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蛋白质是生命活动的主要承担者
第5讲
一轮复习
第1课时（共2课时）
结构
催化
运输
调节
免疫
构成细胞以及生物体的结构物质
绝大多数的酶
血红蛋白
转运蛋白
信息传递
防御
肌肉
头发
羽毛
蛛丝
某些激素
细胞因子
抗体
蛋白质的功能具有多样性，细胞中的各项生命活动都离不开蛋白质。
催化细胞中的化学反应
运输物质
知识点7：蛋白质的功能多样性
激素、神经递质、细胞因子 —— 受体
跨膜转运的物质 —— 载体蛋白
氧气 —— 血红蛋白
底物 —— 酶
抗原 —— 抗体
蛋白质在行使功能时通常会与某些物质结合。
ATP
ADP+Pi
有些蛋白质同时具有多个功能
如钠钾泵：
同时具有运输和催化的功能
知识点8：蛋白质的结构多样性
1.蛋白质的基本单位 —— 氨基酸
R
NH3+
COO-
H
C
C
C
OH
O
N
H
H
R
H
氨基
羧基
侧链基团
①结构通式
②结构特点
每种氨基酸至少都含有一个氨基和一个羧基，
并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。
有些氨基酸的R基中含有氨基或羧基
C
C
OH
O
N
H
H
R
H
氨基
羧基
侧链基团
③种类
21种
R基有21种
不同氨基酸的理化性质不同主要由R基决定。
最简单的氨基酸是甘氨酸，
其R基为：—H
丙氨酸也是较为简单的氨基酸，其R基为：—CH3
每种氨基酸有一种或几种密码子
C
C
OH
O
N
H
H
R
H
氨基
羧基
侧链基团
根据人体细胞能否合成将21种氨基酸分为两类
人体细胞不能合成，必需从外界环境中获取。
必需氨基酸(8种)
非必需氨基酸(13种)
赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋(甲硫)氨酸
苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸
人体细胞能够合成
甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、丝氨酸
精氨酸、组氨酸、半胱氨酸、硒代半胱氨酸、酪氨酸、脯氨酸
糖类 + 必需氨基酸 → 非必需氨基酸
酶②
酶③
苯丙氨酸
酪氨酸
黑色素
尿黑素
乙酰乙酸
CO2 + H2O
苯丙酮酸
酶①
酶④
酶⑤
酶⑥
在人群中，有多种遗传病是由苯丙氨酸的代谢缺陷所致。人体内苯丙氨酸的代谢途径如下图所示。
1.对于苯丙酮尿症(苯丙酮酸积累)患者来说，酪氨酸为：_________氨基酸
2.苯丙酮尿症患者是否会患白化病(缺乏黑色素)，为什么？
必需
不会，因为人体可以从外界(食物)中获取酪氨酸，进而合成黑色素。
④氨基酸的功能
a.形成多肽和蛋白质
b.氧化分解供能
c. 作为神经递质
甘氨酸、谷氨酸等
功能
蛋白质的基本单位
作为能源物质
d.形成其他物质
色氨酸
组氨酸
酪氨酸
黑色素
吲哚乙酸(生长素)
组胺
谷氨酸
谷氨酸钠(味精)
氨基酸
糖类
色氨酸
组氨酸
酪氨酸
黑色素
吲哚乙酸(生长素)
组胺
谷氨酸
谷氨酸钠(味精)
氨基酸
糖类
酪氨酸酶
酪氨酸酶基因异常→白化病(遗传病)
酪氨酸酶活性下降→白发(细胞衰老)
过敏原再次刺激机体时，
肥大细胞释放组胺，引起过敏反应
利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产鸡精或味精
血糖浓度降低时，胰高血糖素促进肝细胞中非物质转化为葡萄糖。
④氨基酸的运输
运输
跨膜运输
细胞内运输
载体运输
作为神经递质的运输
tRNA运输
协助扩散或主动运输
胞吐
2.蛋白质的结构层次
①脱水缩合
C
R1
H2N
C
O
OH
H
C
R2
N
C
O
OH
H
H
H
+
C
R1
H2N
C
O
H
C
R2
N
C
O
OH
H
H
H2O
二肽
肽键
①脱水缩合
C
R1
H2N
C
O
H
C
R2
N
C
O
OH
H
H
C
R3
N
C
O
OH
H
H
H
+
C
R1
H2N
C
O
H
C
