1、生物化学,蛋白质的结构,蛋白质化学之二,1.3 蛋白质的结构,蛋白质的一级结构,蛋白质的二级结构,蛋白质的四级结构,蛋白质的三级结构,1.3 蛋白质的结构,蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和空间结构，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。,蛋白质的一级结构,1.3 蛋白质的结构,一、蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构（Primary structure）又称为共价结构或化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。,（一）肽键与肽链,1.肽键：一个氨基酸的-COOH 和相
2、邻的另一个氨基酸的 -NH2脱水形成共价键。如下图：,1.3 蛋白质的结构,1.3 蛋白质的结构,肽键和肽的结构,1.3 蛋白质的结构,2. 氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质，即：,两个氨基酸组成的肽叫二肽；三个氨基酸组成的肽叫三肽；多个氨基酸组成的肽叫多肽；氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有自由-NH2和-COOH，自由-NH2端称为N-末端（氨基末端），自由-COOH端称为C-末端（羧基末端）；构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基；肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH2端开始，由N指 向C，即多肽链有方向性，N端为头，C端为尾。,肽的颜色反应,多肽可与多种化合物作用，
3、产生不同的颜色反应。这些显色反应，可用于多肽的定性或定量鉴定。 如黄色反应，是由硝酸与氨基酸的苯基（酪氨酸和苯丙氨酸）反应生成二硝基苯衍生物而显黄色。多肽的双缩脲反应是多肽特有的颜色反应;双缩脲是两分子的尿素经加热失去一分子NH3而得到的产物。 双缩脲能够与碱性硫酸铜作用，产生兰色的铜-双缩脲络合物，称为双缩脲反应。含有两个以上肽键的多肽，具有与双缩脲相似的结构特点，也能发生双缩脲反应，生成紫红色或蓝紫色络合物。这是多肽定量测定的重要反应.,1.3 蛋白质的结构,（二）天然活性肽,自然界中有自由存在的活性肽，主要有：,1. 谷胱甘肽（GSH）：三肽（Glu-Cys-Gly），广泛存在于生物细胞
4、中，含有自由的-SH，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。,1.3 蛋白质的结构,1.3 蛋白质的结构,2.促甲状腺素释放激素：三肽（焦谷氨酰组氨酰脯氨酸），可促进甲状腺素的释放。,3.短杆菌素S：环十肽，含有D-苯丙氨酸、鸟氨酸，对革兰氏阴性细菌有破坏作用，主要作用于细胞膜。,4.青霉素：含有D半胱氨酸和D缬氨酸的二肽衍生物 。主要破坏细菌的细胞壁粘肽的合成引起溶菌。,1.3 蛋白质的结构,5.牛催产素与加压素：均为九肽，分子中含有一对二硫键，两者结构类似。前者第九位为Gly或Lys或Phe，后者为Arg。前者可刺激子宫的收缩，
5、促进分娩。后者可促进小动脉收缩，使血压升高，也有抗利尿作用，参与水、盐代谢的调节。,7.脑啡肽：为五肽，具有镇痛作用。 在正常人的脑内存在内源性脑啡肽和脑啡肽受体。在正常情况下，内源性脑啡肽作用于脑啡肽受体，调节着人的情绪和行为。人在吸食海洛因后，抑制了内源性脑啡肽的生成，逐渐形成在海洛因作用下的平衡状态，一旦停用就会出现不安、焦虑、忽冷忽热、起鸡皮疙瘩、流泪、流涕、出汗、恶心、呕吐、腹痛、腹 泻等。冰毒和摇头丸在药理作用上属中枢兴奋药，毁坏人的神经中枢。,6.舒缓激肽：促进血管舒张，促进水、钠离子的排出。,1.3 蛋白质的结构,蛋白质的结构,蛋白质是由一条或多条多肽(polypeptide)
