蛋白质的结构与功能

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1、蛋白质的结构与功能一、蛋白质的分子组成 蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。 组成蛋白质的元素主要有 CH、0、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钻、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：100g样品中蛋白质的含量（g%） =每克样品含氮克数氷6.25 X 100（一）组成人体蛋白质的氨基酸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-a -氨基酸（甘氨酸除外）。L-氨基酸的

2、通式如图1-2-1所示。连在一 C00-基上的碳被称为a -碳原子，为不对称碳原子 （甘氨酸除外），不同的氨基酸其侧链（R）不同。（二）氨基酸的分类20种组成人体蛋白质的氨基酸可以根据其侧链结构和理化性质的不同分为5类：侧链含 烃链的非极性脂肪族氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸；侧 链有极性但不带电荷的极性中性氨基酸，包括丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺 和苏氨酸；侧链含芳香基团的芳香族氨基酸，包括苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸；侧链含负性 解离基团的酸性氨基酸，包括天冬氨酸和谷氨酸；侧链含正性解离基团的碱性氦基酸，包括赖 氨酸、精氨酸和组氨酸。20种氨基酸中

3、，脯氨酸和半胱氨酸的结构比较特殊。脯氨酸应属于亚氨基酸，N在杂环中 移动的自由度受限制，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽链；半胱氨酸的巯基则容易失去质子， 极性很强， 2 个半胱氨酸通过脱氢后可以与二硫键相结合，形成胱氨酸。（三）氨基酸的理化性质1. 氨基酸具有两性解离的性质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。 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 称为该氨基酸的等电点。2. 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 280nm 附近。大 多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白

4、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。3. 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）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链氨基酸通过肽键连接而形成肽肽键 （peptidebond） 是由一个氨基酸的 or 羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合而形成（图1-24）的化学键。肽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，多肽链中有游离a氨基的一端 被称为N末端，有游

5、离a -羧基的一端被称为C末端，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。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成 的肽称多肽。体内存在多种重要的生物活性肋这些生物活性肽都是低分子量的肽，有的仅三肽，有的属 寡肽或多肽，在代谢调节和神经传导等方面起重要作用。如谷胱甘肽（GSH）和多肽类激素及神经 肽。二、蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构包括：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，后三者统称为高级 结构或空间结构。（一）氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构是指在蛋白质分子中从 N- 端至 C- 端的氨基酸排列顺序。一级结构中主要 的化学

6、键是肽键，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。（二）多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构 蛋白质的二级结构是指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。二级结构中主要的化学键是氢键。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0a、0、N、N、0于同f平 面，Cal和C。2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，如图 1-223 所示。a -螺旋结构是常见的蛋白质二级结构。蛋白质二级结构包括a螺旋、0

7、 -折叠、0 -转角和 无规卷曲4种形式，前二者是蛋白质二级结构的主要形式。在 a 螺旋结构（图1-2-4） 中，多肽 链的主链围绕中心轴做有规律的顺时针方向螺旋式上升，即所请右手螺旋；其屮为一 47，令 为-：57 。氨基酸侧链伸向螺旋外侧。每 3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈（即旋转360 ），螺 距为0. 54mnCr螺旋的每个肽键的NH和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长 轴基本平衡。肽链中的全部肽键都可形成氢键，以稳固螺旋结构。卩折叠使多肽链形成片层结构卩-折叠与cr螺旋的形状截然不同，呈折纸状。在卩-折叠结构 中，多肽链充分伸展，每个肽单元以 Ca 为旋转点，依次折叠成锯

8、齿状结构，氨基酸残基侧链交 替地位于锯齿状结构的上下方。所形成的锯齿状结构一般比较短，只含 58 个氨基酸残基，但两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，形成片层结构。4. 卩转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在卩-转角和无规卷曲是用来阐述没有确定规律 性的那部分肽链结构。（三）在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构 三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置蛋白质的三级结构是指整条肽链 中全部氨基酸残基的相对空间位置，即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 维持蛋白质三级 结构主要的化学键为疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals 力等。抽27

