生物化学第二章2ppt课件

1、第四节 蛋白质的分子结构一级结构一级结构 初级结构（共价结构）二级结构二级结构 高级结构（空间结构）三级结构三级结构四级结构四级结构 在二级结构和三级结构之间还有另一些层次，如超二级结构和结构域。 一一. . 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构蛋蛋白白质质结结构构的的主主要要层层次次一级结构一级结构四级结构四级结构三级结构三级结构primary structureprimary structuresecondary structuresecondary structureTertiary structureTertiary structurequariernary structurequarie

2、rnary structure超二级结构超二级结构结构域结构域 supersecondary structure supersecondary structureStructure domanStructure doman 一一. . 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 以胰岛素为例，胰岛素是动物胰脏中胰岛以胰岛素为例，胰岛素是动物胰脏中胰岛细胞分细胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白，它的主要功能是降低泌的一种分子量较小的激素蛋白，它的主要功能是降低体内血糖含量。临床上用来治疗糖尿病。体内血糖含量。临床上用来治疗糖尿病。 最先由最先由SangerSanger于于19531953年完成测定胰岛素一级

3、结构年完成测定胰岛素一级结构. . 20 世纪世纪50 年代末，美国学者年代末，美国学者Moore 等人完成牛等人完成牛胰核糖核酸酶全序分析。该酶由一条含胰核糖核酸酶全序分析。该酶由一条含124 个氨基个氨基酸残基的多肽链组成，分子内含有酸残基的多肽链组成，分子内含有4 个链内二硫键个链内二硫键，分子量为，分子量为12600，是水解核糖核酸分子中磷酸二，是水解核糖核酸分子中磷酸二酯键的一种酶。酯键的一种酶。二、蛋白质的构象和维持构象的作用力 构型构型configurationconfiguration是指不对称碳原子上相连的各是指不对称碳原子上相连的各原子或取代基团的空间排布原子或取代基团的空

4、间排布D-D-构型、构型、L-L-构型）。构型）。 构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成。构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成。 构象构象conformationconformation是指相同构型的化合物中，与是指相同构型的化合物中，与碳原子相连的各原子或取代基团在单键旋转时形成的相对碳原子相连的各原子或取代基团在单键旋转时形成的相对空间排布。空间排布。 构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成。构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成。维持蛋白质分子构象的作用力维持蛋白质分子构象的作用力a.盐键盐键 b.氢键氢键 c.疏水键疏水键 d.范得华力范得华力 e.二硫键二硫键三、蛋白质的二级结构

5、的概念三、蛋白质的二级结构的概念3.1 二级结构的概念二级结构的概念天然蛋白质包括天然蛋白质包括-螺旋、螺旋、 -折叠、折叠、 -转角、转角、 无规则卷曲等二级结构。无规则卷曲等二级结构。 X- X-射线衍射技术研究表明，肽键射线衍射技术研究表明，肽键C-NC-N键介于单键和双键介于单键和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转，其中绝大多键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转，其中绝大多数都形成刚性的酰胺平面结构。数都形成刚性的酰胺平面结构。3.2 3.2 蛋白质的构象蛋白质的构象肽单位的构象具有三个显著的特征：肽单位的构象具有三个显著的特征：1肽单位是一个刚性的平面结构肽单位是一个刚性的平

6、面结构.2肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置的位置.3C和亚氨基和亚氨基N 及及C与羰基与羰基C 之间的键是单键之间的键是单键，可以自，可以自 由旋转由旋转.完全伸展的多肽主链构象完全伸展的多肽主链构象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象酰胺平面酰胺平面=00，=00侧链侧链 因此，从理论上讲，蛋白质中的所有因此，从理论上讲，蛋白质中的所有C- CC- C单键和单键和C- NC- N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。 但事实上，一个天然蛋白质多

7、态链在一定条件下只有但事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。一种或很少几种构象，而且相当稳定。 主要原因：主要原因： 1. a-螺旋螺旋(a-helix) 2. b-折叠折叠 (b-pleated sheet) 3. b-转角转角 (b-turn) 4. 无规卷曲无规卷曲 (nonregular coil)3.3 二级结构单元的种类1 1肽链中的酰胺平面绕肽链中的酰胺平面绕CC相继相继旋转一定角度形成旋转一定角度形成-螺旋，并盘螺旋，并盘绕前进。每隔绕前进。每隔3.63.6个氨基酸残基，个氨基酸残基，螺旋上升一圈；每圈间距螺旋上升一圈；每圈间距0.54n

