第二章蛋白质的结构与功能讲述案例
生物化学02第二章 多肽与蛋白质
Glu-Cys-Gly SH
Glu-Cys-Gly S S
Glu-Cys-Gly
谷胱甘肽的生理功用：
• 解毒作用：与毒物或药物结合，消除其 毒性作用；生物转化。
• 参与氧化还原反应：作为重要的还原剂， 参与体内多种氧化还原反应；
• 保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基 团-SH维持还原状态；
• 维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂 对红细胞膜结构的破坏作用。
锌指结构是一个常见的模体。
由一个α-螺旋和两个反向平行的β-折迭组 成，形似手指。
Ｎ－端两个半胱氨酸，Ｃ－端两个组氨酸， 此四个氨基酸残基在空间上构成一个洞穴， 容纳一个锌，具结合锌离子功能。
含锌指结构的蛋白质都可与ＤＮＡ或ＲＮＡ 结合。
锌指结构 (折迭-折迭模序)
亮氨酸拉链结构：
• 见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与 癌基因表达调控有关。
第二章
多肽与蛋白质
Peptides and Proteins
1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶。 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 。 1938年，德国化学家Gerardus J. Mulder引用
2. 蛋白质具有重要的生物学功能
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
3. 氧化供能
第一节
肽和蛋白质的一级结构
Primary Structure of Peptides and Proteins
一、肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚体
试举例说明蛋白质结构与功能的关系
蛋白质结构与功能的关系蛋白质是生命体中起着关键作用的分子之一。
它们通过其特定的结构来实现多种生物学功能。
本文将探讨蛋白质的不同结构类型以及这些结构与功能之间的关系。
一、蛋白质的结构类型蛋白质的结构可分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
下面将详细介绍这些结构类型。
1. 一级结构一级结构是蛋白质的线性序列，由氨基酸的顺序组成。
氨基酸是构成蛋白质的基本单元，目前已经发现了20种天然氨基酸。
一级结构的顺序决定了蛋白质的独特性质和功能。
2. 二级结构二级结构是蛋白质中部分氨基酸的局部排列方式。
常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是一种螺旋形状的结构，由蛋白质链的螺旋部分组成。
β-折叠是一种类似于折纸的结构，由蛋白质中的平行或反平行β链组成。
3. 三级结构三级结构是蛋白质整体的立体结构。
它由蛋白质链的折叠和弯曲形成。
三级结构的稳定性由各个氨基酸之间的相互作用决定，如氢键、范德华力和离子键等。
三级结构的稳定性对蛋白质的功能至关重要。
4. 四级结构四级结构是由两个或多个蛋白质链相互作用形成的复合物。
复合物中的蛋白质链可以具有相同的结构或不同的结构。
四级结构的形成使蛋白质具有更加复杂和多样化的功能。
二、蛋白质结构与功能的关系蛋白质的结构与其功能之间存在密切的关系。
不同的结构决定了不同的功能。
下面将详细介绍蛋白质结构与功能之间的关系。
1. 结构决定功能蛋白质的结构决定了其所能够实现的功能。
不同的结构使得蛋白质能够与其他分子发生特定的相互作用。
例如，酶是一种具有特定结构的蛋白质，它能够催化化学反应。
酶的结构确定了其可以与底物结合并加速反应的能力。
2. 结构稳定性与功能的关系蛋白质的结构稳定性对其功能至关重要。
结构稳定性差的蛋白质可能无法正确地完成其生物学功能。
许多蛋白质的结构稳定性受到环境条件的影响。
例如，温度变化可以影响蛋白质的结构稳定性，从而影响其功能表现。
3. 变构与功能的调控许多蛋白质能够通过结构的变化来调控其功能。
第二章第二节 蛋白质的结构与功能
探究二：蛋白质的结构、功能
• 氨基酸是组成蛋白质的基本单位，氨基酸是如 何构成蛋白质的呢？
• 若10个氨基酸脱水缩合形成一条肽链，该化合 物的名称是什么？此时氨基酸数与肽链数、肽 键数及脱去的水分子数之间的数量关系。
氨基酸的连接方式：
R1
H — C — CO-OH NH2
