生物化学第一章-蛋白质的结构与功能

• 肌红蛋白 (Mb)
为单肽蛋白质， 含有153个氨基酸， 有8个螺旋区
C 端 N端
三级结构是蛋白质结构的基础 对于单一多肽链的蛋白质，三级结 构是它的最高级结构，只有具有完 整的三级结构，才具有全部的生物 学功能
（二）结构域
大分子蛋白质的三级结构 常可分割成一个或数个球状或 纤维状的区域，折叠得较为紧 密，各行使其功能，称为结构 域(domain) 。
五、蛋白质的四级结构
亚基(subunit) 有些蛋白质分子含有 二条或多条多肽链，每一条 多肽链都有完整的三级结构， 称为蛋白质的亚基 。 胰岛素受体：由4个亚 基组成(α2β2) ，α亚基与 β亚基形成单体(monomer)， 2个单体形成二聚体(dimer)。
蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接
多肽链有方向性：
N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端
N
Ala-Tyr-Asp-Gly
C
N端
C端
N末端
C末端
牛核糖核酸酶
（二） 几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)
GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产 生的过氧化氢 H2O2
2GSH
下公式推算出蛋白质的大致含量：
100克样品中蛋白质的含量 ( g % )
= 每克样品含氮克数× 6.25×100 1/16%
一、氨基酸
—— 组成蛋白质的基本单位
存在自然界中的氨基酸有 300 余种，但
组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种
COO
+
CH 3 R H
H
C
NH3
甘氨酸 丙氨酸 L-氨基酸的通式
- 羧基与另一个氨基酸的 - 氨基脱水缩合
而形成的化学键，本质为酰胺键。
• 氨基酸残基 (residue) :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。
* 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)。 * 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。
组成蛋白质的元素
主 要 元 素 组 成
C H O N S
50 ~ 55 % 6~ 8 % 19 ~ 24 % 13 ~ 19 % 0~4 %
有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、 Se、I等。
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％。 凯氏定氮法：
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
一、蛋白质一级结构与功能的关系
（一）一级结构是空间构象的基础
二 硫 键
牛核糖核酸酶的 一级结构
天然状态， 有催化活性 去除尿素、 β-巯基乙醇
尿素、 β-巯基乙醇
非折叠状态，无活性
（二）一级结构与功能的关系
从细胞色素c的一级 结构看生物进化 物种进化过程中越 接近的生物，细胞 色素的一级结构越 相似
R CH COOH NH3+
+OH+H+
R CH COO NH3
+
+OH +H+
R CH COONH2
pH<pI 阳离子
pH=pI 氨基酸的兼性离子
pH>pI 阴离子
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。
2. -折叠 β-折叠 是由若干肽 段或肽链排 列起来所形 成的扇面状 片层构象
β -折叠包括平行式和反平行式两种类型
结构特征：
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 涉及的肽段较短，一般为5～10个
氨基酸残基；
⑷ 借相邻主链之间的氢键维系。
3. -转角
如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等
* 根据蛋白质形状 纤维状蛋白质：多为结构蛋白，难溶于水 球状蛋白质：多数具有生理活性，多数可溶
如酶、免疫球蛋白等等
分类 脂蛋白
糖蛋白 核蛋白
结合蛋白质及其辅基 辅基 举例 脂类 血浆脂蛋白（VLDL、 LDL、HDL等） 糖基或糖链 核酸 胶原蛋白、纤连蛋白等 核糖体
——侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。
赖氨酸 Lys（K）
9.74
精氨酸 Arg （R） 10.76
组氨酸 His （H） 7.59
另外：
1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修 饰的——修饰氨基酸 如：脯氨酸 羟基化 成 羟脯氨酸 赖氨酸 羟基化 成 羟赖氨酸
2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在

半胱氨酸
-SH HS-CH -CH-COO + 2 2
-OOC-CH-CH
+NH 3
-HH
+NH
3
-OOC-CH-CH
+NH 3
-S S-CH -CH-COO 2 2
+NH 3
二硫键
胱氨酸
（二）氨基酸的理化性质
1. 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。
R CH COOH NH2
（四）氨基酸残基的侧链对二级结构形成 的影响
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。
四、蛋白质的三级结构
（一） 定义
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位臵。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位臵。
主要的维系键： 疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
第二章
蛋白质化学
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。
蛋白质的生物学功能
1）酶的生物催化作用
2）调控作用
参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控：如激素或生长因子等
6.30
2. 极性中性氨基酸 色氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 tryptophan serine tyrosine cysteine methionine asparagine Try Ser Try Cys Met Asn W S Y C M N
5.89 5.68 5.66 5.07 5.74 5.41
这一平面称为肽键平面或肽单元。