8、m0.54nm，即每个氨基酸残基沿螺旋中心，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升轴上升0.15nm0.15nm，旋转，旋转100100。-螺旋结构的主要特点：螺旋结构的主要特点：1.-1.-螺旋螺旋(-helix)(-helix)2 2螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧；向外侧； 肽链上所有的肽键都参与氢键的形成肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，链中的全部，链中的全部C=OC=O和和N-HN-H几乎都平行于螺几乎都平行于螺旋轴旋轴, ,氢键几乎平行于中心轴氢键几乎平行于中心轴; ; -螺旋结构的主要特点：螺旋结构的主要特点：3 3绝大多数天然蛋白质都是右手螺绝大多数

9、天然蛋白质都是右手螺旋。每个氨基酸残基的旋。每个氨基酸残基的N-HN-H都与前面都与前面第四个残基第四个残基C=OC=O形成氢键。形成氢键。 -螺旋结构的主要特点：螺旋结构的主要特点：1.1.- -螺旋螺旋( (-helix)-helix)4 4） * * - -螺旋遇到螺旋遇到ProPro就会被中断而就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。 * * 带相同电荷的氨基酸残基连续出现带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，不能形成键内氢键，在肽链上时，不能形成键内氢键，螺旋的稳定性降低。螺旋的稳定性降低。侧链在侧链在a-a-螺旋结构中的作用：螺旋结构中的作用：1.1

10、.- -螺旋螺旋( (-helix)-helix)特征：两条或多条伸特征：两条或多条伸展的多肽链或一条展的多肽链或一条多肽链的若干肽段多肽链的若干肽段侧向集聚，通过相邻侧向集聚，通过相邻肽链主链上的肽链主链上的N-HN-H与与C=OC=O之间有规则的氢键之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结，形成锯齿状片层结构，即构，即折叠片。折叠片。侧链基团与侧链基团与CC间的键间的键几乎垂直于折叠平面几乎垂直于折叠平面，R R基团交替地分布于基团交替地分布于片层平面两侧。片层平面两侧。 类别：平行类别：平行 反平行反平行维持维持-折叠结构稳定性的力折叠结构稳定性的力 氢键。氢键。由一条链上的羰基和另一条链上的

11、氨基之由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之间形成，即氢键是在链与链之间形成的。间形成，即氢键是在链与链之间形成的。2、 -折叠( -pleated sheet) N N端在同一端。氨基酸端在同一端。氨基酸之间沿轴相距之间沿轴相距0.325nm0.325nmN N端不在同一端。端不在同一端。氨基酸之间沿轴相氨基酸之间沿轴相距距0.35nm0.35nm 3、 转角-turn）特征：多肽链中氨特征：多肽链中氨基酸残基基酸残基n n的羰基的羰基上 的 氧 与 残 基 上 的 氧 与 残 基 n+3n+3的氮原上的的氮原上的氢之间形成氢键，氢之间形成氢键，肽键回折肽键回折1800 1800 。 无规卷曲

12、常出现在无规卷曲常出现在a-a-螺旋与螺旋与a-a-螺旋、螺旋、a-a-螺旋与螺旋与-折叠、折叠、 -折叠与折叠与-折叠之间。折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。它是形成蛋白质三级结构所必需的。 又称自由卷曲，是指没有一定规律的又称自由卷曲，是指没有一定规律的松散肽链结构。酶的功能部位常常处于这松散肽链结构。酶的功能部位常常处于这种构象区域。种构象区域。4、无规则卷曲non-regular coil） 无无规规则则卷卷曲曲示示意意图图无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C的三级结构的三级结构四、四、 蛋白质的超二级结构和结构域蛋白质的超二级结构和结构域蛋白质中相邻的二级结构单位即单个蛋白

13、质中相邻的二级结构单位即单个螺旋或螺旋或折叠或折叠或转角组合在一起，形成有规则的、在空间转角组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构基本组合方式：基本组合方式：；( () )超二级结构的定义（超二级结构的定义（ supersecondary structure supersecondary structure ）（2） 类型在二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠成几个相在二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个

14、以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。构域。 形成意义：形成意义： 动力学上更为合理动力学上更为合理 蛋白质酶活性部位往往位于结构域之间，使其蛋白质酶活性部位往往位于结构域之间，使其更更 具柔性具柔性4.2 4.2 结构域结构域structure domainstructure domain）（1 1结构域的定义结构域的定义卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域 -螺旋螺旋 -转角转角 -折叠折叠二硫键二硫键结构域结构域1结构域结构域2（2特点特点五、五、 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结

