第二章

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功效一、概述二、蛋白質(zhì)基本組成單位–氨基酸解)三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系五、蛋白質(zhì)主要性質(zhì)、分離純化與判定1/92了解蛋白質(zhì)元素組成；掌握蛋白質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位—氨基酸基本結(jié)構(gòu)；了解氨基酸分類；了解稀有氨基酸和非蛋白質(zhì)氨基酸；掌握氨基酸各種理化性質(zhì)；掌握肽鍵、肽鏈和蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)概念，同時(shí)了解蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)表示方法；掌握二肽及多肽形成過程；了解蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測定方法。。2/92思索題

1.蛋白質(zhì)分為哪些類型？各行使何種功效？2.自然界存在氨基酸種類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)？3.肽鍵有何特點(diǎn)？對蛋白質(zhì)構(gòu)象形成有何影響？4.何謂蛋白質(zhì)一、二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)？維系蛋白質(zhì)構(gòu)象作用力有哪些？5.何謂蛋白質(zhì)超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域？

6.試述蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系。

7.何謂蛋白質(zhì)變性作用與復(fù)性作用？3/92一、概述（一）蛋白質(zhì)生物學(xué)意義和元素組成（二）蛋白質(zhì)分類4/92（一）蛋白質(zhì)生物學(xué)意義和元素組成1.蛋白質(zhì)生物學(xué)意義

（1）蛋白質(zhì)生物學(xué)功效多樣性

酶催化功效、控制生長和分化、代謝調(diào)整功效、運(yùn)動(dòng)功效、運(yùn)輸作用、免疫保護(hù)作用、接收和傳遞信息、貯存營養(yǎng)功效、結(jié)構(gòu)支持作用。（2）蛋白質(zhì)生物學(xué)功效復(fù)雜性

某一功效發(fā)揮往往受到各種原因影響與調(diào)整。5/922.蛋白質(zhì)元素組成普通含有：碳（50％~55％）、氮（15％~18％）、氧（20％~23％）、氫（6％~8％）、硫（0％~4％）。在一些蛋白質(zhì)中，還含有一些微量元素如：磷、鐵、銅、鉬、碘、鋅等。蛋白質(zhì)元素組成一個(gè)特點(diǎn)：各種蛋白質(zhì)氮含量比較恒定，平均值為16％左右。

用凱氏定氮法測定氮含量，計(jì)算蛋白質(zhì)含量（由氮含量乘以6.25）出來。6/92（二）蛋白質(zhì)分類

1.按蛋白質(zhì)構(gòu)象分類2.按蛋白質(zhì)功效分類3.按蛋白質(zhì)組成和溶解性分類7/921.按蛋白質(zhì)構(gòu)象分類分為球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)。

球狀蛋白質(zhì)（globularprotein）

血紅蛋白、肌紅蛋白等。8/92纖維狀蛋白質(zhì)（fibroueprotein）

膠原蛋白、彈性

蛋白、角蛋白、絲心蛋白等。9/92催化蛋白（酶）調(diào)整蛋白結(jié)構(gòu)蛋白運(yùn)輸?shù)鞍踪A藏蛋白運(yùn)動(dòng)蛋白防御蛋白電子傳遞蛋白2.按蛋白質(zhì)功效分類10/923.按蛋白質(zhì)組成和溶解性分類單純蛋白質(zhì)（simpleprotein）結(jié)合蛋白質(zhì)（complexprotein）11/92二、蛋白質(zhì)基本組成單位–氨基酸

（一）氨基酸結(jié)構(gòu)（二）氨基酸分類（三）氨基酸性質(zhì)12/92（一）氨基酸結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位α-氨基酸結(jié)構(gòu)通式側(cè)鏈13/92脯氨酸亞氨基14/92（二）氨基酸分類

1.編碼氨基酸2.非編碼氨基酸

3.非蛋白質(zhì)氨基酸

15/92

氨基酸名稱符號(hào)R基化學(xué)結(jié)構(gòu)等電點(diǎn)分類H3CH3CAla(alanine)CHCH3H3CCHCH3CH2H3CCHCH3CH2H3CCH2NCH2CH2CH2SCH2H2CH2CCHNCOOHH纈氨酸亮氨酸苯丙氨酸色氨酸蛋氨酸脯氨酸ValProTrpMetLeuIlePhe異亮氨酸(valine)(leucine)(phenylalanine)(tryptophan)(methionine)(proline)(isoleucine)6.025.975.986.025.485.895.756.30非極性氨基酸（8種）丙氨酸1.

