第3章蛋白質

Proteins1/49本章主要內容

蛋白質在生命活動中主要作用蛋白質組成單位——氨基酸蛋白質化學結構和高級結構多肽、蛋白質結構與功效關系蛋白質理化性質和分離與判定

2/491.蛋白質在生命活動中主要作用

生物催化作用：酶運輸作用：如血紅蛋白、轉鐵蛋白調整作用：如胰島素、生長激素運動作用：如肌動蛋白和肌球蛋白防御功效：如免疫球蛋白、凝血因子營養功效：如卵清蛋白、酪蛋白結構蛋白：如膠原蛋白、角蛋白能量轉換蛋白：如細胞色素基因調整蛋白：如阻遏蛋白1.1蛋白質在機體內生物學功效3/49按形狀可將蛋白質分為：纖維狀蛋白質：多為結構蛋白。球狀蛋白質：含有廣泛生物學功效。如酶、蛋白類激素等。按結構和功效可將蛋白質分為：簡單蛋白（simpleprotein）：僅有蛋白質組成、結構簡單蛋白質。結合蛋白（conjugatedprotein）：在蛋白質分子中除了含有氨基酸成分外，還要有其它成份存在，才能確保其正常生物活性蛋白質。分子中包含蛋白質和非蛋白質兩部分。1.2蛋白質分類4/492.蛋白質化學組成2.1蛋白質元素組成

全部蛋白質均含有：

C50%-55%H6%-8%O20%-23%N15%-17%一些蛋白質含有：S0.3%-2.5%以及P少數蛋白質含有：Fe,Cu，Zn，Mo和I等元素蛋白質中N平均含量約16%，所以食物與飼料中蛋白質含量能夠經過凱氏定N（Kjeldahl法）進行大致預計。5/492.2蛋白質基本結構單位——氨基酸2.2.1氨基酸基本結構和構型存在于自然界氨基酸有300種。動物機體蛋白質經強酸水解之后能夠得到20種氨基酸，而且均為L-氨基酸（除了甘氨酸），含不對稱α-碳原子。它們之間差異在于有不一樣側鏈基團R。氨基酸結構通式氨基酸與甘油醛構型6/492.2.2組成蛋白質20種氨基酸

7/498/499/4910/4911/492.2.3氨基酸分類

在中性pH條件下按其R側鏈極性和所帶電荷不一樣，分為四大類,

不帶電荷極性氨基酸：Gly,Ser,Thr,Cys,Thr,Asn,Gln

帶負電荷極性氨基酸：Asp,Glu

帶正電荷極性氨基酸：His,Arg,Lys

非極性氨基酸：Ala,Val,Leu,Ile,Pro,Phe,Trp,Met

12/49含非極性側鏈基團含極性側鏈基團Ser,SThr,TCys,CPro,PAsn,NGln,QGly,GAla,AVal,VLeu,LMet,MIle,I13/49含芳香基團

含堿性側鏈基團（帶正電荷）

Phe,F;Tyr,Y;Trp,WLys,K;Arg,R;His,H14/49含酸性側鏈基團（帶負電荷）

Asp,D;Glu,E15/492.2.4氨基酸主要理化性質

各種氨基酸在可見區都沒有光吸收。在紫外光區芳香族氨基酸在280nm處有最大吸收峰（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸最大吸收波長分別為279、278、259nm）

光吸收特征16/49

氨基酸兩性解離氨基酸分子在水溶液中呈兩性離子狀態，在其等電點時，氨基酸所帶正、負電荷相等，凈電荷為零。17/49

氨基酸等電點

對某一個氨基酸而言，當溶液在某一個特定pH，氨基酸以兩性離子形式存在，而且其所帶正電荷數與負電荷數相等，即凈電荷為零。在直流電場中，它既不向正極，也不向負極移動。此時溶液pH稱為這種氨基酸等電點（pI）。比如，甘氨酸羧基pK1為2.34，氨基pK2為9.60，其pI為5.97。18/493.蛋白質化學結構和高級結構