R2
N
C
O
H
H
C
R3
N
C
O
OH
H
H
H2O
三肽
肽键
肽键
肽键
①脱水缩合
C
R
N
C
O
OH
H
H
H
C
R1
H2N
C
O
H
N
H
C
Rn
N
C
O
OH
H
H
(n-1)H2O
n肽(多肽)
n个
(n-1)个肽键
肽链
②肽链形成蛋白质
肽链
盘曲
折叠
肽链中氨基酸之间形成氢键
具有结构的蛋白质
1条或多条
相同或不同
肽链中或肽链之间可能形成二硫键
SH
SH
SH
SH
SH
SH
S
6H
S
S
S
S
S
二硫键的作用
折叠形成空间结构
形成
二硫键
稳定
空间结构
与中心C原子相连的氨基
与中心C原子相连的羧基
—NH2
HOOC—
+
—N—C—
|
H
||
O
H2O
R基中
—SH
+
R基中
HS—
2H
—S—S—
肽链中或肽链间氨基酸的R基之间
氢键
肽键
二硫键
蛋白质中的三种“键”
2.蛋白质的结构层次
氨基酸
多肽链
蛋白质
脱水缩合
盘曲折叠
肽键相连
氢键相连
可能有二硫键
氨基酸之间脱水缩合形成多肽链
一条肽链的特定区域进行有规律的盘曲折叠
肽链进一步盘绕形成一定的空间结构
四条肽链聚集在一起形成复杂的空间结构
血红蛋白的形成过程
血红素
3.蛋白质结构多样性
氨基酸角度
蛋白质角度
组成蛋白质的氨基酸
种类
数目
排列顺序
蛋白质的空间结构
肽链的盘曲折叠方式
多肽链角度
成千上万
千变万化
千差万别
不同
蛋白质
结构多样
4.蛋白质的结构与功能相适应
蛋白质结构多样
蛋白质功能多样
相适应
正常血红蛋白
红细胞
呈圆饼状
运输氧气能力强
异常血红蛋白
红细胞
呈镰刀状
运输氧气能力弱
(谷氨酸)
(缬氨酸)
替换为
导致
人类许多疾病与体内肽链的折叠错误有关，
如：囊性纤维化、阿尔兹海默病、帕金森病等。
镰状细胞贫血症
5.蛋白质的变性与盐析
蛋白质溶液
高温、紫外线、剧烈振荡
强酸碱、重金属盐等
空间结构改变
空间结构不变
形成沉淀而析出
加入食盐(NaCl)
丧失生物学活性
水溶性下降
更易水解
变性
盐析
肽键都没断裂
都能与双缩脲试剂产生紫色
熟肉易消化、杀菌消毒
应用
元素
氨基酸
二肽
多肽
蛋白质
结构多样性
功能多样性
脱水缩合
H2N-CH-COOH
R
—COOH + —H2N → —CO—HN—
肽键
H2N-
-COOH
盘曲折叠
组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序不同，
肽链盘曲折叠的方式及其形成的空间结构不同
结构
运输
免疫
催化
调节
变性
C、H、O、N(S、Se)
结构与功能相适应
总结归纳
蛋白质的加工
P
CH3
折叠
水解
修饰
剪接
多肽链
磷酸化
糖基化
甲基化
各种蛋白质
一种蛋白质的加工往往涉及到多种方式，几乎都会涉及到多肽链的折叠。
加工方式
真核生物的起始密码子是甲硫氨酸，但是很多蛋白质中的第一个氨基酸不是甲硫氨酸，其原因是什么？
在蛋白质加工过程中被切除了。
……
某些蛋白质的成熟过程需要水解掉一部分“多余肽”
内质网中
切除信号肽
高尔基体中
切除C肽
前胰岛素原
胰岛素原
胰岛素
信号肽
C肽
胰高血糖素、促肾上腺皮质激素等也需要通过相应的前体物的水解才能形成有功能的蛋白质。
蛋白质的磷酸化修饰
OH
P
ATP
ADP
H2O
Pi
蛋白激酶
蛋白磷酸水解酶
无活性(关)
有活性(开)
蛋白质的降解
细胞中蛋白质的降解途径有两种：溶酶体途径和蛋白质酶体途径
溶酶体途径：由关押在溶酶体中的蛋白酶执行的蛋白质降解的途径。
蛋白酶体途径：由关押在蛋白酶体中的蛋白酶执行的蛋白质降解的途径
蛋白酶体
溶酶体
需要被降解的蛋白质
送入
送入
溶酶体途径
如果把一个细胞比喻称为一个动物个体的话，那么溶酶体就是这个动物的消化器官，溶酶体内部呈酸性环境，这有点儿像胃酸一样。
溶酶体
溶酶体中的水解酶的最适pH都是呈酸性的(这有点儿像胃蛋白酶)，而细胞质基质呈中性环境，这就防止溶酶体偶尔破裂后释放出的水解酶对细胞造成伤害，如果溶酶体大量破裂，就会对细胞产生伤害。
由于溶酶体是由膜围成的细胞器，因此即将死亡的蛋白质被包在囊泡中，通过和溶酶体融合的方式，把即将死亡的蛋白质送入到溶酶体中。