6、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，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。蛋白质分子量变化范围很大, 从大约6000到1000000道尔顿甚至更大。,示例,虾红素,木瓜蛋白酶,组织蛋白酶,一、蛋白质的一级结构,1. 定义 1969年，国际纯化学与应用化学委员会（IUPAC） 规定：蛋白质的一级结构指蛋白质多肽连中AA的排列顺序，包括二硫键的位置。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。,2.蛋白质一级结构的测定,蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自从1953年F.Sanger测定了胰岛素的一级结构以来，现在已经有上千种不同
7、蛋白质的一级结构被测定。,氨肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的向里水解。根据不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，按反应时间和氨基酸残基释放量作动力学曲线，从而知道蛋白质的N-末端残基顺序。最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶，水解以亮氨酸残基为N-末端的肽键速度最大。,N-端氨基酸分析法-氨肽酶(amino peptidases)法,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。,C-端氨基酸分析法-肼解法,羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链
8、的C-端逐个的水解AA。根据不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，从而知道蛋白质的C-末端残基顺序。目前常用的羧肽酶有四种：A,B,C和Y；A和B来自胰脏；C来自柑桔叶；Y来自面包酵母。羧肽酶A能水解除Pro,Arg和Lys以外的所有C-末端氨基酸残基；B只能水解Arg和Lys为C-末端残基的肽键。 （2）测定步骤E.多肽链断裂成多个肽段，可采用两种或多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成两套或多套肽段或肽碎片，并将其分离开来。p169,C-端氨基酸分析法-羧肽酶(carboxypeptidase)法,酶解法:胰蛋白酶，糜蛋白酶，胃蛋白酶，嗜热菌蛋白酶，羧肽酶和氨肽酶,多肽链的选择性
9、降解,Trypsinase ：R1=Lys和Arg侧链（专一性较强，水解速度快）。R2=Pro 水解受抑。马来酸酐保护Lys,只水解Arg1,2-环己二酮保护Arg，只水解Lysp173,肽链,水解位点,胰蛋白酶,Pro,或胰凝乳蛋白酶 （Chymotrypsin）：R1=Phe, Trp,Tyr时水解快; R1= Leu，Met和His水解稍慢。R2=Pro 水解受抑。,肽链,水解位点,糜蛋白酶,Pepsin：R1和R2Phe, Trp, Tyr; Leu以及其它疏水性氨基酸水解速度较快。R1=Pro 水解受抑。酶的最适pH2。二硫键在酸性条件下稳定。确定二硫键的位置时常用胃蛋白酶。,肽链,
10、水解位点,胃蛋白酶,thermolysin：R2=Phe, Trp, Tyr; Leu，Ile, Met以及其它疏水性强的氨基酸水解速度较快。R2=Pro或Gly 水解受抑。R1或R3=Pro 水解受抑。,肽链,水解位点,嗜热菌蛋白酶,谷氨酸蛋白酶： R1=Glu、Asp(磷酸缓冲液); R1=Glu (磷酸缓冲液或醋酸缓冲液)精氨酸蛋白酶： R1=Arg,肽链,水解位点,谷氨酸蛋白酶和精氨酸蛋白酶,木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶,荔枝病：荔枝为“南国第一佳果”。但过量进食后易患“低血糖症”，俗称“荔枝病”。荔枝内含有丰富的果糖，过食后大量果糖来不及经肝脏转化酶转化成葡萄糖，而积聚在体内，使血液中葡萄