比较下列氨基酸并找到他们的共同部分： H H H2 N C H
甘氨酸
COOH
H2 N
C
COOH
CHCOOH
天冬氨酸
H H2 N C COOH H2 N
H C COOH
CH3
丙氨酸
CH2CH2CO基酸结构通式
C
COOH
羧基
H
（1）至少含一个氨基和一个羧基，并且都有
一个氨基和一个羧基连在同一个碳原子上
多肽链
空间结构
☞ 请阅读课本第19页2-4表格，了解蛋
白质的功能？
1.催化作用 细胞内的化学反 应离不开酶的催 化。绝大多数酶 都是蛋白质。 （图示为胃蛋白 酶结晶）
2.运输作用 作为运输载体， 如血红蛋白、载 体蛋白。
3.运动
肌动蛋白
4、防御作用： 抗体
5.调控 ：生长激素
肢 端 肥 大 症
脱水缩合
R2
H-N — C — COOH
H
H H
H2O
R1 R2
H — C — CO
NH2
肽键
NH — C — COOH
H
二肽
探究二：蛋白质的结构、功能
若一个蛋白质是由n个氨基酸构 成的m条肽链，且氨基酸的平均分 子量为A，则该蛋白质的相对分子 量为多少？
从四个方面举例说明蛋白质的结构与功能之间的关系并做简要阐述
从四个方面举例说明蛋白质的结构与功能之间的关系并做简要阐述蛋白质是生物体中非常重要的分子，它在维持生物体的正常功能和结构中起着重要的作用。
蛋白质的结构与其功能之间存在着密切的关系。
下面将从四个方面举例，说明蛋白质的结构与功能之间的关系。
这四个方面分别是：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
首先，一级结构是指蛋白质的氨基酸序列。
不同的蛋白质的氨基酸序列不同，这导致了它们具有不同的功能。
例如，酶是一类重要的蛋白质，它们在生物体中催化各种化学反应。
不同的酶催化不同的反应，这是由其一级结构决定的。
比如，糖解酶主要催化糖的分解，其氨基酸序列特定的结构使得它们能够具有这种特定的催化活性。
其次，二级结构是指氨基酸在空间上的规则排列方式。
最常见的二级结构是α-螺旋和β-折叠。
这些二级结构的形成对于蛋白质的稳定性和功能至关重要。
例如，α-螺旋结构中隐藏着氢键和范德华力，这种结构使得蛋白质具有强大的稳定性。
而β-折叠结构可以形成蛋白质的拓扑结构，起到支持和连接蛋白质的各个部位的作用。
因此，二级结构对于蛋白质的功能发挥起着非常重要的作用。
第三，三级结构是指蛋白质在空间上的整体折叠结构。
蛋白质的三级结构决定了其功能和生物活性。
例如，抗体是一类具有高度专一性和亲和力的蛋白质，其功能在很大程度上依赖于其特定的三级结构。
抗体的结构有两个重要的特点：可变区和恒定区。
可变区的结构决定了抗体与抗原的结合，从而决定了抗体的特异性。
恒定区的结构决定了抗体的一些基本性质，如抗体的类别、亲和力和激活效应。
因此，蛋白质的特定三级结构决定了其特定的功能。
最后，四级结构是指一些蛋白质由多个多肽链相互组合而成的结构。
多肽链的相互组合可以进一步扩展蛋白质的功能和稳定性。
例如，胶原蛋白是一种结构蛋白质，它由三个左旋螺旋结构的多肽链相互缠结而成。
这种三肽链的缠结使得胶原蛋白具有高度的稳定性和拉力。
胶原蛋白主要存在于结缔组织中，能够提供组织的结构和弹性。
人教版(2019版)高中生物必修一第二章第4节蛋白质生命活动的主要承担者教学课件 (共28张PPT)
对
每种氨基酸至少有一个氨基和一个羧基，
对 多的在R基上
对
请用文字具体描述氨基酸的结构通式 （从基团个数和基团连接位置来分. .析. ）
H H2N C COOH
R
① 每种氨基酸至少有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH)， 并且氨基和羧基连在同一个碳原子上。
② 这个碳原子还连接一个氢原子和一个侧链基团（R表示） ③ 氨基酸之间的区别在于R基不同。
四、蛋白质的结构及其多样性的形成原因
探究：氨基酸如何组成蛋白. .质. ？
氨基酸 脱水缩合
？ 脱水缩合
？ 脱水缩合
几条链折叠形 成蛋白质
一条链折叠形 成蛋白质
折叠盘曲成 空间结构
氨基酸的结合方式： ...
HO
HH
NH2 C CCOOH HNHN2 C COOH
R1
R2
氨基酸的结合方式 ...
HO
R2
H2O H2O
氨基酸的结合方式: 脱水缩合. . .
HOH HOH H NH2 C C N C C N C COOH
R1 肽键 R2 肽键 R2
H2O H2O
• 以此类推，由多个氨基酸分子缩合而成的含有多个肽键的化合物，叫 多肽（链状）。
R基
...
？
C原子 ？
H原子
四、蛋白质的结构及其多样性的形成原因
第二章 组成细胞的分子
...