内吞泡
溶酶体
溶酶体
自噬体
内质网
外源蛋白
内源蛋白
溶酶体途径
⑤
⑥
APC
辅助性T细胞
TCR
MHC
外源性抗原的提呈 —— 溶酶体途径
蛋白质酶体途径
蛋白酶体不是由膜组成的细胞器，而是有蛋白质围成的桶装结构。因此，不能像溶酶体那样通过囊泡把蛋白质送到蛋白酶体中。
1.蛋白质的死亡标签 —— 泛素(Ub)
在细胞质基质中有一种能够识别即将死亡的蛋白质的小分子蛋白质——泛素。
泛素分子是由76个氨基酸组成的小分子球蛋白。
蛋白质的泛素化也被戏称为死亡之吻。
N端
C端
1.蛋白质的死亡标签 —— 泛素(Ub)
泛素的第11、29、48、63位氨基酸为
赖氨酸，其侧链基团为：—(CH2)4-NH2
泛素的—(CH2)4-NH2 在死亡蛋白泛素化标记时有十分重要的作用。 接下来将会看到其具体的作用。
Ub
H2N-(CH2)4
COOH
NH2
N端(1号位)
C端
(76号位)
(48号位)
2.死亡之吻 —— 蛋白质的泛素化标记
即将死亡的蛋白质首先要与泛素分子连接，这一过程称为蛋白质的泛素化。泛素化的蛋白就会被蛋白酶体识别而降解，完成死亡过程。
①泛素与死亡蛋白(靶蛋白)的连接。
靶蛋白
H2N-(CH2)4
H2N-(CH2)4
COOH
NH2
泛素
+
H2N-(CH2)4
C
NH2
HN-(CH2)4
O
=
异肽键
H2O
思考：为什么叫异肽键？
不是说泛素中的-(CH2)4-NH2泛素化吗？怎么没有参与反应呢？反而是靶蛋白质中的-(CH2)4-NH2参与脱水缩合。是不是搞错了？当然不是，继续往下看。
2.死亡之吻 —— 蛋白质的泛素化标记
②靶蛋白需要多泛素化才能被蛋白酶体识别
H2N-(CH2)4
C
NH2
HN-(CH2)4
O
=
H2N-(CH2)4
COOH
NH2
+
H2O
HN-(CH2)4
C
NH2
HN-(CH2)4
O
=
HN-(CH2)4
C
NH2
O
=
异肽键
由侧链基团(R基)参与脱水缩合形成的肽键叫做异肽键
HN-(CH2)4
C
NH2
HN-(CH2)4
O
=
HN-(CH2)4
C
NH2
O
=
异肽键
异肽键
插曲 —— 异肽键
异肽键
肽键
+ 2H2O
脱水缩合
谷胱甘肽中的异肽键
插曲 —— 异肽键
1.在核糖体中催化形成的肽键，都是由一个氨基酸的a氨基和另一氨基酸的a羧基脱水形成的。即该过程不形成异肽键。
2.细胞中异肽键形成的两个实例：
①谷胱甘肽形成时，谷氨酸的R基中的羧基与半胱氨酸的a氨基脱水缩合形成异肽键。
②蛋白质的泛素化过程中，目标蛋白的R基中的氨基与泛素分子中的a羧基形成异肽键，一个泛素分子的R基中的氨基与另一个泛素分子中的a羧基形成异肽键。
插曲 —— 异肽键
2.死亡之吻 —— 蛋白质的泛素化标记
③泛素化过程需要3种酶参与，
并且是个消耗ATP的过程。
Ub
E1
E1
Ub
E2
E2
E3
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
+
+
泛素
靶蛋白
1
2
3
4
ATP
AMP
PPi
E1：泛素激活蛋白
E2：泛素接合酶
E3：泛素-蛋白连接酶
多次进行
1,2,3步反应
Ub
E1
E1
Ub
E2
E2
E3
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
Ub
+
+
泛素
靶蛋白
1
2
3
多次进行
1,2,3步反应
4
5
肽链解开
蛋白质被降解
ATP
AMP
PPi
ATP
ADP
3.蛋白酶体途径的总体过程
4.分子绞肉机 —— 蛋白酶体
内侧含有蛋白酶活性位点
Ub
Ub
Ub
Ub
负责识别
去泛素化
去折叠及转运
Ub
Ub
Ub
Ub
ATP
ADP
内性抗原的提呈
—— 蛋白酶体途径
靶细胞
细胞毒性
T细胞
TCR
MHC
溶酶体途径 蛋白酶体途径
不依赖与ATP 依赖于ATP
利用膜泡运输与膜融合 利用泛素化标记与识别
专一性差 专一性强
总结：蛋白质的死亡途径

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