11、糖含量严重不足。芒果皮炎：芒果有“热带果王”之称，滋味独特。芒果汁内的特异性蛋白和蛋白酶引起的即发型接触性皮肤反应。波萝过敏症：菠萝有“宴会水果”之称，内含菠萝蛋白酶的作用。这是一种蛋白水解酶，可使胃肠粘膜通透性增大，使胃肠中异性大分子蛋白渗透进血液中，而引起胃肠道乃至全身过敏反应。菠萝所含的生物碱及蛋白酶，能使血凝块消散与抑制血液凝块的形成。对冠状动脉和脑动脉血管栓塞所引起之病有缓解作用。柿结石症：含大量柿胶酚、单宁和果胶质。空腹服少量，就会致胃脘疼痛，消化不良等症，原因为果胶与胃酸凝结成不溶性物质胃柿结石。正常人也宜饱餐后食，且忌与螃蟹、山芋和菱角等同食。樱桃：含过量铁和氢氰甙，故过食后可
12、引起铁中毒，甚至氰化物中毒而死亡。李时珍在本草纲目中有关于过食樱桃致死的记载，以告诫后人。,化学法：可获得较大的肽段 溴化氰(Cyanogen bromide)水解法，它能选择性地切割由Met的羧基所形成的肽键。,多肽链的选择性降解,化学法：可获得较大的肽段羟胺（NH2OH）：专一性断裂-Asn-Gly-之间的肽键。也能部分裂解-Asn-Leu-之间的肽键以及-Asn-Ala-之间的肽键。各种蛋白中-Asn-Gly-出现的概率很低。,多肽链的选择性降解,蛋白质的一级结构,3.蛋白质一级结构举例 （1）胰岛素（Insulin）英国Sanger,A链,B链,一个链内二硫键和两个链间二硫键，分子量5
13、700,A链21个aa残基,B链30个aa残基,（2）牛胰核糖核酸酶（RNase） 一条多肽链，124AA残基组成，四 个链内二硫键，分子量12600.它是测出一级结构的第一个酶分子。,三、 蛋白质的一级结构与生物功能,1. 同源蛋白质的种属差异与生物进化 同源蛋白质(homologous protein)是指在不同的有机体中实现同一功能的蛋白质。 例如血红蛋白在不同的脊锥动物中行使相同的输氧功能。 不同种属来源的同源蛋白质一般具有相同长 度或接近相同长度的多肽链。,同源蛋白质,不变残基(invariable residue)：同源蛋白质的氨基酸顺序中有许多位置的氨基酸对所有的种属来说都是相同
14、的； 可变残基(variable residue)：其它位置的氨基酸对不同种属有相当大的变化。 顺序同源(sequence homology)现象：同源蛋白质的氨基酸顺序中所具有的相似性。 顺序同源现象表明从中分离同源蛋白质的这些生物在进化上有着共同的祖先。,顺序同源的生物学意义,在不同种属来源的细胞色素c中，可以变换的氯基酸残基数目与这些种属在系统发生上的位置有密切关系，即在进化位置上相距愈远，则氨基酸顺序之间的差别愈大; 反之，亲缘关系越近，其顺序同源性越大。 细胞色素c的氨基酸顺序分析资料己被用来核对各个物种之间的分类学关系，以及绘制系统发生树进化树。 根据进化树不仅可以研究从单细胞有机
15、体到多细胞有机体的生物进化过程，而且可以粗略估计现存的各类种属生物在进化中的分歧时间。,根据细胞色素c的顺序种属差异建立的进化树,2 一级结构的局部断裂与蛋白质的激活,在动物体内的某些生物化学过程中，蛋白质分子的部分肽链必须先按特定的方式断裂，然后才呈现生物活性。 血液凝固时血纤维蛋白原(fibrinogen)和凝血酶原(thrombinogen)的复杂变化;消化液中一系列蛋白水解酶原的激活(activation)许多多肽或蛋白质激素前体转变为活性的激素形式等都属于这种情况。,血液凝固的生物化学机理,血液中包含着对立统一的两个系统：凝血系统和溶血系统。这两个系统的相互制约，既保证血液在血管中畅
16、通无阻，又保证一旦血管壁破损能及时堵漏。 如果凝血因子都处于活性状态，血液有随时凝固而被阻流的危险；如果血液没有凝血因子存在，那么动物一旦受到创伤将会流血不止。,血液凝固的生物化学机理,有机体解决这个矛盾的办法就是凝血因子以前体(precursor)的形式存在。动物体受到创伤而流血时，这些前体将在其他因子作用下被激活，使血液迅速凝固而将创伤处封闭，这样就能防止继续流血，起着保护机体的作用。 凝血功能失调时，确有凝血而堵塞血管的危险，因此血液中还存在另一个系统，即纤维蛋白溶酶原，被激活后转变成纤维蛋白溶酶，它的作用是使纤维蛋白溶解。这种与凝血相反的过程对于保持血液的流动性有重要意义。,酶原激活,上述激活过程都是专一性很高的一级结构的局部水解作用，即肽链的局部断裂导致蛋白质生物功能的出现。 蛋白质分子的这一特性-酶原激活，具有重要的生物学意义。它是在生物进化过程中发展起来的，是蛋白质分子的结构与功能具有高度统一性的表现。,
