生物化学蛋白质结构与功能

生物化学蛋白质结构与功能第1页/共90页蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节第2页/共90页组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘

。第3页/共90页

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，就可以推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量（g％）

=每克样品含氮克数×6.25×100蛋白质元素组成的特点1/(16%)第4页/共90页一、组成蛋白质的基本单位——氨基酸H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第5页/共90页

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）。L-a-氨基酸COOHCHNH2RaD-a-氨基酸COOHCHH2NRa第6页/共90页非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸谷氨酸/天冬氨酸碱性氨基酸赖氨酸/精氨酸/组氨酸（一）氨基酸的分类第7页/共90页亮氨酸

(Leucine,Leu,L)COOHCHH2NCH2aOHCOOHCHH2NCH2aCHCH3CH3丝氨酸(Serine,Ser,S)非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸第8页/共90页谷氨酸

(Glutamicacid,Glu,E)COOHCHH2NCH2aCH2COOHCOOHCHH2NCH2aCH2CH2CH2NH2精氨酸

(Arginine,Arg,R)酸性氨基酸碱性氨基酸第9页/共90页结构特殊氨基酸——脯氨酸(Proline,Pro,P)（亚氨基酸）CH2CHCOOHCH2NHCH2第10页/共90页最新发现的有遗传密码子编码的氨基酸

——

硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸硒代半胱氨酸Selenocysteine吡咯赖氨酸pyrrolysineCOOHCHCH2SeHH2N第11页/共90页稀有氨基酸：由20个基本氨基酸延伸而来的其他氨基酸。+胱氨酸二硫键-HH赖氨酸羟赖氨酸[O]脯氨酸羟脯氨酸[O]第12页/共90页（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点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。R第13页/共90页pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸为兼性离子氨基酸为阳离子氨基酸为阴离子第14页/共90页等电点(isoelectricpoint,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（pI）。第15页/共90页2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。含有这两种氨基酸的蛋白质在280nm附近有最大吸收峰。芳香族氨基酸的紫外吸收第16页/共90页3.茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。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。第17页/共90页二、肽肽键(peptidebond)：

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。 其化学本质是一个酰胺键。（一）肽(peptide)第18页/共90页+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键氨基酸残基氨基酸残基氨基末端羧基末端氨基酸残基的编号方向：N末端C末端。习惯上N-末端写在左边。12第19页/共90页肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。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)。多肽达到100个氨基酸残基或分子量达到1万时称为蛋白质(protein)。第20页/共90页*多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。*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(residue)。丙氨酰丝氨酰半胱氨酰甘氨酸OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2（丙氨酸）（丝氨酸）（半胱氨酸）（甘氨酸）主链侧链第21页/共90页氨基末端：多肽链中有自由氨基的一端羧基末端：多肽链中有自由羧基的一端*多肽链有两端OHSHOOONH2-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-COOHHCH3CH2HHHCH2氨基末端羧基末端第22页/共90页氨基末端羧基末端牛核糖核酸酶第23页/共90页（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)第24页/共90页

体内许多激素属寡肽或多肽2.多肽类激素及神经肽第25页/共90页三、蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质：仅由氨基酸组成的活性蛋白结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分*根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质(长轴:短轴<5)纤维状蛋白质(长轴:短轴>5)第26页/共90页蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节第27页/共90页蛋白质的分子结构包括

一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构第28页/共90页定义 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化学键

肽键，有些蛋白质还包括二硫键。第29页/共90页

一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。第30页/共90页二、蛋白质的二级结构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

。定义主要的化学键：

氢键

第31页/共90页CNOHCNOH（一）肽单元（肽平面，peptideunit）(组成肽键的四个主要原子）第32页/共90页（一）肽单元（肽平面，peptideunit）CNCCNCOHOH第33页/共90页（一）肽单元（肽平面，peptideunit）参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元

(peptideunit)

。第34页/共90页

蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

第35页/共90页（二）-螺旋第36页/共90页（二）-螺旋第37页/共90页（二）-螺旋第38页/共90页a-螺旋的结构特点：多肽链的主链围绕中心轴形成右手螺旋每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm稳定力：氢键氨基酸残基的侧链在螺旋的外侧，并影响到a-螺旋的稳定性第39页/共90页（三）-折叠第40页/共90页（三）-折叠第41页/共90页b-折叠走向示意图第42页/共90页b-折叠的结构特点：呈折纸状，即以每个肽单元的Ca为旋转点，依次折叠成锯齿状两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，走向可以相同，也可相反稳定力：氢键氨基酸残基的侧链基团交替地位于锯齿状结构的上下方，并影响到折叠的稳定性第43页/共90页（四）-转角和无规卷曲-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。第44页/共90页常见蛋白激酶结构示意图b-折叠无规卷曲a-螺旋b-转角二级结构表述的是蛋白质主链的局部结构特征第45页/共90页（五）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(motif)。第46页/共90页兔的丙酮酸激酶三级结构b-a-b环（模体）第47页/共90页（五）模体(motif)钙结合蛋白中结合钙离子的模体

