生物化學(xué)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

生物化學(xué)課件蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能第1頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.構(gòu)型和構(gòu)象構(gòu)型(configuration)：立體異構(gòu)體分子中取代原子或者基團(tuán)的取向。這種排列的改變會(huì)牽涉到共價(jià)鍵的形成和破壞，但與氫鍵無(wú)關(guān)。例如氨基酸的D-和L-型。構(gòu)象(conformation)：取代基團(tuán)單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的不同的立體結(jié)構(gòu)，這種空間位置的改變會(huì)牽涉到氫鍵的形成和破壞，但共價(jià)鍵不被破壞。

第2頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)aa順序α-螺旋多肽鏈寡聚蛋白

（單體蛋白或亞基）

第3頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)指蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的排列順序。蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)包括組成蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目，多肽鏈的氨基酸序列，以及多肽鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置。二硫鍵（disulfidebond）：由肽鏈中相應(yīng)部位上兩個(gè)半胱氨酸殘基的側(cè)鏈脫氫形成。

第4頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六鏈間二硫鍵鏈內(nèi)二硫鍵我國(guó)1965年在世界上第一個(gè)用化學(xué)方法人工合成這種牛胰島素。第5頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六牛胰核糖核酸酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)第6頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（1）蛋白質(zhì)樣品的預(yù)處理；（2）測(cè)定每條多肽鏈的氨基酸組成；（3）測(cè)定多肽鏈的N-末端和C-末端；（4）應(yīng)用兩種或兩種以上不同的水解方法將所要測(cè)定的蛋白質(zhì)斷裂，各自得到一系列大小不同的肽段；（5）分離提純所產(chǎn)生的肽，并測(cè)定它們的序列；（6）從有重疊結(jié)構(gòu)的各個(gè)肽的序列中推斷出蛋白質(zhì)中全部氨基酸順序。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的步驟第7頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）分析多肽鏈的N-末端和C-末端;

N-端氨基酸分析法：

DNFB法、Edman法、氨肽酶法（肽鏈外切酶，它能從多肽鏈的N-端逐個(gè)的向里水解）

C-端氨基酸分析法：羧肽酶法（肽鏈外切酶，它能從多肽鏈的C-端逐個(gè)的向里水解）、肼解法第8頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六肼解法多肽與肼在無(wú)水條件下加熱，C-端氨基酸即從肽鏈上解離出來(lái)，其余的氨基酸則變成肼化物；肼化物能夠與苯甲醛縮合成不溶于水的物質(zhì)而與C-端氨基酸分離。第9頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

3、多肽鏈折疊的空間限制

肽鍵帶有雙鍵的性質(zhì)，主鏈上1/3的鍵不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵中的四個(gè)原子和它相臨的兩個(gè)α—C原子都處于一個(gè)平面上（酰胺平面）。第10頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

多肽鏈＝通過(guò)可旋轉(zhuǎn)的α-碳原子連接的酰胺平面鏈

第11頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二個(gè)肽平面旋轉(zhuǎn)時(shí)受到α—C原子上側(cè)鏈R基空間位阻的影響。

第12頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(SecondaryStructure)是指蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊和盤(pán)繞方式。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲等。第13頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（1）-螺旋(-helix)

——最常見(jiàn)多肽鏈中的各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個(gè)Aa殘基；兩個(gè)Aa之間的距離為0.15nm；Aa殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)，相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵；天然蛋白質(zhì)的-螺旋通常都是右手-螺旋。第14頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個(gè)氨基酸殘基的酰胺基團(tuán)的-CO基與第五個(gè)氨基酸殘基酰胺基團(tuán)的-NH基形成氫鍵。第15頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六-螺旋有左旋和右旋兩種，右旋比左旋更加穩(wěn)定，因此也更常見(jiàn)。第16頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六影響-helix不穩(wěn)定的因素：a.

多肽鏈中連續(xù)存在帶相同電荷的氨基酸；b.多肽鏈中有Pro時(shí)，則α－h(huán)elix中斷，產(chǎn)生一個(gè)“結(jié)節(jié)”；c.