3.1肽鍵（peptidebond）和肽（peptide）

肽鍵：指蛋白質分子中，由一個氨基酸α-COOH和另一個氨基酸α-NH2之間脫水縮合而成酰胺鍵，它是蛋白質結構中主要共價鍵。肽：由肽鍵形成化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）19/49多肽（polypeptide）和多肽鏈（polypeptidechain）

在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定次序排列，這種排列次序稱為氨基酸序列，多肽鏈上不完整氨基酸，稱為氨基酸殘基(aminoacidresidue)

上圖為：絲氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-異亮氨酸（N-端）（C-端）20/493.2肽單位平面與二面角

肽平面（peptideplane）：肽鏈主鏈肽鍵C-N含有雙鍵性質，因而不能自由旋轉，使連接在肽鍵上六個原子共處于一個平面上，此平面稱為肽單位平面，又稱酰胺平面。通常是反式。

21/49二面角（dihedralangle）：肽平面連接處為α碳原子。它與相鄰兩個參加肽鍵形成C和N原子之間單鍵能夠在一定范圍內轉動，Cα-N之間稱φ角，在Cα-C之間稱ψ角，這就是α-碳原子上一對二面角。這對二面角決定了相鄰肽平面相對位置。

相鄰二個肽平面上二面角22/493.3蛋白質一級結構

一級結構（primarystructure）：即蛋白質化學結構，是指多肽鏈上各種氨基酸殘基種類和排列次序，也包含二硫鍵數目。

牛胰島素一級結構：51個氨基酸，A（21肽）、B（30肽）兩條肽鏈，A鏈內一對S-S，A和B鏈間2對S-S23/493.4蛋白質高級結構

指一條或數條多肽鏈上全部原子和基團在三維空間上排布，即構象（conformation）或空間結構。構象由單鍵旋轉產生各種立體結構，而構型（configuration）是經過改變共價鍵形成結構。蛋白質高級結構由顯著結構層次。一級結構是空間結構基礎。24/49（1）非共價鍵氫鍵離子鍵范德瓦爾力疏水作用（2）S-S鍵

維持蛋白質空間結構中主要化學鍵25/493.4.1蛋白質結構層次

蛋白質結構極其復雜，但含有顯著結構層次一級結構（多肽鏈上氨基酸排列次序）二級結構（多肽鏈主鏈骨架局部空間結構）超二級結構（二級結構單位集合體）結構域（多肽鏈上能夠顯著區分球狀區域）三級結構（多肽鏈上全部原子和基團空間排布）四級結構（由球狀亞基或分子締合而成集合體）

26/49蛋白質主要結構層次27/493.4.2二級結構

二級結構（secondarystructure）：指多肽鏈主鏈在一級結構基礎上深入盤旋或折疊，形成周期性構象，維系二級結構力是氫鍵。

二級結構主要形式有：α-螺旋、β-折疊、β-轉角、無規卷曲

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α-螺旋（α-helix）是在角蛋白中最常見構象，為右手螺旋。每圈螺旋3.6個氨基酸殘基。側鏈基團R在螺旋外側。主鏈內部形成H-鍵，不包括側鏈R。經典α-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6個氨基酸，跨越13個原子。29/49

β-折疊（β-sheet）平行結構反平行結構存在于絲心蛋白、角蛋白。呈平行和反平行比較伸展構象。主鏈之間形成H鍵，側鏈基團R交替地位于片層上、下。30/49

β-轉角（β-turn）肽鏈1800回折

無規卷曲（randomcoil）兩種主要類型β-轉角

指蛋白質肽鏈中沒有確定規律性那部分肽段構象。

31/493.4.3超二級結構

超二級結構（supersecondarystructure）：在蛋白質中經常存在由若干相鄰二級結構單元按一定規律組合在一起，形成有規則二級結構集合體，超二級結構又稱基序或模體（motif）四種類型超二級結構32/493.4.4結構域結構域（domain）：在較大蛋白質分子里，多肽鏈空間折疊經常形成兩個或多個近似球狀三維實體,它們之間連接渙散。由β-折疊、α-螺旋形成結構域

