生物化學蛋白質結構與功能

生物化學課件蛋白質結構與功能第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月1.構型和構象構型(configuration)：立體異構體分子中取代原子或者基團的取向。這種排列的改變會牽涉到共價鍵的形成和破壞，但與氫鍵無關。例如氨基酸的D-和L-型。構象(conformation)：取代基團單鍵旋轉時形成的不同的立體結構，這種空間位置的改變會牽涉到氫鍵的形成和破壞，但共價鍵不被破壞。

第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月一級結構二級結構三級結構四級結構aa順序α-螺旋多肽鏈寡聚蛋白

（單體蛋白或亞基）

第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.蛋白質的一級結構蛋白質的一級結構(primarystructure)指蛋白質分子中氨基酸殘基的排列順序。蛋白質的化學結構包括組成蛋白質的多肽鏈數目，多肽鏈的氨基酸序列，以及多肽鏈內或鏈間二硫鍵的數目和位置。二硫鍵（disulfidebond）：由肽鏈中相應部位上兩個半胱氨酸殘基的側鏈脫氫形成。

第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月鏈間二硫鍵鏈內二硫鍵我國1965年在世界上第一個用化學方法人工合成這種牛胰島素。第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月牛胰核糖核酸酶的一級結構第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）蛋白質樣品的預處理；（2）測定每條多肽鏈的氨基酸組成；（3）測定多肽鏈的N-末端和C-末端；（4）應用兩種或兩種以上不同的水解方法將所要測定的蛋白質斷裂，各自得到一系列大小不同的肽段；（5）分離提純所產生的肽，并測定它們的序列；（6）從有重疊結構的各個肽的序列中推斷出蛋白質中全部氨基酸順序。蛋白質一級結構測定的步驟第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（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-端逐個的向里水解）、肼解法第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月肼解法多肽與肼在無水條件下加熱，C-端氨基酸即從肽鏈上解離出來，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而與C-端氨基酸分離。第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、多肽鏈折疊的空間限制

肽鍵帶有雙鍵的性質，主鏈上1/3的鍵不能自由旋轉。肽鍵中的四個原子和它相臨的兩個α—C原子都處于一個平面上（酰胺平面）。第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

多肽鏈＝通過可旋轉的α-碳原子連接的酰胺平面鏈

第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月二個肽平面旋轉時受到α—C原子上側鏈R基空間位阻的影響。

第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質的二級結構蛋白質的二級結構(SecondaryStructure)是指蛋白質多肽鏈本身的折疊和盤繞方式。它只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉角、無規(guī)卷曲等。第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）-螺旋(-helix)

——最常見多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個Aa殘基；兩個Aa之間的距離為0.15nm；Aa殘基側鏈伸向外側，相鄰的螺圈之間形成鏈內氫鍵；天然蛋白質的-螺旋通常都是右手-螺旋。第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第五個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月-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。第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月影響-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，則α－h(huán)elix中斷，產生一個“結節(jié)”；c.

R基團太大，造成空間阻礙作用。第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）β－折疊(β－pleatedsheet)兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈通過鏈間的氫鍵交聯而形成的；肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象，R基團處于折疊平面的兩側。第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月平行式反平行式第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月β－折疊中的氫鍵與α-螺旋中的氫鍵有何不同？第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）β－轉角（β－turn）或β－迴

轉結構（β－reverseturn）多肽鏈經常出現180°的回折，這個回折角就是β－轉角結構；它由四個Aa殘基組成;回折處的第一個Aa殘基的-C=O

和第四個Aa殘基的–N-H

之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結。第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）無規(guī)卷曲（nonregularcoil）

或自由回轉（randomcoil)沒有一定規(guī)律的松散的肽鏈結構，通常酶的活性中心常處在這一構象區(qū)域里。第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月β－轉角β－折疊－螺旋無規(guī)卷曲第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月4.超二級結構和結構域超二級結構(supersecondarystructure)：是指若干相鄰的二級結構中的構象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認的二級結構組合體。通常有βαβ，βββ，αα，ββ。第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月βαβααβ×β第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結構域（domain）