第4节蛋白质生命活动的主要承担者
...
构成肌细胞的主要 成分之一
——
...
生长激素促进骨骼生长、 调节生长发育等生命活动
——
血红蛋白运输氧气 ——
...
抗体帮助抵御病菌等抗原 ——
第二章蛋白质的结构和生理功能
二、氨基酸的性质和生理特点 （一）性质 1.物理性质 无味、无色晶体物质； 熔点200－300oC之间，会分解成胺和CO2； 具有较高的介电常数； 一般可溶于水，其水溶液为无色透明液体， 溶解度各不相同； 一般不溶于有机溶剂； 均溶于稀酸或稀碱。
2.氨基酸的晶体存在形式
氨基酸晶体是以离子晶格组成的，维系晶 格中质点的作用力是较强的静电吸引力，因而 熔点高，而一般的有机化合物晶体是由分子晶 格组成，其维系力为较弱的范德华力，此类物 质熔点较低。
蛋白质功能的多样性
• 具有储藏氨基酸的功能。用作有机体及其胚胎 或幼体生长发育的原料。如蛋类中的卵清蛋白、 乳中的酪蛋白、小麦种子中的麦醇蛋白。 • 运输功能。脊椎动物红细胞里的血红蛋白、无 脊椎动物中的血蓝蛋白在呼吸过程中起着输送 氧气的作用；血液中的脂蛋白随血流输送脂质； 生物氧化过程中的某些色素蛋白如细胞色素C 等起电子传递体的作用。
• • • • 氨基酸排列随机性 周期性的重复未发现 二硫键的数目和位置也没有明显的规律 每种蛋白质化学结构的独特性 在同源蛋白质氨基酸顺序中有许多位置的氨基 酸对所有种属来说是相同的（不变残基），但 其他位置的氨基酸却不同（可变残基）。这种 相似性被称为顺序同源现象。
蛋白质一级结构的重要性
氨基酸组成及顺序不同会导致蛋 白质生物功能的改变（病态现象）。如 镰刀形细胞贫血病就是血红蛋白（4个 亚基，582个氨基酸组成）中的一个谷 氨酸变为缬氨酸导致的。 一级结构是立体结构的基础。
在研究蛋白质氨基酸组成时一般先用完全 水解的方法，将蛋白质水解成各种氨基酸的 混合物，然后采用高效液相色谱等方法进行 定量测定。通常采用的水解方法有酸水解、 碱水解和酶水解。
酸水解
用硫酸(6 mol/L)或盐酸(4 mol/L)煮沸回流20小时。
第二章 蛋白质 -3
具有协同性和别构效应：
Val1--NH3+ Lys82--NH3+ His143-咪唑基)
4、四级缔合在结构和功能上的优越性
增强结构的稳定性：体积增大而表面积减小；屏蔽
亚基表面的疏水残基以避开溶剂水。
提高遗传经济性和效率：编码一个将装配成同聚蛋
白质的亚基所需的DNA比编码一条相对分子质量相同 的多肽要少。
使催化基团汇集在一起：如细菌的谷氨酰胺合成酶、
Fig. 1-59 The iron atom moves into the
亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化
铁原子的位移 → F8His的位移 →使F螺旋、EF及FG拐弯发生位移 →F 螺旋向H螺旋移动→挤出HC2Tyr→ 导致四级结构的盐桥破坏 →挤出BPG分子。
B.血红蛋白与氧结合具有协同性
七、四级结构(Quaternary Structure)
1.定义
是由两条或两条以上具有三级结 构的多肽链通过次级键缔合而成的 特定构象。 其中每条具有三级结构的多肽链 称为亚基，亚基一般只包含一条多 肽链。但有的亚基由两条或多条多 肽链组成，这些多肽链间多以二硫 键相连。 亚基单独存在时无生物学活性。
BPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：
BPG是红细胞中糖代谢中间产物。当血液流经O2分 压较低的组织时，红细胞中的BPG可促进氧合血红蛋白 释放氧，以满足组织对O2需要。 BPG浓度越大， O2的 释放量越多。红细胞中BPG浓度的变化是调节血红蛋白 对氧亲和力的重要因素。实例：在高山上；肺气肿病 人。
以维持体内pH。
（2）血红蛋白的结构特点： a.是四个亚基的寡聚蛋白，574个AA残基，分子量65000
第二章 蛋白质的结构与功能
无规则卷曲（ random coil ）
定义：没有明确规律性的那部分肽段的结构。
但这些“无规则卷曲”也象其他二级结构那样是 明确而稳定的结构。即蛋白质在其多肽链的不同 区段可形成不同的二级结构。
作用：赋予蛋白质较大的构象柔性，常构成蛋
白质的特定功能部位。
（三）超二级结构(supersecondary structure)和 结构域(domain)
H3N
C C R1
+
O C
H
H
+
H
C C R2
O O-
N
O-
H -H2O
H
+
H N C C
O O-
H3N
C
H R2 R1 peptide bone
Features of peptide bond
键长为0.132nm ,介于单键（键长为
0.147nm）与双键（键长为0.128nm） 之间。 具双键的性质，即不能旋转。
β-折叠的要点：
多肽链较伸展, 遇Cα发生折叠, R侧链交错 位于锯齿状(hackle)结构上下方； 两条或多条肽链片段平行排列，靠链间氢 键稳定构象（-CO和-NH） ； 两条肽链的走向可以是顺向平行或反向平 行（残基间距离前者为0.65nm，后者为 0.70nm）或混合排列。
-转角 （ -turn)
α-螺旋的要点：
一般为右手螺旋； 每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基，螺距为 0.54nm; 螺旋圈之间通过氢键（aa1的C=O和aa4 的-NH之间）维持结构稳定; R侧链位于螺旋外侧，其大小、形状及 电荷等是影响此结构形成的主要因素。
