第二章蛋白质结构基础演示文稿

第二章蛋白质结构基础演示文稿当前1页，总共126页。优选第二章蛋白质结构基础当前2页，总共126页。蛋白质的生物学功能催化结构成分贮存运动转运调节信息传递支架作用防御与进攻其他特定功能当前3页，总共126页。蛋白质

Protein第一节蛋白质的功能及应用

当前4页，总共126页。1、元素的组成：C、H、O、N、S等，N的含量一般为16%凯氏定氮法测定蛋白质的含量：

蛋白质含量=蛋白氮×6.25一、蛋白质的组成单位——氨基酸当前5页，总共126页。三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。俗称蜜胺、蛋白精当前6页，总共126页。

化学结构R-CH(NH2)-COOH含有氨基的羧酸R代表氨基酸之间相异的部分，叫

R

基，又称为侧链。

酪氨酸分子

2、组成单位——氨基酸构成蛋白质的常见氨基酸有20种当前7页，总共126页。A、除脯氨酸外，其他均具有如下结构通式。-氨基酸可变部分不变部分各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。20种基本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。当前8页，总共126页。脯氨酸的侧链R-基与主链N原子共价结合，形成一个环状的亚氨基酸。CH2CH2CH2CHCOO-NH2+当前9页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

脂肪族氨基酸当前10页，总共126页。

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine当前11页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine缬氨酸

Valine

脂肪族氨基酸当前12页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine缬氨酸

Valine亮氨酸

Leucine

脂肪族氨基酸当前13页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine缬氨酸

Valine亮氨酸

Leucine异亮氨酸

Ileucine

脂肪族氨基酸当前14页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine缬氨酸

Valine亮氨酸

Leucine异亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline

亚氨基酸当前15页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine缬氨酸

Valine亮氨酸

Leucine异亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline甲硫氨酸

Methionine

含硫氨基酸当前16页，总共126页。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine缬氨酸

Valine亮氨酸

Leucine异亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline甲硫氨酸

Methionine半胱氨酸

Cysteine含硫氨基酸当前17页，总共126页。

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine当前18页，总共126页。

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine当前19页，总共126页。

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸Trytophan当前20页，总共126页。

碱性氨基酸精氨酸

Arginine当前21页，总共126页。

碱性氨基酸精氨酸

Arginine赖氨酸

Lysine当前22页，总共126页。

碱性氨基酸精氨酸

Arginine赖氨酸

Lysine组氨酸

Histidine当前23页，总共126页。

天冬氨酸

Aspartate

酸性氨基酸当前24页，总共126页。

天冬氨酸Aspartate

谷氨酸

Glutamate

酸性氨基酸当前25页，总共126页。

丝氨酸

Serine

含羟基氨基酸当前26页，总共126页。

丝氨酸

Serine

苏氨酸

Threonine

含羟基氨基酸当前27页，总共126页。

天冬酰胺Asparagine

含酰胺氨基酸当前28页，总共126页。

天冬酰胺Asparagine谷氨酰胺

Glutamine

含酰胺氨基酸当前29页，总共126页。氨基酸的分类氨基酸疏水氨基酸极性氨基酸荷电氨基酸当前30页，总共126页。疏水氨基酸丙氨酸Ala蛋氨酸Met脯氨酸Pro缬氨酸Val亮氨酸Leu异亮氨酸Ile苯丙氨酸Phe特点：1残基的侧链一般没有化学反应性；2疏水作用，趋于彼此间或与其他非极性原子相互作用当前31页，总共126页。疏水氨基酸残基的作用：1堆积在蛋白质的内部，形成疏水内核，是稳定蛋白质三维结构的主要因素；2残基间的疏水相互作用是多肽链折叠(folding)的原始推动力当前32页，总共126页。极性氨基酸丝氨酸Ser组氨酸His半胱氨酸Cys苏氨酸Thr天冬酰胺Asn谷胺酰胺Gln酪氨酸Tyr特点：侧链都含有极性基团，可以是氢的供体或受体，有不同程度的化学反应性色氨酸Trp当前33页，总共126页。二硫键的作用1稳定蛋白质的三维结构；2将不同的多肽链连接在一起；3分子内二硫键可稳定单肽链的折叠，使蛋白质不易被降解。当前34页，总共126页。荷电氨基酸天冬氨酸Asp谷氨酸Glu精氨酸Arg赖氨酸Lys特点：侧链都可以解离使残基带上正或负电荷当前35页，总共126页。B、除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原子或手性中心，具有旋光性；C、除了甘氨酸外，其余具有光学异构体,从蛋白质水解得到的α--氨基酸均为L--型氨基酸当前36页，总共126页。构型：一个分子中各原子的特定空间排布。

