蛋白质的结构与功能
第 一 章
Structure and Function of Protein
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
主要内容：介绍蛋白质的构件单位氨基酸的结构、分类、性质及肽的概念，重点讨论蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系。
一、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。
二、蛋白质的生物学重要性
1. 蛋白质是生物 体重要组成成分
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：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。
1）作为生物催化剂（酶）
2）代谢调节作用
3）免疫保护作用
4）物质的转运和存储
5）运动与支持作用
6）参与细胞间信息传递
2. 蛋白质具有重要的生物学功能
3. 氧化供能
蛋 白 质 的 分 子 组 成The Molecular Component of Protein
第 一 节
 组成蛋白质的元素
主要有C、H、O、N和S、P。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。
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：
蛋白质含量 ( 克 )= 每克样品含氮克数× 6.25
 蛋白质元素组成的特点
凯氏定氮法
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氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。
COOH
│
H
—
C
—
H2N
│
R
L-氨基酸
D-氨基酸
-氨基酸的通式
（一）、氨基酸的分类
甘氨酸 glycine Gly G 5.97
丙氨酸 alanine Ala A 6.00
缬氨酸 valine Val V 5.96
亮氨酸 leucine Leu L 5.98
异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02
苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48
脯氨酸 proline Pro P 6.30
非极性疏水性氨基酸
目 录
色氨酸 tryptophan Try W 5.89
丝氨酸 serine Ser S 5.68
酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.66
半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07
蛋氨酸 methionine Met M 5.74
天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41
谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65
苏氨酸 threonine Thr T 5.60
2. 极性中性氨基酸
目 录
天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97
谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22
赖氨酸 lysine Lys K 9.74
精氨酸 arginine Arg R 10.76
组氨酸 histidine His H 7.59
3. 酸性氨基酸
4. 碱性氨基酸
目 录
+
几种特殊氨基酸
脯氨酸
（亚氨基酸）
 半胱氨酸
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，氨基酸分子中同时带有可解离的弱碱性基团（-NH2 → - NH3+）和弱酸性基团（-COOH → - COO - )。
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
pH氨基酸的兼性离子
阳离子
阴离子
2. 紫外吸收
色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带,最大吸收峰在 280 nm 附近。
大多数蛋白质含有这三种氨基酸残基，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
苯丙氨酸 （Phe）
酪氨酸 （Tyr）
色氨酸
（Try）
N
H
S
:
C
C
H
C
O
R
1
H
N
N
H
C
H
C
O
R
2
+
PTC-多肽
PTH-氨基酸
3. 与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应（Edam降解）
DNS—多肽
DNS—氨基酸
在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯--DNS）可以与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸。此法的优点是丹磺酰-氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以达到110-9mol。
4.与丹磺酰氯反应:
此法是多肽链C-端氨基酸分析法。多肽与肼在无水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与C-端氨基酸分离。
5.肼（联氨----NH2-NH2）解反应：
6、茚三酮反应
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。
茚三酮反应
茚三酮
水合茚三酮
还原茚三酮
脯氨酸，羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色物质
7.R-侧链反应-呈色反应
二、肽
* 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。
（一）肽(peptide)
* 肽是由氨基酸通过肽键脱水缩合而形成的化合物。
+
甘氨酰甘氨酸
肽键
* 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)。
* 由多个氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。
N 末端：多肽链中有游离氨基的一端
C 末端：多肽链中有游离羧基的一端
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。
2. 肽的分类
根据氨基酸组成的数目分类：
肽或低聚肽： ≤ 10个氨基酸
多肽： ≥ 11个氨基酸
分子量 > 10000 称为蛋白质。
多肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基。
3. 结构：
（1）肽类化合物
链状 组成蛋白质

环状
（2）两个末端（链状）
N-末端：保留有α-氨基的末端，称为肽链的
氨基末端，写在左侧。
C-末端：保留有α-羧基的末端，称为肽链的
羧基末端，写在右侧。
4. 氨基酸的命名：
以 C- 末端的氨基酸残基为母体，称为某氨酸，其他氨基酸残基从 N- 末端开始，依次叫某氨酰，放在母体名称前面：

命名为： 丙氨酰甘氨酰丝氨酸
亦可标示为： H—丙—甘—丝—OH
或： H—Ala—Gly—Ser—OH

H2N—Ala—Gly—Ser—COOH
N末端
C末端
牛核糖核酸酶
二、自然界中的肽类化合物
谷胱甘肽：广泛存在于动植物细胞和细菌的三肽
谷胱甘肽（还原形式） GSH (γ-谷-半胱-甘）
2 GSH G—S—S—G
2H
+2H

氧化型：谷胱甘肽（G—S—S—G）
三、蛋白质的分类
* 根据蛋白质组成成分
* 根据蛋白质形状
1.单纯蛋白 2.结合蛋白
清蛋白 核蛋白
谷蛋白和醇溶谷蛋白 色蛋白
精蛋白和组蛋白 糖蛋白
硬蛋白 脂蛋白
磷蛋白
蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protein
第 二 节
蛋白质的分子结构包括

一级结构(primary structure)
二级结构(secondary structure)
三级结构(tertiary structure)
四级结构(quaternary structure)
酶法断裂肽键
定义
蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。
一、蛋白质的一级结构
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。
目 录
二、蛋白质的二级结构
主要的化学键： 氢键
肽单元（肽键平面）
参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。
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 )
（一） -螺旋
目 录
多为右手螺旋
1. α-螺旋结构
3.6残基/圈
0.54nm/圈
1000/残基
影响因素：遇Pro中断，
R基同种电荷不稳定
氢键是维持此结构
的主要作用力
α-螺旋结构有左、右螺旋之分，天然蛋白质为右手α-螺旋结构，典型
右手α-螺旋结构可用3.613表示。
毛发横切面和毛发-角蛋白的结构
原纤维
细胞
-螺旋
角质层（鳞状细胞）
微纤维
微纤维
大纤维
（二）-折叠
两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即β－折叠片。
2. β-折叠结构
反平行β-折叠
平行β-折叠
多肽链以相同或相反的方向排列成片层。
链间形成氢键。
R基垂直分布在片层的上下方
影响因素：R基的大小（Ser、Gly等稳定）。
A.堆积的-折叠片的三维结构
丝心蛋白(fibroin)结构
B.交替层中的Ala(或Ser)残基和Gly残基侧链(H原子)的连锁
3. β-转角结构
4.自由回折
多肽链出现180度的回折
氢键
没有规律的松散肽段
自由回折
α-螺旋结构
β-转角
核糖核酸酶分子中的二级结构
（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。
三、蛋白质的三级结构
肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
即多肽链在二级结构的基础上折叠成具有特定走向的紧密球状结构。
（一） 定义
目 录
肌红蛋白 (Mb)
胰岛素分子的三级结构
溶菌酶分子的三级结构
亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。
四、蛋白质的四级结构
蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。
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 (subunit)。
血红蛋白的四级结构
五、蛋白质分子的结构层次