第一篇

生物分子結構與功能蛋白質的結構與功能第一章StructureandFunctionofProtein2023/2/63什么是蛋白質?蛋白質(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。2023/2/64蛋白質研究的歷史1833年，從麥芽中分離淀粉酶；隨后從胃液中分離到類似胃蛋白酶的物質。1864年，血紅蛋白被分離并結晶。19世紀末，證明蛋白質由氨基酸組成，并合成了多種短肽。20世紀初，發現蛋白質的二級結構；完成胰島素一級結構測定。2023/2/6520世紀中葉，各種蛋白質分析技術相繼建立，促進了蛋白質研究迅速發展；1962年，確定了血紅蛋白的四級結構。20世紀90年代，功能基因組與蛋白質組研究的展開。2023/2/66蛋白質的生物學重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。1.蛋白質是生物體重要組成成分2023/2/67作為生物催化劑（酶）代謝調節作用免疫保護作用物質的轉運和存儲運動與支持作用參與細胞間信息傳遞2.蛋白質具有重要的生物學功能3.氧化供能蛋白質的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節2023/2/69組成蛋白質的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘。2023/2/610

各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量(g%)=每克樣品含氮克數×6.25×1001/16%蛋白質元素組成的特點2023/2/611三聚氰胺2023/2/612一、組成人體蛋白質的20種L--氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。2023/2/613H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H2023/2/614根據側鏈結構和理化性質：非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸的分類2023/2/615(一)非極性脂肪族氨基酸2023/2/616(二)極性中性氨基酸2023/2/617(三)芳香族氨基酸2023/2/618(四)酸性氨基酸2023/2/619(五)堿性氨基酸幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH22023/2/620半胱氨酸

+胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH32023/2/6212023/2/622三、20種氨基酸的理化性質兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。

等電點(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。（一）氨基酸具有兩性解離的性質pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子

陽離子陰離子2023/2/623（二）氨基酸具有紫外吸收性質色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收2023/2/6242023/2/625（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。茚三酮反應水合茚三酮還原茚三酮

藍色物質2023/2/6262023/2/627四、氨基酸通過肽鍵連接形成蛋白質肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽

(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵2023/2/6282023/2/629肽鍵中羰基與亞氨基成反式結構 羰基氧帶有部分負電荷，亞氨基氮帶有部分正電荷，形成一個偶極子。實際上，在蛋白質中，所有的肽鍵都是以反式構型存在的。2023/2/630肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。2023/2/631N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-羧基的一端多肽鏈有兩端：多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。2023/2/632

肽鏈或稱多肽鏈由一些規則的重復的部分，叫做主鏈，和一些可變的部分，不同的側鏈,組成。主鏈有時也稱骨架。多肽鏈具有方向性，因為它的構成單位具有不同的末端，即α-氨基和α-羧基。根據常規，以氨基端（N端）作為一條肽鏈的起點。一條肽鏈中的氨基酸的順序，在書寫時，應從氨基端(N端）殘基開始。N末端C末端牛核糖核酸酶2023/2/633

蛋白質是由許多氨基酸殘基組成、折疊成特定的空間結構、并具有特定生物學功能的多肽。一般而論，蛋白質的氨基酸殘基數通常在50個以上，50個氨基酸殘基以下則仍稱為多肽。（二）體內存在多種重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)2023/2/635GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉換2023/2/636

體內許多激素屬寡肽或多肽

神經肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經肽2023/2/637蛋白質的分子結構

TheMolecularStructureofProtein

第二節2023/2/639蛋白質的分子結構包括:

高級結構一級結構(primarystructure)二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)2023/2/640定義:蛋白質的一級結構指蛋白質分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、氨基酸的排列順序決定蛋白質的一級結構主要的化學鍵:肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。

一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎，但不是決定蛋白質空間構象的唯一因素。2023/2/642二、多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質二級結構指蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。

定義:

主要的化學鍵：氫鍵

2023/2/643（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元(peptideunit)。2023/2/6462023/2/647

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉角(-turn)

無規卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋是常見的蛋白質二級結構蛋白質二級結構

-螺旋2023/2/649α-螺旋的結構特點

多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm;肽鏈內形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。蛋白質分子為右手螺旋。2023/2/650（三）-折疊使多肽鏈形成片層結構2023/2/652β-折疊片層（或簡稱β-折疊；β-pleatedsheet）