R基團(tuán)太大，造成空間阻礙作用。第17頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）β－折疊(β－pleatedsheet)兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈通過(guò)鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的；肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，R基團(tuán)處于折疊平面的兩側(cè)。第18頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六平行式反平行式第19頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六β－折疊中的氫鍵與α-螺旋中的氫鍵有何不同？第20頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）β－轉(zhuǎn)角（β－turn）或β－迴

轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（β－reverseturn）多肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180°的回折，這個(gè)回折角就是β－轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)；它由四個(gè)Aa殘基組成;回折處的第一個(gè)Aa殘基的-C=O

和第四個(gè)Aa殘基的–N-H

之間形成氫鍵，形成一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)。第21頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）無(wú)規(guī)卷曲（nonregularcoil）

或自由回轉(zhuǎn)（randomcoil)沒(méi)有一定規(guī)律的松散的肽鏈結(jié)構(gòu)，通常酶的活性中心常處在這一構(gòu)象區(qū)域里。第22頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六β－轉(zhuǎn)角β－折疊－螺旋無(wú)規(guī)卷曲第23頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)：是指若干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體。通常有βαβ，βββ，αα，ββ。第24頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六βαβααβ×β第25頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六結(jié)構(gòu)域（domain）

：是在超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步卷曲折疊成緊密的近似球狀的結(jié)構(gòu)，在空間上彼此分隔，各自具有部分生物功能的結(jié)構(gòu)。

第26頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六βαβ由4個(gè)βαβ組成的α/β桶結(jié)構(gòu)域α/β桶結(jié)構(gòu)域：丙酮酸激酶小的蛋白質(zhì)分子只有一個(gè)結(jié)構(gòu)域

√結(jié)構(gòu)域＝三級(jí)結(jié)構(gòu)大的蛋白質(zhì)分子有數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)域第27頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六丙酮酸激酶己糖激酶前清蛋白肌紅蛋白免疫球蛋白第28頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.三級(jí)結(jié)構(gòu)（TertiaryStructure）在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈不同區(qū)段的側(cè)鏈基團(tuán)相互作用，進(jìn)一步盤(pán)繞、折疊形成的的空間結(jié)構(gòu)。維系這種特定結(jié)構(gòu)的力主要有氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力和二硫鍵、配位鍵等。第29頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六肌紅蛋白第30頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六輔基血紅素結(jié)構(gòu)圖第31頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六多肽鏈?zhǔn)杷I氫鍵二硫鍵離子鍵CH2OH

CH2OH范德華力維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力第32頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.四級(jí)結(jié)構(gòu)（QuaternaryStructure）由兩條或兩條以上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈聚合而成的特定構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子叫蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)；其中具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的一條肽鏈叫亞基（subunit)，無(wú)生物功能；由幾個(gè)亞基聚集而成的蛋白質(zhì)常常稱(chēng)為寡聚蛋白。第33頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

4個(gè)亞基締合而成

2種亞基（α、β）

亞基呈球形

亞基間靠次級(jí)鍵連接亞基兩兩相同，分別為α1、α2、β1、β2每個(gè)亞基都含有一個(gè)血紅素輔基血紅蛋白第34頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六氨基酸序列大不相同，但結(jié)構(gòu)（三級(jí)）相似，功能也相似（載氧）結(jié)構(gòu)決定功能第35頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第36頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力一級(jí)結(jié)構(gòu)：肽鍵、二硫鍵（都屬于共價(jià)鍵）二級(jí)結(jié)構(gòu)：氫鍵（主鏈上—C=O—和N—H之間形成）三、四級(jí)結(jié)構(gòu)：次級(jí)鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力、配位鍵）

第37頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系a.同源蛋白質(zhì)中氨基酸順序的種屬差異同源蛋白質(zhì)（homologousprotein）：指不同的有機(jī)體中實(shí)現(xiàn)同一功能的蛋白質(zhì)。例如：胰島素和細(xì)胞色素C（1）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第38頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六b.同種蛋白質(zhì)中氨基酸順序的個(gè)體差異（分子?。┭t蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)變化引起鐮刀型貧血病正常細(xì)胞鐮刀形細(xì)胞

