氨基酸种类。剩余的肽链可重复应用该法测定剩余的肽链可重复应用该法测定N-N-端的氨基酸，如端的氨基酸，如此可测出多肽链的氨基酸顺序。此可测出多肽链的氨基酸顺序。（3 3）Edman反应反应19501950年由年由EdmanEdman设计的，首先用来鉴定多肽设计的，首先用来鉴定多肽或蛋白质的或蛋白质的N-N-端氨基酸。后来人们根据该原端氨基酸。后来人们根据该原理设计出理设计出“多肽顺序自动分析仪多肽顺序自动分析仪”对氨基酸对氨基酸顺序自动分析顺序自动分析 w肽肽:一个氨基酸的一个氨基酸的-羧羧基和另一氨基酸的基和另一氨基酸的-氨基脱氨基脱水后形成的化合物叫做水后形成的化合物叫做肽肽w两个氨基酸形成的两个氨基酸形成的肽为肽为二二肽肽,二肽还有二肽还有-羧基与羧基与-氨基，还可以继续与其他氨基酸缩水形成三肽、四氨基，还可以继续与其他氨基酸缩水形成三肽、四肽等等肽等等。w多个氨基酸形成的肽叫多个氨基酸形成的肽叫多肽多肽，呈链状故又称，呈链状故又称多肽链。多肽链。第四节第四节 肽肽（peptide)一、一、肽和肽链的结构及命名肽和肽链的结构及命名 肽键肽键(酰胺键酰胺键)二二 肽肽 1.成肽反应成肽反应2 2、肽键、肽键3 3、氨基酸残基：、氨基酸残基：肽链中的氨基酸由于参加肽链的形肽链中的氨基酸由于参加肽链的形成，损失了成，损失了-NH2上的上的H和和-COOH上的上的-OH，称为称为氨基酸残基氨基酸残基，-HN-CH-CO-R4 4、N N端、端、C C端、肽的命名：端、肽的命名：肽肽有有开开链链肽肽和和环环链链肽肽之之分分，开开链链肽肽的的两两端端分分别别有有游游离离-NH2和和-COOH，带带自自由由氨氨基基的的一一端端为为N端端，带带自自由由羧基的一端为羧基的一端为C端端。肽肽的的命命名名：通通常常从从肽肽链链的的N端端开开始始，称称为为某某氨氨酰酰某某氨酰氨酰某氨酸某氨酸 如：如：H-Glu-Cys-Gly-OH 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸谷氨酰半胱氨酰甘氨酸1 1、谷胱甘肽、谷胱甘肽(GSH)GSH)：广泛地存在于动物、微生物的细广泛地存在于动物、微生物的细胞中，是一个重要的三肽，胞中，是一个重要的三肽，是某些酶的辅酶是某些酶的辅酶。二、重要的天然寡肽二、重要的天然寡肽参与体内氧化还原反应参与体内氧化还原反应保护巯基酶或含保护巯基酶或含Cys的蛋白质中的蛋白质中-SH的还原性的还原性 2 2、肽类激素、肽类激素促甲状腺素释放因子（促甲状腺素释放因子（TRH3肽）肽）促黄体生成激素释放抑制因子（促黄体生成激素释放抑制因子（LRH10肽）肽）生长激素释放抑制因子（生长激素释放抑制因子（GRIF14肽）肽）加压素（加压素（ADH9肽）肽）催产素（催产素（9肽）肽）促甲状腺素释放因子促甲状腺素释放因子 （TRH）短杆菌肽短杆菌肽S干扰素、胸腺肽是治疗乙肝、肿瘤的首选药干扰素、胸腺肽是治疗乙肝、肿瘤的首选药机理：机理：由受损细胞分泌促使其他细胞产生相由受损细胞分泌促使其他细胞产生相应的抗病毒蛋白质。应的抗病毒蛋白质。3、脑啡肽、脑啡肽 甲硫氨酸型（甲硫氨酸型（Met-脑啡肽）：脑啡肽）：HTyrGlyGlyPheMetOH 亮氨酸型亮氨酸型（Leu-脑啡肽）：脑啡肽）：HTyrGlyGlyPheLeuOH脑肽是人在受到突然伤害，脑垂体自然分泌脑肽是人在受到突然伤害，脑垂体自然分泌的的“鸦片鸦片”。有什么生物意义吗？有什么生物意义吗？不受疼痛的干扰，迅速自救。不受疼痛的干扰，迅速自救。蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式结蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式结合而成的生物大分子。合而成的生物大分子。蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在子量在60006000道尔顿以上的多肽称为道尔顿以上的多肽称为蛋白质蛋白质。第五节第五节 蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的结构 分四层次探讨分四层次探讨一级结构一级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一、一级结构（线性结构）一、一级结构（线性结构）蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(primary structure)指它的指它的蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序。