蛋白質結構和功能

第一節(jié)蛋白質在生命活動中的重要功能

一、蛋白質--生命的主要物質基礎

1.普遍存在:病毒,細菌、動植物

2.含量最多:人體干重45%

3.種類最多:大腸桿菌(5千)

細胞(千-萬)、人(10萬)

4.承擔幾乎所有及復雜的功能1當前第1頁\共有108頁\編于星期六\11點二、蛋白質的生理功能

1.催化:酶

(碳酸酐酶，DNA聚合酶)2.調節(jié):激素(胰島素)3.保護和支持:膠原蛋白,角蛋白,彈性蛋白

4.運輸:Hb,載脂蛋白,運鐵蛋白

5.儲存和營養(yǎng):肌紅蛋白,鐵蛋白,

酪蛋白,白蛋白

6.收縮和運動:肌動球蛋白2當前第2頁\共有108頁\編于星期六\11點7.防御:免疫球蛋白

8.識別:受體(糖蛋白,質膜,胞內)9.信息傳遞:G蛋白(跨膜信號傳遞)10.基因調控:組蛋白,非組蛋白

11.凝血:(抗)凝血因子

12.其它:緩沖,滲透壓,促分裂/分化,

調節(jié)細胞周期,臨床診斷3當前第3頁\共有108頁\編于星期六\11點一、蛋白質的元素組成1.主要元素：C、H、O、N、S

稀有元素：P、Fe、Zn、Mn、Cu、I等第二節(jié)蛋白質的分子組成4當前第4頁\共有108頁\編于星期六\11點2.特點：N含量恒定；平均16%

1克N=6.25克蛋白質

應用：凱氏定氮法測蛋白質含量二、蛋白質的分子組成氨基酸--蛋白質的構件分子:

(buildingblockmolecule)

L-α氨基酸(aminoacid,aa)5當前第5頁\共有108頁\編于星期六\11點CHCOOHNH2

R(α-羧基)(α-氨基）（側鏈）L-α氨基酸CHOHOCHCH2OHL-甘油醛6當前第6頁\共有108頁\編于星期六\11點組成蛋白質的氨基酸--20種(自然界300多)

受遺傳密碼控制，無種族,個體差異

結構特點：

*除Gly(甘)外，均為L-α氨基酸*Pro(脯)為亞氨基酸(p8,表2-3)*R基團差別--aa分類的基礎7當前第7頁\共有108頁\編于星期六\11點(一)氨基酸的分類：

1.根據(jù)R基團分類：

脂肪族(15種)支鏈--ArgThrValLeuILe

直鏈--AspAsnGluGlnLys

芳香族(2種)：TyrPhe

雜環(huán)族(3種)：HisProTrp

SerCysGlyAlaMet8當前第8頁\共有108頁\編于星期六\11點咪唑基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR苯環(huán)9當前第9頁\共有108頁\編于星期六\11點*結構特點(20種aa的R基團)：1.苯環(huán):Phe2.酚羥基:Tyr3.吲哚環(huán):Trp4.羥基:SerThr5.硫:CysMet6.胍基:Arg7.咪唑基:His

R基團大小,形狀,極性空間結構和功能影響10當前第10頁\共有108頁\編于星期六\11點咪唑基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR苯環(huán)胍基11當前第11頁\共有108頁\編于星期六\11點2.根據(jù)酸堿性分類:

中性氨基酸:1個–COOH、1個-NH2(中性極性、中性非極性)

酸性氨基酸:2個–COOH、1個-NH2Asp,Glu

堿性氨基酸:1個–COOH、2個堿性基團

(氨基、胍基、咪唑基)

Lys,Arg,

His

12當前第12頁\共有108頁\編于星期六\11點咪唑基胍基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR13當前第13頁\共有108頁\編于星期六\11點

3.醫(yī)學營養(yǎng)學分類:

營養(yǎng)非必需氨基酸(12種)

(Lys,Trp,Phe,Met,Leu,Ile,Val,Thr)

營養(yǎng)必需氨基酸

(8種)*氨基酸營養(yǎng)學分類的臨床應用14當前第14頁\共有108頁\編于星期六\11點

4.特殊氨基酸(非編碼aa,AUG--Met)

-羧基谷氨酸--Glu羧化

(凝血因子)

胱氨酸--2分子Cys氧化

羥脯氨酸--Pro羥化

羥賴氨酸--Lys羥化(膠原分子結構穩(wěn)定)膠原蛋白15當前第15頁\共有108頁\編于星期六\11點16當前第16頁\共有108頁\編于星期六\11點(二)氨基酸理化性質

