蛋白质的分子结构及功能VIP

1、 第三部分 蛋白质的组成及分子结构1. 作为生物催化剂 (酶)2. 代谢调节作用3. 免疫保护作用4. 物质的转运和存储5. 运动与支持作用6. 参与细胞间信息传递蛋白质的生物学功能蛋白质的分类1. 根据蛋白质组成成分，可分为： 单纯蛋白质 不含有非蛋白质部分，水解后的最终产物只有氨基酸。 结合蛋白质 由单纯蛋白和辅基 (无机离子或有机化合物) 结合而成的蛋白质。2. 根据蛋白质形状，可分为： 纤维状蛋白质 球状蛋白质分分 类类辅辅 基基举举 例例 脂蛋白脂蛋白脂类脂类血浆脂蛋白血浆脂蛋白 (VLDL、LDL、HDL等等) 糖蛋白糖蛋白糖基或糖链糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等胶原蛋白、纤连蛋白

2、等 核蛋白核蛋白核酸核酸核糖体核糖体 磷蛋白磷蛋白磷酸基团磷酸基团酪蛋白酪蛋白 (casein) 血红素蛋白血红素蛋白血红素血红素 (铁卟啉铁卟啉)血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素 c 黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸黄素核苷酸 (FAD、FMN)琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 金属蛋白金属蛋白铁铁铁蛋白铁蛋白锌锌乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶钙钙钙调蛋白钙调蛋白锰锰丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶铜铜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶结合蛋白质及其辅基 第一节蛋白质的基本组成单位及其连接方式一、蛋白质的基本组成单位 氨基酸(一) 氨基酸的结构与分类C 的基本结构 COOHH2N RCHR 基团 -碳原子 (C )1. 结构

3、(1) 与羧基相邻的 -碳原子上都有一个氨基，因而称为 -氨基酸；生物体内构成蛋白质的 20 种氨基酸均为 -氨基酸。L-构型D-构型(2) 除甘氨酸外，其他氨基酸分子中的 -碳原子为不对称碳原子，使氨基酸具有旋光性。每一种氨基酸具有 D-型和 L-型两种立体异构体。天然蛋白质中氨基酸都为 L-型。2. 分类(1) 按 R 基团在中性溶液中的极性和解离状态分类：非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸(2) 中性氨基酸按 R 基团的结构不同分为：脂肪族氨基酸含硫氨基酸芳香族氨基酸亚氨基酸羟基氨基酸酰胺类氨基酸 甘氨酸甘氨酸GlycineGlyG 丙氨酸丙氨酸AlanineAlaA

4、缬氨酸缬氨酸ValineValV 亮氨酸亮氨酸LeucineLeuL 异亮氨酸异亮氨酸IsoleucineIleI 苯丙氨酸苯丙氨酸PhenylalaninePheF脯氨酸脯氨酸ProlineProP 半胱氨酸半胱氨酸CysteineCysC 丝氨酸丝氨酸SerineSerS色氨酸色氨酸TryptophanTrpW 酪氨酸酪氨酸TyrosineTyrY甲硫氨酸甲硫氨酸 MethionineMetM苏氨酸苏氨酸ThreonineThrT 谷氨酰胺谷氨酰胺GlutamineGlnQ天冬酰胺天冬酰胺AsparagineAsnN 赖氨酸赖氨酸LysineLysK 精氨酸精氨酸ArginineArgR组

5、氨酸组氨酸HistidineHisH 天冬氨酸天冬氨酸Aspartic AcidAspD 谷氨酸谷氨酸Glutamic acidGluE (二) 氨基酸的理化性质1. 氨基酸的两性解离 (amphoteric dissociation) 与等电点 (isoelectric point) 氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点 (isoelectric point, pI) 在某一 pH 的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的 pH 值称为该氨基酸的等电点。2. 氨基酸的紫外吸收和呈色反应色氨酸与酪氨酸在接近 280 nm

6、 波长处有吸收峰，且与其含量呈正比，可用于蛋白质的定量分析。三种芳香族氨基酸的紫外吸收光谱茚三酮反应 (Ninhydrin reaction)OOOHOHR CH COOHNH2OOHOH+ RCHO + NH3 + CO2茚三酮 氨基酸 茚三酮 醛 (还原型) OOHOH+ NH3OOOON 茚三酮 蓝色或紫色化合物(还原型) 2蓝紫色化合物的最大吸收峰在 570 nm 处，茚三酮反应为氨基酸定量分析方法。二、氨基酸在蛋白质中的连接方式 肽键肽键是由一个氨基酸的 -羧基与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合形成的化学键 肽链的书写：一般从 N 端向 C 端书写，N 端在左侧，C 端在右侧。两个半胱