当一种构型改变为另一种构型时必须有共价键的断裂和重新形成，最基本的分子构型是L-型和D-型。不同构型分子间除镜面操作外不能以任何方式重合。当前37页，总共126页。L-甘油醛D-甘油醛L-丙氨酸D-丙氨酸沿H-Cα键观察，R-N-CO为顺时针方向为L型分子当前38页，总共126页。D、氨基酸的优势构象构象（conformation）是组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布。一种构象转变为另一种构象，不会有共价键的断裂与形成。“交错构象”（staggedconformation）是能量上最有利的排布。在这种构象中，一个碳原子的取代基正好处于另一个碳原子的两个取代基之间。当前39页，总共126页。二、非蛋白质氨基酸（不是组成蛋白质的氨基酸）这些氨基酸不参与蛋白质的组成，大都是α—氨基酸的衍生，但有些是β、γ或δ—氨基酸；目前认为有些非蛋白质氨基酸是某些代谢过程的中间产物或重要代谢物的前体。

如：瓜氨酸和鸟氨酸——精氨酸前体

刀豆氨酸和5—羟基色氨酸——杀虫杀菌。

多巴胺——神经递质当前40页，总共126页。氨基酸的旋光性除甘氨酸外，都具有旋光性。酪氨酸（Tyr、278nm）、色氨酸(Trp、279)和苯丙氨酸(Phe、259)能够吸收紫外光——共轭双键

氨基酸的光吸收三、氨基酸的理化性质当前41页，总共126页。紫外吸收在中性pH值下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在280nm，而苯丙氨酸的在260nm处。大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中280nm吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。芳香族氨基酸的紫外吸收当前42页，总共126页。氨基酸多肽链肽键

一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经过缩合反应形成的共价键蛋白质通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链

第二节

肽（peptide)当前43页，总共126页。多肽链第一个氨基酸具有自由的NH2,称为氨端或N端主链（肽键连接部分）最末一个氨基酸具有自由的-COOH,称为羧端或C端当前44页，总共126页。肽键(酰胺键)

二肽

1.成肽反应缩合当前45页，总共126页。2、肽键3、氨基酸残基：肽链中的氨基酸由于参加肽链的形成，损失了α—NH2上的H和α—COOH上的—OH，称为氨基酸残基，——HN—CH—CO——R氨基酸之间脱水后形成的键为肽键，也为酰胺键

当前46页，总共126页。肽键具有局部双键性质，具有反式和顺式两种构型；使主链上1/3的键不能旋转（链上1/3是C—N键）不是所有的肽链构象都是立体化学所允许的还有很多R侧链，影响程度受R侧链基团的性质（大小、亲水性、电荷相吸和排斥）等。当前47页，总共126页。肽单位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构。当前48页，总共126页。当前49页，总共126页。当前50页，总共126页。当前51页，总共126页。肽的固相合成当前52页，总共126页。为研究方便，分四层次探讨一级结构二级结构三级结构四级结构第三节蛋白质的结构当前53页，总共126页。蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。12--20氨基酸残基的肽链称为寡肽＞20氨基酸残基的称为多肽当前54页，总共126页。一、一级结构（线性结构）蛋白质的一级结构(primarystructure)指它的蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序首