1.兩性電離和等電點(pI)*兩性電離:

羧基和氨基均能在水溶液中電離(+/-)R–CH–COOH(COO-)

NH2(NH3+)17當前第17頁\共有108頁\編于星期六\11點

R-CH-COO-R-CH-COO-R-CH-COOHpH=pIpH<pIpH>pIH+H+0H-0H-NH2NH3+NH3+*等電點(isoelectricpoint,pI):

分子呈電中性狀態(tài)時溶液的pH值18當前第18頁\共有108頁\編于星期六\11點*兩性電離性質和氨基酸分離(離子交換)：

pH<pI氨基酸(+)

pH>pI氨基酸(-)

19當前第19頁\共有108頁\編于星期六\11點2.紫外吸收

芳香族aa(Tyr、Phe、Trp)--共軛雙鍵

吸收峰：波長260-280nm應用：蛋白質定性、定量20當前第20頁\共有108頁\編于星期六\11點121當前第21頁\共有108頁\編于星期六\11點H2N-CH-COOH+HN-CH-COOHR1HR2H2N-CH-C-N-CH-COOH+H2OR1HOR2αα肽鍵3.脫水成肽反應(加熱,酶,肽鍵)22當前第22頁\共有108頁\編于星期六\11點第三節(jié)蛋白質的分子結構

一、肽鍵與肽

1.肽鍵(peptidebond)

連接兩個氨基酸的酰胺鍵蛋白質分子中主要共價鍵,性質穩(wěn)定23當前第23頁\共有108頁\編于星期六\11點CHCOOH

NH2

R1COOHCHH2NR2NH2CHR1OCNHCHCOOHR2肽鍵24當前第24頁\共有108頁\編于星期六\11點2.肽鍵特點：單鍵形式，部分雙鍵性質難以旋轉,有剛性肽鍵平面25當前第25頁\共有108頁\編于星期六\11點

由肽鍵兩端的6個原子組成（C=O、N-H

相鄰氨基酸的R基團呈反式構型

圖2-2形成肽鍵復雜的空間結構及兩個Cα),空間位置在一個平面上

3.肽鍵平面

26當前第26頁\共有108頁\編于星期六\11點*Cα-N，Cα-C之間鍵能自由旋轉*肽鍵—

難以旋轉227當前第27頁\共有108頁\編于星期六\11點

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO28當前第28頁\共有108頁\編于星期六\11點

(1)*氨基酸通過肽鍵相連的化合物*蛋白質水解不完全的產(chǎn)物(2)氨基酸殘基(aminoacidresidues)(3)開鏈肽:N末端(左,H),自N端編號

C末端(右,OH)

環(huán)肽：(4)多肽(>10肽)、寡肽(<10肽)、

4.肽29當前第29頁\共有108頁\編于星期六\11點CHCOOH

NH2

R1COOHCHH2NR2NH2CHR1OCNHCHCOOHR2肽鍵肽N-(H)羧基端C-(OH)氨基端30當前第30頁\共有108頁\編于星期六\11點

5.重要生理功能/結構特殊的肽

(1)GSH(RBC中,保護膜結構,還原酶蛋白)

(p11)

(2)TRH(促甲狀腺素釋放激素)(p11)

6.多肽與蛋白質區(qū)別

(1)氨基酸殘基數(shù)(多肽<50,蛋白質>100)

(2)空間結構(蛋白質嚴密,穩(wěn)定)

31當前第31頁\共有108頁\編于星期六\11點GluCysGlyαγγ32當前第32頁\共有108頁\編于星期六\11點TRHαNCGluHisPro焦谷氨酸33當前第33頁\共有108頁\編于星期六\11點甲狀腺激素分泌的調節(jié)

下丘腦

腺垂體甲狀腺

靶細胞++TRHTSH甲狀腺激素34當前第34頁\共有108頁\編于星期六\11點

二、蛋白質分子結構及其規(guī)律性大分子(原子氨基酸多肽鏈)●四個結構層次(一四級結構)*空間結構（二、三、四級結構）*超二級結構和結構域(二和三級之間)(表2-5)35當前第35頁\共有108頁\編于星期六\11點(一)蛋白質的一級結構(primarystructure)

1.定義：多肽鏈中氨基酸序列

●

維系鍵--肽鍵、(二硫鍵)