編碼氨基酸16/9217/92第21種氨基酸—硒代半胱氨酸18/922.非編碼氨基酸

沒有對應(yīng)三聯(lián)體遺傳密碼。由編碼氨基酸經(jīng)羥基化、甲基化、磷酸化等修飾形成衍生物。比如：膠原蛋白和彈性蛋白中4-羥脯氨酸、5-羥賴氨酸等。19/923.非蛋白質(zhì)氨基酸

在生物體內(nèi)，還發(fā)覺150各種不參加蛋白質(zhì)組成氨基酸。這些非蛋白質(zhì)氨基酸多是主要代謝物前體或代謝中間產(chǎn)物。20/92

1.氨基酸兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸是兩性電解質(zhì)（ampholyte）αCHCOOHRNH2（三）氨基酸性質(zhì)21/92氨基酸兩性解離RCOOHCHNH2RCOOCHNH3+-中性分子形式

兩性離子形式22/92RCOOHCHNH3RCOO-CHNH3+RCOO-CHNH2+OH-H+23/92

對某種氨基酸來講，當(dāng)溶液在某一特定pH時(shí)，氨基酸所帶凈電荷為零（即正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)相等），在電場中，既不向正極移動(dòng)，也不向負(fù)極移動(dòng)。這時(shí)，溶液pH稱為該氨基酸等電點(diǎn)(isoelectricpoint)，用pI表示。

★

兩性解離物質(zhì)所帶靜電荷為零時(shí)溶液pH。

氨基酸等電點(diǎn)24/92

（1）不一樣氨基酸，因?yàn)镽基團(tuán)結(jié)構(gòu)不一樣，有不一樣等電點(diǎn)。在一定試驗(yàn)條件下，等電點(diǎn)是氨基酸特征常數(shù)。（2）當(dāng)氨基酸處于等電點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，其溶解度最小，輕易發(fā)生沉淀。

利用這一特征，能夠從各種氨基酸混合物溶液中，分離制取某種氨基酸。

氨基酸等電點(diǎn)作用25/92（1）氨基酸構(gòu)型除甘氨酸以外，其余20種氨基酸Cα都是不對稱碳原子（手性）。2.氨基酸光學(xué)活性與吸收光譜26/92甘氨酸結(jié)構(gòu)式27/92參加蛋白質(zhì)組成氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收；在紫外光區(qū)只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光能力。其最大吸收波長(λ)分別為280nm、275nm、257nm；是利用紫外分光光度計(jì)，在280nm波優(yōu)點(diǎn)，測定蛋白質(zhì)濃度基礎(chǔ)。（2）吸收光譜28/92三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（一）蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)（二）蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)29/92蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次30/92一級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure）；二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondarystructure）；超二級(jí)結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）；結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）；三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）；四級(jí)結(jié)構(gòu)（quarternarystructure）

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次31/92

（一）蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)概念：多肽鏈上各種氨基酸殘基排列次序，即氨基酸序列稱為蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure）。（51Aa，5733u）32/921.肽和肽鍵

肽由氨基酸組成線形聚合物稱為肽（peptide）。二個(gè)氨基酸分子縮合而成肽，稱為二肽（dipeptide）。NHαCOCαNHαCOCOHHHR1R2H33/9234/92

