生物化學1蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能課件

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。蛋白質(zhì)的生物學重要性1.蛋白質(zhì)是生物體的重要組成成分2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能

1）作為生物催化劑

2）代謝調(diào)節(jié)作用

3）免疫保護作用

4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲

5）運動與支持作用

6）參與細胞間信息傳遞3.氧化供能蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)蛋白質(zhì)的元素組成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質(zhì)含有少量P或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個別蛋白質(zhì)還含有I

。蛋白質(zhì)的含氮量平均為16％。通過樣品含氮量計算蛋白質(zhì)含量的公式：蛋白質(zhì)含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25蛋白質(zhì)元素組成的特點一、氨基酸

——蛋白質(zhì)的基本組成單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L--氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸（一）氨基酸的分類非極性疏水性氨基酸2.極性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.堿性氨基酸

習慣分類方法芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe含羥基氨基酸：Ser、Thr、Tyr含硫氨基酸：Cys、Met雜環(huán)族氨基酸：His雜環(huán)族亞氨基酸：Pro支鏈氨基酸：Val、Leu、Ile

幾種特殊氨基酸Gly：無手性碳原子。Pro：為環(huán)狀亞氨基酸。Cys：可形成二硫鍵。修飾氨基酸：

蛋白質(zhì)合成后通過修飾加工生成的氨基酸。沒有相應的編碼。如：胱氨酸、羥脯氨酸（Hyp）、羥賴氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白質(zhì)中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鳥氨酸、同型半胱氨酸，是代謝途徑中產(chǎn)生的。

（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點2.紫外吸收3.茚三酮反應H3N—CH—COOHR+（pH＜pI）H3N—CH—COO-R+（pH=pI）H2N—CH—COO-R（pH＞pI）氨基酸的解離氨基酸的等電點當溶液為某一pH值時，AA主要以兼性離子的形式存在，分子中所含的正負電荷數(shù)目相等，凈電荷為0。這一pH值即為AA的等電點（pI）。在pI時，AA在電場中既不向正極也不向負極移動，即處于兩性離子狀態(tài)。Ka1*Ka2=……側(cè)鏈不含離解基團的中性AApI=(pK’1+pK’2)/2甘氨酸滴定曲線對于側(cè)鏈含有可解離基團的AApI取決于兩性離子兩邊pK’值的算術平均值酸性AA：pI=(pK’1+pK’R-COO-

)/2堿性AA：pI=(pK’2+pK’R-NH2)/2氨基酸的光譜性質(zhì)可見光區(qū)：無吸收遠紫外和紅外區(qū)：都吸收近紫外區(qū)（200—400nm）：Tyr/Trp/Phe

原因：-C=C-C=C-C=C-C=C-紫外吸收光譜Trp280nmTyr275nmPhe257nm蛋白質(zhì)含量測定280nm弱酸加熱與茚三酮生成藍紫色化合物二、肽*肽鍵(peptidebond)：是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵肽鍵有部分雙鍵性質(zhì)肽鍵由于共振而具有部分雙鍵性質(zhì)，因此，肽鍵比一般C-N鍵短，且不能自由旋轉(zhuǎn)肽鍵原子及相鄰的a碳原子組成肽平面相鄰的a碳原子呈反式構(gòu)型肽鍵比一般C-N鍵短肽鍵為一平面相鄰的a碳原子呈反式構(gòu)型*肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*

肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。*由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端*多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。多肽鏈

多肽鏈N末端C末端牛核糖核酸酶（二）幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)結(jié)構(gòu):谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽谷氨酸的-羧基形成肽鍵－SH為活性基團為酸性肽是體內(nèi)重要的還原劑GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+主要功能:肽類激素：如促甲狀腺素釋放激素（TRH）神經(jīng)肽(neuropeptide)2.肽類激素及神經(jīng)肽蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括：

一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)高級結(jié)構(gòu)定義：蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要化學鍵：肽鍵

二硫鍵的位置屬于一級結(jié)構(gòu)研究范疇。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎。胰島素的一級結(jié)構(gòu)3021二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義：穩(wěn)定因素：

氫鍵

（一）肽單元(peptideunit)

參與組成肽鍵的6個原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。肽單元HHHH

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）-螺旋-螺旋結(jié)構(gòu)要點:

①多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋，側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。②每圈螺旋含3.6個氨基酸，螺距為0.54nm。③每個肽鍵的亞氨氫和第四個肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長軸基本平行。（三）-折疊①多肽鏈充分伸展，相鄰肽單元之間折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下方。②兩段以上的β-折疊結(jié)構(gòu)平行排列，兩鏈間可順向平行，也可反向平行。③兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵，以穩(wěn)固β-折疊結(jié)構(gòu)。氫鍵與螺旋長軸垂直。

（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲-轉(zhuǎn)角：無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。①肽鏈內(nèi)形成180o回折。②含4個氨基酸殘基，第一個氨基酸殘基與第四個形成氫鍵。③第二個氨基酸殘基常為Pro。-轉(zhuǎn)角：超二級結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)

超二級結(jié)構(gòu)：是指在多肽鏈內(nèi)順序上相互靠近的二級結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中彼此相互作用，形成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚合體。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級和三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次，故稱超二級結(jié)構(gòu)。通常類型有：1、2、3、（五）模體蛋白質(zhì)分子中，二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。螺旋－環(huán)－螺旋

鋅指（六）影響二級結(jié)構(gòu)形成的因素氨基酸側(cè)鏈所帶電荷、大小及形狀。影響α-螺旋形成的因素：β-折疊形成條件：要求氨基酸側(cè)鏈較小。三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。穩(wěn)定因素：整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。定義

肌紅蛋白(Mb)N端C端纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域(domain)大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域約含100-200個氨基酸殘基，各自有獨特的空間夠象，并承擔不同的生物學功能。輕鏈

抗體分子中結(jié)構(gòu)域示意圖重鏈四種類型結(jié)構(gòu)域示意圖反平行反平行平行/小的不規(guī)則結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域Triosephosphateisomerase分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)的一類蛋白質(zhì)。*可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復進行可使肽鏈正確折疊。*與錯誤聚集的肽段結(jié)合，誘導其正確折疊。*對蛋白質(zhì)分子中二硫鍵的正確形成起重要的作用。作用：亞基之間的結(jié)合力主要是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。每條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱為亞基(subunit)。血紅蛋白（Hb）的四級結(jié)構(gòu)從一級結(jié)構(gòu)到四級結(jié)構(gòu)血紅蛋白蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是它的氨基酸序列蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是由氫鍵導致的肽鏈卷曲與折疊Primary

structureSecondary

structure蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈自然形成的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是亞基的空間排列Polypeptide

(singlesubunit

oftransthyretin)Transthyretin,withfour

identicalpolypeptidesubunitsTertiary

structureQuaternary

structure五、蛋白質(zhì)的分類*根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分*根據(jù)蛋白質(zhì)形狀纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)雙向電泳六、蛋白質(zhì)組學二維電泳蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關系牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性（二）一級結(jié)構(gòu)與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。

狗人猴

馬騾

鯨兔豬袋鼠企鵝雞鴨響尾蛇龜蒼蠅蛾脈孢菌屬念珠菌屬面包酵母菌小麥牛蛙金槍魚動物爬行動物兩棲動物魚哺乳動物鳥昆蟲植物脊椎動物從細胞色素C的一級結(jié)構(gòu)看生物進化（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關系Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線*協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。促進作用稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)抑制作用稱為負協(xié)同效應(negativecooperativity)O2血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。變構(gòu)效應(allostericeffect)凡蛋白質(zhì)（或亞基）因與某小分子物質(zhì)相互作用而發(fā)生構(gòu)象變化，導致蛋白質(zhì)（或亞基）功能的變化，稱為蛋白質(zhì)的變構(gòu)效應。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象病的機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein（一）蛋白質(zhì)的兩性電離一、理化性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)

當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術分離蛋白質(zhì)。（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。*蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固*蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。

造成變性的因素：如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)：——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。

應用舉例臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變：溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復或部分恢復其原有的構(gòu)象和功能，稱為復性。復性(renaturation)

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性*蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。*蛋白質(zhì)的凝固作用(proteincoagulation)

蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。

（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。（五）蛋白質(zhì)的呈色反應⒈茚三酮反應(ninhydrinreaction)

蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。⒉雙縮脲反應(biuretreaction)蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。二、蛋白質(zhì)的分離和純化（一）透析及超濾法*透析(dialysis)：利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。*超濾法：應用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀*使用丙酮沉淀時，必須在0～4℃低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。*鹽析(saltprecipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質(zhì)沉淀。*免疫沉淀法：將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。（三）電泳蛋白質(zhì)在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質(zhì)在電場中泳動而達到分離各種蛋白質(zhì)的技術,