一級結構--蛋白質基本結構

(不同一級結構不同蛋白質)36當前第36頁\共有108頁\編于星期六\11點一級結構測定方法:氨基酸序列分析儀(p12,圖2-3)37當前第37頁\共有108頁\編于星期六\11點*新發(fā)現(xiàn)蛋白質鑒定:全部/部分一級結構例：牛胰島素,牛核糖核酸酶,載脂蛋白B100*病理性蛋白質鑒定:HbAHbS一級結構--鑒別不同蛋白質最基本,最重要的標志38當前第38頁\共有108頁\編于星期六\11點●一級結構

--空間結構和生理功能的基礎

影響圖2-4，2-5(p14)(124aa)2.一級結構舉例:牛胰島素,牛核糖核酸酶*R大小、性質空間結構*一級結構空間結構生理功能39當前第39頁\共有108頁\編于星期六\11點咪唑基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR苯環(huán)胍基40當前第40頁\共有108頁\編于星期六\11點

(二)蛋白質的二級結構(secondstructure)

1.定義：多肽鏈中相鄰aa殘基形成的局部空間結構，

其主鏈原子(C=O,N-H,Cα)的局部空間排布

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO41當前第41頁\共有108頁\編于星期六\11點

α螺旋、β折疊、β轉角、π-螺旋、隨意卷曲

2.形式：*氫鍵維系(周期性出現(xiàn)的、有規(guī)則的、二級結構單元)42當前第42頁\共有108頁\編于星期六\11點3.α螺旋(α-helix)基本特點:圖2--7a.肽鏈骨架--肽鍵上C、N及aa殘基上Cα，順時針(NC),右手螺旋

b.3.6aa/螺旋,螺距0.54nm

c.氫鍵的形成--上下兩個相鄰α螺旋之間

(aa1)C=O---H-N(aa5)(圖2-7)43當前第43頁\共有108頁\編于星期六\11點

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO44當前第44頁\共有108頁\編于星期六\11點NC45當前第45頁\共有108頁\編于星期六\11點氫鍵NC氫鍵46當前第46頁\共有108頁\編于星期六\11點d.氫鍵--與螺旋縱軸平行(3個/相鄰螺旋)(α螺旋的主要穩(wěn)定因素)

e.側鏈基團(R)位置--螺旋外

(不參與螺旋組成,但影響螺旋形成與穩(wěn)定)

f.α螺旋--穩(wěn)定的蛋白質空間構象

(也是最穩(wěn)定的二級結構)

g.在不同蛋白質中所占比例不同(角蛋白,小分子)(ppt12)47當前第47頁\共有108頁\編于星期六\11點4.β-折疊或β-片層(pleatedsheetstructure)

比較伸展的肽鏈空間結構

基本特征:

a.肽鍵平面之間成鋸齒狀(110度)b.氫鍵維系

圖2-9b圖2-9a48當前第48頁\共有108頁\編于星期六\11點

大多數(shù)球蛋白:含α螺旋和β-折疊949當前第49頁\共有108頁\編于星期六\11點

a.“U”型結構(肽鏈1800回折)

b.氫鍵:(aa1)C=O---H-N(aa4)

(結構較α螺旋緊密)

c.位于球蛋白分子表面

5.β-轉角(β-turn)(是蛋白質活性的主要結構部位)50當前第50頁\共有108頁\編于星期六\11點51當前第51頁\共有108頁\編于星期六\11點6.π-螺旋(π-helix)a.左手螺旋，4.4個aa殘基/螺旋b.氫鍵維系c.多見于膠原蛋白

三股左手螺旋右手超螺旋膠原纖維盤繞縮合52當前第52頁\共有108頁\編于星期六\11點1153當前第53頁\共有108頁\編于星期六\11點7.隨意卷曲(randomcoil)(1)各不相同,無共同規(guī)律的空間結構,

是蛋白質中一系列無序構象的總稱

(屬蛋白質分子的特征性二級結構)(2)普遍存在于天然蛋白質中54當前第54頁\共有108頁\編于星期六\11點氫鍵NC55當前第55頁\共有108頁\編于星期六\11點

關于一級和二級結構的關系：

一級結構二級結構/其它空間結構不同的R基團對α螺旋，折疊形成時的影響:決定R：相同(-/+)相斥α螺旋穩(wěn)定性R:大側鏈(空間位阻大)隨意卷曲R:膠原蛋白(空間位阻小)三股超螺旋(甘,脯,羥脯)56當前第56頁\共有108頁\編于星期六\11點(三)蛋白質的超二級結構和結構域