多肽鏈充分伸展，每個肽單元以Cα為旋轉點，依次折疊成鋸齒狀結構，氨基酸殘基側鏈交替地位于鋸齒狀結構的上下方。

兩條以上肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段的鋸齒狀結構可平行排列，其走向可相同也可相反，并通過鏈間的氫鍵穩固各自的β

-折疊結構。2023/2/653平行2023/2/654反向平行（四）-轉角和無規卷曲在蛋白質分子中普遍存在-轉角2023/2/656β-

轉角（β-turn；β-bend)

β-

轉角通常由四個氨基酸組成，其第一個氨基酸的羰基與第四個氨基酸的亞氨基形成氫鍵。第二個殘基常為脯氨酸，其他常見的殘基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸。2023/2/6572023/2/658無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。2023/2/659（五）二級結構可組成蛋白質分子中的模體在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規則的二級結構組合，被稱為超二級結構。二級結構組合形式有3種：αα，βαβ，ββ。2023/2/6602023/2/661蛋白質分子中具有特定空間構象和特定功能的結構成分稱為模體(motif)

。其中一類就是具有特殊功能的超二級結構。鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體鋅指結構2023/2/663三、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的化學鍵:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。（一）定義2023/2/665

肌紅蛋白(Mb)N端C端2023/2/666肌紅蛋白(myoglobin，Mb)纖連蛋白分子的結構域（二）結構域是三級結構層次上的獨立功能區分子量較大的蛋白質常可折疊成多個結構較為緊密的區域，并各行其功能，稱為結構域(domain)。2023/2/668大多數結構域含有序列上連續的100至200個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結構域的蛋白質常分解出獨立的結構域，而各結構域的構象可以基本不改變，并保持其功能。超二級結構則不具備這種特點。因此，結構域也可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，有較為獨立的三維空間結構。3-磷酸甘油醛脫氫酶亞基的結構示意圖2023/2/670亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質的四級結構蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構。許多功能性蛋白質分子含有兩條或兩條以上多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基(subunit)。亞基與亞基之間呈特定的三維空間排布，并以非共價鍵相連。2023/2/671由2個亞基組成的蛋白質四級結構中，若亞基分子結構相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結構不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。血紅蛋白的四級結構2023/2/672五、蛋白質的分類根據蛋白質組成成分:單純蛋白質結合蛋白質=蛋白質部分+非蛋白質部分根據蛋白質形狀:纖維狀蛋白質球狀蛋白質蛋白質結構與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節（一）一級結構是空間構象的基礎一、蛋白質一級結構是高級結構與功能的基礎牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵

天然狀態，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態，無活性2023/2/676（二）一級結構相似的蛋白質具有相似的高級結構與功能胰島素氨基酸殘基序號(?)A5A6A10A30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息一些廣泛存在于生物界的蛋白質如細胞色素(cytochromeC)，比較它們的一級結構，可以幫助了解物種進化間的關系。2023/2/678（四）蛋白質的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·····C(146)

這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。2023/2/6792023/2/680肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結構

二、蛋白質的功能依賴特定空間結構（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似2023/2/6812023/2/6822023/2/6832023/2/684肌紅蛋白(myoglobin，Mb)2023/2/6852023/2/686肌紅蛋白(myoglobin，Mb)肌紅蛋白是一個只有三級結構的單鏈蛋白質，有8段α-螺旋結構。血紅素分子中的兩個丙酸側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結合，所以血紅素輔基與蛋白質部分穩定結合。2023/2/687血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結構，每個亞基可結合1個血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結合而形成親水的球狀蛋白。脫氧Hb亞基間和亞基內的鹽鍵2023/2/689Hb與Mb一樣能可逆地與O2結合，Hb與O2結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基與氧結合肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線2023/2/691協同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現象，稱為協同效應。如果是促進作用則稱為正協同效應

(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協同效應(negativecooperativity)血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。2023/2/694別構效應(allostericeffect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為別構效應。2023/2/695（三）蛋白質構象改變可引起疾病蛋白質構象疾病：若蛋白質的折疊發生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發生。2023/2/696蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。2023/2/697瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病瘋牛病中的蛋白質構象改變第四節蛋白質的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein2023/2/699一、蛋白質具有兩性電離的性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)2023/2/6100二、蛋白質具有膠體性質蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內。顆粒表面電荷水化膜蛋白質膠體穩定的因素:2023/2/6101+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－