1、蛋白质结构与功能

一、蛋白质的一级结构
摇 摇 多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。 氨基酸排 列顺序是由遗传信息决定的,氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间 结构的基础,而蛋白质的空间结构则是实现其生物学功能的基础。 1953 年,英国生物化学家 Frederick Sanger 报道了牛胰岛素的一级结 构,这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质( 图 1 -1),它有 A、
G
Ala
A
Val
V
Leu
L
Ile
I
Phe
F
5. 97 6. 00 5. 96 5. 98 6. 02 5. 48
摇 脯氨酸
proline
Pro
P
6. 30
2. 极性中性氨基酸
摇 色氨酸
tryptophan
Trp
W
5. 89
摇 丝氨酸
serine
摇 酪氨酸
tyrosine
HO CH2 CHCOO + NH3
说一说: 何为蛋白质
分子的一级 结构。
B 两条多肽链,A 链含 21 个氨基酸残基,B 链含 30 个氨基酸残基,分子中 3 个二硫键,A
链内 1 个,AB 链间 2 个。
·10·摇 摇 摇 摇 生物化学基础
图 1-1摇 牛胰岛素的一级结构
摇 摇 不同的蛋白质具有不同的一级结构,因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要 的标志之一。
质的基本组成单位。
( 一) 氨基酸的结构特点
自然界中存在着 300 多种氨基酸,但构成人体蛋白质的只有 20 种氨基酸。 在 20 种
氨基酸中,除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酸是亚氨基酸外,其余均为 L -琢 -氨基
酸。 氨基酸分子的结构通式为:
COOH
COO -
H2 N C H 或 + H3 N C H
想一想: 蛋白质分子
中的氨基酸是如 何连接的?
酸分子,因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸称为氨基酸残基。
多肽有开链肽和环状肽。 在人体内主要是开链肽。 开链肽具有一个游离的氨基末端
和一个游离的羧基末端,分别保留有游离的 琢-氨基和 琢-羧基,故又称为多肽链的 N 端
(氨基末端)和 C 端(羧基末端),书写时一般将 N 端写在分子式的左边,并以此开始对多
肽分子中的氨基酸残基依次编号,而将肽链的 C 端写在分子式的右边,因此多肽链具有
方向性。 在多肽链的分子结构中,从 N 端到 C 端由肽键与 琢-碳原子形成一条骨架,称为
多肽链的主链,而各氨基酸残基上的 R 基团则称为侧链。
( 二) 生物活性肽
生物体中 有 许 多 具 有 重 要 的 生 理 功 能 的 寡 肽 或 多 肽, 称 为 生 物 活 性 肽 ( active
图 1-3摇 多肽链中的肽键平面
1. 琢- 螺旋摇 多肽链的主链围绕一个中心轴盘曲形成的螺旋状构象即 琢 - 螺旋 ( 琢-helix) ( 图 1-4) 。
图 1-4摇 琢-螺旋结构
·12·摇 摇 摇 摇 生物化学基础 琢-螺旋的走向为顺时针方向,称右手螺旋,每 3. 6 个氨基酸残基螺旋上升一圈,螺距
第一章摇 蛋白质的结构和功能
学摇 习摇 目摇 标
音说出蛋白质的元素组成特点及基本组成单位。 音比较蛋白质的一级、二级、三级和四级结构的主要特点。 音熟悉蛋白质的理化性质及其在临床上的应用。 音理解蛋白质的结构与功能的关系。 音描述血浆蛋白质的生理功能。 音列举蛋白质的分类方法。
蛋白质( protein) 是细胞组分中含量最丰富、功能最多的生物大分子,它不仅是机体组 织、器官的结构组分,而且在完成各器官组织生理功能中都起着关键的作用。 因此,蛋白 质是生命的物质基础,担负着繁多的生理功能。
图 1-2摇 蛋白质空间结构中的次级键
A. 离子键摇 B. 氢键摇 C. 疏水键摇 D. 范德华力摇 E. 二硫键
主键( 肽键)
{ 蛋白质分子中化学键
二硫键
{ 副键 次级键{氢键、盐键
疏水键、范德华力等