首首首首 N 端（端（“H”）末末末末C端（端（“OH”）其中的氨基酸称其中的氨基酸称 氨基酸残基氨基酸残基(NHCO)R 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(Primary structure)包括包括:（1 1）多肽链的氨基酸顺序和数目；）多肽链的氨基酸顺序和数目；（2 2）多肽链内或链间二硫键）多肽链内或链间二硫键disulfide bond的的数目和位置。数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。白质生物功能的基础。1、二硫键二硫键 由肽链中相应部位上两个半胱氨酸残基脱氢由肽链中相应部位上两个半胱氨酸残基脱氢连接而成的连接而成的 Mw=5734；由由A（21个个AA，11种种），B（30AA，16种种）组组成成，并并通通过过Cys连连结结两两对对-S-S-；A链链第第6和和11的的Cys通通过过-S-S-连连接成链内小环。接成链内小环。2019我国我国19651965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种白质就是这种牛胰岛素牛胰岛素。w 二二 硫硫 键键 提问：提问：维持蛋白质一级结构的作用力是维持蛋白质一级结构的作用力是?键。键。答案：答案：肽键、二硫键（都属于共价键）肽键、二硫键（都属于共价键）二二 硫硫 键键H2 半胱氨酸半胱氨酸 半胱氨酸半胱氨酸 胱氨酸胱氨酸二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构 （三维构象，高级结构或立体结构三维构象，高级结构或立体结构）定义：定义：指蛋白质分子中所有原子在三维空间排指蛋白质分子中所有原子在三维空间排列分布和肽链的走向。列分布和肽链的走向。一个具有生物活性的蛋白质多肽链在一定条件一个具有生物活性的蛋白质多肽链在一定条件下往往只有一种或很少的几种构象。下往往只有一种或很少的几种构象。为什么？为什么？主要是因为肽链结构的高度共振稳定性。主要是因为肽链结构的高度共振稳定性。肽平面肽平面多肽链折叠的空间限制多肽链折叠的空间限制 1 1、肽肽键键CONH带带有有双双键键的的性性质质，主主链链上上1/31/3的键不能自由旋转的键不能自由旋转2 2、不是任意二面角（、不是任意二面角（，）所决定的肽链所决定的肽链构象都是立体化学所允许的构象都是立体化学所允许的3 3、二个肽平面旋转时受到、二个肽平面旋转时受到C C原子上侧链原子上侧链R R基空间位阻的影响基空间位阻的影响 影响程度受影响程度受R R侧链基团的性质（大小、亲水性、电荷相侧链基团的性质（大小、亲水性、电荷相吸和排斥）等。吸和排斥）等。（一）二级结构（一）二级结构(secondary structure)secondary structure)蛋白质多肽链本身的折叠与盘绕方式蛋白质多肽链本身的折叠与盘绕方式。包包括括-螺螺旋旋、-折折叠叠片片、-转转角角、自自由由回回转转等等几种方式。几种方式。1 1 1 1、-螺旋螺旋螺旋螺旋(-helix)-helix)-helix)-helix)（最常见的二级结构形式）（最常见的二级结构形式）w螺旋是肽链的盘绕形式螺旋是肽链的盘绕形式w有左右手之分有左右手之分-螺旋(a)a)理想的右理想的右-螺旋。螺旋。(b)b)右右 -螺旋螺旋 (c)c)左左 -螺旋螺旋 。天然蛋白质大部分为右手螺旋；天然蛋白质大部分为右手螺旋；w-螺旋结构模型特点：螺旋结构模型特点：w螺旋样盘卷前进螺旋样盘卷前进,3.6个个AA/螺圈螺圈,上升上升0.54 nm；AA间的距离为间的距离为0.15 nm;wAA侧链向外，螺旋稳定性靠侧链向外，螺旋稳定性靠氢键氢键维系维系 w蛋白质中的蛋白质中的-螺旋几乎为右手螺旋几乎为右手-螺旋。螺旋。问：问：5.4 nm含几个氨基酸残基含几个氨基酸残基,螺旋上升几圈？螺旋上升几圈？36个，个，10圈圈 O（氢氢 键键）H C（NHCHCO）3 3N R 氢键由同一条肽链内每每 3个个 氨基酸残基的氨基酸残基的两个肽键衍生两个肽键衍生而来，即而来，即每个氨基酸残基的每个氨基酸残基的N-HN-H与前面隔与前面隔3 3个氨基酸残基个氨基酸残基的的C=OC=O形成的。形成的。-helixhelix何时不稳定何时不稳定?R基团带同种电荷基团带同种电荷;pH=7时，多聚时，多聚Lys或多聚或多聚Glu；R基团较大时造成空间位阻，如基团较大时造成空间位阻，如Ile；多多肽肽链链中中有有Pro或或Hyp，-helix中中断断，产产生生结结节节kink;它它改改变变多多肽肽链链的的方方向向，并并终终止螺旋止螺旋。2 2、-折叠折叠(-pleated sheet)-pleated sheet)-折叠是多肽链的折叠形式，折叠是多肽链的折叠形式，两条或多条几乎两条或多条几乎完完全伸展全伸展的的平行平行肽链通过链间的氢键交联而形成的。肽链通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象肽链的主链呈锯齿状折叠构象提问：这种氢键与提问：这种氢键与-螺旋中的氢键有何不同呢？螺旋中的氢键有何不同呢？答案：形成氢键的答案：形成氢键的N N、O O归属于不同的肽链。归属于不同的肽链。折叠片折叠片平行式平行式反平行反平行式式3.3.转角转角(turn)turn)作用力作用力肽键衍肽键衍生来的氢键生来的氢键 O（氢氢 键键）H C（NHCHCO）2 2N R在在-转角部分，由四个氨基酸残基组成转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O C=O 和第和第四个残基的四个残基的 N-H N-H 之间形成氢键，形成一之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。个不很稳定的环状结构。主要存在于球状蛋白分子中。主要存在于球状蛋白分子中。没有一定规律的松散的肽链结构没有一定规律的松散的肽链结构作用力弱作用力弱4、自由回转、自由回转(random coil)-螺旋螺旋-折叠片折叠片-转角转角自由回转自由回转w 维持蛋白质二级结构的作用力是维持蛋白质二级结构的作用力是？w 氢键氢键w 纤维状蛋白只有二级结构，例如：毛发、角、甲纤维状蛋白只有二级结构，例如：毛发、角、甲（二）（二）三级结构三级结构（Tertiary structure)Tertiary structure)定义：定义：多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、螺旋、折叠片、折叠片、转角转角等二级结构相互配置而形成特定等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。空间上的重新排布。维持蛋白质的三级结构的稳定因素？维持蛋白质的三级结构的稳定因素？举例：举例：鲸的肌红蛋白鲸的肌红蛋白肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构整个分子只有一条肽链组成的蛋白质必须具备三级结整个分子只有一条肽链组成的蛋白质必须具备三级结构才有生物活性，多肽链蛋白中的每条肽链若单独存构才有生物活性，多肽链蛋白中的每条肽链若单独存在，纵使具有三级结构也无生物活性，只有整个分子在，纵使具有三级结构也无生物活性，只有整个分子具有完整四级才有生物活性。具有完整四级才有生物活性。三级结构三级结构:核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41(三三)四级结构（四级结构（Quatermary structure)1 1、定义：、定义：指指由由相相同同或或不不同同的的称称作作亚亚基基（subunit）的的亚亚单单位位按按照照一一定定排排布布方方式式聚聚合合而而成成的的蛋蛋白白质质结结构构，维维持持四四级级结结构构稳稳定定的的作作用用力力是是疏疏水水键键、离离子子键键、氢氢键键、范范德华力。德华力。亚亚基基本本身身都都具具有有球球状状三三级级结结构构，一一般般只只包包含含一一条条多多肽肽链链，也也有有的的由由二二条条或或二二条条以以上上由由二二硫硫键键连连接接的的肽链组成。肽链组成。2、血红蛋白的四级结构：、血红蛋白的四级结构：亚基的数目亚基的数目4条条 种类种类2种种亚基的立体分布亚基的立体分布球形球形亚基的相互作用亚基的相互作用次级键次级键血红蛋白血红蛋白亚基单独没有生物功能亚基单独没有生物功能四亚基两两相同，分别称四亚基两两相同，分别称为为1、2、1、2；血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构每条链都以每条链都以非共价键与非共价键与一个血红素一个血红素辅基相连辅基相连 卟啉铁卟啉铁三三、维系蛋白质的结构的作用力维系蛋白质的结构的作用力一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键）一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键）二级结构：氢键（主链上二级结构：氢键（主链上C=OC=O和和NHNH之间形成）之间形成）三、四级结构：二硫键、次级键（氢键、疏水键、疏三、四级结构：二硫键、次级键（氢键、疏水键、疏水键、离子键、范得华力、配位键）水键、离子键、范得华力、配位键）键键 能能肽键肽键 二硫键二硫键离子键 氢键氢键疏水键疏水键 范德华力范德华力 3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称这四种键能远小于共价键，称次级键次级键问题：问题：次级键微弱但却是维持蛋白质高级结构中主次级键微弱但却是维持蛋白质高级结构中主要的作用力，原因何在要的作用力，原因何在?