丙酮酸激酶一個結構域免疫球蛋白一個結構域

33/493.4.5三級結構三級結構（tertiarystructure）：指一條多肽鏈在二級結構（超二級結構及結構域）基礎上，深入盤繞、折疊而成含有特定肽鏈走向緊密球狀結構,或者說三級結構是指多肽鏈中全部原子和基團在三維空間排布。

肌紅蛋白三級結構及其結合血紅素亞基三級結構穩定主要靠非共價相互作用氨基酸親水基團傾向于分布在分子表面，疏水基團在分子內部。34/493.4.6四級結構四級結構（quaternarystructure）：多個含有三級結構多肽鏈（稱亞基，Subunit）聚合。或者說四級結構指亞基種類、數目及各個亞基在寡聚蛋白中空間排布和亞基之間相互作用。

血紅蛋白四級結構

四級結構穩定主要靠是疏水作用力，另外還有離子鍵、氫鍵、范德華引力等。血紅蛋白由4個亞基組成（α2β2），每個亞基都與肌紅蛋白非常相同。35/494.多肽、蛋白結構與功效關系

4.1一級結構與功效關系

氨基酸組成改變改變其功效

一級結構改變引發分子病

基因突變造成蛋白質一級結構突變，造成蛋白質生物功效下降或喪失，就會產生疾病，這種病稱為分子病（moleculardisease）。

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最早從分子水平證明先天性遺傳病——鐮刀形紅細胞貧血癥(sickle-cellanemia)。鐮刀形紅細胞正常血細胞hemoglobin

6:GAA(Glu) ->GTA(Val)37/49

分子進化

細胞色素c是由104個氨基酸組成蛋白質。比較50種不一樣生物，發覺由35個是保守。凡與人類親緣關系越遠生物，其氨基酸次序與人類差異越大。從細胞色素c一級結構看生物進化38/49

蛋白質前體激活

一些蛋白質或酶在細胞中首先合成(翻譯)是其前體,在成為有功效蛋白質或酶之前需要激活.

比如,胰島素(insulin).前體是胰島素原(proinsulin),要在切除C肽之后才轉變為活性胰島素胰島素原一級結構39/494.2高級結構與功效關系

蛋白質變性與復性

變性（denaturation）是指一些理化原因，如熱、光、機械力、酸堿、有機溶劑、重金屬離子、變性劑（如尿素等），破壞了維持蛋白質空間構象非共價作用力，使其空間結構發生改變，結果造成其生物活性喪失。變性普通并不引發肽鍵斷裂，但蛋白質溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。變性有時是可逆。消除變性原因，有些蛋白質生物活性可能得以恢復，稱為復性（renaturation）。40/49核糖核酸酶RNase變性與復性41/49

蛋白質正確折疊與分子伴侶

多肽鏈特定空間結構是其功效確保。肽鏈正確折疊或者亞基裝配經常需要由一些蛋白質，比如熱激蛋白（Heatshockprotein,Hsp）和一些酶幫助，而且消耗ATP。不過，這么蛋白質與酶并不加入到最終折疊產物或裝配復合物中。它們被稱為分子伴侶（molecularchaperone）。42/49瘋牛病病牛海綿樣腦組織瘋牛病(BSE)可能是因為朊蛋白（Pronprotein，PrP）錯誤折疊引發43/49

蛋白質變構與血紅蛋白輸氧功效

變構作用（Allostericeffect）是指效應劑（變構劑）作用于多亞基蛋白質或酶某個亞基后，造成其構象改變，繼而引發其它亞基構象改變，結果是蛋白質或酶生物活性改變。可能是變構激活，也可能是變構抑制。血紅蛋白中4個亞基與氧分子親和性不一樣。氧分子與血紅蛋白一個亞基結合后，引發其構象發生改變，這種改變在亞基之間傳遞，從而改變了其它亞基與氧結合能力。（郵票模型）44/49氧合能夠引發維系血紅蛋白4個亞基8對離子鍵相繼斷開，從比較緊湊T構象轉變為比較松弛R構象。45/49血紅蛋白和肌紅蛋白氧合曲線