蛋白质结构和功能

第一节蛋白质在生命活动中的重要功能

一、蛋白质--生命的主要物质基础

1.普遍存在:病毒,细菌、动植物

2.含量最多:人体干重45%

3.种类最多:大肠杆菌(5千)

细胞(千-万)、人(10万)

4.承担几乎所有及复杂的功能1当前第1页\共有108页\编于星期六\11点二、蛋白质的生理功能

1.催化:酶

(碳酸酐酶，DNA聚合酶)2.调节:激素(胰岛素)3.保护和支持:胶原蛋白,角蛋白,弹性蛋白

4.运输:Hb,载脂蛋白,运铁蛋白

5.储存和营养:肌红蛋白,铁蛋白,

酪蛋白,白蛋白

6.收缩和运动:肌动球蛋白2当前第2页\共有108页\编于星期六\11点7.防御:免疫球蛋白

8.识别:受体(糖蛋白,质膜,胞内)9.信息传递:G蛋白(跨膜信号传递)10.基因调控:组蛋白,非组蛋白

11.凝血:(抗)凝血因子

12.其它:缓冲,渗透压,促分裂/分化,

调节细胞周期,临床诊断3当前第3页\共有108页\编于星期六\11点一、蛋白质的元素组成1.主要元素：C、H、O、N、S

稀有元素：P、Fe、Zn、Mn、Cu、I等第二节蛋白质的分子组成4当前第4页\共有108页\编于星期六\11点2.特点：N含量恒定；平均16%

1克N=6.25克蛋白质

应用：凯氏定氮法测蛋白质含量二、蛋白质的分子组成氨基酸--蛋白质的构件分子:

(buildingblockmolecule)

L-α氨基酸(aminoacid,aa)5当前第5页\共有108页\编于星期六\11点CHCOOHNH2

R(α-羧基)(α-氨基）（侧链）L-α氨基酸CHOHOCHCH2OHL-甘油醛6当前第6页\共有108页\编于星期六\11点组成蛋白质的氨基酸--20种(自然界300多)

受遗传密码控制，无种族,个体差异

结构特点：

*除Gly(甘)外，均为L-α氨基酸*Pro(脯)为亚氨基酸(p8,表2-3)*R基团差别--aa分类的基础7当前第7页\共有108页\编于星期六\11点(一)氨基酸的分类：

1.根据R基团分类：

脂肪族(15种)支链--ArgThrValLeuILe

直链--AspAsnGluGlnLys

芳香族(2种)：TyrPhe

杂环族(3种)：HisProTrp

SerCysGlyAlaMet8当前第8页\共有108页\编于星期六\11点咪唑基吲哚环HH2N

C

COOHR苯环9当前第9页\共有108页\编于星期六\11点*结构特点(20种aa的R基团)：1.苯环:Phe2.酚羟基:Tyr3.吲哚环:Trp4.羟基:SerThr5.硫:CysMet6.胍基:Arg7.咪唑基:His

R基团大小,形状,极性空间结构和功能影响10当前第10页\共有108页\编于星期六\11点咪唑基吲哚环HH2N

C

COOHR苯环胍基11当前第11页\共有108页\编于星期六\11点2.根据酸碱性分类:

中性氨基酸:1个–COOH、1个-NH2(中性极性、中性非极性)

酸性氨基酸:2个–COOH、1个-NH2Asp,Glu

碱性氨基酸:1个–COOH、2个碱性基团

(氨基、胍基、咪唑基)

Lys,Arg,

His

12当前第12页\共有108页\编于星期六\11点咪唑基胍基吲哚环HH2N

C

COOHR13当前第13页\共有108页\编于星期六\11点

3.医学营养学分类:

营养非必需氨基酸(12种)

(Lys,Trp,Phe,Met,Leu,Ile,Val,Thr)

营养必需氨基酸

(8种)*氨基酸营养学分类的临床应用14当前第14页\共有108页\编于星期六\11点

4.特殊氨基酸(非编码aa,AUG--Met)

-羧基谷氨酸--Glu羧化

(凝血因子)

