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第二章 蛋白质的结构与功能 Chapter 2 Structure and Function of Protein

第二章 蛋白质的结构与功能 Chapter 2 Structure and Function of Protein. 研究内容 : 蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质的理化性质及分离纯化. 教学目的 : 1. 了解蛋白质的基本组件 ---AA 的分类及理化性质 . 2. 掌握蛋白质的结构及与功能的关系 3. 掌握蛋白质的分离纯化的技术原理及方法 4. 掌握氨基酸顺序的分析方法 教学重点、难点 : 蛋白质的结构及结构与功能的关系；分离纯化的原理与方法 教学课时 :14. Section 1 蛋白质的分子组成.

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第二章 蛋白质的结构与功能 Chapter 2 Structure and Function of Protein

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  1. 第二章 蛋白质的结构与功能Chapter 2 Structure and Function of Protein • 研究内容: 蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质的理化性质及分离纯化

  2. 教学目的: 1.了解蛋白质的基本组件---AA的分类及理化性质. 2.掌握蛋白质的结构及与功能的关系 3.掌握蛋白质的分离纯化的技术原理及方法 4.掌握氨基酸顺序的分析方法 • 教学重点、难点:蛋白质的结构及结构与功能的关系；分离纯化的原理与方法 • 教学课时:14

  3. Section 1 蛋白质的分子组成 • 蛋白质(protein)是由氨基酸为单位组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础。 • 蛋白质分子中主要的元素组成是：C、H、O、N、S等。其中N元素的含量相对稳定，约为16%,这就是凯氏定氮法的计算基础。即每克氮相当于6.25克蛋白质。 凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据： 蛋白质含量＝生物样品含N量×6.25

  4. 一、氨基酸(amino acid) • 组成蛋白质的基本单位是氨基酸。如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约二十种不同的氨基酸。除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-α-氨基酸。

  5. L-α-氨基酸的结构通式

  6. Amino acids 氨基酸的表示方法 •用三字母或单字母符号表示，如： 甘氨酸（Gly，G） 丙氨酸（Ala，A） • 氨基酸分子中碳原子的顺序规定：

  7. Stereoisomers 立体异构体(1) •除Gly外，19种氨基酸的碳原子 为不对称碳原子（手性碳原子）， 故有L-和D-两种构型：

  8. Stereoisomers 立体异构体(2) 说明： 1）只L-型氨基酸才存在于蛋白质中,D-型氨 基酸存在于细菌细胞壁和某些抗菌素中。 2）19种氨基酸有“左旋”（-）和“右旋”（+）之分。但与L-或D-无固定的对应关系。

  9. （一）氨基酸的分类： • 根据R侧链基团解离性质的不同，可将氨基酸进行分类： 1.酸性氨基酸——Glu，Asp；侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。 2.碱性氨基酸——His，Arg，Lys；侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。

  10. 3.中性氨基酸——侧链基团在中性溶液中不发生解离，因而不带电荷的氨基酸。可分为： • 极性氨基酸：Tyr，Cys，Ser，Thr，Asn，Gln，Met，Trp； • 非极性氨基酸：Gly，Ala，Val，Leu，Ile，Pro，Phe。

  11. （二）氨基酸的理化性质： 1．两性解离及等电点： 氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。 • 通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：

  12. ◆ 通过改变溶液的pH，可使氨基酸分子的解离状态发生改变。 ◆ 氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。在某一pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在，带有相等正、负电荷，该pH称为该氨基酸的等电点。 ◆ 等电点是氨基酸的特征常数

  13. 对侧链R基不解离的中性氨基酸来说: pI=1/2(pK1+pK2) pK1为α-羧基的解离常数, pK2为α-氨基的解离常数。

  14. 解离常数： [A0][H+] Ka1= [A+] [A-][H+] Ka2= [A0] 当滴定至兼性离子有一 半变成阴离子,即[A0]=[A-]时,则Ka2=[H+],两边取对数得pKa2=pH,此乃pH9.60处拐点。 根据以下公式及pKa等数据，可计算出任一pH值下一种氨基酸的各种离子的比例： pK=pKa+lg [质子受体] [质子供体]

  15. 谷氨酸及组氨酸的滴定曲线

  16. 2．紫外吸收性质： • 组成天然蛋白质分子的20种氨基酸中，只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。 • 可利用此性质采用紫外分分光度法测定蛋白质的含量。