N端（“H”）

末

C端（“OH”）

其中的氨基酸

称

氨基酸残基

—NH—CO—)R当前55页，总共126页。蛋白质的一级结构(Primarystructure)包括:多肽链的氨基酸顺序和数目，以及多肽链内或链间二硫键(disulfidebond)的数目和位置。当前56页，总共126页。两个半胱氨酸氧化可生成胱氨酸

二硫键：由肽链中相应部位上两个半胱氨酸残基脱氢连接而成的

二硫键H2

半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸当前57页，总共126页。由A（21个AA，11种），B（30AA，16种）组成，并通过Cys连结两对-S-S-；A链第6和11的Cys通过-S-S-连接成链内小环；我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。当前58页，总共126页。维持蛋白质一级结构的作用力是:

答案：肽键、二硫键（都属于共价键）当前59页，总共126页。二、蛋白质的空间结构

也叫三维构象，高级结构或立体结构

定义：指蛋白质分子中所有原子在三维空间排列分布和肽链的走向。当前60页，总共126页。（一）

二级结构(secondarystructure)蛋白质多肽链本身的折叠与盘绕方式,包括:α—螺旋β—折叠片β—转角自由回转等当前61页，总共126页。(a)理想的右α螺旋；(b)右α螺旋；(c)左α螺旋。

天然蛋白质大部分为右手螺旋；1.α-螺旋(α-helix)当前62页，总共126页。

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—R

氢键:由同一条肽链内每3个氨基酸残基的两个肽键衍生而来，即每个氨基酸残基的N－H与前面每隔3个氨基酸残基的C=O形成的。（3.6个氨基酸残基）

当前63页，总共126页。稳定α-螺旋的因素α-螺旋具有极性：所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向NC肽平面的键长和键角一定；肽键的原子排列呈反式构型；相邻的肽平面构成两面角；α-螺旋的中心没有空腔α-螺旋的特征当前64页，总共126页。-helix不稳定的因素：R基团带同种电荷：pH=7时，多聚Lys或多聚Glu；R基团较大时造成空间位阻，如Ile；多肽链中有Pro或HO-Pro，α—helix中断，产生‘结节’kink

它改变多肽链的方向，并终止螺旋。

当前65页，总共126页。2.β-折叠(β-pleatedsheet)β-折叠是多肽链的折叠形式,两条或多条几乎完全伸展的肽链通过链间的氢键交联而形成的;肽链的主链呈锯齿状折叠构象;平行肽链间以氢键从侧面连接的构象。当前66页，总共126页。平行式反平行式当前67页，总共126页。3.β转角(β-turn)

作用力——同样是肽键衍生来的氢键但由于只有这一个氢键，只形成β—转角结构。

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R当前68页，总共126页。在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。当前69页，总共126页。α螺旋β折叠片β转角自由回转龙虾肽酶当前70页，总共126页。4.自由回转——没有一定规律的松散的肽链结构作用力弱维持蛋白质二级结构的作用力是？氢键纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白4、自由回转(randomcoil)当前71页，总共126页。(二）超二级结构和结构域超二级结构(supersecondarystructure)：是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体，通常有βαβ，βββ，αα，ββ。结构域(domain)

：是在超二级结构基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球状的结构。在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。

当前72页，总共126页。当前73页，总共126页。（三）三级结构（Tertiarystructure)定义：多肽链上的所有原子，包括主链和残基的侧链，在三维空间上的分布疏水键对维持蛋白质的三级结构起着重要的意义其他作用力还包括氢键、离子键和范德华力等举例：鲸的肌红蛋白当前74页，总共126页。肌红蛋白的三级结构当前75页，总共126页。肌红蛋白的三级结构亚铁血红素当前76页，总共126页。肌红蛋白的三级结构当前77页，总共126页。整个分子只有一条肽链组成的蛋白质必须具备三级结构才有生物活性，多肽蛋白中的每条肽链若单独存在，纵使具有三级结构也无生物活性，只有整个分子具有完整四级结构才有生物活性。三级结构:当前78页，总共126页。(四)四级结构（Quatermarystructre)1、定义：由两条或两条以上的具有三级结构的多肽链聚合而成特定构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为亚基，由亚基构成的蛋白质为寡聚蛋白。