胱氨酸--2分子Cys氧化

羟脯氨酸--Pro羟化

羟赖氨酸--Lys羟化(胶原分子结构稳定)胶原蛋白15当前第15页\共有108页\编于星期六\11点16当前第16页\共有108页\编于星期六\11点(二)氨基酸理化性质

1.两性电离和等电点(pI)*两性电离:

羧基和氨基均能在水溶液中电离(+/-)R–CH–COOH(COO-)

NH2(NH3+)17当前第17页\共有108页\编于星期六\11点

R-CH-COO-R-CH-COO-R-CH-COOHpH=pIpH<pIpH>pIH+H+0H-0H-NH2NH3+NH3+*等电点(isoelectricpoint,pI):

分子呈电中性状态时溶液的pH值18当前第18页\共有108页\编于星期六\11点*两性电离性质和氨基酸分离(离子交换)：

pH<pI氨基酸(+)

pH>pI氨基酸(-)

19当前第19页\共有108页\编于星期六\11点2.紫外吸收

芳香族aa(Tyr、Phe、Trp)--共轭双键

吸收峰：波长260-280nm应用：蛋白质定性、定量20当前第20页\共有108页\编于星期六\11点121当前第21页\共有108页\编于星期六\11点H2N-CH-COOH+HN-CH-COOHR1HR2H2N-CH-C-N-CH-COOH+H2OR1HOR2αα肽键3.脱水成肽反应(加热,酶,肽键)22当前第22页\共有108页\编于星期六\11点第三节蛋白质的分子结构

一、肽键与肽

1.肽键(peptidebond)

连接两个氨基酸的酰胺键蛋白质分子中主要共价键,性质稳定23当前第23页\共有108页\编于星期六\11点CHCOOH

NH2

R1COOHCHH2NR2NH2CHR1OCNHCHCOOHR2肽键24当前第24页\共有108页\编于星期六\11点2.肽键特点：单键形式，部分双键性质难以旋转,有刚性肽键平面25当前第25页\共有108页\编于星期六\11点

由肽键两端的6个原子组成（C=O、N-H

相邻氨基酸的R基团呈反式构型

图2-2形成肽键复杂的空间结构及两个Cα),空间位置在一个平面上

3.肽键平面

26当前第26页\共有108页\编于星期六\11点*Cα-N，Cα-C之间键能自由旋转*肽键—

难以旋转227当前第27页\共有108页\编于星期六\11点

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO28当前第28页\共有108页\编于星期六\11点

(1)*氨基酸通过肽键相连的化合物*蛋白质水解不完全的产物(2)氨基酸残基(aminoacidresidues)(3)开链肽:N末端(左,H),自N端编号

C末端(右,OH)

环肽：(4)多肽(>10肽)、寡肽(<10肽)、

4.肽29当前第29页\共有108页\编于星期六\11点CHCOOH

NH2

R1COOHCHH2NR2NH2CHR1OCNHCHCOOHR2肽键肽N-(H)羧基端C-(OH)氨基端30当前第30页\共有108页\编于星期六\11点

5.重要生理功能/结构特殊的肽

(1)GSH(RBC中,保护膜结构,还原酶蛋白)

(p11)

(2)TRH(促甲状腺素释放激素)(p11)

6.多肽与蛋白质区别

(1)氨基酸残基数(多肽<50,蛋白质>100)

(2)空间结构(蛋白质严密,稳定)

31当前第31页\共有108页\编于星期六\11点GluCysGlyαγγ32当前第32页\共有108页\编于星期六\11点TRHαNCGluHisPro焦谷氨酸33当前第33页\共有108页\编于星期六\11点甲状腺激素分泌的调节

下丘脑

腺垂体甲状腺

靶细胞++TRHTSH甲状腺激素34当前第34页\共有108页\编于星期六\11点

二、蛋白质分子结构及其规律性大分子(原子氨基酸多肽链)●四个结构层次(一四级结构)*空间结构（二、三、四级结构）*超二级结构和结构域(二和三级之间)(表2-5)35当前第35页\共有108页\编于星期六\11点(一)蛋白质的一级结构(primarystructure)

