蛋白质生物功能

血红蛋白的四级结构
四、蛋白质结构与功能的关系
一级结构与功能的关系
• 一级结构的变异与分子病 • 一级结构与生物进化 • 一级结构的局部断裂与蛋白质的激活
蛋白质空间结构与功能的关系
一级结构与功能的关系
•一级结构的变异与分子病
血红蛋白β-链N-末端的AA顺序：
正常人
12 3 4 5 6 7 8
H2N·Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-······COOH
•变构现象是蛋白质表现其生物学功能的极为有效的方式
• 变构效应：许多 蛋白质在执行其 功能时，往往伴 随着构象的某种 微妙的变化，这 种现象称为变构 效应（别构效 应）。
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五、蛋白质的重要性质
蛋白质的酸碱性和等电点 蛋白质的胶体性质 蛋白质的变性蛋白质的呈色反应
蛋白质的酸碱性和等电点
• 蛋白质的两性电解质 • 等电点：当溶液达到
半透膜 蛋白质溶液 水
蛋白质的变性
• 蛋白质的变性：当蛋白质受 到物理、化学的因素影响后， 分子的三维结构发生改变， 而一级结构并没有破坏，此 时的蛋白质失去了原有的生 物活性，并伴随着物理、化 学性质的改变。这种现象称 蛋白质的变性。
• 蛋白质变性的实质：蛋白质 分子的空间结构的改变或破 坏。
•变性后蛋白质性质的改变
可进行正常的酸碱滴定
AA的重要化学反应
1、茚三酮反应
• 此反应复杂,产物为 混合物;
• 此反应灵敏,是鉴定 AA的常用方法
• 短肽也有此反应,但 肽链越长灵敏度越差
2、桑格（Sanger）反应
DNP-AA
3、Edman反应
三、蛋白质的结构
• 蛋白质的一级结构 • 蛋白质的空间结构
➢ 蛋白质的二级结构 ➢ 超二级结构 ➢ 结构域 ➢ 蛋白质的三级结构 ➢ 蛋白质的四级结构
有部分双键性质
•二级结构的基本类型
• α-螺旋 • β-折叠 • β-转角 • 无规则卷曲
•α-螺旋结构的特点
• α-螺旋：是多肽链主链围 绕螺旋中心轴而成的螺旋 式构象。
• α-螺旋的特点：
➢ 大都为右手螺旋，每3·6 个AA残基旋转一周，沿 纵轴的间距为0·54nm；
➢ 螺旋的稳定性靠链内氢 键维持，每隔3个AA残 基可形成一个氢键。
AA的酸碱性
•带电性
•pK` •等电点（pI）：调 节溶液的pH值，使 AA的净电荷为零， 在电场中AA既不向 阳极移动，也不向 阴极移动。此时的 pH值称为该AA的 等电点。
-H+
+H+
-
⇋ ⇌ H2N-CH-COO-
H3N+-CH-COO-
H3N+-CH-COOH
R
+H+
R
-H+
R
AA-
AA±
病人
H2N·Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-······COOH
•一级结构与生物进化
细 胞 色 素 C
不同生物和人的细胞色素C氨基酸差异数的比较
生物名称 不同氨基酸数目 生物名称 不同氨基酸数目
黑猩猩
0
海龟
15
恒河猴
1
金枪鱼
21
猪、牛、羊
10
小蝇
25
马
12
小麦
35
鸡
超二级结构
结构域
• 结构域：多 肽链在超二 级结构基础 上组装而成 的相对独立 的三维实体。
蛋白质的三级结构
• 蛋白质的三级结构： 建立在二级结构、 超二级结构乃至结 构域的基础上，多 肽链进一步折叠卷 曲形成的复杂的球
状分子结构。
•蛋白质三级结构的特点
➢整个分子紧密结实，内部只有能容纳几 个水分子的小腔或完全缺乏小腔；
1 AA的相同部分是 骨架 2 R性质与蛋白质的构象有关 3 要求记住AA的缩写符号 4 注意碱性，酸性和芳香族AA
请注意：
Asp和Asn二者常混 在一起用Asx表示； Glu和Gln二者常混 在一起用Glx表示。
