蛋白质结构与功能

第一节生物化学发展简史一、叙述生物化学阶段（18世纪中－19世纪末）研究生物体的化学组成二、动态生物化学阶段（20世纪初期－末）营养学、内分泌、酶学、物质代谢三、分子生物化学阶段（20世纪末－）

DNA双螺旋结构发现、DNA克隆、基因组学及其他组学的研究

当前第1页\共有92页\编于星期六\11点第二节生物化学研究的主要内容当前第2页\共有92页\编于星期六\11点１．生物分子的结构与功能当前第3页\共有92页\编于星期六\11点2．物质代谢及其调节当前第4页\共有92页\编于星期六\11点3.基因信息传递及其调控当前第5页\共有92页\编于星期六\11点第一篇生物大分子的结构与功能授课教师：盛健当前第6页\共有92页\编于星期六\11点第一章蛋白质的结构与功能当前第7页\共有92页\编于星期六\11点一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。当前第8页\共有92页\编于星期六\11点二、蛋白质的生物学重要性1.是生物体重要组成成分分布广含量高2.具有重要的生物学功能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3.氧化供能当前第9页\共有92页\编于星期六\11点蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节当前第10页\共有92页\编于星期六\11点组成元素主要有C、H、O、N和S

少量磷、硒、铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。当前第11页\共有92页\编于星期六\11点各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%元素组成的特点当前第12页\共有92页\编于星期六\11点一、氨基酸(aminoacid)（一）氨基酸的结构特点20种L-α-氨基酸（甘氨酸除外）当前第13页\共有92页\编于星期六\11点H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H当前第14页\共有92页\编于星期六\11点氨基酸的旋光异构当前第15页\共有92页\编于星期六\11点非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸的分类当前第16页\共有92页\编于星期六\11点(一)非极性脂肪族氨基酸当前第17页\共有92页\编于星期六\11点(二)极性中性氨基酸当前第18页\共有92页\编于星期六\11点(三)芳香族氨基酸当前第19页\共有92页\编于星期六\11点(四)酸性氨基酸(五)碱性氨基酸目录当前第20页\共有92页\编于星期六\11点特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸）当前第21页\共有92页\编于星期六\11点

半胱氨酸

+胱氨酸二硫键-HH当前第22页\共有92页\编于星期六\11点三、氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点等电点(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。当前第23页\共有92页\编于星期六\11点pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子当前第24页\共有92页\编于星期六\11点2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。当前第25页\共有92页\编于星期六\11点3.氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物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。当前第26页\共有92页\编于星期六\11点四、肽肽键(peptidebond)

（一）肽(peptide)*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。当前第27页\共有92页\编于星期六\11点+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键当前第28页\共有92页\编于星期六\11点肽氨基酸残基(residue)寡肽(oligopeptide)多肽(polypeptide)*由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全。当前第29页\共有92页\编于星期六\11点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的两端*许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。多肽链(polypeptidechain)

当前第30页\共有92页\编于星期六\11点N末端C末端牛核糖核酸酶当前第31页\共有92页\编于星期六\11点（二）生物活性肽谷胱甘肽(γ-GSH)当前第32页\共有92页\编于星期六\11点GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换当前第33页\共有92页\编于星期六\11点神经肽多肽类激素及神经肽当前第34页\共有92页\编于星期六\11点蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节当前第35页\共有92页\编于星期六\11点一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构（空间构象）当前第36页\共有92页\编于星期六\11点定义蛋白质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、二硫键

当前第37页\共有92页\编于星期六\11点一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。当前第38页\共有92页\编于星期六\11点二、蛋白质的二级结构蛋白质分子中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

当前第39页\共有92页\编于星期六\11点（一）肽单元(peptideunit)参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，构成肽单元。当前第40页\共有92页\编于星期六\11点肽键有部分双键性质1）肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转2）肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面3）相邻的a碳原子呈反式构型当前第41页\共有92页\编于星期六\11点

（二）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)当前第42页\共有92页\编于星期六\11点1、-螺旋当前第43页\共有92页\编于星期六\11点当前第44页\共有92页\编于星期六\11点-螺旋特征是：