7、氨酸的 -SH 基脱氢生成二硫键 (-S-S-)第二节蛋白质的分子结构高级结构或空间构象一级结构二级结构三级结构四级结构 一、蛋白质的一级结构(一) 蛋白质一级结构的概念 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中，从 N 端到 C 端的氨基酸排列顺序。 形成一级结构的化学键：肽键 胰岛素的一级结构： A 链由 21 个氨基酸残基组成，B 链由 30 个氨基酸残基组成，A 链含一个链内二硫键， A 链与 B 链之间有二个二硫键胰岛素由 A、B 两条多肽链组成，A 有一个链内二硫键，A 与 B 之间有两个链间二硫键。由于两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。人胰岛素的一级结构(二) 多肽链的氨

8、基酸序列分析1. Edman 降解法分析多肽链的N 端氨基酸序列 2. 质谱法分析多肽链的氨基酸序列用蛋白水解酶水解多肽链成小片段；测定小片段的序列；拼出完整的多肽链序列。 Edman 降解法PITC 二、蛋白质的空间结构(一) 蛋白质的二级结构 (secondary structure) 指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。维系二级结构的主要化学键：氢键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) -螺旋 (右

9、手螺旋) -折叠 (顺向平行) -折叠 (反向平行) -转角：多肽链中肽段出现 180 回折时的结构。 -转角多由 4 个氨基酸残基组成，第 1 个氨基酸的羰基氧与第 4 个氨基酸残基的氨基氢形成氢键。无规卷曲： 没有确定规律性的那部分肽链结构。 反向平行 -折叠无规卷曲限制性内切酶 BamHI 中的二级结构模体 (motif) 在许多蛋白质的分子中，二个或三个具有二级结构的肽段相互靠近，形成具有特定功能的空间构象；或者仅是一个具有特定功能的很短的肽段。 螺旋-转角-螺旋模体：存在于 DNA 结合蛋白中 锌指模体：存在于 DNA 结合蛋白中 精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸 (RGD)：是蛋白质与蛋白

10、质之间相互结合的靶点螺旋-转角-螺旋 (HTH) 模体 由 2 个 -螺旋和 1 个 -转角构成，其中 -螺旋结合于 DNA 分子的深沟中。锌指 (Zinc finger) 模体 Zn 原子与两对半胱氨酸 (或一对半胱氨酸，一对组氨酸) 残基的侧链相结合，形成手指状结构。1 个 -螺旋2 个反向平行的 -折叠锌指结构镶嵌于 DNA 双螺旋的大沟类固醇激素受体的结构(二) 蛋白质的三级结构 (tertiary structure) 蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即多肽链中所有原子 (包括主链和侧链) 在三维空间的排布位置。 稳定三级结构的化学键： 氢键 离子键 (盐

11、键) Van der Waals 力 疏水作用 有些蛋白质的二硫键也是维系其三级结构稳定性的重要因素。次级键 (非共价键 ) 氢键的结合力较弱，受温度、离子强度与 pH 的影响。 盐键是带电基团的相互吸引，受离子强度与 pH 的影响。 Van der Waals 力是原子间的相互吸引力。 疏水作用是非极性侧链之间排斥水而相互聚集的吸引作用。蛋白质的结构域 (domain) 具有二级结构的多肽链，特别是长的多肽链在形成三级结构时，可能组合成数个相互连续而又相对独立的疏密不等的区域，各行使其功能，这些区域称为结构域。Src 蛋白的三个结构域SH2 和 SH3 分别识别、结合蛋白质的相关结构。(三)

12、 蛋白质的四级结构 (quaternary structure) 许多蛋白质含有两条以上具有独立三级结构的多肽链，这些多肽链通过非共价键相互连接形成的多聚体结构称为蛋白质的四级结构。每条具有独立三级结构的多肽链则称为此蛋白质的亚基 (subunit)。 氢键 离子键 (盐键) Van der Waals 力 疏水作用 稳定四级结构的化学键血红素成人血红蛋白由 2 条 链和 2 条 链组成，每一亚基含一个血红素分子。血红蛋白的四级结构(四) 蛋白质空间结构的确定X 射线晶体分析 (X-ray crystallography)核磁共振光谱分析 (nuclear magnetic resonance

13、 spectroscopy)蛋白质结晶三、蛋白质结构与功能的关系1. 蛋白质一级结构的变化导致其空间结构及功能的改变。 镰刀型贫血的致病机理来来 源源 氨基酸残基的差异部分氨基酸残基的差异部分A8A9A10B30人人ThrSerIleThr猪猪ThrSerIleAla狗狗ThrSerIleAla兔兔ThrSerIleSer牛牛AlaSerValAla羊羊AlaGlyValAla马马ThrGlyIleAla抹香鲸抹香鲸ThrSerIle Ala2. 一级结构差别很大的蛋白质可能有相似的空间结构 八种不同来源的胰岛素分子中存在氨基酸组成的差异，但不影响胰岛素的生物活性。第三节蛋白质的理化性质及其提

