第一篇生物大分子的結構與功能蛋白質結構與功能

重慶醫科大學基礎醫學院生化與分子生物學教研室劉先俊

什么是蛋白質？蛋白質(protein)是由許多氨基酸（aminoacid)通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物。蛋白質的生物學重要性1.蛋白質是構成生物體的基本成分占人體干重45%，細胞70%2.蛋白質具有多樣性的生物學功能1）作為生物催化劑2）代謝調節功能

3）免疫保護功能4）物質的轉運和儲存功能5）運動與支持6）參與細胞間信息傳遞一、蛋白質的分子組成（一）蛋白質的元素組成1、主要元素：碳（50%-55%）、氫（6%-8%）、氧（19%-24%）、氮（13%-19%）；次要元素：硫、磷、鐵、錳、鋅、碘。2、蛋白質元素組成的特點基于：各種蛋白質的含氮量很接近：平均為16%；體內的含氮物質以蛋白質為主。則可通過測N→測Pr。即每克樣品蛋白質的含量=每克樣品的含氮量×6.25知識拓展三聚氰胺（C3H6N6）--------毒奶粉事件元兇IUPAC命名：1,3,5-三嗪-2,4,6-三氨基

由于三聚氰胺含有6個非蛋白氮，但其被混入食品后，待測樣品可以被測出較高的氮含量，從而推算出較高的蛋白質含量。三聚氰胺進入人體后反應生成三聚氰酸，三聚氰酸和三聚氰胺形成大的網狀結構，導致結石。（二）、組成蛋白質的基本單位——氨基酸1、氨基酸（AA）的通式

2、特點：（1）20種基本氨基酸中，除脯氨酸為亞氨基酸外，其余19種均符合通式；（2）除甘氨酸的R基為H外，其余19種α-碳原子為不對稱碳原子，有L、D型之分，但組成人體蛋白質的氨基酸均為L型；（3）不同氨基酸的側鏈基團不同。非極性疏水性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氨基酸可根據側鏈結構和理化性質進行分類側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性疏水性（脂肪族）氨基酸（6種）側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸（6種）側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸（3種）側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸（2種)側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸(3種）幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2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-+NH33、氨基酸的性質1）兩性電離性質pH=pI

凈電荷=0

pH<pI凈電荷為正pH>pI凈電荷為負CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++

OH-+H++

OH-(pK′1)(pK′2)

當氨基酸溶液在某一pH值時，其所帶正負電荷相等，成為兩性離子，在電場中既不向陽極也不向陰極移動，此時溶液的pH值就稱為該氨基酸的等電點(isoelectricpoint)。2）紫外吸收特性

A280nm

3）茚三酮反應：可做氨基酸的定性、定量測定。（三）多肽的結構1、肽鍵與肽肽鍵(peptidebond)：由一個氨基酸的α-氨基與另一個氨酸的α-羧基脫水縮合生成的化學鍵(酰胺鍵）。肽鍵肽peptide：AA通過肽鍵相連形成的化合物(二肽、三肽、寡肽和多肽)。寡肽oligopeptide：

一般10肽以下多肽polypeptide：

一般10肽以上多肽鏈：由許多氨基酸借肽鍵相互連接而成的一種結構。氨基酸殘基：多肽鏈中的氨基酸，由于參與肽鍵的形成，已非原來完整的分子，稱為氨基酸殘基。多肽鏈有兩端：

N末端、C末端N末端C末端牛核糖核酸酶生物活性肽

類別：激素、抗菌素、輔助因子實例：谷胱甘肽(glutathione)多肽類激素

-天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯（甜味劑）谷胱甘肽

谷胱甘肽在體內參與氧化還原過程，作為某些氧化還原酶的輔因子，或保護巰基酶，或防止過氧化物積累。體內許多激素屬寡肽或多肽如促甲狀腺素釋放激素（3肽）、催產素（9肽）等。

神經肽：在腦內用于傳遞神經信號的肽類如腦啡肽（5肽）、P物質（10肽）等。多肽類激素及神經肽蛋白質的分子結構蛋白質的一級結構蛋白質的二級結構蛋白質的三級結構高級結構蛋白質的四級結構（空間構象）

