[研究生入学考试]动物生物化学1蛋白质的结构与功能

COOH -H +
COO- -H +
H3N + C H p K 1 ' H 3N + C H p K 2 '
R
+ H+
R
+ H+
COOH 2N C H
R
氨基酸的等电点（Isoelectric point, PI）：氨基酸所带净电荷 为零时溶液的pH值
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第三节 蛋白质的化学结构
一、肽键和肽 二、蛋白质的一级结构 三、蛋白质的高级结构 （一）肽单位（酰胺平面） （二）非共价键（非共价相互作用力） （三）二级结构 （四）超二级结构 （五）结构域 （六）三级结构 （七）四级结构
多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基
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二、蛋白质的一级结构
（一）蛋白质的一级结构（protein primary structure）
蛋白质多肽链氨基酸的组成和排列顺序。又称蛋白质的初 级结构。
（二）一级结构的表示
Ser H
O H3N+ C C
N-端 CH2
Val H
O NCC
H CH
T yr H
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七、三级结构
• 蛋白质的三级结构（tertiary structure）
指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构 域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特 定肽链走向的紧密球状结构, 或者说三级结构是指 多肽链中所有原子的空间排布。
• 维系三级结构的力有
疏水作用力、氢键、范德华力、盐键
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二、蛋白质的分类
（一）按形状分
纤维状蛋白质：长轴是短轴的10倍以上，多为结构蛋白。 如结缔组织中的胶原蛋白
球状蛋白质：近似球形或椭圆形，多数可溶于水，许多 具有生理活性的蛋白如酶、转运蛋白、蛋白类激素及免疫 球蛋白等。
（二）按结构和功能分
简单蛋白（simple protein）:仅有蛋白质组成的结构 简单的蛋白质
• 一级结构与功能的关系---分子病 • 高级结构与功能的关系---变、复性理
论 ---变构理论
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一、一级结构与功能的关系
1、一级结构多肽链中个别氨基酸改变可能改变功
能
Cys-Tyr-Phe -Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly 加压素
S
S
Cys-Tyr-Ile -Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly
1、均为α-氨基酸（除脯氨酸） 2、均为L-氨基酸（除甘氨酸）
L-氨基酸通式
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（二）氨基酸的分类
• 按R侧链极性和电荷不同，分为四大类 不带电荷极性氨基酸 ：Gly, Ser,Thr, Cys,Thr,Asn,Gln 带负电荷极性氨基酸 ：Asp,Glu 带正电荷极性氨基酸 ：His,Arg,Lys 非极性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Trp, Met
第二章
蛋白质的结构与功能
Structure and Function of Proteins
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本章主要内容
蛋白质在生命活动中的重要作用 蛋白质的化学组成 蛋白质的分子结构 多肽、蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的物理化学性质和分离与鉴定
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第一节 蛋白质在生命活动中的作用
一、蛋白质的生理作用
1、催化作用 2、运输作用 3、运动作用 4、机械支持作用 5、代谢调节 6、防御抑制 7、能量转换 8、基因表达与调控 9、维持组织的生长、更新和修补
（三）稀有氨基酸
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（2）组成蛋白质的20种氨基酸
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（四）氨基酸的主要理化性质
1 氨基酸的光吸收特征
各种氨基酸在可见区都没有光吸 收
在紫外光区 最大吸收波长分别 色氨酸 Trp、279 酪氨酸 Tyr、278 苯丙氨酸 phe、259nm
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2.氨基酸的两性解离与等电点
氨基酸是两性电解质：氨基酸在结晶形态或在水溶液中， 并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离 子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧 基是以离解状态(-COO-)存在。氨基酸是两性电解质。
蛋白质分子构象主要靠非共价键维持
氢键（b）离子键(a)疏水作用力(c)范德华引力(d)
配位键、二硫键(e)
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四 二级结构 （secondary structure）
指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折 叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。
二级结构的主要形式
α-螺旋、β-折叠、β-转角、γ-转角、无规卷曲
八、四级结构
蛋白质的四级结构（quaternary structure）
四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白 中的空间排布和亚基之间的相互作用。 维系四级结构的力 疏水作用力、氢键、范德华力、盐键（静电作用力）。
Hb（hemeglobin）的四级结构
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第五节 多肽、蛋白质结构与功能的关系
球状蛋白质分子中的一级结构顺序上相邻的二级结构常 常在三维折叠中相互靠近，彼此作用，在局部区域形成规 则的二级结构的聚合体。
常见的超二级结构类型
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六、结构域（domain）
• 在较大的蛋白质分子里，多肽链的三维折叠常常形成两个 或多个松散连接的近似球状的三维实体。这些实体就称为 结构域。
丙酮酸激酶的一个结构域
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一、蛋白质的元素组成
所有蛋白质均含有 C: 50-55% H: 6.1-7.0% O: 23% N: 16%
某些蛋白质含有： S: 0-3% P
个别蛋白质含有：Zn, Fe, Cu 等金属元素
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二、构成蛋白质的基本结构单位 ---氨基酸（Amino Acid）
（一）氨基酸的基本结构和构型
存在自然界氨基酸有300种，组成动物体氨基酸有20种
O NCC
H CH2
Asp H
O NCC
H CH2
Gln H
N C COOH CH2 C-端
OH
CH3CH3
CO2H
CH2
肽键
OH
CONH2
氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点 的排列顺序。如上述五肽可表示为：
Ser-Val-Tyr-Asp-Gln
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胰岛素的一级结构
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一、肽键（peptide bond）和肽（peptide）
肽键：蛋白质分子中，由前一个氨基酸的-COOH和后
一个氨基酸的-NH2脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白质结构 中的主价键。
肽：由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽）
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• 多肽（polypeptide）和多肽链（polypeptide chain）
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二、高级结构与功能的关系