9、駄单元结构域是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密 的区域，并各行其功能，称为结构域。大多数结构域含有序列上连续的 100200 个氨基酸残基， 若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分成数个结构域， 但各结构域的构象基本不改 变。因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维结构。3.分子伴侣参与蛋白质折叠除一级结构为决定因素外， 蛋白质空间构象的正确形成还需要一 类称为分子伴侣的蛋白质参与。分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象 或形成四级结构。许多分子伴侣是 ATP 酶，与未折叠的多肽结合后，能提供水解 ATP

10、产生的自 由能，使多肽折叠成合适的构象时释放。（四）含有两条以上多肽链的蛋白质具有四级结构 在人体内有许多蛋白质含有 2条或 2条以上多肽链，才能全面地执行功能。每一条多肽链 都有其完整的三级结构，称为亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连 接，这种蛋白质分子中各个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。在四级结构中，各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。由 2 个亚基组成的蛋白质四级结 构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体。含有 四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构寡聚体

11、才有生物学功 能。（五）蛋白质的分类 蛋白质分类的方法主要有两种：一是根据蛋白质组成成分分类，二是根据蛋白质形状分类。 根据蛋白质组成成分，可分成单纯蛋白质和结合蛋白质两大类，前者只含氨基酸，而后者 除蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分，并为蛋白质的生物活性或代谢所依赖。蛋白质还可根据其形状，分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。一般来说，纤维状蛋白 质形似纤维，其分子长轴的长度比短轴长 10 倍以上。纤维状蛋白质多数为结构蛋白质，较难溶 于水；球状蛋白质的形状则近似于圆形或椭圆形，多数可溶于水，许多是具有生理活性的蛋白质。三、蛋白质的结构与功能关系（一）蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础1.

12、一级结构是空间构象的基础20世纪60年代Anfinsen在研究核糖核酸酶时已发现，蛋白 质的功能与其三级结构密切相关，而特定三级结构是以氨基酸顺序为基础的。核糖核酸酶由 124 个氨基酸残基组成，有4对二硫键（Cys26和Cys84，Cys40和CyS95, Cys58和CysllO, Cys65 和Cys72）。用尿素（或盐酸胍）和卩-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、 三级结构遭到破坏，但肽键不受影响， 故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽。核糖核酸酶 中的4对二硫键被卩-巯基乙醇还原成一SH后，若荽再形成4对二硫键，从理论上推算有105种 不同的配对方式，唯有与天然

13、核糖核酸酶完全相同的配对方式，才能呈现酶活性。 当用透析方法 去除尿素和卩-巯基乙醇后，松散的多肽链循其特定的氨基酸序列，卷曲折叠成天然酶的空间构 象， 4对二硫键也正确配对，这时酶活性又逐渐恢复至原来水平。这充分证明空间构象遭破坏的 核糖核酸酶只要其一级结构 （氨基酸序列）未被破坏，就可能恢复到原来的三级结构，功能依然存 在。级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能蛋白质同源性是指由同一基因进化而来 的一类蛋白质。同源性较高的蛋白质之间，可能具有相类似的功能。已有大量的实验结果证明， 一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象和功能也相似。例如不同哺乳类动物的胰岛素分子结 构都由A和B两条链组

14、成，且二硫键的配对位置和空间构象也极相似，一级结构仅有个别氨基 酸差异，因而它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。氨基酸序列提供重要的生物进化信息一些广泛存在于生物界不同种系间的蛋白质，比较它 们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。如细胞色素c，物种间越接近，则一级结构越 相似，其空间构象和功能也越相似。重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被 替代，都会严重影响空间构象乃至生理功能，甚至导致疾病产生。例如正常人血红蛋白卩亚基的 第 6位氨基酸是谷氨酸，而镰刀形贫血患者的血红蛋白中， 谷氨酸变成了缬氨酸，即酸性氨基酸 被中性氨基酸替代，仅此一个氨

15、基酸之差，原是水溶 性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着， 导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎， 产生贫血。这种蛋白质分子发生变异所导致的疾病， 被 称之为“分子病”，其病因为基因突变所致。（二）蛋白质的功能依赖特定空间结构 体内蛋白质所具有的特定空向构象都与其特殊的生理功能有着密切的关系。例如角蛋白含 有大量a螺旋结构，与富含角蛋白组织的坚韧性并富有弹性直接相关；而丝心蛋白分子中含有大 量卩-折叠结构，致使蚕丝蛋白具有伸展和柔软的特性。以下以肌红蛋白和血红蛋白为例，阐述 蛋白质空间结构和功能的关系，1.血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似 肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质 。 血红素是铁