当前79页，总共126页。2、四级结构的内容：亚基的数目——4条种类——2种亚基的立体分布——球形亚基的相互作用——次级键血红蛋白亚基单独没有生物功能四亚基两两相同，分别称为α1、α2、β1、β2。当前80页，总共126页。血红蛋白四级结构每条链都以非共价键与一个血红素辅基相连

当前81页，总共126页。卟啉铁当前82页，总共126页。三、维系蛋白质的结构的作用力一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键）二级结构：氢键（主链上—C=O—和N—H之间形成）三、四级结构：二硫键、次级键（氢键、疏水键、离子键、范得华力、配位键）

当前83页，总共126页。

键能肽键

二硫键离子键

氢键疏水键

范德华力90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质高级结构中主要的作用力,原因何在?数量巨大当前84页，总共126页。第四节蛋白质结构与功能关系

一、蛋白质的一级结构与功能的关系（一）同源蛋白质：指不同的有机体中实现同一功能的蛋白质例如：胰岛素、细胞色素C蛋白质的进化构建系统进化树一级结构决定空间结构当前85页，总共126页。真菌两栖类植物哺乳动物鸟类昆虫爬行类细胞色素C的进化系统树当前86页，总共126页。（二）一级结构的变化引起功能的变化血红蛋白的一级结构变化而引起镰刀型贫血病当前87页，总共126页。镰刀状贫血病—血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息正常细胞镰刀形细胞它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。当前88页，总共126页。正常型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β链

谷氨酸镰刀型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β链

缬氨酸谷氨酸（极性）

缬氨酸（非极性）当前89页，总共126页。

由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失，导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。当前90页，总共126页。肌红蛋白血红蛋白α血红蛋白β氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似结构决定功能当前91页，总共126页。二、空间结构与功能的关系：（一）蛋白质执行其生物功能需要相应空间结构例如：核糖核酸酶

功能恢复功能丧失天然构象

无规线团8N尿素、巯基乙醇氧化、透析当前92页，总共126页。天然构象无规线团天然构象当前93页，总共126页。（二）变构效应（别构效应）外因通过改变蛋白质构象引起蛋白质功能变化的现象。例如：以血红蛋白的载氧气过程说明蛋白质构象发生变化与功能的关系。

定义：蛋白质在表达功能的过程中构象发生变化的现象

当前94页，总共126页。

血中氧分子的运送：(R)relaxedstate（氧合血红蛋白）(T)tensestate（脱氧血红蛋白构象）Myoglobin(肌血球素)当前95页，总共126页。(R)relaxedstate(T)tensestate

血中氧分子的运送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle静脉动脉环境氧高时Hb快速吸收氧分子环境氧低时Hb迅速释放氧分子释放氧分子后Hb变回

Tstate任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力当前96页，总共126页。（三）蛋白质的变性-功能丧失1.定义：

天然蛋白质因受到物理和化学的因素影响，使蛋白质严格的空间结构受到破坏，（但不包括肽键的裂解），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，这种现象称为蛋白质变性作用。

变性的蛋白质恢复其天然活性的现象称为复性。

当前97页，总共126页。2.变性的本质

二、三、四级空间结构被破坏，变性因素破坏了维持蛋白质空间结构的各种次级键以及二硫键。但一级结构完好（一级结构破坏-降解）

溶解度下降，蛋白质的组成成分和分子量不变

当前98页，总共126页。3.变性蛋白的特征

（1）生物活性的丧失——最主要标志

（2）理化性质的改变：

溶解度下降，易沉淀

结晶能力丧失

渗透压力、和扩散速度降低

粘度、旋光性负值上升，等电点上升

（3）生化性质的改变

当前99页，总共126页。人头发的电子显微镜照片与模型当前100页，总共126页。烫发过程：1、加还原剂（巯基乙醇）打开二硫键。2、加氧化剂（双氧水）重新生成错位二硫键。当前101页，总共126页。三、参与蛋白质与DNA分子间相互作用的结构域螺旋-转角-螺旋锌指结构亮氨酸拉链螺旋-环-螺旋SPXX序列当前102页，总共126页。螺旋-转角-螺旋（HTH）