数量巨大数量巨大数量巨大数量巨大维持蛋白质分子构象的作用力维持蛋白质分子构象的作用力多肽链多肽链第六节第六节 蛋白质分子结构与功能关系蛋白质分子结构与功能关系 （研究热点）（研究热点）一、蛋白质的一级结构与功能的关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系（一）（一）一级结构的种属差异与分子进化一级结构的种属差异与分子进化 同源同源蛋白蛋白质质：指不同有机体中实现同一功能的蛋白质指不同有机体中实现同一功能的蛋白质 不变残基、可变残基不变残基、可变残基 顺序同源性：顺序同源性：同源蛋白质中氨基酸序列中的这种相似性。同源蛋白质中氨基酸序列中的这种相似性。例如：例如：胰胰岛岛素和素和细细胞色素胞色素C C 蛋白质的进化蛋白质的进化 构建系统进化树构建系统进化树不同生物与人的不同生物与人的CytcCytc的的AAAA差异数目差异数目生物生物 与人不同的与人不同的AAAA数目数目黑猩猩黑猩猩 0恒河猴恒河猴 1兔兔 9袋鼠袋鼠 10牛、猪、羊、狗牛、猪、羊、狗 11马马 12鸡、火鸡鸡、火鸡 13响尾蛇响尾蛇 14海龟海龟 15金枪鱼金枪鱼 21角饺角饺 23小蝇小蝇 25蛾蛾 31小麦小麦 35粗早链孢霉粗早链孢霉 43酵母酵母 44 不不同同生生物物来来源源的的细细胞胞色色素素c c中中不不变变的的AAAA残残基基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素血红素细胞色素细胞色素c c分子的空间结构分子的空间结构不变不变的的AAAA残基残基 35个不变的个不变的AA残基，是残基，是Cyt C 的生物功能所不的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与可能参与电子传递；有的可能参与“识别识别”并结合并结合细胞色素还原酶和氧化酶。细胞色素还原酶和氧化酶。真菌真菌两栖类两栖类植物植物哺乳动物哺乳动物鸟类鸟类昆虫昆虫爬行类爬行类细细胞胞色色素素C的的进进化化系系统统树树（二）一（二）一级结级结构的构的变变异与分子病异与分子病 血血红红蛋白的一蛋白的一级结级结构构变变化而引起化而引起镰镰刀型刀型贫贫血病血病镰刀状贫血病镰刀状贫血病血液中大量出现镰刀红细胞，患者血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息因此缺氧窒息正常细胞正常细胞 镰刀形细胞镰刀形细胞w它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。The elongated cells tend to block capillaries,The elongated cells tend to block capillaries,causing inflammation and considerable pain causing inflammation and considerable pain 正常型正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-链链 谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸镰刀型镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys-链链 缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸谷氨酸（极性）谷氨酸（极性）缬氨酸（非极性）缬氨酸（非极性）w 球状为何变为镰刀形？球状为何变为镰刀形？由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质整个蛋白质由球状变为镰刀形由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失，与氧结合功能丧失，导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 血红蛋白血红蛋白氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），空间结氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），空间结构相似构相似说明空间构象决定功能说明空间构象决定功能二、二、空间结构与功能的关系空间结构与功能的关系（一）（一）蛋白质的功能取决于天然的空间构象蛋白质的功能取决于天然的空间构象例如：例如：核糖核酸酶核糖核酸酶 功能恢复功能恢复功能丧失功能丧失天然构象天然构象 无规则线团无规则线团8mol/L尿素、巯基乙醇尿素、巯基乙醇氧氧 化、透化、透 析析天然构象天然构象无规线团无规线团天然构象天然构象Dialysis8 mol/L Urea and -mercapotoethanol变性变性复性复性证明了蛋白质的功能取决于特定的天然构象，而规定证明了蛋白质的功能取决于特定的天