16、卟琳化合物（图1-2-5），它由4个吡咯环通过4个甲炔基相连成为一个环形，Fe2+居 于环中。Fe2+有6个配位键，其中4个与吡咯环的N配位结合，1个配位键和肌红蛋白的93位 （F8）组氨酸残基结合，氧则与Fe2+形成第6个配位键，接近第64位（E7）组氨酸。从X线衍射法分析获得的肌红蛋白的三维结构（图1-2-6）中，可见它是一个只有三级结构的 单链蛋白质，有8段a螺旋结构，分别称为A、B、C、D、E、F、G及H肽段。整条多肽链折 叠成紧密球状分子，氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部， 富极性及电荷的侧链则在分子表 面，因此其水溶性较好。 Mb 分子内部有袋形空穴，血红素居于其中。血红素分子

17、中的两个丙 酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸 残基还与Fe2+配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。图1-2-6肌红蛋白三级结构血红蛋白（Hb）是由四个亚基组成的四级结构（图1-2-7），每个亚基结构中间有一个疏水局 部，可结合1个血红素并携带1分子氧，因此一分子Hb共结合4分子氧。成年人红细胞中的 Hb主要由两条a肽链和两条卩肽链（a2卩2）组成，a链含141个氨基酸残基：卩链含146个氨基酸 残塞。胎儿期主要为a 20 2,胚胎期为a 2 2。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb亚基 之间通过 8对盐键，使四个亚基紧密结合而形

18、成亲水的球状蛋白。2. 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合Hb与Mb样可逆地与02结合，氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随 O2浓度变 化而变化。图1-2： 8为Hb和Mb.的氧解离曲线，前者为S状曲线，后者为直角双曲线。可见， Mb易与O2结合，而111）与O2的结合在O2分压较低时较难。Hb与O2结合的S型曲线提示 Hb的4个亚基与4个O2结合时平衡常数并不相同，而是有4个不同的平衡常数。Hb最后二个 亚基与O2结合时其平衡常数最大，从S型曲线的后半部呈直线上升可证明此点。根据S形曲线 的特征可知，Hb中第一个亚基与O2结合以后，促进第二个及第三个亚基与O2的结合，当前三 个亚

19、基与O2结合后，又大木促进第四个恶基与O2荦合，这种效应称为正协同效应协同效应 的定义是指一个亚基与其配伴 （龙协中的配体为 02）结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与积体 的绪合能力。如果是促进作用则称为正协同效应；反之则为负协同效应。血红蛋白1-2-7血红蛋白结构示意图S根据Pemtz等利甩X线衍射技术分，析Hb和氧合Hb结晶的三维结构图谱，提出了解 释O2与Hb结合的正协同效应的理论。未结合C2时，Hb的ai/氏呈对角排列，结构较为紧密，20. P50 1 4060 80 100静脉血动脉血_氧分压（m mHg）图 1-2-8 Hb 和 Mb 的氧解离曲线 键断裂。其二级、三级和四级结构也

20、发生变化，使奶/乐和2/闲的长轴形成记 9 的夹角（图1-2-9上），结构显得相对松弛，称为松弛态（R态）。图1-2-9下显示，Hb氧合与脱氧时T态和 R态相互转换的可能方式。T态转变成R态是逐个结合02而完成的。在脱氧Hb中汴f半径比 卟啉环中间的孔大，因此Fe2+高中卟啉环平面0. 075nm，而靠近F8位组氨酸残基。当第1个（% 与血红素Fe2+结合后，使Fe2+ .的半径变小，进入到卟琳环中间的小?L 中,引起F肽段#二该列 磁小的移动，同钳寧晌附近肽段的构象成两个a亚基间盐麵断鑪，使亚基间结合松弛，可促进第 二个亚与 02 结合，依此方式可影响第三、四个亚基与 02 结合，蕞运俾四务