  17. 3．茚三酮反应： • 氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。（Pro,Hyr与茚三酮反应为黄色）

  18. －羧基和－氨基共同参加的反应 与茚三酮反应 所有－氨基酸都能与茚三酮发生颜色反应

  19. 烃基化反应4.与2,4-二硝基氟苯的反应 (Sanger 反应)： 5.与异硫氢酸苯酯（PITC）的反应(Edman降解)：

  20. 二、肽(peptide) （一）肽键(Peptide bond)与肽链： • 蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽。

  21. 两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。 • 多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。 • 凡氨基酸残基数目在50个以上，且具有特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸残基数目在50个以下，且无特定空间结构者称多肽。

  22. （二）生物活性肽： • 生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。

  23. 1. 谷胱甘肽（GSH）： • 全称为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。

  24. 谷胱甘肽的生理功用： • 解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用； • 参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应； • 保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态； • 维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。

  25. 2. 多肽类激素： • 种类较多，生理功能各异。主要见于下丘脑及垂体分泌的激素。

  26. Section 2 蛋白质的分子结构 蛋白质（protein）：由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链，是一类高分子化合物； 是生物体的主要组成物质之一，是生命活动的基础，是生命的体现者。 它的功能具有多样性，主要体现在以下几个方面： 1）催化：是蛋白质最重要的生物学功能，催化作用的蛋白酶是蛋白质中最大的一类; 2）调节：这类蛋白也叫调节蛋白，能调节其它蛋白的生物学活性，参与基因表达的调控; 3）转运：属于转运蛋白，它转运特定物质从一地到另一地。如血红蛋白，膜转运蛋白等;

  27. 4）贮存：作为氮素的储存源地。如卵清蛋白等;4）贮存：作为氮素的储存源地。如卵清蛋白等; 5）运动：赋予细胞以运动功能。如微管蛋白中的肌动蛋白、肌球蛋白等及发动机蛋白中的动力蛋白和驱动蛋白等; 6）结构成分：称为结构蛋白。参与构建和维持生物体的结构; 7）支架作用：称作支架蛋白或接头蛋白.如锚定蛋白; 8）防御和进攻：如保护和开发蛋白; 9）异常功能：如异常蛋白;

  28. 蛋白质是具有特定分子结构的高分子化合物。 • 蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即构象。 • 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。

  29. 超二级结构 supersecondary structure 结构域 Structure doman 蛋白质结构的主要层次 一级结构 primary structure 二级结构 secondary structure 三级结构 Tertiary structure 四级结构 quariernary structure

  30. 一、蛋白质分子中的非共价键(次级键) 1. 氢键： • 氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。 • 氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。 • 氢键的键能较低(~12kJ/mol)，因而易被破坏。

  31. 蛋白质分子中氢键的形成

  32. 2. 疏水键： • 非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。 • 蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。

  33. 3. 离子键（盐键）： • 离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。 • 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。

  34. 蛋白质分子中离子键的形成

  35. 4．范德华氏（van der Waals)引力： • 原子之间存在的相互作用力。

  36. 二、蛋白质的一级结构 • 蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的线状结构。 • 维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。

  37. 胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。

  38. 肽键的一些特性：1）显示部分双键的性质；2）不能旋转;肽单位呈刚性平面结构；3）呈反式构型;(有Pro参与时例外)。• 它在多肽和蛋白质折叠形成特定的构象过程中起着非常重要的作用。• 构象（conformation）：?构型（configuration）：?

  39. 肽平面（peptide plane）——即酰胺平面（amide plane）由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。

  40. 测定蛋白质的一级结构的主要意义： • 一级结构是研究高级结构的基础。 • 可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。 • 可以为生物进化理论提供依据 • 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。

  41. 在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白β-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白β-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。

  42. 细胞色素c的一级结构与生物进化的关系

  43. 同源蛋白质的物种差异与生物进化 • 同源蛋白质:在生物体中行使相同或相似功能的蛋白质. 不变残基 可变残基 • 来自任两个物种的同源蛋白质,其序列之间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统差异成比例.即在进化位置上相差愈远,其氨基酸序列差别愈大.

  44. 三、蛋白质的二级结构 • 蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。

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