第二章 蛋白质的结构与功能

一、什么是蛋白质? 蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。

二、蛋白质的功能 1）结构蛋白： 许多蛋白质是构成细胞和生物体结构的重要物质。如羽毛、肌肉、头发、蛛丝等 的成分主要是蛋白质。

2）酶的生物催化作用

3）调控作用 参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控：如激素或生长因子等

4）运动与支持 机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等

5）参与运输贮存的作用 血红蛋白 ——运输氧 铜蓝蛋白 ——运输铜 铁蛋白 ——贮存铁

6）免疫保护作用 抗原抗体反应 凝血机制

7）参与细胞间信息传递 信号传导中的受体、信息分子等 8） 氧化供能

第一节 蛋白质的分子组成 一、蛋白质的元素组成 组成蛋白质的元素 主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。

 蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。 凯氏定氮法： 100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数× 6.25×100 1/16%

二、氨基酸 —— 组成蛋白质的基本单位 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。

C + N H 3 O - CH3 R H 丙氨酸 L-氨基酸的通式（R为侧链） 甘氨酸

共同特点： ① 除脯氨酸外，在a-C上皆有一个氨基，故称a-氨基酸； ② 均为L-氨基酸。

氨基酸的D－型和L－型是与甘油醛相比较而得。通常把含C基团放在纵轴上，看H的位置，左边为D型，右边为L型。

（一）氨基酸的分类 非极性疏水性氨基酸 7 极性中性氨基酸 8 酸性氨基酸 2 碱性氨基酸 3 酸性氨基酸 2 碱性氨基酸 3 * 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:

苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48 非极性侧链氨基酸 甘氨酸 glycine Gly G 5.97 丙氨酸 alanine Ala A 6.00 缬氨酸 valine Val V 5.96 亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48 脯氨酸 proline Pro P 6.30 目 录

2. 极性中性氨基酸 色氨酸 tryptophan Trp W 5.89 丝氨酸 serine Ser S 5.68 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.66 半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸 methionine Met M 5.74 天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸 threonine Thr T 5.60 目 录

天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97 3. 酸性氨基酸 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97 谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22 4. 碱性氨基酸 赖氨酸 lysine Lys K 9.74 精氨酸 arginine Arg R 10.76 组氨酸 histidine His H 7.59 目 录

几种特殊氨基酸 脯氨酸 （亚氨基酸）

 半胱氨酸 + -HH 二硫键 胱氨酸

胱氨酸

（二）氨基酸的理化性质 1. 两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 +OH- +H+ +OH- +H+ pH>pI 阴离子 pH<pI 阳离子 pH=pI 氨基酸的兼性离子

等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。

氨基酸等电点的特点： 净电荷数等于零，在电场中不移动； 此时氨基酸的溶解度最小。

2. 紫外吸收 Try、Tyr的最大吸收峰在 280 nm 附近。 芳香族氨基酸的紫外吸收

3. 茚三酮反应(定量分析) 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，故可作为氨基酸定量分析方法。 例外：Pro黄色（440nm）；Gln, Asn棕色

■茚三酮反应

三、肽 （一）肽 (peptide) 概念： * 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。

+ -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键

* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 * 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽…… * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。 * 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。

* 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 多肽链有两端 N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端

N末端 C末端 牛核糖核酸酶

（二） 几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)

H2O2 2GSH NADP+ GSH过氧化物酶 GSH还原酶 2H2O GSSG NADPH+H+

功能 (1)巯基为体内重要的还原剂，保护蛋白质或酶中的巯基免受氧化。 (2)分解H2O2。 (3)解毒功能：巯基的亲核性可与外源性亲电子毒物如致癌剂或药物结合。

2. 多肽类激素及神经肽 体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽(neuropeptide)

三、蛋白质的分类 * 根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分 * 根据蛋白质形状 纤维状蛋白质 球状蛋白质

蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein 第 二 节 蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein

蛋白质的分子结构包括 高级结构 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure) 高级结构

一、蛋白质的一级结构 定义 蛋白质的一级结构(primary structure)是指多肽链中氨基酸的排列顺序。 主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。 目 录

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二、蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构(secondary structure)是指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对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。 定义 主要的化学键： 氢键

蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋 (  -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil )

肽单元(peptide unit) 肽单元又称为肽 单位，是多肽链中从 一个α碳原子到相邻 α碳原子之间的结构, 由Linus Pauling和 Ro- bert Corey于20 世纪 30年代末确定。

肽单位是一个刚性平面: 肽键中的C－N键长（0.132nm）介于C-N 的单键长（0.149nm）和双键长（0.127nm）之 间，故具有部分双键性质，不能自由旋转肽 单位的6个原子处于1个平面上肽平面。

肽单元 H H H H

目 录

-螺旋要点 α-螺旋（α-helix): （1）主链以肽单元为单位，以α-碳原子为转折点，形成右手螺旋样结构； (2)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54nm； (3)螺旋以氢键保持稳固； (4)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。

（二） -折叠 （ -pleated sheet） 由两/多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成。 肽链主链呈锯齿状折叠构象。

1、-折叠结构特点 ⑴ 由若干条肽段或肽链平行或反平 行排列组成片状结构； ⑵ 主链骨架伸展呈锯齿状； ⑶ 涉及的肽段较短，一般为5～10个 氨基酸残基； ⑷ 借相邻主链之间的氢键维系。

2、-折叠的类型 平行式：所有肽链的N-端都在同一边 反平行式：相邻两条肽链的方向相反

平行肽链间以氢键从侧面连接的构象

α-螺旋结构与β-折叠结构的比较 α-螺旋结构 β-折叠结构 氢键 链内氢键 氢键平行于轴 链间氢键 氢键垂直于轴 R基 伸向外侧 分布在片层的上下

（三） -转角和凸起 1、 β转角（ β turn/bend/hairpin structure） 肽链主链骨架180°的回折结构 特点： 由4个连续的AA残基组成 第一个残基C=O 第四个残基NH 形成氢键

O ……（ 氢 键 ）……… H —C—（NH—CH—CO）2—N— R

比较稳定的环状结构 主要存在于球状蛋白分子中 多数处在蛋白质分子的表面

（四）无规卷曲（random coil） ——泛指不能归入明确的二级结构 如折叠片和螺旋的多肽片断。

三、蛋白质的三级结构 （一） 定义 蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指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。 疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。 主要的化学键

目 录

肌红蛋白 (Mb)

（二）结构域 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain) 。 纤连蛋白分子的结构域

（三）分子伴侣 分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象，或形成四级结构。 * 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合，随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。 * 也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。 * 在蛋白质分子折叠过程中，对二硫键的正确形成起了重要的作用。

四、蛋白质的四级结构 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构(quaternary structure) 。 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。

同二聚体(homodimer): 两个亚基相同 异二聚体（heterodimer）: 两个亚基不同。

1 2 2 1 N C 血红蛋白的四级结构 成人血红蛋白由2条链和2条链组成,各亚基分别含一个血红素.

谢谢