HTH是转录因子中的结构域，常结合在DNA上。该结构域是由60个氨基酸组成，三个α-螺旋由短的loop连接。N-末端的两个螺旋反向平行，C-末端的螺旋，与前面两个螺旋垂直，并且将前面两个连接起来，这第三个螺旋可以与DNA相互作用。当前103页，总共126页。锌指结构

蛋白质Zif268的锌指结构由两个反向平行的β折叠片层与一个α-螺旋共同构成的锌指，以及由两个相互平行或垂直的α-螺旋构成的锌指。锌离子与半胱氨酸及其他疏水氨基酸连接，构成锌指区。锌离子对于稳定该结构域的构象起到关键作用，每个锌指的侧链都与DNA的磷酸基和碱基形成氢键。当前104页，总共126页。亮氨酸拉链由平行的卷曲α螺旋构成，当来自同一个或不同多肽链的两个α螺旋的疏水面通过亮氨酸侧链的疏水作用互相缠绕，相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。肽链上每隔6个残基就有1个疏水的Leu残基，导致Leu残基都集中在α-螺旋的同一侧。在亮氨酸拉链式蛋白中，两个亮氨酸拉链作用形成一个“Y”形结构，其中，拉链构成茎，并不与DNA结合，两个碱性区分叉对称形成臂，与DNA结合。当前105页，总共126页。螺旋-环-螺旋

HLH结构常含有约40～50个aa，2个α-螺旋既亲水又亲脂，由10～24个aa的环状结构相连，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能。依靠两个α-螺旋间的疏水作用可形成同（或异）二聚体。与HLH相邻的较短的富含碱性氨基酸区段决定了HLH与DNA的结合。当前106页，总共126页。SPXX序列

Ser（Thr）-Pro-X-X在DNA结合蛋白中的出现频率很高，往往存在于HTH基序或锌指结构域的侧面。组蛋白H1和H2B的N端和C端都含有SPXX序列，与DNA双螺旋小沟中的富含AT的序列结合。当前107页，总共126页。第五节多肽链的折叠问题蛋白质在体内形成的两个阶段：

遗传密码介导的氨基酸多肽链的合成多肽链折叠为有特定功能的蛋白质当前108页，总共126页。多肽链合成中遗传信息的表达步骤当前109页，总共126页。蛋白质的去折叠或变性NativestatefoldedDenaturedstateunfoldedunfoldingrefolding当前110页，总共126页。变性过程的两种不同理论高度协同的、爆炸式的发生1、两态模型牛胰核糖核酸酶的变性“自组装学说”NDAnfinsen当前111页，总共126页。2、序变模型orNIDNI1I2DD当前112页，总共126页。DNAreplicationDNATranscriptionReverseTranscriptionTranslationRNARNAreplicationPolypeptide“Secondtranslation”Protein(active)?当前113页，总共126页。关于蛋白质折叠的密码绝大多数的小蛋白质的去折叠与再折叠是可逆的枯草杆菌蛋白酶去折叠后,不能正确折叠至天然态N-末端剪切当前114页，总共126页。新生肽的折叠

Protein的一级结构决定其高级结构，其特征蛋白质的aa序列包含了构成高级结构的全部信息。分子伴侣(molecularchaperone)：是进化上十分保守的蛋白质家族，广泛存在于多种生物体内，其主要作用是与新生肽或部分折叠的蛋白质的疏水表面结合，加速其折叠或组装成天然构象的进程，并防止其相互聚集和错误折叠。当前115页，总共126页。分子伴侣的几个特征

同类分子伴