第一章摇 蛋白质的结构和功能摇 摇 摇 摇 ·11· ( 一) 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构( secondary structure) 是指蛋白质多肽链主链骨架折叠卷曲形成的 局部空间结构。 多肽链中肽键上 4 个原子与相邻的 2 个 琢-碳原子位于同一平面上,此平 面称为肽键平面( peptide bond plane) 。 肽键平面是蛋白质二级结构的基本单位。 由于 琢 -碳原子所连的两个单键可以自由旋转,相邻的肽键平面可以围绕 琢-碳原子旋转形成不 同的排布位置,这就是产生多种二级结构的基础。 肽键平面的结构如图 1-3 所示。 二级结构有 琢-螺旋、茁-折叠、茁-转角和无规卷曲等形式。 一种蛋白质分子可出现一 种或数种二级结构。
·8· 摇 摇 摇 摇 生物化学基础
续表 1-1
中文名 摇 谷氨酰胺
英文名 glutamine
结构式
O
詤
C CH2 CH2 CHCOO -
H2 N
+ NH3
摇 苏氨酸
threonine
CH3 HO CH CHCOO-
+ NH3
3. 酸性氨基酸
摇 天冬氨酸 摇 谷氨酸
aspartic acid glutamic acid
·6· 摇 摇 摇 摇 生物化学基础
第一节摇 蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成
摇 摇 蛋 白 质 元 素 分 析 证 明, 蛋 白 质 主 要 由 碳 ( 50% ~ 55% ) 、 氢 (6% ~ 7% ) 、氧(19% ~ 24% ) 、氮(13% ~ 19% ) 四种基本元素组 成,大部分的蛋白质还含硫(0 ~ 4% ),有些蛋白质还含有磷、铁、 铜、锌、锰、钼、钴、锗及硒等元素,个别蛋白质含有碘。 蛋白质元素
表 1-1摇 组成蛋白质的 20 种氨基酸
结构式
三字符号 一字符号 等电点( pI)
H CHCOO-
+ NH3
CH3 CHCOO -
+ NH3
CH3 CH CHCOO -
CH3 + NH3
CH3 CH CH2 CHCOO -
CH3
+ NH3
CH3 CH2 CH CHCOO -
CH3 + NH3
Gly
peptide) 。 生物活性肽是体内重要的信息分子,在代谢调节、神经传导和生长发育等方面
起重要作用。 其中有的具有激素功能,如抗利尿素( 九肽) 和催产素( 九肽) 等;有的具有
调节血压功能,如血管紧张素域( 八肽) 和神经降压肽( 十三肽) 等;有的具有镇痛作用,如
脑啡肽(五肽)和脑新肽(四肽)等。 这些活性肽多是细胞间传递信息的重要信息分子,在
第一章摇 蛋白质的结构和功能摇 摇 摇 摇 ·9·
摇 摇 氨基酸通过肽键相连而形成的化合物称为肽。 由两个氨基酸缩 合成的肽称为二肽,三个氨基酸缩合成三肽,以此类推。 一般含 10 个以下氨基酸组成肽的称寡肽,由 10 个以上氨基酸组成的肽称多 肽,它们都简称为肽。 由于多肽分子中的氨基酸彼此通过肽键连接 形成长链,故称之为多肽链。 在肽链中的氨基酸已不是游离的氨基
Ser
S
Tyr
Y
5. 68 5. 66
摇 半胱氨酸 cysteine
摇 蛋氨酸
methionine
摇 天冬酰胺 asparagine
HS CH2 CHCOO -
+ NH3
CH3 S CH2 CH2 CHCOO -
+ NH3
O
詤
C H2 N
CH2 CHCOO + NH3
Cys
C
Met
M
Asn
N
5. 07 5. 74 5. 41
空间构象的有二硫键,它是由两个半胱氨酸残基侧链的巯基之间脱氢
形成的共价键,对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。 二硫键一旦破坏,蛋白质的生物活
性就可能丧失。 二硫键数目越多,则蛋白质抗拒外界因素的能力也越强,即蛋白质的稳定
性越强。 常见的次级键如图 1-2 所示。
R
R
L-琢-氨基酸
在氨基酸结构通式中, 其基本结构特征为:琢-碳原子为手性碳原子,连有四个基团或
原子,分别为氨基(亚氨基)、羧基、侧链( R) 和氢( 甘氨酸除外)。 不同的氨基酸其侧链
( R) 各异,它对形成的蛋白质的空间结构和理化性质有重大影响。
( 二) 氨基酸的分类
根据氨基酸 R 侧链的结构和理化性质,可将 20 种氨基酸分为四类( 表 1-1) 。
1. 非极性疏水氨基酸摇 其特征是含有非极性的侧链,具有疏水 性。 但甘氨酸的侧链仅为氢原子,无疏水性。
2. 极性中性氨基酸摇 其 R 侧链带有羟基或巯基、酰氨基等极性 基团,又有亲水性,但在中性水溶液中不电离。
3. 碱性氨基酸摇 其 R 侧链含有氨基、胍基和咪唑基,易于接受
议一议: 对组成蛋白
质的氨基酸有几 种分类方法?
说一说: 蛋白质的元素
组成有什么特点?