1.定义：多肽链中氨基酸序列

●

维系键--肽键、(二硫键)

一级结构--蛋白质基本结构

(不同一级结构不同蛋白质)36当前第36页\共有108页\编于星期六\11点一级结构测定方法:氨基酸序列分析仪(p12,图2-3)37当前第37页\共有108页\编于星期六\11点*新发现蛋白质鉴定:全部/部分一级结构例：牛胰岛素,牛核糖核酸酶,载脂蛋白B100*病理性蛋白质鉴定:HbAHbS一级结构--鉴别不同蛋白质最基本,最重要的标志38当前第38页\共有108页\编于星期六\11点●一级结构

--空间结构和生理功能的基础

影响图2-4，2-5(p14)(124aa)2.一级结构举例:牛胰岛素,牛核糖核酸酶*R大小、性质空间结构*一级结构空间结构生理功能39当前第39页\共有108页\编于星期六\11点咪唑基吲哚环HH2N

C

COOHR苯环胍基40当前第40页\共有108页\编于星期六\11点

(二)蛋白质的二级结构(secondstructure)

1.定义：多肽链中相邻aa残基形成的局部空间结构，

其主链原子(C=O,N-H,Cα)的局部空间排布

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO41当前第41页\共有108页\编于星期六\11点

α螺旋、β折叠、β转角、π-螺旋、随意卷曲

2.形式：*氢键维系(周期性出现的、有规则的、二级结构单元)42当前第42页\共有108页\编于星期六\11点3.α螺旋(α-helix)基本特点:图2--7a.肽链骨架--肽键上C、N及aa残基上Cα，顺时针(NC),右手螺旋

b.3.6aa/螺旋,螺距0.54nm

c.氢键的形成--上下两个相邻α螺旋之间

(aa1)C=O---H-N(aa5)(图2-7)43当前第43页\共有108页\编于星期六\11点

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO44当前第44页\共有108页\编于星期六\11点NC45当前第45页\共有108页\编于星期六\11点氢键NC氢键46当前第46页\共有108页\编于星期六\11点d.氢键--与螺旋纵轴平行(3个/相邻螺旋)(α螺旋的主要稳定因素)

e.侧链基团(R)位置--螺旋外

(不参与螺旋组成,但影响螺旋形成与稳定)

f.α螺旋--稳定的蛋白质空间构象

(也是最稳定的二级结构)

g.在不同蛋白质中所占比例不同(角蛋白,小分子)(ppt12)47当前第47页\共有108页\编于星期六\11点4.β-折叠或β-片层(pleatedsheetstructure)

比较伸展的肽链空间结构

基本特征:

a.肽键平面之间成锯齿状(110度)b.氢键维系

图2-9b图2-9a48当前第48页\共有108页\编于星期六\11点

大多数球蛋白:含α螺旋和β-折叠949当前第49页\共有108页\编于星期六\11点

a.“U”型结构(肽链1800回折)

b.氢键:(aa1)C=O---H-N(aa4)

(结构较α螺旋紧密)

c.位于球蛋白分子表面

5.β-转角(β-turn)(是蛋白质活性的主要结构部位)50当前第50页\共有108页\编于星期六\11点51当前第51页\共有108页\编于星期六\11点6.π-螺旋(π-helix)a.左手螺旋，4.4个aa残基/螺旋b.氢键维系c.多见于胶原蛋白

三股左手螺旋右手超螺旋胶原纤维盘绕缩合52当前第52页\共有108页\编于星期六\11点1153当前第53页\共有108页\编于星期六\11点7.随意卷曲(randomcoil)(1)各不相同,无共同规律的空间结构,

是蛋白质中一系列无序构象的总称

(属蛋白质分子的特征性二级结构)(2)普遍存在于天然蛋白质中54当前第54页\共有108页\编于星期六\11点氢键NC55当前第55页\共有108页\编于星期六\11点

