生物化学第八版第一章蛋白质的结构与功能

Genbank （Genetic Sequence Databank） PIR （ Protein Identification Resource Sequence
Database）
收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料， 为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。
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二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 二级结构
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（二）α -螺旋结构是常见的蛋白质二级结构
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（三）-折叠使多肽链形成片层结构
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（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中 普遍存在
-转角
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。
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（五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体
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 个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。
蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被 甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化 等。
这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定 性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的 性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。
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三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质
（一）氨基酸具有两性解离的性质
能基因组与蛋白质组计划的展开 ，使蛋白 质结构与功能的研究达到新的高峰 。
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第一节 蛋白质的分子组成
The Molecular Component of Protein
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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：蛋白质是生物体中含量最丰富的生 物大分子，约占人体固体成分的45%，而在 细胞中可达细胞干重的70%以上。
1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)
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GSH与GSSG间的转换
H2O2
2GSH
GSH过氧 化物酶
NADP+
GSH还原酶
2H2O
GSSG
NADPH+H+
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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)
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第二节 蛋白质的分子结构
The Molecular Structure of Protein
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2. 蛋白质具有重要的生物学功能 作为生物催化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递
3. 氧化供能
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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 。
N 末端：多肽链中有游离α-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离α-羧基的一端
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N末端
C末端
牛核糖核酸酶
蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠 成特定的空间结构、并具有特定生物学功能 的多肽。一般而论，蛋白质的氨基酸残基数 通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍 称为多肽。
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（二）体内存在多种重要的生物活性肽
定义: 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。
主要的化学键: 疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。
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• 肌红蛋白 (Mb)
C 端
N端
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（二）结构域是三级结构层次上的独立功能区
分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较 为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构 域 (domain) 。
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体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有 重要生理作用的L-α-氨基酸，如参与合成尿素的 鸟氨酸（ornithine）、瓜氨酸（citrulline）和精氨 酸代琥珀酸（argininosuccinate）。
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二、氨基酸可根据侧链结构和理化 性质进行分类
非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸
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蛋白质的分子结构包括:
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
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一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质 的一级结构
定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至
并将氨基酸合成了多种短肽 。
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1951年, Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白 质的二级结构——α-螺旋(α-helix)。
1953年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。 1962年，John Kendrew和Max Perutz确定了血红蛋白
的四级结构。 20世纪90年代以后，随着人类基因组计划实施，功
定义: 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 。
主要的化学键：氢键
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所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、 Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3个原子 依次重复排列。
蛋白质二级结构 -螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil)
转角-链模体
钙结合蛋白中结合 钙离子的模体
锌指结构
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（六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
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。
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三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠 形成三级结构
（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸 残基的相对空间位置
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。
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O
NH2-CH-C +
H OH
甘氨酸
O NH-CH-C
H H OH
甘氨酸
-HOH
O
O
NH2-CH-C-N-CH-C
H H H OH
肽键
甘氨酰甘氨酸
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肽(peptide)是由氨基酸通过肽键缩合而形 成的化合物。
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（三）蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象
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。
分子伴侣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。
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）。
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CHRH3
COOC +NH3
H
L-氨基酸的丙甘通氨氨式酸酸
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除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱 氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。硒代 半胱氨酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨 酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少数 天然蛋白质中，包括过氧化物酶和电子传递链 中的还原酶等。硒代半胱氨酸参与蛋白质合成 时，并不是由目前已知的密码子编码，具体机 制尚不完全清楚。
（亚氨基酸）
CH 2 CH 2
CH 2
CHCOO NH 2 +
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半胱氨酸
-OOC-CH-CH2-SH + HS-CH2-CH-COO-
+NH3
-HH
+NH3
-OOC-CH-CH2-S S-CH2-CH-COO-
+NH3
+NH3
二硫键
•胱氨酸
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在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸 可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。
生物化学与分子生物学
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第一章
蛋白质的结构与功能
Structure and Function of Protein
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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。
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蛋白质研究的历史
NH3+
+H+
R CH COO- +OH- R CH COO-
NH3+
+H+
NH2
pH<pI 阳离子
pH=pI 氨基酸的兼性离子
pH>pI 阴离子
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（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质
色氨酸、酪氨酸的 最大吸收峰在 280 nm 附近。
大多数蛋白质含有 这两种氨基酸残基，所 以测定蛋白质溶液 280nm的光吸收值是分 析溶液中蛋白质含量的 快速简便的方法。
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)。
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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：
1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1838年，荷兰科学家 G. J. Mulder引入“protein”
（源自希腊字proteios，意为primary）一词 1864年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将
其制成结晶。 19世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，
芳香族氨基酸的紫外吸收
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（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
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。
由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正 比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。
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四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白 质或活性肽
（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽
大多数结构域含有序列上连续的100至200个氨基酸残 基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质 常分解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本 不改变，并保持其功能。
超二级结构则不具备这种特点。 因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，
有较为独立的三维空间结构。
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3-磷酸甘油醛 脱氢酶亚基的 结构示意图
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(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族 氨基酸
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(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性 中性氨基酸
甲硫氨酸
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(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸
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(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸
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(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性 氨基酸
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几种特殊氨基酸
• 脯氨酸
二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ 。
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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，称为 模体(motif) 。
模体是具有特殊功能的超二级结构。
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模体常见的形式
• α-螺旋-β转角（或 环）-α-螺旋模体
• 链-β转角-链模体 • 链-β转角-α-螺旋-β
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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％。 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6.25×100
1/16%
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一、组成人体蛋白质的20种L--氨基酸
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。
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R CH COOH NH2
R CH COOH +OH-
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（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上
参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平 面，C1和C2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) 。
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（二）α -螺旋结构是常见的蛋白质二级结构
蛋白质二级结构 -螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil)
C-端的氨基酸排列顺序。
主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
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一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能 的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。
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目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观， 并且还以更快的速度增加。 国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如
EMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library）