第一章蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein作者 : 陈舌单位 : 复旦大学目录第一节 蛋白质的分子组成第二节 蛋白质的分子结构第三节 蛋白质结构与功能的关系第四节 蛋白质的理化性质重点难点熟悉了解掌握组成蛋白质的20种氨基酸的结构特点、分类及其三字母缩写符号；蛋白质一级结构的概念，理解肽键、肽单元等概念及其结构特点；蛋白质的二级、三级、四级结构的概念及其特点；模体、结构域的概念；蛋白质各级结构与功能的关系，掌握别构效应、协同效应的概念氨基酸、蛋白质的理化性质及有关的基本概念，如两性解离与等电点、变性、紫外吸收等蛋白质的重要生理功能；重要的生物活性肽；蛋白质分离纯化的主要方法及其基本原理；多肽链中氨基酸的序列分析方法及其原理；蛋白质空间结构测定的基本原理n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。
n蛋白质研究的历史1833年 Payen和Persoz分离出淀粉酶。
1838年 荷兰科学家 G. J. Mulder引入“protein”（源自希腊字 proteios，意为primary）一词。
1864年 Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶19世纪末 Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽。
1951年 Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构——α-螺旋（α-helix）。
1953年 Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。
1962年 John Kendrew和Max Perutz确定了血红蛋白的四级结构。
20世纪90年代以后 随着人类基因组计划实施，功能基因组与蛋白质组计划的展开 ，使蛋白质结构与功能的研究达到新的高峰。
第一节蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein分布广 所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。
含量高 蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上。
n 蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体重要组成成分（结构蛋白质）2. 蛋白质具有重要的生物学功能（功能蛋白质）l 物质运输l 催化功能l 信息交流l 免疫功能l 氧化供能l 维持机体酸碱平衡l 维持正常血浆渗透压主要元素碳、氢、氧、氮、硫其他元素磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼、碘n 组成蛋白质的元素n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％。
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存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L -α-氨基酸（甘氨酸除外）。
一、组成人体蛋白质的20种L - -氨基酸L -氨基酸的通式RC +NH 3C OO -H除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。
硒代半胱氨酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。
硒代半胱氨酸存在于少数天然蛋白质中，包括过氧化物酶和电子传递链中的还原酶等。
硒代半胱氨酸参与蛋白质合成时，并不是由目前已知的密码子编码，具体机制尚不完全清楚。
体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的L -α-氨基酸，如参与合成尿素的鸟氨酸（ornithine）、瓜氨酸（citrulline）和精氨酸代琥珀酸（argininosuccinate）。
二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类l非极性脂肪族氨基酸l极性中性氨基酸l芳香族氨基酸l酸性氨基酸l碱性氨基酸（一）侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸甲硫氨酸（三）侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸（四）侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸（五）侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸n几种特殊氨基酸•脯氨酸（亚氨基酸）半胱氨酸 +•胱氨酸二硫键-H H2-OOC-CH-CH-S +NH 3S -CH 2-CH-COO -+NH 3-OOC-CH-CH2-SH +NH 3+HS -CH 2-CH-COO -NH 3Ø在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。
Ø蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等。
Ø这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。
三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质（一）氨基酸具有两性解离的性质n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。
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。
pH=pI pH>pI +OH -+H +pH<pI氨基酸的兼性离子 阳离子阴离子+OH-+H+（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。
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（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。
由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。
四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽氨基酸通过肽键连接而形成肽。
肽键（peptide bond）是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的化学键。
+-H OH甘氨酰甘氨酸肽键肽（peptide）是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。
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……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（ residue ） 。
由2-20个氨基酸相连而成的肽称为寡肽（ oligopeptide ） ，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则称为多肽 （ polypeptide ） 。
N 末端：多肽链中有游离α-氨基的一端。
C 末端：多肽链中有游离α-羧基的一端。
n 多肽链有两端：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。
牛胰岛素的一级结构蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽。
一般而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍称为多肽。
（一）谷胱甘肽（glutathione, GSH）五、生物活性肽具有生理活性及多样性谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸n GSH与GSSG间的转换• 体内许多激素属寡肽或多肽• 神经肽（neuropeptide）（二）多肽类激素及神经肽促甲状腺素释放激素第二节蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Proteinn 蛋白质的分子结构包括: 高级结构一级结构（primary structure）二级结构（ secondary structure ）三级结构（ tertiary structure ）四级结构（ quaternary structure ）生物化学与分子生物学（第9版）一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构n定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。
n主要的化学键: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。
牛胰岛素的一级结构目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增加。
国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如：•EMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library）•Genbank （Genetic Sequence Databank）•PIR（Protein Identification Resource Sequence Database）收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。
二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构n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置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。
n主要的化学键：氢键Ø α-螺旋 （α-helix）Ø β-折叠 （β-pleated sheet）Ø β-转角 （β-turn）Ø 无规卷曲（random coil）n蛋白质二级结构n 所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、 Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3个原子依次重复排列。
（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子C α1、C、O、N、H、C α2位于同一平面，C α1和C α2在平面上所处的位置为反式（trans）构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit）。
肽键与肽单元（二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构n蛋白质二级结构Øα-螺旋 （α-helix）Øβ-折叠 （β-pleated sheet）Øβ-转角 （β-turn）Ø 无规卷曲（random coil）α-螺旋（三） -折叠使多肽链形成片层结构β-折叠（四）β-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在β-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。