肽鍵（peptidebone）多肽鏈（polypeptidechain）

肽鍵氮氧原子共振產(chǎn)生：（1）部分雙鍵性質(zhì)；（2）多肽主鏈酰胺平面；（3）Cα處于順式或反式構(gòu)型；（4）二面角；（5）偶極性（N末端，C末端）。35/92氨基酸殘基（aminoacidresidue）HOH36/92蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)表示法肽鍵H2NCOHCH3SCOOHNHCCOHNHCCOHNHCCOHNHCHHCH2CHCH2OHCH2CH2漢字氨基酸殘基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸三字母符號(hào)表示法：Tyr·Gly·Gly·Phe·Met單字母符號(hào)表示法：Y·G·G·F·M37/92⑴谷胱甘肽⑵腦啡肽（5肽）⑶短桿菌肽S（10肽）⑷肽類激素3.天然活性肽38/92（二）蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)指是蛋白質(zhì)分子中全部原子和基團(tuán)相互間立體關(guān)系，包含全部原子和基團(tuán)排列、分布及肽鏈走向。又稱為蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象，可分為二級(jí)、超二級(jí)、結(jié)構(gòu)域、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。39/921.蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)2.蛋白質(zhì)超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域3.蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)4.蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)5.穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象作用力40/92蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次41/921.基本知識(shí)

（1）構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型（configuration）構(gòu)象（conformation）1969年，IUPAC

（2）蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)原理

①肽單位與二面角

將多肽鏈基本結(jié)構(gòu)中，-Cα-CO-NH-Cα-這一主鏈骨架重復(fù)單位叫肽單位（Pauling和Corey在1951年依據(jù)X-射線衍射結(jié)果，提出蛋白質(zhì)肽單位平面標(biāo)準(zhǔn)3）。42/92肽單位平面結(jié)構(gòu)NHαCOCαNHαCOCOHHHR1R2H43/92肽單位立體結(jié)構(gòu)44/9245/92二面角（dihedralangle）肽平面1圍繞Cα2—N1單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度用Φ表示；肽平面2也能夠圍繞Cα2—C2單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度用Ψ表示。

(右為正,左為負(fù))N1Cα2C246/92

多肽鏈主鏈骨架構(gòu)象是由每個(gè)Cα成對二面角（Φ，Ψ）所決定。

②非鍵合原子間最小接觸距離在相鄰兩個(gè)肽單位構(gòu)象中，非鍵合原子間靠近有沒有障礙，是否符合標(biāo)準(zhǔn)接觸距離，即能量是否到達(dá)最低，也是肽鏈構(gòu)象能否穩(wěn)定存在主要立體化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。47/922.

二級(jí)結(jié)構(gòu)概念

指多肽鏈主鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，一些肽段借助氫鍵深入盤旋或折疊，從而形成有規(guī)律構(gòu)象。主要類型

α-螺旋、β-折疊片、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲。48/92（1）α-螺旋即每個(gè)氨基酸殘基（n）＞C＝O與另一個(gè)氨基酸殘基（n+4）＞N－H形成氫鍵。

Pauling和Corey于1951年提出蛋白質(zhì)α-螺旋（α-helix）結(jié)構(gòu)模型。

羊毛等纖維狀蛋白質(zhì)中，球狀蛋白中也廣泛存在。它是蛋白質(zhì)主鏈一個(gè)經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式.49/92每隔3.6個(gè)氨基酸殘基，螺旋上升一圈，每圈間距0.54nm.氫鍵環(huán)內(nèi)包含13個(gè)主鏈原子，所以稱這種螺旋為3.613螺旋。

50/9251/9252/9253/92

電子顯微鏡下人體頭發(fā)54/92（2）β-折疊（a）Antiparallelβ-折疊：伸展多肽鏈靠氫鍵聯(lián)結(jié)而成鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)，存在于纖維蛋白，球狀蛋白也有。

又稱為β-折疊片（β-pleatedsheet）。55/92反平行式較為穩(wěn)定，比如在絲心蛋白中存在穩(wěn)定反平行β–折疊。56/92（3）β-轉(zhuǎn)角蛋白質(zhì)分子中連接不一樣結(jié)構(gòu)單位180o轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)稱為β-轉(zhuǎn)角（β-turn）。由氨基酸殘基（n）＞C＝O與另一個(gè)氨基酸殘基（n+3）＞N－H形成氫鍵。

57/92（4）無規(guī)卷曲沒有規(guī)律性多肽主鏈骨架構(gòu)象，就是無規(guī)卷曲（randomcoil，Φ、Ψ角度不定）；球蛋白分子中，往往含有較多無規(guī)卷曲；無規(guī)卷曲往往有利于多肽鏈形成靈活、含有特異生物活性構(gòu)象。58/92（1）超二級(jí)結(jié)構(gòu)

相鄰二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（主要是α–螺旋和β–折疊）組合在一起，形成有規(guī)則、空間上能夠識(shí)別二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體，充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）。3.超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域59/92常見組合形式：αα、ββ、βαβ60/92（2）結(jié)構(gòu)域

多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，深入卷波折疊成為相對獨(dú)立、近似球形三維實(shí)體稱為結(jié)構(gòu)域（structuredomain），是三級(jí)結(jié)構(gòu)局部折疊區(qū)。61/92結(jié)構(gòu)域之間經(jīng)常只有一段肽鏈相連，形成所謂“鉸鏈區(qū)”（hingeregion），使結(jié)構(gòu)域輕易發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)域之間這種柔性（flexibility）有利于如酶和抗體活性發(fā)揮。62/924.三級(jí)結(jié)構(gòu)

多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域基礎(chǔ)上，主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象相互作用，深入盤波折疊形成特定球狀分子結(jié)構(gòu)，稱作三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）

。三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中全部原子空間排布。肌紅蛋白myoglobin63/925.四級(jí)結(jié)構(gòu)

由兩條或兩條以上含有三級(jí)結(jié)構(gòu)多肽鏈聚合而成特定三維結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）稱為蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)（quarter-narystruc-ture）。包括亞基種類、數(shù)目和亞基空間排布，包含亞基間接觸位點(diǎn)和相互作用關(guān)系，但不包含亞基本身構(gòu)象。α-亞基（subunit）

血紅蛋白hemoglobinβ-亞基血紅素

（haem）64/92煙草花葉病毒（TMV）示意圖由2130個(gè)相同亞基組成螺旋對稱性柱形蛋白質(zhì)外殼，緊密排列于一含有6390個(gè)核苷酸單鏈RNA分子周圍。解離TMV外殼亞基和RNA，在適當(dāng)條件下能自裝配成完整TMV。65/92蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次66/925.

穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象作用力67/92四、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系

（一）蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功效關(guān)系68/921.一級(jí)結(jié)構(gòu)變異與生物進(jìn)化在不一樣生物體中行使相同或相同功效蛋白質(zhì)，稱為同功效蛋白質(zhì)。它們氨基酸序列含有顯著相同性，這種現(xiàn)象稱為序列同源，有顯著序列同源蛋白質(zhì)，也稱同源蛋白質(zhì)。（一）蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系69/92（1）同源蛋白質(zhì)完全相同氨基酸殘基，稱不變殘基，它們決定了蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功效。（2）有相當(dāng)大改變氨基酸殘基，稱為可變殘基，它們差異表達(dá)了種屬特異性。

所以，對不一樣生物起源同功效蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究：能夠幫助我們了解哪些氨基酸對其活性是主要，哪些是不主要；可為生物進(jìn)化提供新可靠依據(jù)。

同源蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)種屬差異與保守性70/922.一級(jí)結(jié)構(gòu)變異與分子?。?）分子病