例1
Hair α-keratin is an elongated aα-helix with somewhat thicker domains near the amino and carboxy termini. Pairs of these helices are interwound, probably in a lefthanded sense, to form two-chain coiled coils.
第二章 蛋白质的结构与功能
第二节
蛋白质的分子结构
蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起 来的，具有特定分子结构的高分子化合物。
蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、 四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、 四级结构均属于空间结构，即构象。
构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。 蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维 系。
人胰岛素的一级结构
测定蛋白质的一级结构的主要意义: 一级结构是研究高级结构的基础。
可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功 能的关系。 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。
二、蛋白质的空间结构
空间结构：指Pr分子内各原子围绕某些 共价键的旋转而形成的各种空间排布及 相互关系，称为Pr的构象。 主链构象 侧链构象
手性C原子：与α-C原子相连的四个 原子或基团各不相同。
L-α -氨基酸的结构通式
（三）氨基酸的分类 自然界存在的aa有300种，但作为 蛋白质基本单位的aa有20种，且 都有特异的遗传密码，为编码aa。
根据R侧链基团解离性质的不同，可将 氨基酸进行分类： 1.酸性侧链氨基酸——Glu，Asp；侧 链基团在中性溶液中解离后带负电荷 的氨基酸。
一、蛋白质的一级结构
1、概念： 蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽 键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的 线状结构。 2、 维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键 3、胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成， 分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30 个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫 键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。
2、两性解离与等电点
A、aa是两性电解质：有碱性的-NH2 和酸性的-COOH B、等电点（PI）： aa处于两性离子时溶液的PH值
第二章_蛋白质结构基础
半胱氨酸 Cys 组氨酸 His 酪氨酸 Tyr 色氨酸 Trp
极性氨基酸
二硫键的作用 1 稳定蛋白质的三维结构； 2 将不同的多肽链连接在一起； 3 分子内二硫键可稳定单肽链的 折 叠，使蛋白质不易被降解。
特点： 侧链都可以解离使残基带上正 或负电荷
天冬氨酸 Asp 谷氨酸 Glu 精氨酸 Arg 赖氨酸 Lys
HN
精氨酸 Arginine
碱性氨基酸
O H2 N CH C CH2 CH2 CH2 NH C NH2 NH OH
精氨酸 Arginine
赖氨酸 Lysine
碱性氨基酸
O H2N CH C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 OH
精氨酸 Arginine
赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine
稳定α -螺旋的因素
α-螺旋具有极性：
N
所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向
α -螺旋的特征
• • • • 肽平面的键长和键角一定； 肽键的原子排列呈反式构型； 相邻的肽平面构成两面角； α -螺旋的中心没有空腔
C
-helix不稳定的因素：
R基团带同种电荷： pH=7时，多聚Lys或多聚 Glu ； R基团较大时造成空间位阻， 如Ile； 多肽链中有 Pro 或 HO-Pro，α—helix 中 断，产生‘结节’kink 它改变多肽链的方向，并终止螺旋。
含酰胺氨基酸
O H2 N CH C CH2 CH2 C NH2 O OH
氨基酸的分类
疏水氨基酸
氨基酸
极性氨基酸
荷电氨基酸
特点： 1 残基的侧链一般没有化学反应性； 2 疏水作用，趋于彼此间或与其他 非极性原子相互作用
丙氨酸 Ala 缬氨酸 Val 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile