生物化学-蛋白质结构

第二章 蛋白质化学 生物化学之 上 海 理 工 大 学 医疗器械与食品学院 肽是氨基酸的线性聚合物，也常称肽链； 蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式结合 而成的生物大分子。 蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将相对 分子质量为 6000以上的多肽称为蛋白质。 蛋白质相对分子质量变化范围很大 , 人为规定 从大约 6000到 1000000甚至更大。 第二节 蛋白质的结构 一、基本问题 -肽 一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之 间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化 合物称为肽。 由两个氨基酸组成的肽 称为二肽，由多个氨基酸 组成的肽则称为多肽。组 成多肽的氨基酸单元称为 氨基酸残基。 1.多肽 C C N C C N C C N C C N C C H 2 C H C H 2 C H 2 C H 2 C O O - O H C O 2 H C H 2 C O N H 2 O H C H 3 H 3 N + O O O O H H H H H H H H H S e r V a l T y r A s p G l n C H 3 N- 端 C- 端 肽键 多肽链中氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序 称为 氨基酸序列 。 通常在多肽链一端含有一个游离 -氨基，称为氨基端或 N-端；在另一端含有一个游离 -羧基，称为羧基端或 C- 端。氨基酸序列是从 N-端氨基酸残基开始，以 C-端氨基 酸残基为终点的排列顺序。如五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln 2、肽单位 肽键与相邻的两个 碳原子所组成的基团， 称为肽单位或肽平面（ peptide unit） 肽平面 肽平面 肽单位的特性 （ 1）氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共 轭作用。肽键中的 C-N键具有部分双键性质，不 能自由旋转。 （ 2）肽单位的六个原子同处于一个平面 (3)肽平面内两个 C一般处于反式构型 空间位阻效应，反式构型比顺式稳定 蛋白质的一级结构是指由不同种类、数量 的氨基酸，通过肽键而构成的排列顺序。 一、蛋白质的一级结构 肽链的氨基酸顺序； 组成蛋白质的多肽链数目； 多肽链内或链间二硫键的数目和位置。 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋 白质生物功能的基础。 包括： 二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽单位， 各自沿一定的轴盘旋或折迭，并以氢键为主要 的次级键而形成有规则的构象，如 螺旋、 折 迭和 转角等。 它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的 氢键。 不涉及侧链部分的构象。 主要有 -螺旋、 -折叠、 -转角。 二、蛋白质的二级结构 1. -螺旋：（ helix) 左手和右手螺旋 (1)多个肽键平面通过 碳原子旋转，紧密盘曲成 螺旋状，有左、右手螺旋之分，常见右手螺旋； (2)主链呈螺旋上升，每 3.6个氨基酸残基上升一圈， 相当于 0.54nm (3)每一个氨基酸残基中的 NH和前面相隔三个残基 的 C O之间形成氢键，氢键的取向几乎与中心轴 (4)氨基酸侧链 R在螺旋外侧，其形状、大小及电荷 影响 螺旋的形成。 -螺旋的特点 2、 -折叠 -折叠的特点 1） 由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排 列而成；主链呈锯齿状折叠，相邻肽键平 面间 呈 110 角。 2） -碳原子总处于折叠的角上， R基团处于 折叠棱角上并与其垂直， 在锯齿的上方或 下方。 3）稳定力： 氢键。 4）方向： 平行或反平行。 3、 -转角的结构特征 多肽链 180 回折部分所形成的一种二级结构 主链骨架本身以大约 180 回折 ; 回折部分通常由四个氨基酸残基构成 ; 构象依靠第一残基的 -CO基与第四残基的 -NH基 之间形成氢键来维系 。 4) (random coil) 没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平 面不规则排列，属于松散的无规卷曲。 超二级结构： 在多肽 链内顺序上相互邻近 的二级结构常常在空 间折叠中靠近，彼此 相互作用，形成规则 的二级结构聚集体。 已知有 3种基本形式： 、 、 。 三 、超二级结构和结构域 结构域 :在多肽链上由二级结构元件或超二级结构形 成的相对独立的紧密球状实体，是三级结构的局部 折叠区。较小的球状蛋白质或亚基是单结构域，而 较大的球状蛋白质或亚基是多结构域。 结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质 优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结 构域的界面上。 结构域之间由 “ 铰链区 ” 相连，使分子构象有一定 的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分 子实现一定的生物功能。 