第一章 蛋白质的结构与功能 Structure and Function of Protein

一 、蛋白质的概念 蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连 形成的高分子含氮化合物。

二、蛋白质的生物学意义 1.蛋白质是生物体重要的组成成分 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%。

2. 蛋白质有重要的生物学功能 1）作为生物催化剂（酶）； 2）代谢调节作用； 3）免疫保护作用； 4）物质的转运和储存； 5）运动与支持作用； 6）参与细胞间信息传递。

第一节 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein

蛋白质的元素组成 主要含有碳、氢、氧、氮及硫。 有些蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、 锰、钴及钼等。

蛋白质元素组成的特点 蛋白质的含氮量接近，平均为16%。 测定生物样品含氮量可推算出蛋白质 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

蛋白质的基本组成单位 - 氨基酸 氨基酸是蛋白质的基本组成单位。 自然界存在300余中氨基酸，组成蛋白质 的氨基酸仅有20种，且均为L- α - 氨基酸 (除甘氨酸外)。

氨基酸的分类 1. 非极性疏水性氨基酸 2. 极性中性氨基酸 3. 酸性氨基酸 4. 碱性氨基酸

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

色氨酸 tryptophan Trp W 5.89 丝氨酸 serine Ser S 5.68 2．中性极性氨基酸 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 甲硫氨酸 methionine Met M 5.74 (蛋氨酸) 天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷胺酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸 threonine Thr T 5.60

3. 酸性氨基酸 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97 谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.224 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

胱氨酸与二硫键

（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，其解离方式及 带电状态取决于其所处溶液的酸碱度。 等电点 在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴 离子的数量相等，分子呈电中性，此时溶液的pH 称为该氨基酸的等电点。

等电点 在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的数量相等，分子呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。

2. 氨基酸的紫外吸收 酪氨酸、色氨酸含有共轭双键，具有 吸收紫外光的特性，在280nm处有最大 吸收峰。蛋白质在280nm处的紫外吸收与 浓度成正比，可用于蛋白质的定量分析。

二、氨基酸与多肽 氨基酸通过肽键 相连接的形成多肽链。 （一）肽键 一分子氨基酸的α-羧基与另一分子的 α-氨基，脱水缩合形成的酰胺键（-CO-NH-） 称为肽键。

肽与肽键

肽键是蛋白质中的主要化学键 一条多肽链含有2个游离的末端 氨基末端（amino terminal） 羧基末端（carboxyl terminal）

多肽链的序号从N端计算，书写时将N端写于左侧，用H2N-或H-表示；C端用-COOH或-OH表示。 氨基酸残基： 肽链中的氨基酸分子因形成肽键失去 部分基团，称为氨基酸残基。

生物活性肽类 由几个至几十个氨基酸残基组成 1.谷胱甘肽 谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成， 简称为谷胱甘肽。

谷胱甘肽

GSH 与GSSG间的相互转换

三、蛋白质的分类 1．根据蛋白质分子的组成特点 单纯蛋白质和结合蛋白质 2．根据分子形状的不同 球状蛋白和纤维状蛋白 3．根据蛋白质的主要功能 功能活性蛋白质和结构蛋白质。

第二节 蛋白质的分子结构 蛋白质分子结构 一级结构和空间结构 (或三维结构) 空间结构 蛋白质的二级、三级、四级结构。

一、蛋白质的一级结构 氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。 一级结构是蛋白质分子基本结构，决定 蛋白质空间构象的基础。蛋白质的空间 构象则是实现其生物学功能的基础。 一级结构中的主要化学键是肽键。

牛胰岛素的一级结构

二、蛋白质的空间结构 蛋白质在一级结构的基础上，分子单键 旋转而盘曲、折叠形成特定空间构象。 蛋白质的构象包括主链构象和侧链构象。 蛋白质的空间结构包括蛋白质的二级结构、 三级结构和四级结构。

（一）蛋白质的二级结构 是指蛋白质分子中某一肽链的局部 空间结构，即多肽链中主链原子的相对 空间排列分布，而不涉及氨基酸残基侧链 的空间排布。

肽平面 肽键具有部分双链性质，因此肽键 不能自由旋转，而使涉及肽键的6各原子 共处于同一平面，称为肽键平面，又称 肽单元。

肽键平面示意图

2. 蛋白质二级结构的主要构象形式 α-螺旋(α-helix) β-折叠(β-pleated sheet) β-转角(β-turn) 无规卷曲(random coil)

α-螺旋结构

（1）α-螺旋 多肽链中的主链围绕中心轴有规律的 螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向， 称右手螺旋。 氢键是维持α-螺旋结构稳定的主要 化学键。

（2）β-折叠 β-折叠呈折纸状 多肽链充分伸展，各个肽单元以Cα 为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨 基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上 下方。

