文档介绍：上海交大生物化学讲义
第二章蛋白质的结构和功能
蛋白质(protein)在生物体内具有广泛和重要的生理功能,它不仅是各器官、组织的主要化学组成,且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的,而且蛋白质在其中还起着关键的作用,所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容,在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一,protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios,意为第一或最重要的意思。
第一节蛋白质在生命活动中的重要功能
蛋白质是生命的物质基础,一切生命活动离不开蛋白质。
蛋白质普遍存在于生物界,从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质,病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成,甚至朊病毒(prion)就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质(表2-1)。人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。
体内一些蛋白质的重要生理功能:
(一) 催化功能
(二) 调节功能
(三) 保护和支持功能
(四) 运输功能
(五) 储存和营养功能
(六) 收缩和运动功能
(七) 防御功能
(八) 识别功能
(九) 信息传递功能
(十) 基因表达调控功能
(十一)
(十二) 凝血功能蛋白质的其他众多生理功能
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第二节蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成和分子量
蛋白质是大分子化合物,相对分子质量(Mr)一般上万,结构十分复杂,但都是由
C、H、O、N、S等基本元素组成,有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素,而其中氮的含量相对恒定,占13%~19%,平均为16%,因此通过样品中含氮量的测定,,即可推算出其中蛋白质的含量。
二、蛋白质的氨基酸组成
大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子(building-block molecule)是氨基酸(amino acid,AA)(表2-2)。在种类上,虽然自然界中存在着300多种氨基酸,但构成蛋白质的只有20种氨基酸,且都是L,α-氨基酸,在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸,不存在种族差异和个体差异。
在20种氨基酸中,除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基
酸外,其余
COOH
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均为L,α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为:H2N-C
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H-R
(一) 氨基酸的分类
20种氨基酸按其侧链R结构的不同,在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类,分别含15种、2种和3种氨基酸。在脂肪族氨基酸中,3种是支链氨基酸,而大多是直链氨基酸。在20种氨基酸中,有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。在生物化学中,氨基酸是根据其酸性基团(羧基)和碱性基团(氨基、胍基、咪唑基)的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类,其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基,碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基,都属于含有可解离基团的极性氨基酸,而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基,在形成蛋白质分子时都被 2
结合掉,因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类,中性极性氨基酸(polar AA)较亲水(hydrophilic),中性非极性氨基酸(non-polar AA)较疏水(hydrophobic)(表2-3)。在形成大分子蛋白质严密的空间结构中,其组成氨基酸侧链R的大小、形状,带电与极性与否,对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。
蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸,并无遗传密码编码,它们往往是在蛋白质生物合成后,由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成,含有二硫键,存在于部分蛋白质分子中;而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化,主要存在于胶原蛋白分子中,它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关;一些凝血因子分子中含有γ-羧基谷氨酸,也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化,且与其凝血活性密切有关;而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基,还可与磷酸结合被磷酸化等,更与酶活性的调节功能密切相关。
(二) 氨基酸的重要理化性质
1. ***电离与等电点(pI)
2. 紫外吸收特征
3. 脱水成肽反应
第三节蛋白质的分子结构
一、肽键和肽
肽键(peptide bond)是蛋白质分子中的主要共价键,性质比较稳定。它虽是单键,但具有部分双键的性质,难以自由旋转而有一定的刚性,因此形成肽键平面(图2-3),则包括连接肽键两端的C═O、N-H和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上,而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型,从而形成