：是在超二級結構基礎上進一步卷曲折疊成緊密的近似球狀的結構，在空間上彼此分隔，各自具有部分生物功能的結構。

第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月βαβ由4個βαβ組成的α/β桶結構域α/β桶結構域：丙酮酸激酶小的蛋白質分子只有一個結構域

√結構域＝三級結構大的蛋白質分子有數個結構域第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月5.三級結構（TertiaryStructure）在二級結構基礎上，肽鏈不同區(qū)段的側鏈基團相互作用，進一步盤繞、折疊形成的的空間結構。維系這種特定結構的力主要有氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力和二硫鍵、配位鍵等。第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月肌紅蛋白第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月輔基血紅素結構圖第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月多肽鏈疏水鍵氫鍵二硫鍵離子鍵CH2OH

CH2OH范德華力維持三級結構的作用力第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.四級結構（QuaternaryStructure）由兩條或兩條以上具有三級結構的肽鏈聚合而成的特定構象的蛋白質分子叫蛋白質的四級結構；其中具有獨立三級結構的一條肽鏈叫亞基（subunit)，無生物功能；由幾個亞基聚集而成的蛋白質常常稱為寡聚蛋白。第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

4個亞基締合而成

2種亞基（α、β）

亞基呈球形

亞基間靠次級鍵連接亞基兩兩相同，分別為α1、α2、β1、β2每個亞基都含有一個血紅素輔基血紅蛋白第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月氨基酸序列大不相同，但結構（三級）相似，功能也相似（載氧）結構決定功能第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月維持蛋白質結構的作用力

一級結構：肽鍵、二硫鍵（都屬于共價鍵）二級結構：氫鍵（主鏈上—C=O—和N—H之間形成）三、四級結構：次級鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力、配位鍵）

第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月7.蛋白質結構與功能的關系a.同源蛋白質中氨基酸順序的種屬差異同源蛋白質（homologousprotein）：指不同的有機體中實現同一功能的蛋白質。例如：胰島素和細胞色素C（1）蛋白質的一級結構與功能的關系第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月b.同種蛋白質中氨基酸順序的個體差異（分子病）血紅蛋白的一級結構變化引起鐮刀型貧血病正常細胞鐮刀形細胞

血液中大量出現鐮刀型紅細胞，患者因此缺氧窒息；

它是最早認識的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時就夭折,活過童年的壽命也不長，它是由于遺傳基因突變導致血紅蛋白分子結構的突變。第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月正常型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與相鄰非極性基團間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀，整個蛋白質由球狀變?yōu)殓牭缎?，與氧結合功能喪失，導致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲瘧疾。第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）蛋白質構象與功能的關系蛋白質構象并不是固定不變的，有些蛋白質表現其生物功能時，構象發(fā)生改變，從而改變了整個分子的性質，這種現象稱為別構（變構）現象。別構蛋白各部位之間的影響是通過構象變化傳遞的，這種構象變化可以從一個亞基傳到另一個亞基，引起協(xié)同的相互作用。以血紅蛋白的載O2為例第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月血中氧分子的運送：任何一個亞基接受氧分子后，會增進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Hb

迅速釋放氧分子動脈環(huán)境氧高時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，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月六、蛋白質的重要性質蛋白質由氨基酸組成，和氨基酸一樣，是兩性電解質?？山怆x的基團有：①肽鏈末端的α-氨基和α-羧基；②側鏈基團1.蛋白質的兩性電離和等電點第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質在某一pH時所帶的凈電荷為零，在電場中既不向陽極，也不向陰極移動，這一pH稱為蛋白質的等電點（pI)。蛋白質帶電的多少，帶電的符號與溶液的pH值有關。第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月等電點與等離子點中性鹽的存在常導致蛋白質的等電點發(fā)生明顯的改變實際測得的等電點與介質的離子組成有關在不含任何鹽的純水中測得的等電點稱為蛋白質的等離子點，是蛋白質的特征常數第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月pI時，蛋白質的溶解度、粘度、滲透壓、導電能力及膨脹性最小。pI的應用：①溶解度最小——分離提純蛋白質（沉淀法）

