课件：第二章---蛋白质的结构与功能.ppt

第二章 蛋白质的结构与功能 Chapter 2 Structure and Function of Protein,第一节 蛋白质的一般概念,生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新。 恩格斯反杜林论1878,一、蛋白质的定义 蛋白质（protein，简写pro):是由20种L- 氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具较稳定构象并具一定生物功能的生物大分子。 Protein一词来自希腊文“Proteios”，意即“第一位的”、“最重要的”。 18世纪中叶Beccari首次报道应用稀酸、稀碱核盐类可从动、植物组织中分离到含氮类物质。 1838年荷兰化学家Mulder将之应用于从动植物细胞中所发现的复杂的有机含氮化合物。 蛋白质是一类含氮的生物高分子，分子量大，结构复杂。例如，血红蛋白的分子式是C3032H4816O812N780S8Fe4 。,蛋白质结构复杂种类繁多功能各异，是生物体内构建生命，行使生命活动的最主要的功能分子，在几乎所有的生命活动中起着关键的作用。如果说基因是生命的指导者和构建生命的蓝图，那么蛋白质就是组成生命的主要材料，是生命的实践者和执行者。蛋白质将生物体的遗传信息表达成生物的性状，指导生命活动，控制生物的生长和发育。,二、蛋白质的生物学重要性,二、蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,三、蛋白质的生物学功能,蛋白质是生命的表征，哪里有生命活动哪里就有蛋白质 1、催化作用 酶有两类：一类是蛋白质（蛋白酶），另一类为核酸（核酶）,2、激素的调节作用：蛋白质或多肽类激素 3、运输作用：血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体,4、运动作用 动物的肌肉收缩（肌球蛋白、肌动蛋白）、细菌的鞭毛运动,5、防御作用 抗体、补体、干扰素、凝血酶和血纤维蛋白原等,6、接受和传递信息的受体作用：受体蛋白、味觉蛋白 7、控制细胞生长、分化：生长因子、阻遏蛋白 8、毒蛋白：植物、微生物、昆虫所分泌 9、结构成分和机械支持物：角蛋白、结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白 10、生物膜作用 11、许多蛋白在凝血作用、通透作用、 营养作用、记忆活动等方面起重要作用。 12、氧化供能 13、遗传作用,蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein,第 二 节,一、组成蛋白质的元素及特点,有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se、I等。,C 50 55 % H 6 7 % O 19 24 % N 13 19 % S 0 4 %,主要元素组成,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 蛋白质含量(g) = 蛋白质含氮量6.25 （凯氏定氮法）,100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) =每克样品含氮克数 6.25100,1/16%, 蛋白质元素组成的特点*,第三节 氨基酸（amino acid，aa） 蛋白质的基本结构单位,一、氨基酸的基本结构和构型,蛋白质是由结构较简单的小分子氨基酸聚合而成的，氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位。天然蛋白质中存在的氨基酸有20种，均由相应的遗传密码编码（编码氨基酸）。从细菌到人类，所有物种中一切蛋白质都是由这20种氨基酸构成的。 下图是氨基酸的结构通式：,所有的氨基酸的共同特点是分子中同时具有1个羧基（COOH）和1个氨基（NH2），不同氨基酸之间的差异在于侧链的R基团结构不同。,构成蛋白质的氨基酸均属L-型,20种基本氨基酸的结构特点： 1、同一分子上既有酸性羧基，又有碱性氨基。故为两性化合物。 2、除R=H的甘氨酸外，a碳原子均为不对称碳原子，因而是光学活性物质，有D-型和L型两种异构体，构成蛋白质的氨基酸除Gly外均为L-型异构体。D型氨基酸没有营养价值，仅存在缬氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中，没有在蛋白质中发现。,氨基酸的旋光异构,20种氨基酸中，除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-氨基酸。,例外：,脯氨酸亚氨基酸,甘氨酸 没有手性,二、氨基酸的分类 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。 按照侧链R基结构或极性(疏水性程度)性质可以分为4类：,1、 非极性的R基氨基酸 共8种 在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用（蛋白质的疏水核心），它们的R基在水溶液中是疏水的、不解离、中性、不带电荷。,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非极性疏水性氨基酸,目 录,2 、不带电荷的极性R基氨基酸 7种 这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水，R基在水溶液中有极性，不解离或微弱解离。,3、带负电荷的极性氨基酸(酸性aa) 2种，R基在水溶液中解离，有极性与亲水性。,4、带正电荷的极性氨基酸(碱性aa) 3种，R基在水溶液中解离，有极性与亲水性。,根据R侧链结构分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。 根据营养价值分为必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。,1、 光学活性 （1）氨基酸的光吸收特性 Tyr、Phe、Trp的R基含有共轭双键，在220-300nm近紫外区有吸收。 （nm） Tyr 278 1.4103 Phe 259 2.0102 Trp 279 5.6103,在280nm有最大光吸收,三、 氨基酸的主要理化性质,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,（2）氨基酸的旋光性,除甘氨酸外，其余19种氨基酸都有至少一个不对称碳原子，故具有旋光性，且均为L-型氨基酸。