(supersecondarystructureanddomain

)

1.超二級結構:

多肽鏈上二級結構單元有規(guī)律地聚集圖2-12形成αα，βββ，βαβ等結構57當前第57頁\共有108頁\編于星期六\11點1258當前第58頁\共有108頁\編于星期六\11點

2.結構域:在蛋白質空間結構中:

超二級結構進一步

形成一明顯區(qū)域集結*是蛋白質分子中一個功能單位(功能域)圖2-13*40-400氨基酸組成*由DNA鏈上基因的不同外顯子編碼59當前第59頁\共有108頁\編于星期六\11點輔酶/底物1360當前第60頁\共有108頁\編于星期六\11點外顯子內含子5’3’3’61當前第61頁\共有108頁\編于星期六\11點例:膜受體--膜外(N),膜內,胞內結構域(C)

結構域重要性:

*蛋白質的功能單位，二級與三級結構之間的重要中間層次

*結構相對較小，容易研究

(親水a(chǎn)a)(疏水a(chǎn)a)(親水a(chǎn)a)(圖)62當前第62頁\共有108頁\編于星期六\11點63當前第63頁\共有108頁\編于星期六\11點(四)蛋白質的三級結構(tertiarystructure)

中所有氨基酸殘基形成的全部空間結構

二級，超二級盤曲,折疊不同形狀蛋白分子圖2-14a整條多肽鏈(包括相距甚遠的主鏈及其側鏈)(一級甚遠,空間很近)1.定義：64當前第64頁\共有108頁\編于星期六\11點65當前第65頁\共有108頁\編于星期六\11點2.特點：

*三級結構可以是球、橢圓、棒、纖維狀等

*可形成親水表面和疏水內核

*表面也可形成“溝”“穴”(結合輔助因子)

肌紅蛋白-血紅素(Fe2+)

酶-底物

抗原-抗體

(空間結構鑲嵌,互補)(圖)(圖)66當前第66頁\共有108頁\編于星期六\11點輔酶/底物1367當前第67頁\共有108頁\編于星期六\11點3.肌紅蛋白(球狀,一條鏈,153aa,8段)

4.重要性一級結構三級結構生物活性

三級結構：蛋白質分子最顯著特征之一(穩(wěn)定的空間結構)圖2-1468當前第68頁\共有108頁\編于星期六\11點*α螺旋:A-H,轉角/隨意卷曲:AB,CD(8段)69當前第69頁\共有108頁\編于星期六\11點(五)蛋白質的四級結構(quaternarystucture)1.定義：

2.亞基(subunit):

四級結構中，每個各具獨立的三級結構

定方式排列形成最高層次的分子空間構象幾個各具獨立的三級結構相互集結，以特

70當前第70頁\共有108頁\編于星期六\11點

特點：*

亞基單獨存在無活性

*分子量大/具調節(jié)功能蛋白質四級結構

(蛋白質并非都具四級結構)三級結構生物活性

*亞基間以次級鍵相連(鹽鍵為主)71當前第71頁\共有108頁\編于星期六\11點*

大多形成親水表面，疏水內核*

亞基偶數(shù),、、摧化,調節(jié)(酶,PKA,p324)

*免疫球蛋白(二硫鍵,四條鏈)胰島素(二硫鍵，二條鏈)不屬四級結構圖2-18(圖)(圖)72當前第72頁\共有108頁\編于星期六\11點例:Hb

圖2-18α×2，141個aa×2，146個aa

亞基(血紅素-Fe2+)

八個鹽鍵,眾多氫鍵

873當前第73頁\共有108頁\編于星期六\11點

催化底物蛋白磷酸化(PKA)1774當前第74頁\共有108頁\編于星期六\11點75當前第75頁\共有108頁\編于星期六\11點

空間結構測定方法:

X射線蛋白質晶體衍射

衍射圖(X光片)（3D）X-線衍射,圓二色性76當前第76頁\共有108頁\編于星期六\11點(六)維系蛋白質空間構象的次級鍵一級結構---共價鍵(肽鍵、二硫鍵)

空間結構---次級鍵、二硫鍵

次級鍵---鍵能較低，穩(wěn)定性差的化學鍵，包括：氫鍵(二級)、疏水鍵(三級)、鹽鍵(四級)Vanderwaals引力圖2-1977當前第77頁\共有108頁\編于星期六\11點1978當前第78頁\共有108頁\編于星期六\11點(七)二硫鍵(disulfidebond)*共價鍵,部分蛋白質中*(一/二條多肽鏈上)兩分子Cys氧化脫氫生成