在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对 独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚 至保留某些生物活性。 四、蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构 (Tertiary Structure)是 指在一条多肽链中所有原子或基团在三 维空间的整体排布。 是一条多肽链的完整的三维结构。 五、蛋白质的四级结构 指由多条各自具有一、二、三级结构的肽 链通过非共价键连接起来的结构形式； 在此蛋白质分子中，最小的单位为亚基或 亚单位 Subunit，它一般由一条肽链构成， 无生理活性。 由多个亚基聚集而成的蛋白质才具有生理 活性。 维持亚基之间的化学键主要是疏水力。 血红蛋白 (hemoglobin)的四级结构 维持蛋白质结构稳定的因素 一级结构：肽键，二硫键 二级结构：氢键 三级结构：主要有氢键、疏水键、 离子键和范德华力等 四级结构：疏水键 a盐键（离子键 ） b氢键 c疏水相互作用力 d 范德华力 e二硫键 第三节 蛋白质的性质 一、蛋白质的分子大小 蛋白质的相对分子质量很大，一般在 6000到数百万。 蛋白质相对分子质量的主要测定方法： 沉降速度法 凝胶过滤法 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法 二、蛋白质的两性离解和等电点 具两性离解性质； 在不同的 pH环境下，蛋白质的电学性质不同。 pHpI:带负电荷，在电场中向阳极移动。 利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分 离纯化。 电泳技术目前主要有自由界面电泳、凝胶电泳、 等电聚焦电泳、毛细管电泳等 三、蛋白质的胶体性质 蛋白质的相对分子质量很大，它在水中能够形成胶体 溶液，具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布 朗运动、不能透过半透膜等。利用蛋白质不能通过半 透膜的性质，可用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。 蛋白质胶体溶液稳定的原因： 1）水化作用 2）电荷相互作用 四、蛋白质的沉淀作用 破坏使蛋白质胶体溶液稳定的条件，蛋白质将 会沉淀。有可逆沉淀和不可逆沉淀之分。 1.可逆沉淀 温和条件下，通过改变溶液的 pH或电荷状况， 可使蛋白质发生沉淀，但此时蛋白质的结构和 性质都没有发生变化，适当的条件下可重新溶 解形成溶液。 可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如 等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。 2.不可逆沉淀 在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶 液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性 质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。 加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物 碱沉淀等都属于不可逆沉淀。 蛋白质的性质与其结构密切相关。某些物理或化学 因素能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性 质改变并导致其生理活性丧失，这种现象称为蛋白质 的变性。蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。 蛋白质的变性不涉及到一级结构的变化，只是二、 三、四级结构发生变化。 引起变性的主要因素： 物理因素： 热、紫外光、激烈搅拌、高压等 化学因素： 强酸、强碱、有机溶剂、脲、胍等。 五、蛋白质的变性 六、蛋白质的紫外吸收 大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪 氨酸和色氨酸。因此，大多数蛋白质在 280nm 附近显示强的吸收。 利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。 七、蛋白质的颜色反应 反应名称 反应基团 颜色 参与反应物质 茚三酮反应 -NH3 紫色 -氨基酸 双缩脲反应 2个以上肽键 蓝色 蛋白质、多肽 米伦反应 酚基 红色 Tyr， Protein 黄色反应 苯环 黄色 Tyr,Phe， Protein 乙醛酸反应 吲哚基 紫色 Trp,Protein 酚试剂反应 酚、吲哚基 蓝色 Tyr,Protein 坂口反应 胍基 红色 Arg,Protein 第四节 蛋白质的分类 （一）按组成分类 A、简单蛋白 只含蛋白质 1. 清蛋白和球蛋白 2. 谷蛋白和醇溶谷蛋白 3. 精蛋白和组蛋白 4. 硬蛋白 B、结合蛋白 蛋白质与非蛋白成分 1、糖蛋白 2、脂蛋白 3、色蛋白 4、核蛋白 蛋 白 质 分 子 外 形 球状蛋白质 globular protein 纤维状蛋白质 fibrous protein 可溶性纤维状 蛋白质 不可溶纤维状 蛋白质 肌球蛋白 血纤维蛋白原 角 蛋 白 弹性蛋白 丝心蛋白 胶 原 （二）根据分子形状分类 思考题： 氨基酸的种类有哪些？各自的划分依据 是什么？ 蛋白质的结构指什么？各有何特征？维 持结构的作用力有哪些？ 蛋白质的重要理化性质有哪些？ 等电点的概念？