①为右手螺旋(氨基酸侧链伸向螺旋外侧)；②每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；③氢键稳固α—螺旋结构，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。当前第45页\共有92页\编于星期六\11点2、-折叠当前第46页\共有92页\编于星期六\11点-折叠的特征：①较伸展，呈锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方；②两条以上肽链结构可平行排列，走向可相同，也可相反；③肽链间的氢键稳固其结构。当前第47页\共有92页\编于星期六\11点3、β—转角

常发生于肽链进行180°回折时的转角上。4、无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。

由4个氨基酸残基组成，氢键维系稳定当前第48页\共有92页\编于星期六\11点（三）模体(motif)在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象。在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合。二级结构组合形式有：αα，βαβ，ββ。超二级结构模体---是具有特殊功能的超二级结构当前第49页\共有92页\编于星期六\11点

当前第50页\共有92页\编于星期六\11点钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构当前第51页\共有92页\编于星期六\11点三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子的空间排布。（一）定义当前第52页\共有92页\编于星期六\11点当前第53页\共有92页\编于星期六\11点肌红蛋白(Mb)N端

C端当前第54页\共有92页\编于星期六\11点纤连蛋白分子的结构域

（二）结构域(domain)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。当前第55页\共有92页\编于星期六\11点（三）分子伴侣通过提供一个保护环境从而帮助新生多肽链正确折叠成天然构象或形成四级结构的蛋白质。

作用机制：与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开；诱导错误聚集的肽段解聚；诱导二硫键的形成。

当前第56页\共有92页\编于星期六\11点伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用当前第57页\共有92页\编于星期六\11点主要的化学键：疏水作用、氢键和离子键四、蛋白质的四级结构含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每一条具有完整三级结构的多肽链。蛋白质的亚基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。蛋白质的四级结构当前第58页\共有92页\编于星期六\11点血红蛋白的四级结构

当前第59页\共有92页\编于星期六\11点当前第60页\共有92页\编于星期六\11点纤连蛋白分子当前第61页\共有92页\编于星期六\11点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肽链卷曲与折叠Primary

structureSecondary

structure当前第62页\共有92页\编于星期六\11点蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构蛋白质的四级结构是亚基的空间排列Polypeptide

(singlesubunit

oftransthyretin)Transthyretin,withfour

identicalpolypeptidesubunitsTertiary

structureQuaternary

structure当前第63页\共有92页\编于星期六\11点五、蛋白质的分类根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分根据蛋白质形状:纤维状蛋白质---多为结构蛋白质球状蛋白质---多为具生理活性的蛋白质当前第64页\共有92页\编于星期六\11点六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。当前第65页\共有92页\编于星期六\11点（二）蛋白质组学研究技术平台蛋白质组学是高通量，高效率的研究:双向电泳分离样品蛋白质蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析（三）蛋白质组学研究的科学意义当前第66页\共有92页\编于星期六\11点蛋白质结构与功能的关系第三节当前第67页\共有92页\编于星期六\11点（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当前第68页\共有92页\编于星期六\11点天然状态，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，无活性当前第69页\共有92页\编于星期六\11点（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla当前第70页\共有92页\编于星期六\11点（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息当前第71页\共有92页\编于星期六\11点（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病例：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)

由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。当前第72页\共有92页\编于星期六\11点肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构二、蛋白质的功能依赖于特定空间结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似当前第73页\共有92页\编于星期六\11点肌红蛋白(Mb)当前第74页\共有92页\编于星期六\11点血红蛋白(Hb)当前第75页\共有92页\编于星期六\11点（二）血红蛋白的构象变化与结合氧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。正协同效应负协同效应

当前第76页\共有92页\编于星期六\11点当前第77页\共有92页\编于星期六\11点变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。当前第78页\共有92页\编于星期六\11点（三）蛋白质构象改变与疾病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，影响其功能，严重时导致疾病发生。包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。当前第79页\共有92页\编于星期六\11点疯牛病是由朊病毒蛋白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-折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变当前第80页\共有92页\编于星期六\11点第四节蛋白质的理化性质当前第81页\共有92页\编于星期六\11点一、蛋白质的两性电离蛋白质的等电点(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。当前第82页\共有92页\编于星期六\11点二、蛋白质的胶体性质分子量自1万至100万，直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜当前第83页\共有92页\编于星期六\11点+++++++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