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1、蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein蛋白质蛋白质(protein)是由许多氨基酸是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质的功能1. 蛋白质是生物体的重要组成成分蛋白质是生物体的重要组成成分2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能1）作为生物催化剂）作为生物催化剂2）代谢调节作用）代谢调节作用3）免疫保护作用）免疫保护作用4）物质的转运和存储）物质的转运和存储5）运动与支持作用）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递）参与细胞间
2、信息传递3. 氧化供能氧化供能蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein 蛋白质的元素组成主要有主要有C、H、O、N和和S。 有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量P或金属元素或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo等等蛋白质的含氮量平均为蛋白质的含氮量平均为16。 通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量蛋白质含量 ( g % ) = 含氮量含氮量( g % ) 6.25 蛋白质元素组成的特点1/16%氨基酸 蛋白质的基本组成单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，余种，
3、但组成人体蛋白质的氨基酸仅有但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，种，且均属且均属 L- -氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H1. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2. 极性极性中中性氨基酸性氨基酸3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类1. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸HCHNH3COOH3CCHNH3COOCHCHNH3COOH3CH3CCH2CHNH3COOCHH3CH3CCHCHNH3COOCH2H3CH3CGlycine(Gly)Iso
4、leucine (Ile)Leucine (Leu)Valine (Val)Alanine (Ala)甘甘氨氨酸酸丙丙氨氨酸酸缬缬氨氨酸酸亮亮氨氨酸酸异异亮亮氨氨酸酸CH2CHNH3COO苯苯丙丙氨氨酸酸Phenylalanine (Phe)CHCOOH2NH2CCH2CH2脯脯氨氨酸酸Proline (Pro)2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸Tryptophan (Try)Methionine (Met)Cysteine (Cys)Serine (Ser)色色氨氨酸酸丝丝氨氨酸酸酪酪氨氨酸酸半半胱胱氨氨酸酸蛋蛋氨氨酸酸CH2CHNH3COO天天冬冬酰酰胺胺Asparagine (Asn)谷
5、谷氨氨酰酰胺胺Glutamine (Gln)NHCHCCH2CHNH3COOHOCH2CHNH3COOHSCH2CHNH3COOTyrosine (Tyr)HOCH2CHNH3COOCH3SCH2CH2CHNH3COOCCHCHNH3COOH3CCH2CHNH3COOH2NOCH2CH2NOHO 苏苏氨氨酸酸Threonine (Thr)3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸Aspartic acid (Asp)Glutamic acid (Glu)天天冬冬氨氨酸酸谷谷氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COOOOCOOC CH2Lysine (Lys)精精氨氨酸酸赖赖
6、氨氨酸酸Arginine (Arg) 组组氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COONH2CH2CH2CH2CH2CHNH3COONH2CNHCH2CH2NHHCNCHNHCHistidine (His)几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸甘氨酸甘氨酸Gly：无手性碳原子。：无手性碳原子。半胱氨酸半胱氨酸Cys：可形成二硫键。：可形成二硫键。NH2CHCOOHCH2NH2CHCOOHCH22Cys胱氨酸二硫键SHSSCH2CHNH2COOH2H* 肽键肽键(peptide bond)：是由一个氨基是由一个氨基酸的酸的 -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的 -氨基氨基脱水缩合而形成的化学
7、键。脱水缩合而形成的化学键。肽肽(peptide)H2N C CHR1OHO+N CHHHR2COOHH2OH2N CCHR1ONCHR2COOHH肽键 多肽链多肽链 多肽链多肽链(polypeptide chain) 二肽，三肽二肽，三肽 寡肽寡肽(oligopeptide)，多肽，多肽(polypeptide) 氨基酸残基氨基酸残基(residue) 氨基末端（氨基末端（amino terminal）和羧基末端）和羧基末端（carboxyl terminal） 主链和侧链主链和侧链多肽链几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)结构结构: :SH为活性为活性
8、基团基团为为酸性酸性肽肽 是体内重要的是体内重要的还原剂还原剂GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+ NADP+ 主要功能主要功能: :蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 结结 构构The Molecular Structure of Protein蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子结构包括： 一级结构一级结构 (primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)四级结构四级结构 (quaternary structure)高级结
9、构高级结构定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。的排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要化学键：主要化学键：肽键肽键二硫键二硫键的位置属于一级结构研究范畴。的位置属于一级结构研究范畴。 一级结构是蛋白质空间构象一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构3021二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空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对空间位置
10、，并不涉及氨基酸残基侧链的构象的构象 。定义：定义：稳定因素稳定因素： 氢键氢键 （一）肽键平面（一）肽键平面 形成肽键的形成肽键的C-N键具有部分双键的性键具有部分双键的性质，使得形成的酰胺键的四个原子及相邻质，使得形成的酰胺键的四个原子及相邻的的C处于同一平面上叫酰胺平面或肽键处于同一平面上叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。肽单元肽单元RCCCOORNCN肽键平面肽键平面HHHH 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( -pleated sheet ) -转角转角 ( -tur
11、n ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) （二）（二） -螺旋螺旋: 多肽链主链围绕中心轴形成多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋右手螺旋，侧链侧链伸向螺旋外侧。伸向螺旋外侧。 每圈螺旋含每圈螺旋含3.6个氨基酸个氨基酸，螺距为，螺距为0.54nm，即即0.15nm/氨基酸残基氨基酸残基。 每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。成的氢键保持螺旋稳定。氢键氢键与螺旋长轴基本平与螺旋长轴基本平行。行。（三）（三） - -折叠折叠多肽链充分伸展，相邻酰胺平面之间折叠成多肽链充分伸展，相邻酰胺平面之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿
12、结构的上下方。锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。 两段以上的两段以上的 -折叠结构平行排列折叠结构平行排列 ，两链间可，两链间可顺向平行，也可反向平行顺向平行，也可反向平行 。两链间的肽键之间形成两链间的肽键之间形成氢键氢键，以稳固，以稳固 -折叠折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。结构。氢键与螺旋长轴垂直。 （四）（四） - -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 - -转角：转角：无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。 肽链内形成肽链内形成180180回折。回折。含含4 4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。第四个形成氢键
13、。 第二个氨基酸残基常为第二个氨基酸残基常为脯氨酸（脯氨酸（ProPro）。）。 - -转角：转角：三、蛋白质的三级结构疏水键疏水键、离子键、氢键和、离子键、氢键和 范德华力等。范德华力等。 稳定因素：稳定因素：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。定义定义 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子中蛋白质分子中两条或两条两条或两条亚基的空间排布亚基的空
14、间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白蛋白质的四级结构。质的四级结构。每条具有完整三级结构的多肽链，称为每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚亚基基 (subunit)。血红蛋白（血红蛋白（Hb）的四级结构）的四级结构蛋白质的理化性质与分离纯化（一）蛋白质的胶体性质（一）蛋白质的胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。，为胶粒范围之内。 * 蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜（
15、二）蛋白质的变性、沉淀和凝固（二）蛋白质的变性、沉淀和凝固 * 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。质改变和生物活性的丧失。 造成变性的因素：造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等重金属离子及生物碱试剂等 。 变性的本质：变性的本质： 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。质的一级结构。 应用
16、举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来临床医学上，变性因素常被应用来消毒消毒及及灭菌。灭菌。防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。（如疫苗等）的必要条件。 蛋白质变性后的性质改变：蛋白质变性后的性质改变：溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。生物活性丧失及易受蛋白酶水解。若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为象和功能，称为复性复性。复性复性(renaturation) 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性* 蛋白质沉淀蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，变性的蛋白
