生物化学02第二章 多肽与蛋白质

Glu-Cys-Gly SH
Glu-Cys-Gly S S
Glu-Cys-Gly
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；生物转化。
• 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。
锌指结构是一个常见的模体。
由一个α-螺旋和两个反向平行的β-折迭组 成，形似手指。
Ｎ－端两个半胱氨酸，Ｃ－端两个组氨酸， 此四个氨基酸残基在空间上构成一个洞穴， 容纳一个锌，具结合锌离子功能。
含锌指结构的蛋白质都可与ＤＮＡ或ＲＮＡ 结合。
锌指结构 (折迭-折迭模序)
亮氨酸拉链结构：
• 见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与 癌基因表达调控有关。
第二章
多肽与蛋白质
Peptides and Proteins
1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶。 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，
并将氨基酸合成了多种短肽 。 1938年，德国化学家Gerardus J. Mulder引用
2. 蛋白质具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）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递
3. 氧化供能
第一节
肽和蛋白质的一级结构
Primary Structure of Peptides and Proteins
一、肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚体
• 肌红蛋白 (Mb)
C 端
N端
肌红蛋白（myoglobin）是一个单个肽链的球状蛋白质，由
153个氨基酸残基构成，含有1个血红素（heme）辅基。
(二) 维持三级结构稳定主要依靠非共价键
• 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的 相互作用力或称非共价键、次级键，
• 主要有氢键、范德华力（Van der Waals force）、疏水作用（hydrophobic interactin）和盐键（salting bond）（又 称离子键）等。
• 非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分 子内部，而大多数极性侧链在蛋白质表面 维持着与水的接触。
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。
3. β-转角：
β-转角是多肽链180°回折部分所形成的 一种二级结构，其结构特征为： ⑴ 主链骨架本身以大约180°回折; ⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; ⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基 的-NH基之间形成氢是指多肽链主链部分形成的无规律 的卷曲构象。
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）。
多肽链从氨基末端走向羧基末端。
由数个、十数个氨基酸组成的肽习惯称为寡 肽(oligopeptide)，而很多氨基酸组成的肽 称为多肽（polypeptid）。
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。
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％。
单纯蛋白质（simple protein）
结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分
（conjugated protein）
辅基 （prosthetic group）
2. 蛋白质根据结构特点进行分类 ：
将具有相同或类似结构域或模体的蛋 白质归为一类。既体现结构特性又提 示功能特性。
超家族（super family） 家族（family） 亚家族（subfamily）
序列比对方法（sequence-comparison method）关键在于将2个序列准确地对齐，使 之达到相同序列最大化，插入或删除序列最小 化的目的。
然后计算相同的氨基酸数。
同源蛋白质：仅指同一基因进化而来的蛋白质。
相似（analogy）序列：序列相似，但非进化相 关的2个蛋白质的序列，常被称为相似序列 。
“Protein” 一词来描述蛋白质。
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，后基因组计划。
高级结构 或
空间构象
(conformation)
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。
三、蛋白质的一级结构
蛋白质一级结构(primary structure)是指蛋 白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列 顺序。
形成一级结构的化学键：
肽键（主要化学键） 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。
四、蛋白质一级结构比对可用于同源 蛋白质分析
蛋白质一级结构（氨基酸序列）比对常被 用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。
2. 多肽类激素：
• 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。 • 催产素，加压素，促肾上腺皮质激素。
3.神经肽
• 神经肽：在神经传导过程中起信号转导作 用的肽类。
• 脑啡肽，强啡肽，孤啡肽，Ｐ物质（10肽） • 用于临床镇痛治疗。
二、蛋白质的分子组成和结构
蛋白质分子中主要的元素组成是：C、H、O、 N、S等。C（50～55%）、H（6～7%）、O （19～24%）、N（13～19%）、 S（0～ 4%）、…
• 肽键平面——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。