15、构( (一一) )三级结构的定义三级结构的定义肌肌红红蛋蛋白白三三级级结结构构153153个氨基酸残基个氨基酸残基 N His12CHis119Lys41124124个氨基酸残基个氨基酸残基ABC（二蛋白质的三级的结构特怔（二蛋白质的三级的结构特怔 具备三级结构的蛋白质一般都是球蛋白，都具备三级结构的蛋白质一般都是球蛋白，都有近似球状或椭球状的外形，而且整个分子排列紧有近似球状或椭球状的外形，而且整个分子排列紧密，内部有时只能容纳几个水分子。密，内部有时只能容纳几个水分子。分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心。白质的活性中心。 大多数非

16、极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；而极性侧链在分子表面，形成亲水面。而极性侧链在分子表面，形成亲水面。 蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含有有螺旋、螺旋、- -折叠、折叠、- -转角和无规卷曲四种转角和无规卷曲四种二级结构二级结构 （三维持三级结构的作用力（三维持三级结构的作用力二硫键二硫键 共价键共价键 疏水作用疏水作用非共价键次级键）非共价键次级键）氢键

17、氢键 离子键离子键范德华力范德华力六、蛋白质的四级结构六、蛋白质的四级结构六、蛋白质的四级结构六、蛋白质的四级结构 实例：血红蛋白实例：血红蛋白 血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚蛋白质。这四条链主要通过非共价键相互作用缔蛋白质。这四条链主要通过非共价键相互作用缔合在一起。血红蛋白分子上有四个氧的结合部位合在一起。血红蛋白分子上有四个氧的结合部位，因为每条链上含有一个血红素辅基。，因为每条链上含有一个血红素辅基。 烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构构血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构141146烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装烟

18、草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装( (二二) ) 维持四级结构的作用力维持四级结构的作用力v 疏水作用疏水作用v 氢键氢键v 离子键离子键v 范德华力范德华力 球状蛋白质三维结构的形成：球状蛋白质三维结构的形成：SummarySummary第五节第五节 蛋白质的分子结构与功能的蛋白质的分子结构与功能的关系关系一、一、 蛋白质一级结构与功能蛋白质一级结构与功能二、二、 蛋白质高级构象与功能蛋白质高级构象与功能 蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的

19、反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。构，高级结构和其功能密切相关。 一级结构决定高级结构，也决定蛋白一级结构决定高级结构，也决定蛋白质的功能质的功能1 1、蛋白质一级结构的种属差异与分子进化、蛋白质一级结构的种属差异与分子进化 实例：细胞色素实例：细胞色素有些蛋白质存在于不同的生物体中，但具有相同的生有些蛋白质存在于不同的生物体中，但具有相同的生物学功能，这些蛋白质被称为同功能蛋白质或同源蛋物学功能，这些蛋白质被称为同功能蛋白质或同源蛋白质。白质。同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基

20、同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基对所有已研究过的物种来说都是相同的，因此称为不对所有已研究过的物种来说都是相同的，因此称为不变残基变残基 （ invariant residue invariant residue ）；）；但其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化但其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化，因而称为可变残基（，因而称为可变残基（ variable residue variable residue ）。）。同源蛋白质中氨基酸序列的相似性称为顺序同源性。同源蛋白质中氨基酸序列的相似性称为顺序同源性。一、一、 蛋白质一级结构与功能蛋白质一级结构与功能不不同同生生

21、物物来来源源的的细细胞胞色色素素c中中不不变变的的AA残残基基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素血红素细胞色素细胞色素c c分子的空间结构分子的空间结构不变的不变的AAAA残基残基 35 35个不变的个不变的AAAA残基，是残基，是Cyt C Cyt C 的生物功的生物功能所不可缺少的。其中有的可能

22、参加维持分子能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别并结合细胞色素还原酶和氧化酶。识别并结合细胞色素还原酶和氧化酶。不同生物与人的不同生物与人的Cytc的的AA差异数差异数目目生物生物 与人不同的与人不同的AA数目数目黑猩猩黑猩猩 0恒河猴恒河猴 1兔兔 9袋鼠袋鼠 10牛、猪、羊、狗牛、猪、羊、狗 11马马 12鸡、火鸡鸡、火鸡 13响尾蛇响尾蛇 14海龟海龟 15金枪鱼金枪鱼 21角饺角饺 23小蝇小蝇 25蛾蛾 31小麦小麦 35粗早链孢霉粗早链孢霉 43酵母酵母 44 2 2、蛋白质一级结构的变异与分

23、子病、蛋白质一级结构的变异与分子病实例：血红蛋白质异常病变实例：血红蛋白质异常病变镰刀型贫血病镰刀型贫血病 由于基因突变导致蛋白质一级结构发生变由于基因突变导致蛋白质一级结构发生变异，使蛋白质的生物学功能减退或丧失，甚异，使蛋白质的生物学功能减退或丧失，甚至造成生理功能的变化而引起的疾病，称分至造成生理功能的变化而引起的疾病，称分子病。子病。正常红细胞与正常红细胞与镰刀形红细胞镰刀形红细胞的扫描电镜图的扫描电镜图镰刀形镰刀形红细胞红细胞正常红正常红细胞细胞 -链链N端氨基酸排列顺序端氨基酸排列顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 Hb-A正常人）正常人） Val-His-Leu-Thr-Pro