注意AA各C原子的编号
ε δ γβ α
ε
AA的吸光性
• 芳香族AA—Tyr, Trp, Phe可以吸收280nm 的紫外光, 据此可对 蛋白质进行定量和定 性
第二章 蛋白质
一、蛋白质的生物功能及组成 二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸 三、蛋白质的结构 四、蛋白质的结构与功能的关系 五、蛋白质的重要性质
一、蛋白质的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ物功能及化学组成
蛋白质的生物功能
• 有机体代谢的催化剂 • 有机体内的结构组分 • 运输载体 • 运动的完成者 • 激素调节 • 有机体的免疫机能 • 贮藏功能 • 毒素 • 信号传递 • 遗传信息表达的调节
• 生物活性丧失 • 一些侧链基团暴露 • 某些理化性质改变 • 生物化学性质改变
•在生物化学中某些常用的分离纯化蛋白质的方法
利用的性质
溶解度不同
分子形状和大小不同 电离性质不同 生物功能不同
分离、纯化方法
盐析、专一性沉淀 有机溶剂分步沉淀 分配层析、吸附层析、疏水层析
结晶 凝胶过滤及凝胶电泳
超过滤 密度梯度超离心
蛋白质的化学（元素）组成
• C（50-55%） N（15-18%） • H（6-8%） O（6-8%）S（0-4%）； • 其它：P、Fe、Mn、Zn、Mo等； • 其中含氮量稳定，可作为定量测定蛋白质的标准
方法。 蛋白质含量=含氮量÷16%=含氮量×6·25
二、蛋白质的基本组成单位—— 氨基酸（Amino Acid，AA或aa）
蛋白质结构的层次性
一级结构（AA序列） 二级结构 超二级结构 结构域
三级结构（球蛋白） 四级结构（聚合体）
蛋白质的一级结构
——AA序列与共价键结构
• 肽键及肽
➢ 肽键：是由一个 AA的α-羧基与另 一个AA的α-氨基 缩合脱水而形成 的酰胺键。
➢ 肽：是由一个AA 的α-羧基与另一 个AA的α-氨基缩 合脱水而形成的 化合物。
带正电荷的AA：pI=（pK`2 + pK`R ）/2
带负电荷的AA：pI=（pK`1+ pK`R ）/2
AA不能用通常酸碱滴定测定
尽管AA具有酸碱性但却不能用 正常的酸碱滴定进行测定(因为 酸和碱基团的相互干扰, 使等当 点的pH过高或过低,没有适当的 指示剂可以选用。
AA+甲醛则可以掩盖氨基，使 AA成为普通的酸
形成链内氢键
链间氢键
AA间距0·15nm
0·36nm
如角蛋白
如丝蛋白
•β-转角和无规则卷曲
• β-转角：蛋白质分 子中出现180°的 回折，在这种肽 链的回折角上就 是β-转角结构。
• 无规则卷曲：指 没有规则的那部 分肽链构象。
超二级结构
• 超二级结构：在二级 结构的基础上，α-螺 旋或β-折叠进一步形 成三级结构的过程中， 比较邻近的肽段，有 时相互作用，形成二 级结构的聚合体。
某一pH值时，蛋白质 所带的正负电荷恰好 相等，即总净电荷为 零，在电场中既不向 阳极移动也不向阴极 移动，这时溶液的pH 值即为该蛋白质的等 电点。
蛋白质的胶体性质
• 蛋白质具有胶体的性质
• 蛋白质胶体稳定的因素： 水分子层和双电层
➢ 盐溶：低盐浓度时， 蛋白质溶解度增加。
➢ 盐析：高盐浓度时， 使蛋白质发生沉淀的 作用。
13
酵母
44
AA顺序中差异的数目 分歧时间（百万年）
人-猴
1
50-60
人-马
12
70-75
人-狗
10
70-75
马-牛
3
60-65
哺乳类-鸡 10-15
480
哺乳类-鲔 17-21
400
脊椎动物- 43-48
1100
•一级结构的局部断裂与蛋白质的激活
蛋白质空间结构与功能的关系
• 蛋白质的一级结构决 定其空间结构
等电点沉淀 离子交换层析
电泳 亲和层析
电泳 单击此处