,左旋（-）：能使偏振光向左； 右旋（+）：能使偏振光向右。,2、氨基酸的两性解离和等电点,同一分子上带有数量相等的正负两种电荷的离子称为两性离子或兼性离子。氨基酸为两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,两性离子带电情况受到溶液pH的影响。 aa解离方式取决于所处环境的pH：,任何一 种aa，当其所带净电荷为零时，在电场中既不向正极移动也不向负极移动，这时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。,，,重点掌握等电点的概念 等电点：对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的pH时，氨基酸以两性离子形式存在，正电荷与负电荷数相等，净电荷为零，在直流电场中，既不向正极移动，也不向负极移动，这时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。在pI时，氨基酸的导电率最低，溶解度最小，容易发生沉淀。 pH pI时，氨基酸带负电荷，-COOH解离成-COO-，向正极移动。 pH = pI时，氨基酸净电荷为零 pH pI时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-NH3+，向负极移动。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,CH,NH,3,+,COO,-,R,CH,NH,3,+,COO,-,R,3.氨基酸的熔点 均大于2000C，常温下氨基酸均为固态，而等分子量的其他有机物均为液态，说明氨基酸与氨基酸之间的结合力很强，以离子键结合，即氨基酸是以离子状态存在的，而不是以中性分子存在。,（1）与亚硝酸反应:Van Slyke 法测定氨基酸 （2）与茚三酮反应 茚三酮在弱酸中与-氨基酸共热，引起氨基酸的氧化脱氨，脱羧反应，最后，茚三酮与反应产物氨和还原茚三酮反应，生成紫色物质（max=570nm）。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。Pro、Hy-Pro与茚三酮反应直接形成黄色化合物（ max=440nm）,4、氨基酸的化学反应,（3）桑格（Sanger) 反应 2.4一二硝基氟苯（DNFB） DNP-氨基酸，黄色，层析法鉴定, 被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸,四、氨基酸之间的连接方式 1）连接方式：肽键 肽键(peptide bond)：是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键，本质为酰胺键。 氨基酸残基(residue) :肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,* 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,* 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。,* 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端,）多肽链有方向性：,N端,C端,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,五、重要的生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide) P物质（10肽、属神经肽类）、内啡肽（31肽）,2. 多肽类激素及神经肽,抗利尿素与催产素(9肽)、胰高血糖素（29肽）、 降钙素（32肽）、ACTH（39肽）、胰岛素（51肽）,七、蛋白质的分类,* 根据蛋白质组成分,* 根据蛋白质形状分,纤维状蛋白质,球状蛋白质,* 根据蛋白质功能分,蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein,第 三 节,蛋白质的分子结构包括（人为划分） 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸 的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的维系键：肽键 有些蛋白质还包括二硫键。,第一个被确定一级结构的蛋白质：胰岛素,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础,但不是唯一的决定因素。,2019/8/6,52,可编辑,二、蛋白质的二级结构,二级结构的基本单位：肽键平面或肽单元,肽键有部分双键性质,肽键由于共振而具有部分双键性质，因此， 肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转,肽键平面由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的4个原子和两侧的a-碳原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。,肽单元(肽键平面),由于-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转,(二）蛋白质二级结构的主要形式*,*-螺旋 ( -helix ) *-折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),1. -螺旋：,-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象,结构要点*： （1）主链通过-碳原子旋转形成稳固的右 手螺旋。 （2）每3.6个氨基酸残基上升一圈，间距 0.15nm，螺距0.54nm。 （3）相邻两圈螺旋之间借氢键稳定。（这是 稳定-螺旋的主要键） （4）肽链中氨基酸侧链R，伸展在螺旋外侧。 （其形状、大小及电荷影响螺旋的形成）,2. -折叠,-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象,结构特征： (1)肽键平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键 平面间呈1100夹角 (2)氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方 或下方。 (3)依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链 间的CO与N-H形成氢键，使构象稳定。 (4)两段肽链可以是逆向平行，也可以是顺 向平行。,-折叠包括顺向平行和反向平行两种类型,3. -转角,是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,4. 无规卷曲,（三）模体(motif),在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。 常见形式有：螺旋-转角-螺旋型 锌指型 亮氨酸拉链型 螺旋-环-螺旋型,螺旋-转角-螺旋,锌指结构,亮氨酸拉链,螺旋-环-螺旋,（五）影响二级结构形成的因素： 1）侧链基团的大、小 2）侧链基团的带电性质 3）脯氨酸是-螺旋的绝对破坏者,（四）主要的维系键：氢键,三、蛋白质的三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,（一） 定义,次级键,对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能,肌红蛋白 (Mb),为单肽蛋白质，含有153个氨基酸，有8个螺旋区,（三）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能。 三级结构中独立执行某种功能的局部区域，称为结构域(domain) 。,作用力:亚基之间的结合力主要是疏水力，其次是氢键、离子键和Van der Waals力。,四、蛋白质的四级结构,定义:蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。,有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条具有完整三级结构的多肽链，称为蛋白质的亚基(subunit)。,从一级结构到四级结构,血红蛋白,蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列,蛋白质的二级结构是由氢键导致的局部肽链卷曲与折叠,Primary structure,Secondary structure,蛋白质的三级结构是整条多肽链自然形成的三维结构,蛋白质的四级结构是亚基间的空间排列,Tertiary structure,Quaternary structure,蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein,第 四 节,（一）一级结构是空间构象的基础 一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。 如不同哺乳类动物的胰岛素分子，一级结构中仅个别氨基酸有差异，形成的空间结构与功能均相似 在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明显的影响。,一、蛋白质一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血,N-val his leu thr pro glu glu C(146),N-val his leu thr pro val glu C(146),这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病,分子伴侣(molecular chaperones),分子伴侣是蛋白质合成过程中形成空间结构的控制因子。 在新生肽链的折叠、加工和穿膜进入细胞的过程中起关键作用。 通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。,一级结构是决定蛋白质空间构象唯一的决定因素吗?,蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。,二、蛋白质空间结构与功能的关系,肌红蛋白 Mb,血红蛋白 Hb,蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应或别构效应（allostreric effect)。,举例：蛋白质的变构效应,引起蛋白质发生别构效应的物质变构剂或别构剂,*协同效应(cooperativity),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。 如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity),血红蛋白的构象变化与结合氧,Hb 的氧解离曲线,小分子O2作为变构剂或效应剂引起 Hb 的空间结构改变,蛋白质构象改变与疾病,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。,举例:疯牛病中的蛋白质构象改变 疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。,正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。 PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。,朊病毒蛋白质其实是存在于神经细胞中的一种正常蛋白质。变成了致病原的朊病毒和正常的朊病毒蛋白之间在一级结构上是一样的，不同就在构象上。,第四节,蛋白质的理化性质和分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白质的两性电离特性,一、理化性质,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,* 蛋白质的等电点( isoelectric point, pI),当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点,碱负,酸正,思考： 1）含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点 是偏酸还是偏碱？ 2）等电点为6的蛋白质于8.6的缓冲溶 液中，其于电场中向何方向移动？ 应用：电泳、离子交换层析分离蛋白质,（二）蛋白质的胶体性质,1、分子大，不易透过半透膜-用于透析、超滤。 举例：胶原蛋白的分离纯化 2、可形成稳定