14、取、纯化原理(一) 蛋白质的两性解离 在一定 pH 条件下，蛋白质所带的正、负电荷相等，净电荷为零，蛋白质成为兼性离子，此时溶液的 pH 称为该蛋白质的等电点。一、蛋白质的理化性质蛋白质带正电荷蛋白质带负电荷(二) 蛋白质的胶体性质 蛋白质的分子量为 10 - 1000 kD，分子直径为 1 - 100 nm，属胶体颗粒。 蛋白质是亲水胶体，球状蛋白质分子的亲水基团位于分子的表面，与水结合，形成包绕分子表面的水化膜。 蛋白质胶体稳定的因素：水化膜胶体颗粒表面的电荷(三) 蛋白质的变性与沉淀1. 蛋白质的变性 (denaturation) 在某些物理和化学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，

15、从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。变性的本质： 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。 变性的因素： 加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 天然状态，有活性加入尿素、 -巯基乙醇去除尿素、 -巯基乙醇非折叠状态，无活性蛋白质的变性与复性若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性 (renaturation) 。2. 蛋白质沉淀 (precipitation) 蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀。 若去除蛋白质的水化膜和中和其电荷，蛋白质便发生沉淀。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。3.

16、 蛋白质的凝固作用 (protein coagulation) 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。 (四) 蛋白质的紫外吸收与呈色反应1. 蛋白质的紫外吸收 蛋白质分子中的酪氨酸和色氨酸含有共轭双键，在 280 nm 处有特征性吸收峰。2蛋白质的呈色反应双缩脲反应 酚试剂呈色反应 考马斯亮蓝法 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 常用的纯化方法常用的纯化方法分子质量与体积分子质量与体积 离心离心 凝胶过滤凝胶过滤 透析、超滤透析、超滤电荷电荷 离子交换层析离子交换层析 电泳电泳 等电聚焦等电聚焦溶解度溶解度 调整调整 pH 调整离子强度调整离子强度 降低

17、介电常数降低介电常数特异结合部位特异结合部位 亲和层析亲和层析 亲和洗脱亲和洗脱其他性质其他性质 吸附层析吸附层析 液相层析液相层析 气相层析气相层析二、蛋白质的提取与纯化原理SDS-聚丙烯酰胺凝胶 (polyacrylamide gel electrophoresis, PAGE ) 电泳，常用于测定蛋白质的分子量及其纯度。样品M样品等电聚焦 (isoelectric focusing, IEF) 在 pH 呈梯度的电场中，不同等电点的蛋白质带有不同的电荷并向相反电极方向泳动。当蛋白质迁移到与其等电点相同的 pH 时，该蛋白质便因不带电荷而停止泳动。 +(H2SO4)pH3pH10 +(H2

18、SO4)-(NaOH)pI 4.5 5.1 6.0 7.9 8.1 pH3pH10-(NaOH)双向凝胶电泳 (2-D electrophoresis)双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。蛋白质组 (proteome) 一个组织或一个细胞中基因组所表达的全部蛋白质，或在特定条件下，一个细胞内所存在的所有蛋白质。蛋白质组学 (proteomics) 研究和阐述在不同条件下，蛋白质组中全部蛋白质的结构、性质与功能，影响因素及其相互联系。 分分 类类辅辅 基基举举 例例 脂蛋白脂蛋白脂类脂类血浆脂蛋白血浆脂蛋白 (VLDL、LDL、HDL等等) 糖蛋白糖蛋白糖基或糖链糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白

19、等胶原蛋白、纤连蛋白等 核蛋白核蛋白核酸核酸核糖体核糖体 磷蛋白磷蛋白磷酸基团磷酸基团酪蛋白酪蛋白 (casein) 血红素蛋白血红素蛋白血红素血红素 (铁卟啉铁卟啉)血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素 c 黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸黄素核苷酸 (FAD、FMN)琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 金属蛋白金属蛋白铁铁铁蛋白铁蛋白锌锌乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶钙钙钙调蛋白钙调蛋白锰锰丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶铜铜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶结合蛋白质及其辅基 甘氨酸甘氨酸GlycineGlyG 丙氨酸丙氨酸AlanineAlaA 缬氨酸缬氨酸ValineValV 亮氨酸亮氨酸LeucineLeuL 异亮氨酸异

20、亮氨酸IsoleucineIleI 苯丙氨酸苯丙氨酸PhenylalaninePheF脯氨酸脯氨酸ProlineProP 半胱氨酸半胱氨酸CysteineCysC 丝氨酸丝氨酸SerineSerS色氨酸色氨酸TryptophanTrpW 酪氨酸酪氨酸TyrosineTyrY甲硫氨酸甲硫氨酸 MethionineMetM苏氨酸苏氨酸ThreonineThrT 谷氨酰胺谷氨酰胺GlutamineGlnQ天冬酰胺天冬酰胺AsparagineAsnN 赖氨酸赖氨酸LysineLysK 精氨酸精氨酸ArginineArgR组氨酸组氨酸HistidineHisH 天冬氨酸天冬氨酸Aspartic AcidAspD 谷氨酸谷氨酸Glutamic acidGluE