21、亚基全 处于 R 态。 此种由一个氧分子与Hb亚基结合后引起亚基的构象变化，称为变构。图1-2-9 Hb T态和R态互变及氧合与脱氧构象转换示意图小分子02称为变构剂或效应剂，Hb则被称为变构蛋白。变构效应不仅发生在Hb与02之 间，一些酶与变构剂的结合，配体与受体结合也存在着变构效应，所以它具有普遍的生物学富。3. 蛋白质构象改变可引起疾病生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程， 其中 多肽链的正确折叠对其正确构象的形成和功能发挥至关重要。 若蛋白质的折叠发生错误，尽管其 一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生， 有人将此 类疾病称为蛋白构象疾病

22、。有些蛋白质错折叠后相互聚集， 常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉 淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病 a 改变，这类疾病包括人纹状体脊髓变 性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病和疯牛病等。疯牛病是由朊病毒蛋白（PrP）引起的一组人和动物神经的退行性病变，这类疾病具有传染性、 遗传性或散在发病的特点，其在动物间的传播是由PrP组成的传染性颗粒（不含核酸）完成的。 PrP是染色体基因编码的蛮白质。芷常动物和人的PrP为分子量3335kD的蛋白质，其水溶性强、 对蛋白II敏感以及二级结构为多个a螺旋，称为PrPC。富含a-螺旋的PrPC在某种未知蛋白质 的作用下可转变成全为卩-折叠的PrP

23、致病分子，称为PrP&。但PrPC和PrPSc两者的一级结构 完全相同。可见PrPC转变成PrPSc如及蛋白质分子cr螺旋重新排布成fr折叠的过程。外源或新 生的PrPSc可以作为模板，通祖复杂的机制使仅含cr螺旋的PrPC重新折晕成为仅含卩-折叠的 PrP&。PrPSc对蛋白酶不敏感，水溶性差，而且对热稳定，可以相，互聚集，最终形成淀粉样纤 维沉淀而致病。四、蛋白质的理化性质蛋白质既然是由氨基酸组成，其理化性质必然有与氨基酸相同或相关的方面，例如，两性 等电点，紫外吸收性质、呈色反应等；但蛋白质又是生物大分子， 还具有氨基酸所没有的理化性 质。（一）蛋白质具有两性电离性质 蛋白质分子除两端的

24、氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团， 如谷氨酸、天冬氨酸残 基中的Y和 基，赖氨酸戎基中的一氨基、精氨酸残基中的胍基和组氨酸残基中的咪唑基，在一 定的溶液PN条件下都可解禽成带负电荷或正电荷的基团。当蛋白质溶液处于某一 PH时，蛋白 质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的PH称为蛋白质的 等电点。蛋白质溶液的PH大于等电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。体内各种蛋白质的等电点不同；但大多数接近于 PH 5.0。所以在人体体液 PN 7. 4 的环境下， 大多数蛋白质解离成阴离子。少数蛋白质含碱性氨基酸较多， 其等电点偏于碱性，被称为碱性蛋 白质

25、，如鱼精蛋白、组蛋白等。也有少量甭白质含酸性氨基酸较多，其等电点偏于酸性，被称为 酸性蛋白质；如胃蛋白酶和丝蛋白等。（二）蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万 100万kD，其分子的直径可达l100nm，为 胶粒范围之内。蛋白质颗粒表面太多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒表面形成一层水化膜， 从而阻断蛋白质颗粒的相互聚集，防止溶液中蛋白质的沉淀析出。 除水化膜是维持蛋白质胶体稳 定的重要因素外，蛋白质胶粒表面可带有电荷， 也可起胶粒稳定的作用。 若去除蛋白质胶体颗粒 表面电荷和水化膜两个稳定因素，蛋白质极易从溶液中析出。（三）蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280mn波长处有特征性吸收峰。 在此波长范围内，蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质的定量测定。（四）应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量 茚三酮反应蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。 双缩脲反应蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲离挺。氨基酸不出现此反应。当蛋白质溶液中蛋白质的水解不断加强时，氨基酸浓度上升， 其双缩脲呈色的深度就逐渐下降，因此双缩脲反应可检测蛋白质的水解程度。