组成的特点是其氮的含量相对恒定,平均为 16% 。 由于生物体内含氮化合物主要是蛋白
质,因此通过样品中含氮量的测定,即可推算出其中蛋白质的含量。
100 g 样品中蛋白质含量 = 每克样品中的含氮克数伊6. 25伊100
二、蛋白质的基本组成单位———氨基酸
蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下,最终的水解产物都是氨基酸。 因此氨基酸是蛋白
人体内约有 10 万多种蛋白质,各种蛋白质均有其特定的结构和功能。 蛋白质功能上 的多样性是由其结构的千差万别所决定的。 所以只有在深入了解蛋白质结构的基础上, 才能更透彻了解蛋白质的功能及其在生命活动中的作用。
揖 知识链接铱
生命是蛋白质的天地 自然界的生命是在氨基酸产生以后才诞生、进化的。 人体内的 20 种氨基酸以不同的 比例和排列方式构成千百万种功能各异的蛋白质。 在人体的血液、毛发、肌肉、皮肤、韧带 和指甲等组织,蛋白质的存在无处不有。 人体肌肉的发达、身材的增高、人类基因的遗传、 神秘的生儿育女、精密的代谢调控、高度的识别与记忆能力等无一不与蛋白质的功能密切 相关。 无数事实充分证明:生命是蛋白质的天地,没有蛋白质就没有生命。
COOH COOH
CH2 CHCOO + NH3
CH2 CH2 CHCOO + NH3
4. 碱性氨基酸
摇 赖氨酸
lysine
NH2 ( CH2 ) 4 CHCOO + NH3
摇 精氨酸
arginine
NH
詤詤
摇 组氨酸
histidine
NH2 C NH ( CH2 )3 CHCOO -
+ NH3 HC詤C CH2 CHCOO -
N詤 NH
C H
+ NH3
三字符号 一字符号 等电点( pI)
Gln
Q
5. 65
Thr
T
5. 60
Asp
D
Glu
E
2. 97 3. 22
Lys
K
9. 74
Arg
R
10. 76
His
H
7. 59
三、蛋白质多肽链中氨基酸的连接方式
( 一) 肽键和肽 蛋白质分子中的氨基酸通过肽键连接。 一个氨基酸的 琢 羧基与另一个氨基酸的 琢 氨基缩合脱水形成的酰胺键( —CO—NH—) 称为肽键。 肽键是蛋白质分子中的主要共价 键,性质比较稳定。
沟通细胞之间、组织与器官之间的功能联系以及在调节机体物质代谢中发挥着重要作用。
另外,其他一些小分子肽也具有重要生物学活性,如谷胱甘肽( 三肽) 是体内重要的还原
剂和保护剂,具有解毒功能。
第二节摇 蛋白质的分子结构
蛋白质是由许多氨基酸通过肽键连接形成的生物大分子。 通常将蛋白质分子结构分 为一级、二级、三级和四级结构。 一级结构是蛋白质的基本结构,二级、三级和四级结构统 称为蛋白质的空间结构或高级结构。 蛋白质的分子结构决定蛋白质的理化性质和生物学 功能。
氢离子而具有碱性。
4. 酸性氨基酸摇 其 R 侧链都含有羧基,易解离出氢离子而具有酸性。
中文名
英文名
1. 非极性氨基酸
摇 甘氨酸
glycine
摇 丙氨酸
alanine
摇 缬氨酸
valine
摇 亮氨酸
leucine
摇 异亮氨酸 isoleucine
摇 苯丙氨酸
phenylala鄄 nine
第一章摇 蛋白质的结构和功能摇 摇 摇 摇 ·7·
为 0. 54 nm,氨基酸的侧链伸向螺旋外侧。 氢键是稳定 琢-螺旋的主要次级键。 上下螺旋 之间形成链内氢键,即第 1 个肽键的 NH 与第 4 个肽键的 CO 之间形成氢键;第 2 个肽键 的 NH 与第 5 个肽键的 CO 形成氢键,第 3 个肽键的 NH 与第 6 个肽键的 CO 形成氢键,以 此类推,肽键中全部 NH 都和 CO 生成氢键,使 琢-螺旋结构十分牢固。
二、蛋白质的空间结构
摇 摇 蛋白质的空间结构是指蛋白质在一级结构的基础上,进行盘曲、 折叠所形成特定的空间结构。
蛋白质的空间结构主要靠氢键、盐键、疏水键、配位键和范德华 力等非共价键维持固定。 次级键的作用力较共价键弱,但蛋白质分 子内次级键数量较多,在维持蛋白质空间结构方面仍起决定性的作
议一议: 维持蛋白质