• 蛋白质变性（protein denaturation）
物理的和化学的因素使天然蛋白质失去原有的理化性质 和生物学活性的作用。蛋白质的变性作用只是三维构象的 改变，不涉及一级结构的改变。包括可逆和不可逆变性。
• 变性蛋白的特征：溶解度降低
黏度变化 易被酶水解 凝固 生物学活性丧失
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1 、α-螺旋（α-helix)
肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状，称为α-螺旋。
Leabharlann Baidu
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• 典型的α-螺旋的结构是：
1）外观似棒状，肽链的主链绕Cα相继旋
转一定角度，形成紧密的螺旋，侧链伸 向外侧
2）每3.6个氨基酸残基上升一圈，每个氨 基酸残基绕轴旋转1000，每圈使轴上升 0.54nm(0.15nm/氨基酸残基)。这种典 型的α-螺旋简写为3.613。
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二、肽单位平面结构和二面角
（一）肽单位平面结构的特征
• 肽单位（peptide unit）:肽链主链上的重复结构。 如Cα-CO-NH-Cα，称为肽单位或肽单元。
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• 肽平面（peptide plane）:肽链主链的肽键C-N具 有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连接在 肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称 为肽平面。
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第四节 蛋白质的高级结构
• 蛋白质的结构层次 • 肽单位平面结构和二面角 • 维持蛋白质分子构象的化学键 • 二级结构 • 超二级结构 • 结构域 • 三级结构 • 四级结构
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一、蛋白质结构的层次
结构极其复杂，具有明显的结构层次层次 一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序） 二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构） 超二级结构（二级结构单位的集合体） 结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域） 三级结构（整个多肽链上所有原子的空间排布） 四级结构（由球状亚基或分子缔和而成的集合体）
Ser H
O H3N+ C C
N-端 CH2
Val H
O NCC
H CH
OH
CH3CH3
肽键
T yr H
O NCC H CH2
OH
Asp H
O NCC
H CH2 CO2H
Gln H
N C COOH CH2 C-端
CH2
CONH2
在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称 为氨基酸顺序
在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端； 在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。
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牛胰Rnase的可逆变 性
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• 蛋白质的复性（renaturation）
变性了的蛋白质在一定的条件下可以重键其天然构象， 恢复其生物活性的现象。如牛胰RNase
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二) 蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能
变构作用（allosteric effect ）是指对于多亚基的蛋白质或
酶，效应剂作用于某个亚基，引发其构象改变，继而引 起其他亚基构象的改变，导致蛋白质或酶的生物活性的 变化。 这样的效应剂也称变构剂。
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（二）两面角（dihedral angle）
在多肽链里，Cα碳原子刚好位于互相连接的两个肽 平面的交线上。Cα碳原子上的Cα-N和Cα-C都是单键， 可以绕键轴旋转，其中以Cα-N旋转的角度称为ф，而以 Cα-C旋转的角度称为ψ，这就是α-碳原子上的一对二面 角。
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三、维持蛋白质分子构象的化学键
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3）每一个氨基酸残基上的亚氨基氢（N-H）
与前面第四个氨基酸残基上的羰基氧
(C=O)之间形成链内氢键。在氢键封闭
的环内，有13个原子-CO-[-NNH-。
Cα-C-]3-
4）大多数天然蛋白质都是右手α-螺旋
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2、β-折叠（ β- sheet）
多肽链中一段较伸展的周期性折叠的锯齿形的主链构象
β-折叠有两种类型:即平行结构和反平行结构.
平行结构
反平行结构.
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3、β-转角(β-turn)
又 称 为 β- 回 折 、 β- 弯 曲 或 发 卡 结 构 是 多 肽 链 1800回折处的特殊结构。在β-转角中弯曲的第一 个氨基酸残基的C=O和第四个氨基酸残基的N-H 之间形成一个氢键。
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γ-转角（γ-turn angle）
也存在于蛋白质180回折处，是由3个连续的氨基酸 残基组成，第一个和第三个残基之间形成两个氢键以 维持其结构的稳定
• 无规卷曲（random coil）
指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。它的结构比 较松散。这种结构和α-螺旋、β-折叠、β-转角比较起来是不规则的， 但对于一些蛋白质分子来讲，特定的无规卷曲构象是不能被破坏的， 否则就失去活性。
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五、超二级结构（super secondary structure）
血红蛋白中的4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧 分子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改 变，这种变化在亚基之间传递，改变了其他亚基与氧的 结合能力。
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氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的8对离子 键相继断开，从比较紧凑的T构象转变为比较 松弛的R构象
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由两者的氧合动力学比较可见，血红蛋白输氧具有优势
结合蛋白（conjugated protein）:在蛋白质分子中除 了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，才能保 证蛋白质的正常生物活性的蛋白质
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简单蛋白质
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结合蛋白
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第二节 蛋白质的化学组成
一、蛋白质的元素组成 二、蛋白质的基本结构单位和其它组分 三、氨基酸
（一）氨基酸的基本结构和构型 （二）氨基酸的分类 （三）稀有氨基酸 （四）非蛋白质的氨基酸 （五）氨基酸的主要理化性质
S
S
催产素
2、关键肽端的改变导致功能改变
• ACTH(促肾上腺皮质激素) SYSMEHFRWGKPVGKKRRPVKVYPNGAEDELAEAFPLEF
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3、一级结构反映物种的进化---分子进化
细胞色素C的种属差异性（以人为标准）
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4、一级结构改变引起分子病
最早从分子水平证 明的先天性遗传病—— 镰刀形红细胞贫血症。