（二）蛋白质二级结构的类型：
• 蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋， β-折迭，β-转角及无规卷曲等几 种类型。
1. α-螺旋：
α-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘 绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特 征为： ⑴ 走向为顺时针方向，为一右手螺旋； ⑵ 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基， 螺距 为5.44埃；
蛋白质的二级结构不同形式间在一定条件下 可以转变。毛发水蒸气拉伸α-螺旋可变成 β-转角
β-转角
RNase的分子结构
β-折迭
α-螺旋
无规卷曲
• （三）模体（motif)
• 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 ，形成一个具有特殊 功能的空间结构被称为模体或超二级结构。
• 一个模体总有其特征性的氨基酸序列，并 发挥特殊的功能。
• 由两段α-螺旋平行排列构成，其 -螺旋中存 在 每 隔7个 残 基 规 律性 排 列的 Leu残 基 ， Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈 钳状与DNA结合。
• （四）氨基酸侧链对二级结构形成的影响 • 影响α-螺旋稳定的因素有： ⑴ 极大的侧链基团（存在空间位阻）； ⑵ 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残
基（同种电荷的互斥效应）； ⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。 (4)Gly:由于自由度过大而不稳定。
二、蛋白质三级结构
（一）三级结构是指整条多肽链的空间分布
• 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，包括一级结构中相距甚远 的肽段的空间位置关系。
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。
• 氢键的作用是：Ａ协同蛋白质的折叠
• Ｂ帮助稳定球蛋白的天然构象。
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。
（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。
1.谷胱甘肽是体内重要的还原剂
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。
3. 蛋白质根据其形状 可分为：
纤维状蛋白质：结构蛋白，难溶于水。如结 缔组织中的胶原蛋白
球状蛋白质：易溶于水，功能蛋白。
(二)蛋白质分子结构可区分为4个层次
一级结构(primary structure)
二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)
（一）氨基酸通过肽键相连形成肽/蛋白质
存在自然界中的氨基酸有300余种， 组 成 体 内 蛋 白 质 的 氨 基 酸 （ amino acid）有20种，均为L-α-氨基酸（除甘 氨酸外） 。
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。
不同种属有同样功能的蛋白质，活性部位的氨基 酸是保守的，进化过程中，变化较少或基本不 变。
第二节
肽、蛋白质的高级结构
Three Dimentional Structure of Peptides and Proteins
一、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（氨基N、 α-碳原子、羰基碳）局 部的空间结构，不包括与其他肽段的相互 关系及侧链构象的内容。
⑶ 螺旋以氢键维系。每个肽键N-H的和第四 个肽键的羰基氧形成氢键；
（４） α-螺旋常具两性特点，几个疏水性 氨基酸组成的肽段和几个亲水性氨基酸组 成的肽段交替出现，使之能在极性和非极 性环境中存在。
毛发的角蛋白，肌肉的肌球蛋白，血凝块中 的纤维蛋白 ，它们的多肽链几乎都卷曲成 α-螺旋。具较好的伸缩性。
• 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。
（一）肽单元
1. 由于C=O（羰基）双键中的π电子云 与N原子上的未共用电子对发生“电子共 振”，使肽键具有部分双键的性质，不能 自由旋转。
2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结 构，称为肽单元或肽键平面。
但由于α-碳原子与其他原子之间均形成单 键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋 转。
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 。
蛋白质是体内的主要含氮物。 其中N元素的含量相对稳定，约为16%， 故每克氮相当于6.25克蛋白质。
N的含量平均为16%——凯氏定氮法 （Kjadehl）的理论基础
(一)蛋白质的分类
1. 蛋白质根据分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋 白质两类：
2. β-折迭： • β-折迭是由若干肽段或肽链排列起来所
形成的扇面状片层构象，其结构特征为：
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 借相邻肽链主链肽键羰基氧和亚氨基氢 之间形成的氢键维系。
蚕丝蚕蛋白几乎都是β-折迭
➢β-折迭包括平行式和反平行式两种类型
蛋白质分子中氢键的形成
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以避开水的力，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。
• 疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主 要的作用。