②帶電性質——分離鑒定蛋白質（電泳法）第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.蛋白質的膠體性質蛋白質是高分子化合物，在水溶液中形成的顆粒具有膠體溶液的特征如布朗運動、丁達爾現象、電泳現象,不能透過半透膜,并具有吸附能力。由于蛋白質不能透過半透膜，因此可用羊皮紙、玻璃紙等將非蛋白的小分子雜質除去（透析法）。第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

①蛋白質顆粒表面帶有很多極性基團，形成水膜（水化層）；②同種蛋白質帶有同種電荷，相互排斥。蛋白質膠體溶液比較穩(wěn)定的原因是：第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.蛋白質的沉淀作用

蛋白質在水中形成了穩(wěn)定的膠體，如果加入適當的試劑，破壞了蛋白質的水膜（水化層）或中和了蛋白質的電荷，則蛋白質膠體溶液就不穩(wěn)定而出現沉淀。第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質的沉淀作用分類：可逆沉淀：在沉淀過程中，蛋白質的結構和性質都沒有發(fā)生變化，在適當的條件下，可以重新溶解形成溶液。不可逆沉淀：在沉淀過程中，蛋白質的結構和性質都發(fā)生了變化，沉淀不可能再重新溶解于水第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月①加入中性鹽若在蛋白質溶液中加入少量的中性鹽，則蛋白質的溶解度會增加，這種現象叫鹽溶。

分子在其pI時，容易互相吸引，聚合沉淀；加入鹽離子會破壞這些吸引力，使分子散開，溶入水中。3.蛋白質的沉淀作用第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月若在蛋白質溶液中加入大量的中性鹽，使蛋白質沉淀析出的現象叫鹽析。（用于分離純化蛋白質）蛋白質分子表面的疏水區(qū)域，聚集了許多水分子，當鹽濃度高時，這些水分子被鹽抽出，暴露出的疏水區(qū)域相互結合，形成沉淀。第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月②加入有機溶劑向蛋白質溶液中加入有機溶劑（如甲醇、乙醇、丙酮）會使蛋白質沉淀，原因是：

——這些有機溶劑與水的親和力大于蛋白質，破壞了蛋白質周圍的水膜；

——有機溶劑的介電常數比水小，導致溶液的極性減小，增加了蛋白質之間的靜電吸引力，從而聚集沉淀。第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月③加入重金屬如HgCl2

、AgNO3

、Pb(Ac)2、FeCl3等與蛋白質中帶負電荷的基團形成難溶鹽④加入生物堿和某些酸類如：秋水仙堿，茶堿如：鞣酸、單寧酸、苦味酸、三氯醋酸與蛋白質中帶正電荷的基團形成難溶鹽第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月4.蛋白質的變性和復性天然蛋白質受到理化因素的影響，分子內部嚴格的空間結構受到破壞，從而引起蛋白質的理化性質和生物學性質發(fā)生改變，但并不導致蛋白質一級結構的破壞，這種現象稱為蛋白質變性作用。

第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質變性的因素有：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化學因素——強酸、強堿、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，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質變性的本質是：①維持蛋白質高級結構的次級鍵被破壞；②蛋白質分子從有序卷曲結構變?yōu)闊o序松散結構；③一級結構沒有變化，分子量和分子組成不變。第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月變性蛋白的特征：①生物活性喪失（最主要）；②理化性質改變——溶解度下降，易沉淀、結晶能力喪失、粘度增加、擴散速度下降等;③生化性質改變——肽鏈松散、反應基團增加、易被蛋白酶水解。第59頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月變性條件若不過于激烈，一旦條件去除，則變性蛋白恢復原來的構象，這種現象叫作變性蛋白的復性作用(renaturation)。隨變性時間的增加、變性條件的加劇及變性程度的加深，復性的可能性逐漸降低核糖核酸酶A第60頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月①沉淀的蛋白質不一定變性，如鹽析作用②變性的蛋白質也不一定沉淀，如牛奶加