基因突變Aa變異蛋白結(jié)構(gòu)和功效改變引發(fā)遺傳病。（2）鐮刀型紅細(xì)胞貧血病

由Hb分子β亞基N末端序列一級(jí)結(jié)構(gòu)改變引發(fā)Hb表面電荷和等電點(diǎn)改變，溶解度降低并出現(xiàn)不正常線形締合。71/92正常紅細(xì)胞和鐮刀狀紅細(xì)胞掃描電鏡圖譜？72/92一級(jí)結(jié)構(gòu)相同，可能會(huì)有相同功效；一級(jí)結(jié)構(gòu)有差異，功效會(huì)不一樣。如OX與ADH:牛催產(chǎn)素Cys.Tyr.Ile.Gln.Asn.Cys.Pro.Leu.Gly-NH2Cys.Tyr.Phe.Gln.Asn.Cys.Pro.Arg.Gly-NH2.SS123456789SS

牛加壓素3.多肽激素一級(jí)結(jié)構(gòu)與功效（ADH）（OX）73/92

不一樣生物（哺乳動(dòng)物、鳥類、魚類）起源胰島素分子一級(jí)結(jié)構(gòu)，發(fā)覺組成51個(gè)氨基酸殘基中，只有24個(gè)氨基酸殘基一直保持不變，為不一樣生物所共有，為維持高級(jí)結(jié)構(gòu)和生物活性所必需。4.不一樣生物起源胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)比較74/925.一級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂與功效激活有些蛋白質(zhì)常以無活性前體形式產(chǎn)生和貯存。在機(jī)體需要時(shí)，切去部分肽段之后，才變成有活性蛋白質(zhì)。如參加蛋白質(zhì)消化各種蛋白酶、參加血液凝固凝血酶、凝血因子等。

激活（activation）：使前體蛋白質(zhì)變成活性蛋白質(zhì)過程，稱為激活。75/9276/92（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功效關(guān)系1.變構(gòu)調(diào)整活性2.變性喪失活性

77/92血紅蛋白β-亞基α-亞基（α-

subunit）血紅素

（haem）78/92血紅蛋白變構(gòu)現(xiàn)象（變構(gòu)時(shí)亞基移動(dòng)）

79/92

血紅蛋白和肌紅蛋白氧合曲線不一樣，前者是S形曲線，后者是雙曲線。α-亞基可與氧結(jié)合，而β-亞基因?yàn)榇嬖诳臻g位阻，幾乎不與氧結(jié)合。當(dāng)α-亞基與氧結(jié)合后，發(fā)生三級(jí)結(jié)構(gòu)改變，此改變使相鄰β-亞基發(fā)生三級(jí)結(jié)構(gòu)改變，與氧結(jié)合使血紅蛋白結(jié)合氧能力在短時(shí)間內(nèi)快速上升，從，而使曲線程S形。氧飽和度（%）80/92（一）蛋白質(zhì)主要性質(zhì)（二）蛋白質(zhì)分離純化標(biāo)準(zhǔn)與方法五、蛋白質(zhì)主要性質(zhì)、分離純化與判定81/921.蛋白質(zhì)兩性解離與等電點(diǎn)2.蛋白質(zhì)變性與復(fù)性3.蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)

（一）蛋白質(zhì)主要性質(zhì)82/92蛋白質(zhì)等電點(diǎn)（isoelectricpoint）

當(dāng)溶液在某個(gè)pH時(shí)，使蛋白質(zhì)分子所帶正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)恰好相等，即凈電荷為零，在直流電場中，既不向陽極移動(dòng)，也不向陰極移動(dòng)，此時(shí)溶液pH就是該蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，用pI表示?！?/p>

兩性解離物質(zhì)所帶靜電荷為零時(shí)溶液pH。1.蛋白質(zhì)兩性解離與等電點(diǎn)83/92（1）蛋白質(zhì)變性

天然蛋白質(zhì)在變性原因作用之下，其一級(jí)結(jié)構(gòu)保持不變，但其高級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了異常改變，即由天然態(tài)（折疊態(tài)）變成了變性態(tài)（伸展態(tài)），從而引發(fā)生物功效喪失，物理、化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象被稱為變性（denaturation）。