由一條肽鏈形成的蛋白質只有一、二、三級結構，由二條或二條以上多肽鏈形成的蛋白質才可能有四級結構。二、蛋白質的分子結構（一）蛋白質分子的一級結構1、一級結構：指蛋白質多肽鏈中氨基酸的組成及排列順序。2、一級結構維系鍵：主要是肽鍵。3、重要性：是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。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。（二）蛋白質分子的空間構象

蛋白質的構象指蛋白質分子中原子和基團在三維空間上的排列、分布及肽鏈的走向。

蛋白質分子的構象可分為二、三、四級結構。維持蛋白質構象的化學鍵：次級鍵（副鍵），由蛋白質分子的主鏈和側鏈上的極性、非極性和離子基團等相互作用而形成的。

如：氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力、配位鍵。1.蛋白質的二級結構（1）概念：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。主鏈與側鏈由肽鍵和α-碳原子構成的多肽鏈骨架稱為主鏈，伸展在外的R基團稱為側鏈。主要維系鍵：氫鍵（2）主要形式：α-螺旋β-折疊β-轉角有序非重復結構，又稱無規則卷曲α-螺旋結構特點：①右手螺旋：3.6AA/圈，螺距0.54nm。②氫鍵維系（形成于每個肽鍵的N-H和第四個肽鍵的羰基氧之間）。③側鏈伸向螺旋外側。④側鏈基團影響螺旋的形成和穩定。

(帶同種電荷，側鏈大的R基或Pro存在均妨礙α-螺旋形成)β-折疊

β－轉角

特征：多肽鏈中氨基酸殘基n的羰基上的氧與殘基（n+3）的氮原上的氫之間形成氫鍵，肽鍵回折1800。無規則卷曲示意圖無規則卷曲細胞色素C的三級結構無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。（3）超二級結構蛋白質分子中，由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，稱為超二級結構。基本結合形式有:αα，ββ，βαβ。模體(motif)是具有特殊功能的超二級結構Ca-BindingMotifinCaMZn-FingerMotif模體：蛋白質分子中α-螺旋、β-折疊、β-轉角等組合在一起，彼此相互作用，形成有規則的二級結構組合體，往往具有特定功能。2.蛋白質的三級結構（1）概念:整條肽鏈中所有原子或基團的空間排布稱為蛋白質的三級結構，即多肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。（2）維系鍵:疏水作用、離子鍵、氫鍵、VanderWaals力等次級鍵。三級結構的特征：

含多種二級結構單元；

有明顯的折疊層次；

是緊密的球狀或橢球狀實體；

分子表面有一空穴(活性部位)；

疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在分子表面。（3）結構域是三級結構層次上的局部折疊一些較大的蛋白質分子，其三級結構中具有兩個或多個在空間上可明顯區別的局部區域，這些相對獨立的區域稱為結構域(domain)。（4）三級結構的重要性：三級結構形成后，蛋白質分子才形成固有的分子形狀；才具有親水膠體的特性；功能蛋白質的活性部位得以形成并表現出相應的生物學活性。核糖核酸酶三級結構示意圖N

His12CHis119Lys413.蛋白質的四級結構（1）概念:蛋白質分子中各個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。蛋白質分子中每條具獨立三級結構的多肽鏈稱為亞基。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，若亞基分子結構不同，則稱之為異二聚體。（2）維系鍵:疏水鍵、氫鍵、離子鍵等次級鍵。Hemoglobin（三）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三、蛋白質結構與功能的關系（一）蛋白質的一級結構與功能的關系1.一級結構是空間構象的基礎2.一級結構是功能的基礎（1）一級結構中“關鍵”部分相同,其功能相同。如：不同動物來源的胰島素（2）一級結構不同，生物學功能各異。如：催產素與加壓素

SS加壓素H2N半胱酪苯丙谷胺天胺半胱脯精甘催產素H2N…………異亮………亮…………