24、-Glu-Glu-Lys Hb-S患患 者）者） Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys二、二、 蛋白质高级构象与功能蛋白质高级构象与功能 高级构象决定蛋白质的功能高级构象决定蛋白质的功能1 1 、蛋白质高级构象破坏，功能丧失、蛋白质高级构象破坏，功能丧失 实例：核糖核酸酶的变性与复性实例：核糖核酸酶的变性与复性2 2 、蛋白质在表现生物功能时，构象发生、蛋白质在表现生物功能时，构象发生一定变化变构效应）一定变化变构效应） 实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能核糖核酸酶变性与复性作用核糖核酸酶变性与复性作用Native ribonucle

25、aseDenative reduced ribonucleaseNative ribonuclease8 M urea and -mercapotoethanolDialysis变性变性复性复性别构效应：一些蛋白质由于受某些因素的影别构效应：一些蛋白质由于受某些因素的影响，其一级结构不变而空间结构发生变化，响，其一级结构不变而空间结构发生变化，导致其生物功能的改变，称为蛋白质的变构导致其生物功能的改变，称为蛋白质的变构现象或别构现象。变构现象是蛋白质表现其现象或别构现象。变构现象是蛋白质表现其生物功能的一种普遍而十分重要的现象，也生物功能的一种普遍而十分重要的现象，也是调节蛋白质生物功能的极为

26、有效的方式。是调节蛋白质生物功能的极为有效的方式。一个亚基的变构作用，促进另一亚基变构的一个亚基的变构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应。现象，称为亚基间的协同效应。血红蛋白输氧功能和构象变化血红蛋白输氧功能和构象变化O2HbHb- O2O2血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线活动肌肉毛细活动肌肉毛细血管中的血管中的PO20 20 40 60 80 100肺泡中的肺泡中的PO2肌红蛋白肌红蛋白血红蛋白血红蛋白13.33kPa2.67kPa第六节蛋白质的重要性质第六节蛋白质的重要性质一、一、 两性解离性质及等电点两性解离性质及等电点二、二、 蛋白质胶体性质蛋白

27、质胶体性质三、三、 蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀四、四、 蛋白质的变性与复性蛋白质的变性与复性五、五、 蛋白质的紫外吸收特性蛋白质的紫外吸收特性六、六、 蛋白质呈色反应蛋白质呈色反应 一、蛋白质两性解离性质和等电点一、蛋白质两性解离性质和等电点pH = pI 净电荷净电荷=0 pH pI净电荷净电荷为负为负PrCOOHNH3+ + H+ OH- + H+ OH-PrCOO-NH2PrCOO-NH3+为该蛋白质的等电点为该蛋白质的等电点 （isoelectric point，pI）。）。蛋白质之所以能以稳定的胶体存在主要是由于： 蛋白质分子大小已达到胶体质点范围颗粒直径在1100nm 之间），具有较

28、大表面积。 蛋白质分子表面有许多极性基团，这些基团与水有高度亲和性，很容易吸附水分子。实验证明，每1g 蛋白质大约可结合0.30.5g 的水，从而使蛋白质颗粒外面形成一层水膜。 蛋白质分子在非等电状态时带有同性电荷，即在酸性溶液中带有正电荷，在碱性溶液中带有负电荷。由于同性电荷互相排斥，所以使蛋白质颗粒互相排斥，不会聚集沉淀。 蛋白质胶体性质的应用蛋白质胶体性质的应用 透析法透析法: :利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子

29、蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析这种方法称为透析dialysisdialysis）。）。 盐析法盐析法: :在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了中性盐，可有效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现象称为盐析种现象称为盐析salting outsalting out）。）。三、蛋白质的沉淀三、蛋白质的沉淀 如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶失去水化层消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。液就不再稳定并将产生沉淀。 沉淀方法类别沉淀方法类别: : 1 1、高浓度中性盐盐析）、高浓度中性盐盐析） 2 2、有机溶剂沉淀丙酮、乙醇等）、有机溶剂沉淀丙酮、乙醇等） 3 3、重金属盐类沉淀、重金属盐类沉淀Cu2+Cu2+、Hg2+Hg2+、Pb2+Pb2+、Ag+Ag+） 4 4、生物碱试剂和某些酸类沉淀、生物碱试剂和某些酸类沉淀 5 5、加热变性沉淀、加热变性沉淀 四、蛋