Structure and Function of Biomacromolecule 第 一 篇 生物大分子的结构与功能 Structure and Function of Biomacromolecule 蛋白质 核酸 酶

Structure and Function of Protein 第 一 章 蛋白质的结构与功能 Structure and Function of Protein

本章主要内容 组成元素、平均含氮量 氨基酸的分类、三字符缩写 氨基酸的理化性质 肽、肽键、多肽的概念及GSH的功能 一级结构的概念 二级结构 　　　　　本章主要内容 组成元素、平均含氮量 氨基酸的分类、三字符缩写 氨基酸的理化性质 肽、肽键、多肽的概念及GSH的功能 一级结构的概念 二级结构 三级结构 四级结构 蛋白质组学及其研究技术平台 蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的理化性质及分离纯化

一、蛋白质概念 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。 蛋白质(protein)是源自希腊字proteios，意思就是primary。

二、蛋白质的生物学重要性 1. 蛋白质是生物 体重要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。

2. 蛋白质具有重要的生物学功能 3. 氧化供能 1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递 其他生物学功能：营养蛋白，结构，毒蛋白 3. 氧化供能

蛋 白 质 的 分 子 组 成 The Molecular Component of Protein 第 一 节 蛋 白 质 的 分 子 组 成 The Molecular Component of Protein

 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％。 体内的含氮物质以蛋白质为主，故测定生物样品中的含氮量，可根据以下公式推算蛋白质的大致含量： 每克样品中蛋白质的含量 = 每克样品含氮量（克）× 6.25 （总氮量的测定—凯氏定氮法） 1/16%

一、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）。

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。

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

（一）氨基酸的分类 1.根据氨基酸的化学结构分为脂肪族，芳香族和杂环族三类。 2.根据氨基酸的R基极性分为： 非极性R基氨基酸，不带电荷极性氨基酸，带电荷极性氨基酸 3.根据氨基酸分子中所含氨基和羧基数目的不同分：中性、碱性、酸性氨基酸 4.根据氨基酸的R基物理性质，与水的相互作用分为： 疏水氨基酸，亲水氨基酸

根据侧链结构和理化性质氨基酸的分类： 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 非极性疏水性氨基酸 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。 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。

+OH- +OH- +H+ +H+ pH>pI pH<pI pH=pI 阳离子 氨基酸的兼性离子 阴离子

①当氨基酸仅有2个可解离基团时:

②当氨基酸仅有3个可解离基团时,可写出其电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值:

带电状态判定 pI-pH<0 ……………带负电 pI-pH>0 ……………带正电 pI-pH＝0 ……………不带电 等电点计算 ①侧链为非极性基团或虽为极性基团但不解离的氨基酸：pI=½(pK1+pK2) ②酸性氨基酸(Glu、Asp)及Cys：pI=½(pK1+pKR) ③碱性氨基酸(Lys、Arg、His)：pI=½(pK2+pKR)

2. 紫外吸收 Trp、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

二、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

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

（一）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。

1.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。

2.肽键的原子排列呈反式构型。 参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。

3.相邻肽平面构成二面角： 一个碳原子相连的两个肽平面，由于N1 －C 和C  －C2两个键为单键，肽平面可 别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。

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 )

（二） -螺旋 α-螺旋（α-helix): Pauling和Corey建立了多种分子模型， 仔细 观察了氨基酸和小肽的键角和键长，于1951年提 出了α-螺旋和-折叠结构模型。 1.α-螺旋是一个类似棒状的结构 多肽链中各个肽平面围绕同一轴旋转,形成螺 旋结构，螺旋一圈含3.6个氨基酸残基，螺距0.54 nm。 2.肽链内形成氢键： 第一个肽键的N-H与第四个肽键的CO形成氢 键。

目 录

（三）-折叠 1.β-折叠（β-pleated sheet):为由两条或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的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。

2.肽链走向分平行和反平行两种。

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

（四）-转角和无规卷曲 1.β-转角（β-turn): β-转角常发生于肽链进行180°回折时的转角上。通常由4个氨基酸残基组成，其第一个残基的-CO与第四个残基的-N-H形成氢键。氢键包围10个原子。第二个残基常为Pro.

-转角

2.无规卷曲( random coil ) : 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

（五）模体 在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体(motif)。

钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构

（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。

1.多个酸性氨基酸或碱性氨基酸在同一肽 段内影响α-螺旋的形成。 2.Asn、Leu的侧链很大影响α-螺旋的形成。 3.Pro使α-螺旋中断。 4.氨基酸残基的侧链小的肽段才能互相靠 近，有利于β-折叠的形成。

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.

五、蛋白质组(proteome)与 蛋白质组学(proteomics) 一、概念 蛋白质组：一个组织或一个细胞中基因组所表达的全部蛋白质，或在特定条件下，一个细胞内所存在的所有蛋白质。 　　基因组：代表一个生物细胞内的全部基因和染色体的核苷酸组成。同一个体的所有体细胞均具有均一的基因组，不受机体状态的影响。 　　组织器官的蛋白质组具有多样性、多变性和可调节性，具有不同时、空的差异和深受机体内、外条件的影响。

1、不能从基因组简单地推导出一个细胞的蛋白质组组成。这是因为：细胞不是对所有的基因同时表达；表达的基因因为表达的mRNA不同，可以翻译出不同的蛋白质；同一蛋白质前体经不同的剪接表现出不同的蛋白质；同一种蛋白质在不同的代谢调节条件下可以表现出不同的构象和不同的修饰。 2、同一个体的不同发育期中因基因的开关，同一组织或细胞中的蛋白质组组成不同； 3、不同的生理状况不同的基因表达出不同的蛋白质组组成； 4、不同的病理条件下不同的基因开放而表达出不同的蛋白质组； 5、环境因素均可影响细胞内蛋白质组的组成。

蛋白质组学： 　　研究和阐述在不同条件下，蛋白质组中全部蛋白质的结构、性质与功能，影响因素及其相互联系。 某种生理功能的蛋白质组学（functional proteomics） 结构蛋白质组学(structural proteomics) 亚细胞结构的蛋白质组学(subcellular proteomics) 各种疾病的蛋白质组学（disease proteomics） 等等

二、蛋白质组学研究技术平台 依赖于2D、MS新技术的发明和蛋白质组信息学的发展。 分离样品中的蛋白质 蛋白质点的定位和切取 蛋白质点的质谱分析

+  等电聚焦 ( IEF ) 第一相IEF 按pI进行分离 第二相SDS-PAGE 按分子大小分离 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳 pH3.0 pH10.0 第一相IEF 按pI进行分离 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳 （SDS-PAGE） 电泳走向 第二相SDS-PAGE 按分子大小分离  +

重点内容： 1、重要名词：isoelectric point；motifs；domain; subunit； 2、结构层次 　　　　　重点内容： 1、重要名词：isoelectric point；motifs；domain; subunit； 2、结构层次 元素组成：C、H、O、N（16%）、S 结构单位：20种L-α氨基酸（芳香族、含硫、酸性、碱性氨基酸等） 一级结构：肽键；多肽链；N端C端 二级结构：稳定力（氢键）；类型（螺旋，折叠，转角，无规卷曲） 三级结构特点，四级结构特点 3、蛋白质组学及其技术平台