β-折叠

（3）β-转角 出现于肽链进行180o回折时的转角部位。 由4个氨基酸残基组成，由第一个残基的 羰基(O)与第四个残基的氨基氧(H)形成氢键， 以维持转折结构的稳定。 第二个氨基酸残基多为脯氨酸和甘氨酸。

β-转角

（4）无规卷曲 肽链为环或卷曲结构，没有规律性排布， 但是表现重要生物学功用，称为“无规卷曲”。 由两个或三个二级结构的肽段，在空间上 相互接近，形成一个特殊的空间构象， 被称为模体。

蛋白质模体示意图 A.钙结合蛋白中的结合钙离子的模体 B.锌指结构

（二）蛋白质的三级结构 是指整条肽链中全部氨基酸残基的 相对空间排布，即整条肽链所有原子在 三维空间的排布位置。 主要靠次级键，包括氢键、离子键 (盐键)、疏水作用、范德华力、二硫键等。

维持蛋白质分子构象的各种化学键 a.氢键 b. 离子键 c.疏水作用

肌红蛋白

（三）蛋白质的四级结构 每一条具有完整三级结构的多肽链， 称为亚基。各亚基之间以非共价键相互 连接形成特定的三维空间构象，称为 蛋白质的四级结构。 维持四级结构的作用力主要是疏水 作用，包括氢键、离子键及范德华力等。

血红蛋白 由2个α亚基和2个β亚基构成的四聚体， 每个亚基中都结合1个血红素辅基。4亚基 通过8个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体。 完整的血红蛋白分子具有运输O2和CO2 的功能。

蛋白质的四级结构 - 血红蛋白结构

第三节 蛋白质结构与功能的关系

一、蛋白质的一级结构与功能的关系 蛋白质的功能是由其特定的构象所 决定的，一级结构是空间构象的基础。 某些肽段一级结构（氨基酸组成）决定 特定二级结构（α-螺旋或β-折叠）的形成。

哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异

蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸 残基缺失或被替代，可通过影响空间构象而 影响其生理功能。 例如血红蛋白β亚基的第6位谷氨酸被 缬氨酸替代，可导致镰刀形贫血。

二、 蛋白质的空间结构和功能的关系 蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质 特定的空间构象密切相关，所以蛋白质 构象是其生物活性的基础。

肌红蛋白和血红蛋白的结构 肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素 辅基的蛋白质。 肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质， 它的三级结构折叠方式使辅基血红素能与O2结合 与解散，发挥储氧的功能。

血红素结构

血红蛋白的构象变化与运氧功能 随氧分压增高，氧合Hb占总Hb的百分数 随之增加，这一变化关系称为氧解离曲线。

肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线

第四节 蛋白质的理化性质

一、蛋白质的两性解离 蛋白质分子在一定的溶液pH条件下 可解离成带负电荷或正电荷的基团。 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质 解离成正、负离子的趋势相等，此时溶液 的pH称为蛋白质的等电点。

蛋白质在pH值低于或高于其pI时带有 电荷，在电场的作用下移动，称为电泳。 各种分子所带净电荷的多少及分子量大小 不同，在电场中移动速度也不同，可用 于检测、分离蛋白质。

二、蛋白质的胶体性质 蛋白质是高分子化合物 维持蛋白质稳定性的重要因素有两个： 蛋白质胶体颗粒表面水化膜 蛋白质表面带有同种电荷 除去上述两个稳定因素时，蛋白质从 溶液中析出。

三、蛋白质的变性、复性 1.变性 蛋白质在某些理化因素的作用下，空 间构象受到破坏，改变理化性质，并失去 其生物活性，称为蛋白质的变性。 变性涉及空间结构的改变。一级结构 不变，肽键无断裂。

蛋白质变性的因素有多种 常见的有高温、高压、紫外线和乙醇 等有机溶剂、重金属离子及生物碱试剂等。 在医学上，变性因素可导致病原微生物 蛋白的变性失活，常被用来消毒灭菌。

2. 复性 当蛋白质变性程度较轻，消除变性 因素使蛋白质恢复或部分恢复其原有的 构象和功能，称为复性。 许多蛋白质或结构复杂或变性后空间 构象严重破坏，不可能发生复性。

四、蛋白质的紫外吸收 蛋白质(色氨酸及酪氨酸)在紫外光 波长280nm处有最大吸收，可以用于 检测蛋白质含量。

五、蛋白质的呈色反应 某些试剂对蛋白质分子中肽键或特殊氨基酸残基发生显色反应，产生的有色物质与蛋白质浓度相关，可用于蛋白质定性、定量检测。如双缩脲反应，考马斯亮蓝、茚三酮反应等。

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