关于一级和二级结构的关系：

一级结构二级结构/其它空间结构不同的R基团对α螺旋，折叠形成时的影响:决定R：相同(-/+)相斥α螺旋稳定性R:大侧链(空间位阻大)随意卷曲R:胶原蛋白(空间位阻小)三股超螺旋(甘,脯,羟脯)56当前第56页\共有108页\编于星期六\11点(三)蛋白质的超二级结构和结构域

(supersecondarystructureanddomain

)

1.超二级结构:

多肽链上二级结构单元有规律地聚集图2-12形成αα，βββ，βαβ等结构57当前第57页\共有108页\编于星期六\11点1258当前第58页\共有108页\编于星期六\11点

2.结构域:在蛋白质空间结构中:

超二级结构进一步

形成一明显区域集结*是蛋白质分子中一个功能单位(功能域)图2-13*40-400氨基酸组成*由DNA链上基因的不同外显子编码59当前第59页\共有108页\编于星期六\11点辅酶/底物1360当前第60页\共有108页\编于星期六\11点外显子内含子5’3’3’61当前第61页\共有108页\编于星期六\11点例:膜受体--膜外(N),膜内,胞内结构域(C)

结构域重要性:

*蛋白质的功能单位，二级与三级结构之间的重要中间层次

*结构相对较小，容易研究

(亲水aa)(疏水aa)(亲水aa)(图)62当前第62页\共有108页\编于星期六\11点63当前第63页\共有108页\编于星期六\11点(四)蛋白质的三级结构(tertiarystructure)

中所有氨基酸残基形成的全部空间结构

二级，超二级盘曲,折叠不同形状蛋白分子图2-14a整条多肽链(包括相距甚远的主链及其侧链)(一级甚远,空间很近)1.定义：64当前第64页\共有108页\编于星期六\11点65当前第65页\共有108页\编于星期六\11点2.特点：

*三级结构可以是球、椭圆、棒、纤维状等

*可形成亲水表面和疏水内核

*表面也可形成“沟”“穴”(结合辅助因子)

肌红蛋白-血红素(Fe2+)

酶-底物

抗原-抗体

(空间结构镶嵌,互补)(图)(图)66当前第66页\共有108页\编于星期六\11点辅酶/底物1367当前第67页\共有108页\编于星期六\11点3.肌红蛋白(球状,一条链,153aa,8段)

4.重要性一级结构三级结构生物活性

三级结构：蛋白质分子最显著特征之一(稳定的空间结构)图2-1468当前第68页\共有108页\编于星期六\11点*α螺旋:A-H,转角/随意卷曲:AB,CD(8段)69当前第69页\共有108页\编于星期六\11点(五)蛋白质的四级结构(quaternarystucture)1.定义：

2.亚基(subunit):

四级结构中，每个各具独立的三级结构

定方式排列形成最高层次的分子空间构象几个各具独立的三级结构相互集结，以特

70当前第70页\共有108页\编于星期六\11点

特点：*

亚基单独存在无活性

*分子量大/具调节功能蛋白质四级结构

(蛋白质并非都具四级结构)三级结构生物活性

*亚基间以次级键相连(盐键为主)71当前第71页\共有108页\编于星期六\11点*

大多形成亲水表面，疏水内核*

亚基偶数,、、摧化,调节(酶,PKA,p324)

*免疫球蛋白(二硫键,四条链)胰岛素(二硫键，二条链)不属四级结构图2-18(图)(图)72当前第72页\共有108页\编于星期六\11点例:Hb

图2-18α×2，141个aa×2，146个aa

亚基(血红素-Fe2+)

八个盐键,众多氢键

873当前第73页\共有108页\编于星期六\11点

催化底物蛋白磷酸化(PKA)1774当前第74页\共有108页\编于星期六\11点75当前第75页\共有108页\编于星期六\11点

空间结构测定方法:

X射线蛋白质晶体衍射

衍射图(X光片)（3D）X-线衍射,圆二色性76当前第76页\共有108页\编于星期六\11点(六)维系蛋白质空间构象的次级键一级结构---共价键(肽键、二硫键)