血液中大量出現(xiàn)鐮刀型紅細(xì)胞，患者因此缺氧窒息；

它是最早認(rèn)識(shí)的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時(shí)就夭折,活過(guò)童年的壽命也不長(zhǎng)，它是由于遺傳基因突變導(dǎo)致血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的突變。第39頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六正常型β鏈---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys--HbA谷氨酸

鐮刀型β鏈

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---

HbS

纈氨酸谷A（極性）

纈A（非極性）(了解)由于纈氨酸上的非極性基團(tuán)與相鄰非極性基團(tuán)間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀，整個(gè)蛋白質(zhì)由球狀變?yōu)殓牭缎?，與氧結(jié)合功能喪失，導(dǎo)致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲瘧疾。第40頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)構(gòu)象并不是固定不變的，有些蛋白質(zhì)表現(xiàn)其生物功能時(shí)，構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變了整個(gè)分子的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為別構(gòu)（變構(gòu)）現(xiàn)象。別構(gòu)蛋白各部位之間的影響是通過(guò)構(gòu)象變化傳遞的，這種構(gòu)象變化可以從一個(gè)亞基傳到另一個(gè)亞基，引起協(xié)同的相互作用。以血紅蛋白的載O2為例第41頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六血中氧分子的運(yùn)送：任何一個(gè)亞基接受氧分子后，會(huì)增進(jìn)其它亞基吸附氧分子的能力肌紅蛋白氧分子環(huán)境氧低時(shí)Hb

迅速釋放氧分子動(dòng)脈環(huán)境氧高時(shí)Hb

快速吸收氧分子(R)松弛態(tài)(T)緊張態(tài)靜脈釋放氧分子后Hb變回

T

態(tài)肌肉肺血紅蛋白第42頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六六、蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)蛋白質(zhì)由氨基酸組成，和氨基酸一樣，是兩性電解質(zhì)?？山怆x的基團(tuán)有：①肽鏈末端的α-氨基和α-羧基；②側(cè)鏈基團(tuán)1.蛋白質(zhì)的兩性電離和等電點(diǎn)第43頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蛋白質(zhì)在某一pH時(shí)所帶的凈電荷為零，在電場(chǎng)中既不向陽(yáng)極，也不向陰極移動(dòng)，這一pH稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（pI)。蛋白質(zhì)帶電的多少，帶電的符號(hào)與溶液的pH值有關(guān)。第44頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六等電點(diǎn)與等離子點(diǎn)中性鹽的存在常導(dǎo)致蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)發(fā)生明顯的改變實(shí)際測(cè)得的等電點(diǎn)與介質(zhì)的離子組成有關(guān)在不含任何鹽的純水中測(cè)得的等電點(diǎn)稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等離子點(diǎn)，是蛋白質(zhì)的特征常數(shù)第45頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六pI時(shí)，蛋白質(zhì)的溶解度、粘度、滲透壓、導(dǎo)電能力及膨脹性最小。pI的應(yīng)用：①溶解度最小——分離提純蛋白質(zhì)（沉淀法）

②帶電性質(zhì)——分離鑒定蛋白質(zhì)（電泳法）第46頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)是高分子化合物，在水溶液中形成的顆粒具有膠體溶液的特征如布朗運(yùn)動(dòng)、丁達(dá)爾現(xiàn)象、電泳現(xiàn)象,不能透過(guò)半透膜,并具有吸附能力。由于蛋白質(zhì)不能透過(guò)半透膜，因此可用羊皮紙、玻璃紙等將非蛋白的小分子雜質(zhì)除去（透析法）。第47頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

①蛋白質(zhì)顆粒表面帶有很多極性基團(tuán)，形成水膜（水化層）；②同種蛋白質(zhì)帶有同種電荷，相互排斥。蛋白質(zhì)膠體溶液比較穩(wěn)定的原因是：第48頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.蛋白質(zhì)的沉淀作用