锌指结构第48页/共90页三、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。三级结构是蛋白质具有活性的结构基础。（一）定义第49页/共90页

肌红蛋白(Mb)（外观三维立体图）（平面示意图图）第50页/共90页（二）稳定三级结构主要的化学键

疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。第51页/共90页第52页/共90页纤连蛋白分子的结构域（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，称为结构域(domain)。第53页/共90页钙肌蛋白C（TroponinC）结构与功能结构域1结构域2第54页/共90页钙肌蛋白C（TroponinC）结构与功能

钙肌蛋白C的两个结构域分别与钙肌蛋白I、T结合。当钙肌蛋白C与Ca2+结合时，结构发生改变，激发了肌肉的收缩。钙肌蛋白C第55页/共90页（四）分子伴侣（chaperon）

分子伴侣是一种引导蛋白质正确折叠的蛋白质。当蛋白质折叠时，它们能保护蛋白质分子免受其它蛋白质的干扰。 很多分子伴侣属于热休克蛋白（例如HSP-60），它们在细胞受热时大量合成。热激可导致蛋白质稳定性降低，增加错误折叠的几率，因此在受到热刺激时，细胞中的蛋白质需要更多热休克蛋白的帮助。第56页/共90页分子伴侣示意图侧面图俯视图第57页/共90页四、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，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。 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。 亚基之间的稳定力：主要是疏水作用力，其次是氢键和离子键等次级键。第58页/共90页血红蛋白的四级结构第59页/共90页蛋白质一至四级结构的关系一级结构二级结构三级结构四级结构第60页/共90页蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节第61页/共90页（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构与功能的关系牛核糖核酸酶的一级结构二硫键第62页/共90页

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性牛核糖核酸酶的变性与复性第63页/共90页（二）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)HbSβ肽链HbAβ肽链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”。一级结构关键部分相似，功能相似；一级结构关键部分改变，功能或活性改变。第64页/共90页正常红细胞与镰形红细胞的比较第65页/共90页蛋白质空间相似，功能相似；蛋白质空间结构改变，活性改变；蛋白质的空间结构破坏，活性丧失。二、蛋白质空间结构与功能的关系第66页/共90页肌红蛋白与血红蛋白的结构第67页/共90页疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病第68页/共90页天冬氨酸-氨甲磷酸转移酶变构激活示意图无活性构象变构激活后构象第69页/共90页第四节蛋白质的理化性质与分离纯化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein第70页/共90页（一）蛋白质的两性电离一、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。第71页/共90页蛋白质的两性解离性PrNH2COOHPrNH3+COO-pH=pIpH>pI+OH-+H++OH-+H+pH<pI兼性离子阳离子阴离子PrNH2COO-PrNH3+COOH第72页/共90页（一）蛋白质的两性电离一、理化性质蛋白质的等电点：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(isoelectricpoint,pI)

。第73页/共90页一、理化性质（二）蛋白质的胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。蛋白质具有胶体性质：不能透过半透膜、电泳现象、丁达尔现象、布朗运动等。第74页/共90页蛋白质不能透过半透膜的应用——透析透析装置血液透析仪原理第75页/共90页电泳现象的应用——蛋白质的分离血清蛋白质聚丙烯酰胺凝聚圆盘电泳图谱第76页/共90页一、理化性质（二）蛋白质的胶体性质蛋白质胶体能稳定存在的主要因素：颗粒表面的电荷颗粒表面的水化膜第77页/共90页+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉第78页/共90页（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固1.蛋白质的变性(denaturation)

在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。一、理化性质第79页/共90页

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，即蛋白质的肽键没有被破坏。

造成变性的因素物理因素：如加热、紫外线、微波等化学因素：有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。一、理化性质（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固第80页/共90页

蛋白质变性应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。

一、理化性质（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固第81页/共90页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)

。一、理化性质（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固第82页/共90页

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