*作用:

加固由次級鍵維系的空間結構，進一步穩(wěn)定蛋白質構象和生理功能

胰島素-3對核糖核酸酶-4對(圖2-4,5,p14)

二硫鍵斷裂空間結構破壞

(圖)79當前第79頁\共有108頁\編于星期六\11點80當前第80頁\共有108頁\編于星期六\11點氨基酸序列(一級結構)蛋白質空間結構蛋白質功能密切相關基礎(一)一級結構是空間結構的基礎：一、蛋白質一級結構與功能的關系第四節(jié)蛋白質結構與功能的關系圖2-2381當前第81頁\共有108頁\編于星期六\11點2382當前第82頁\共有108頁\編于星期六\11點

核糖核酸酶8M尿素巰基乙醇空間結構破壞生物活性喪失空間結構恢復

生物活性恢復(一級結構仍存在)一級結構是空間結構的基礎圖2-23空間結構是生物活性的關鍵83當前第83頁\共有108頁\編于星期六\11點(二)蛋白質一級結構與功能的關系

結構相(不)同，功能相(不)同

結構相似，功能相似*人、豬、牛、羊胰島素

相似--2條鏈,aa數(shù)目,二硫鍵位置

差別--個別氨基酸84當前第84頁\共有108頁\編于星期六\11點非關鍵部位aa殘基差異，不影響生物活性*不同個體同一蛋白的氨基酸亦有差異#

甘氨酸丙氨酸#

脂肪族芳香族85當前第85頁\共有108頁\編于星期六\11點

正常人Hb(HbA)：β鏈,N端,Glu(aa6)

鐮狀Hb（HbS）:β鏈,N端,Val(aa6)

HbS攜氧能力,缺氧鐮刀狀，脆性，溶血關鍵部位aa殘基改變功能改變(分子病)*關鍵部位氨基酸改變：86當前第86頁\共有108頁\編于星期六\11點

結構與功能的統(tǒng)一蛋白質最重要的特征結構是功能的基礎功能是結構的表現(xiàn)87當前第87頁\共有108頁\編于星期六\11點一級結構與功能關系的復雜性

不同生物體：生理功能相同的蛋白質

一級結構可以相似，也可相差很大例：細菌和小鼠DNA聚合酶88當前第88頁\共有108頁\編于星期六\11點3’5’5’3’

外切酶聚合酶NC5’3’外切酶

真核細胞DNA聚合酶

五種:DNA聚合酶αDNA聚合酶δ和PCNADNA聚合酶γDNA聚合酶β、ε合成隨從鏈合成前導鏈合成線粒體DNADNA修復大腸桿菌DNA聚合酶89當前第89頁\共有108頁\編于星期六\11點(三)空間結構和功能的關系1、特定構象特定性質特定功能螺旋

--穩(wěn)定,堅韌,彈性--角蛋白(指甲,毛發(fā))三股超螺旋

--穩(wěn)定,抗張力--膠原蛋白(肌腱,韌帶)-片層

--可伸展--絲心蛋白(蠶絲)

親水側—

組成離子通道疏水側—

固定于質膜上α螺旋

—(π螺旋)

(膜通道蛋白)圖2-2090當前第90頁\共有108頁\編于星期六\11點2091當前第91頁\共有108頁\編于星期六\11點Mb和Hb:(空間結構和功能關系的典型例證)結構：Mb–

三級結構，單鏈

Hb–

四級結構，4亞基(α2,2)

*Mb與Hb亞基相似均能可逆與O2結合*Mb(三級),

Hb(四級)

結合特性上差異結構相似功能相同，結構差異功能不同Mb-直角雙曲線,Hb-S狀曲線圖2-1692當前第92頁\共有108頁\編于星期六\11點1693當前第93頁\共有108頁\編于星期六\11點94當前第94頁\共有108頁\編于星期六\11點

2.構象改變功能改變(別構)

蛋白質構象、活性、功能改變*別構作用(allostericeffect)

結合生理小分子—

某一亞基(四級結構)改變亞基間接觸/排列(松/緊)95當前第95頁\共有108頁\編于星期六\11點

亞基間的鹽鍵斷裂構象輕微改變（緊密T型松弛R型）