蛋白質(zhì)在水中形成了穩(wěn)定的膠體，如果加入適當(dāng)?shù)脑噭茐牧说鞍踪|(zhì)的水膜（水化層）或中和了蛋白質(zhì)的電荷，則蛋白質(zhì)膠體溶液就不穩(wěn)定而出現(xiàn)沉淀。第49頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蛋白質(zhì)的沉淀作用分類(lèi)：可逆沉淀：在沉淀過(guò)程中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都沒(méi)有發(fā)生變化，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以重新溶解形成溶液。不可逆沉淀：在沉淀過(guò)程中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都發(fā)生了變化，沉淀不可能再重新溶解于水第50頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六①加入中性鹽若在蛋白質(zhì)溶液中加入少量的中性鹽，則蛋白質(zhì)的溶解度會(huì)增加，這種現(xiàn)象叫鹽溶。

分子在其pI時(shí)，容易互相吸引，聚合沉淀；加入鹽離子會(huì)破壞這些吸引力，使分子散開(kāi)，溶入水中。3.蛋白質(zhì)的沉淀作用第51頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若在蛋白質(zhì)溶液中加入大量的中性鹽，使蛋白質(zhì)沉淀析出的現(xiàn)象叫鹽析。（用于分離純化蛋白質(zhì)）蛋白質(zhì)分子表面的疏水區(qū)域，聚集了許多水分子，當(dāng)鹽濃度高時(shí)，這些水分子被鹽抽出，暴露出的疏水區(qū)域相互結(jié)合，形成沉淀。第52頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六②加入有機(jī)溶劑向蛋白質(zhì)溶液中加入有機(jī)溶劑（如甲醇、乙醇、丙酮）會(huì)使蛋白質(zhì)沉淀，原因是：

——這些有機(jī)溶劑與水的親和力大于蛋白質(zhì)，破壞了蛋白質(zhì)周?chē)乃ぃ?/p>

——有機(jī)溶劑的介電常數(shù)比水小，導(dǎo)致溶液的極性減小，增加了蛋白質(zhì)之間的靜電吸引力，從而聚集沉淀。第53頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六③加入重金屬如HgCl2

、AgNO3

、Pb(Ac)2、FeCl3等與蛋白質(zhì)中帶負(fù)電荷的基團(tuán)形成難溶鹽④加入生物堿和某些酸類(lèi)如：秋水仙堿，茶堿如：鞣酸、單寧酸、苦味酸、三氯醋酸與蛋白質(zhì)中帶正電荷的基團(tuán)形成難溶鹽第54頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六哪些沉淀為可逆沉淀？哪些沉淀為不可逆沉淀（變性沉淀）第55頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.蛋白質(zhì)的變性和復(fù)性天然蛋白質(zhì)受到理化因素的影響，分子內(nèi)部嚴(yán)格的空間結(jié)構(gòu)受到破壞，從而引起蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，但并不導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蛋白質(zhì)變性作用。

第56頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蛋白質(zhì)變性的因素有：①物理因素——加熱（70－100℃）、劇烈振蕩或攪拌、紫外線、X射線、超聲波②化學(xué)因素——強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、尿素、胍、去污劑、甲醛、重金屬鹽、三氯醋酸、磷鎢酸、苦味酸、濃乙醇第57頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蛋白質(zhì)變性的本質(zhì)是：①維持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵被破壞；②蛋白質(zhì)分子從有序卷曲結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o(wú)序松散結(jié)構(gòu)；③一級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，分子量和分子組成不變。第58頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六變性蛋白的特征：①生物活性喪失（最主要）；②理化性質(zhì)改變——溶解度下降，易沉淀、結(jié)晶能力喪失、粘度增加、擴(kuò)散速度下降等;③生化性質(zhì)改變——肽鏈松散、反應(yīng)基團(tuán)增加、易被蛋白酶水解。第59頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六變性條件若不過(guò)于激烈，一旦條件去除，則變性蛋白恢復(fù)原來(lái)的構(gòu)象，這種現(xiàn)象叫作變性蛋白的復(fù)性作用(renaturation)。隨變性時(shí)間的增加、變性條件的加劇及變性程度的加深，復(fù)性的可能性逐漸降低核糖核酸酶A第60頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期六①沉淀的蛋白質(zhì)不一定變性，如鹽析作用②變性的蛋白質(zhì)也不一定沉淀，