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
(二）蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
磷蛋白
血红素蛋 白 黄素蛋白 金属蛋白
磷酸基团
血红素（铁卟 啉）
酪蛋白（casein） 血红蛋白、细胞色素c
琥珀酸脱氢酶 黄素核苷酸 （FAD、FMN） 铁 铁蛋白 锌 钙 锰 乙醇脱氢酶 钙调蛋白 丙酮酸羧化酶
第二节
蛋白质的分子结构
The Molecular Structure of Protein
该反应可作为蛋白质定性、定量分析
的基础。
二、肽
（一）肽(peptide) 肽是由氨基酸通过肽键缩合 而形成的化合物。
O NH2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H
甘氨酸
H
OH
-HOH
O O NH2-CH-C-N-CH-C H HH OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
• 肽键 (peptide bond) ：是由一个氨基酸的
基本氨基酸中，除脯氨酸和 甘氨酸外其余均属于 L-α- 氨基酸。
例外：
COOH │ H2 N — C — H │ R
Gly —— 没有手性
Pro —— 亚氨基酸
（一）氨基酸的分类 分类依据 ：R侧链基团的结构及理 化性质的不同
1. 非极性疏水性氨基酸
2. 极性中性氨基酸
3. 酸性氨基酸
4. 碱性氨基酸
3）运动与支持
机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等
4）参与运输贮存的作用
血红蛋白 ——运输氧 铜蓝蛋白 ——运输铜 铁蛋白 ——贮存铁
5）免疫保护作用
抗原抗体反应 凝血机制
6）参与细胞间信息传递
信号传导中的受体、信息分子等
7） 氧化供能
第一节
蛋白质的分子组成
The Molecular Component of Protein
谷氨酰胺
苏氨酸
glutamine
threonine
Gln
Thr
Q
T
5.65
5.60
3. 酸性氨基酸 Glu，Asp
——侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。
天冬氨酸 aspartic acid 谷氨酸 glutamic acid
Asp Glu
D E
2.97 3.22
4. 碱性氨基酸 His，Arg，Lys
2. 紫外吸收
色氨酸和酪 氨酸的最大吸收 峰在 280 nm 附 近。
紫外分分光度法： 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。
芳香族氨基酸的紫外吸收
3．显色反应
茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产
生蓝紫色化合物，最大吸收峰在570nm。
蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接 起来的，具有特定分子结构的高分子化合 物。 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
蛋白质的分子结构包括（人为划分）
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
二、蛋白质的一级结构
定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列 顺序。(包括蛋白质分子中所有的二硫键的位臵） 主要的维系键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
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
三、蛋白质的二级结构
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
间位臵，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。
主要的维系键：
氢键
蛋 白 质 立 体 结 构 原 由于C=O双键中的π 电子云与N原子上的未共用电子对发生 则 “电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
（一）肽单元
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，
GSH过氧 化物酶
NADP+
GSH还原酶
2H2O
GSSG
NADPH+H+
谷胱甘肽的生理功用：
解毒作用： 参与氧化还原反应： 保护巯基酶的活性： 抗百度文库化剂作用，维持红细胞膜的稳定：
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)
三、蛋白质的分类
* 根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质：如，血清清蛋白 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分
是多肽链180° 回折部分所形成 的一种二级结构
4. 无规卷曲
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。
（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，
在空间上相互接近，形 成一个特殊的空间构象， 被称为模体
钙结合蛋白中 结合钙离子的模体
锌指结构
螺旋－折叠－折叠 2个His和2个Cys 与Zn离子结合 螺旋区 与 DNA 结合
触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级 结构。 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次 是氢键和离子键。
血红蛋白的四级结构
血红蛋白的四个亚基紧密结合， 亚基之间的维系键是亚基之间 的8 个盐键
第三节 蛋白质结构与功能的关系
The Relation of Structure and Function of Protein
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
结构特征：
⑴ 为一右手螺旋，侧链
伸向螺旋外侧
⑵ 螺旋每圈包含3.6个氨 基酸残基,螺距 0.54nm； ⑶ 螺旋以氢键维系（氨 基酸的N-H和相邻第四个氨
基酸的羰基氧C=O之间。氢
键方向与螺旋轴基本平行）
1. 非极性疏水性氨基酸 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 glycine alanine valine leucine isoleucine Gly Ala Val Leu Ile G A V L I F P
5.97 6.00 5.96 5.98 6.02 5.48
苯丙氨酸 phenylalanine Phe 脯氨酸 proline Pro