亲和层析 单击此处
凝胶层析
本章要点：
• AA的性质 • 蛋白质的二级结构 • 蛋白质的性质
AA+
几种AA的pK和pI值
AA pK`1(-COOH) Pk`2(-NH2) pK`R pI
Gly
2,34
9,6
5,97
Asp
2,09
9,82 3,86 2,97
Arg
2,17
9,04 12,48 10,76
Lys
2,18
9,17 10,34 9,74
不带电荷的AA：pI=（pK`1+ pK`2 ）/2
➢ 在α-螺旋中，AA残基的 R侧链分布在螺旋的外 侧，其形状、大小及电 荷等均影响螺旋的形成。
α-螺旋
α-螺旋的横截面观
•β-折叠的要点
• β-折叠：若干条肽链或一条肽 链的若干肽段平行排列，相 邻肽链之间靠氢键维持。
• β-折叠结构的特点：
➢ β-折叠结构中肽链处于伸展 状态, 两个AA残基之间的距 离为0.36nm。
➢几乎所有的亲水侧链都分布在分子的表 面上；
➢大部分的疏水性基团都埋在分子内部。
•维持蛋白质构象的作用力
• 氢键 • 疏水基相互作用 • 离子键 • 二硫键
蛋 白 质 三 级 结 构 举 例
肌红蛋白的三级结构
蛋白质的四级结构
• 蛋白质的四级结构： 具有三级结构的球状 蛋白质通过非共价键 彼此缔合在一起形成 的聚集体。
➢ 肽链按层排列,靠链间氢键维 持其结构的稳定性。
➢ 相邻肽链走向可以是平行的 (φ=-119°，ψ=+113°)，也 可以是反平行的(φ=-139°， ψ=+135° )。
➢ 肽链中的AA残基的R基团分 布在片层的上下。
α-螺旋与β-折叠比较
α-螺旋 棒状
β-折叠 片状
多肽链紧紧盘绕 多肽链几乎完全伸展
• 构型与构象 构型----立体异构体中取代原子或基团在空间的
取向。 构象-----化合物中σ 键的自由旋转，使连接在σ
键两端原子上的原子或基团在空间上形成的不同 的排列方式。蛋白质的空间结构则是由构象不同 造成的。
构象 构型
2. 酰胺平面
• 肽键的双键性质 • C—N 0.149nm • C=N 0.127nm • C—N肽键0.132nm,
AA的通式：
AA的构型和吸光性
由于AA有不对称的Cα （甘氨酸除外）的存在使得 AA有L和D（R或S）型之分， 天然的AA均为L型；同时有 旋光性的存在 。
AA的分类
根据R基团的性质可分为：
• 非极性R基氨基酸 • 不带电荷的极性R基氨基酸 • 带正电荷的R基氨基酸 • 带负电荷的R基氨基酸
请注意：
•肽链的书写及命名
O
O
O
=
=
—
=
—
———
——
H2N-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-COOH
CH3
H
CH2
CH2
CH2
—
OH
COOH
书写：把含自由α-氨基的AA一端放左边（称为N-末端 或氨基末端）；把含自由α-羧基AA放在右边（称 为C-末端或羧基末端）。
命名：从肽链的N-末端开始，按照AA在肽链中顺序逐一 称为某氨基酰某氨基酰······某氨基酸。
如上面的肽称为：丙氨酰甘氨酰酪氨酰谷氨酸
肽的作用
——
=
——
= ————
O
O
δ C—NH—-CH-C-NH-CH2COOH
γ CH2
CH2
β CH2
SH
α CHNH2
COOH
还原型谷胱甘肽（GSH）
γGlu-Cys-Gly
S ︱ 二硫键 S
γGlu-Cys-Gly 氧化型谷胱甘肽（GSSG）
-2H 2GSH
+2H
GS-SG
有关肽的说法
1. 2个AA组成的肽称为二肽, 依次类推 2. 少于10个AA称为寡肽 3. 多于10个AA称为多肽 4. 蛋白质和多肽的界线：构象的稳定性
•蛋白质一级结构的测定
•蛋白质一级结构的举例
蛋白质的二级结构
• 蛋白质的二级结构：指蛋白质主链上原子的局部 空间排列，即多肽链中有规则的重复构象