空间结构---次级键、二硫键

次级键---键能较低，稳定性差的化学键，包括：氢键(二级)、疏水键(三级)、盐键(四级)Vanderwaals引力图2-1977当前第77页\共有108页\编于星期六\11点1978当前第78页\共有108页\编于星期六\11点(七)二硫键(disulfidebond)*共价键,部分蛋白质中*(一/二条多肽链上)两分子Cys氧化脱氢生成

*作用:

加固由次级键维系的空间结构，进一步稳定蛋白质构象和生理功能

胰岛素-3对核糖核酸酶-4对(图2-4,5,p14)

二硫键断裂空间结构破坏

(图)79当前第79页\共有108页\编于星期六\11点80当前第80页\共有108页\编于星期六\11点氨基酸序列(一级结构)蛋白质空间结构蛋白质功能密切相关基础(一)一级结构是空间结构的基础：一、蛋白质一级结构与功能的关系第四节蛋白质结构与功能的关系图2-2381当前第81页\共有108页\编于星期六\11点2382当前第82页\共有108页\编于星期六\11点

核糖核酸酶8M尿素巯基乙醇空间结构破坏生物活性丧失空间结构恢复

生物活性恢复(一级结构仍存在)一级结构是空间结构的基础图2-23空间结构是生物活性的关键83当前第83页\共有108页\编于星期六\11点(二)蛋白质一级结构与功能的关系

结构相(不)同，功能相(不)同

结构相似，功能相似*人、猪、牛、羊胰岛素

相似--2条链,aa数目,二硫键位置

差别--个别氨基酸84当前第84页\共有108页\编于星期六\11点非关键部位aa残基差异，不影响生物活性*不同个体同一蛋白的氨基酸亦有差异#

甘氨酸丙氨酸#

脂肪族芳香族85当前第85页\共有108页\编于星期六\11点

正常人Hb(HbA)：β链,N端,Glu(aa6)

镰状Hb（HbS）:β链,N端,Val(aa6)

HbS携氧能力,缺氧镰刀状，脆性，溶血关键部位aa残基改变功能改变(分子病)*关键部位氨基酸改变：86当前第86页\共有108页\编于星期六\11点

结构与功能的统一蛋白质最重要的特征结构是功能的基础功能是结构的表现87当前第87页\共有108页\编于星期六\11点一级结构与功能关系的复杂性

不同生物体：生理功能相同的蛋白质

一级结构可以相似，也可相差很大例：细菌和小鼠DNA聚合酶88当前第88页\共有108页\编于星期六\11点3’5’5’3’

外切酶聚合酶NC5’3’外切酶

真核细胞DNA聚合酶

五种:DNA聚合酶αDNA聚合酶δ和PCNADNA聚合酶γDNA聚合酶β、ε合成随从链合成前导链合成线粒体DNADNA修复大肠杆菌DNA聚合酶89当前第89页\共有108页\编于星期六\11点(三)空间结构和功能的关系1、特定构象特定性质特定功能螺旋

--稳定,坚韧,弹性--角蛋白(指甲,毛发)三股超螺旋

--稳定,抗张力--胶原蛋白(肌腱,韧带)-片层

--可伸展--丝心蛋白(蚕丝)

亲水侧—

组成离子通道疏水侧—

固定于质膜上α螺旋

—(π螺旋)

(膜通道蛋白)图2-2090当前第90页\共有108页\编于星期六\11点2091当前第91页\共有108页\编于星期六\11点Mb和Hb:(空间结构和功能关系的典型例证)结构：Mb–

三级结构，单链

Hb–

四级结构，4亚基(α2,2)

*Mb与Hb亚基相似均能可逆与O2结合*Mb(三级),

Hb(四级)

结合特性上差异结构相似功能相同，结构差异功能不同Mb-直角双曲线,Hb-S状曲线图2-1692当前第92页\共有108页\编于星期六\11点1693当前第93页\共有108页\编于星期六\11点94当前第94页\共有108页\编于星期六\11点

2.构象改变功能改变(别构)

蛋白质构象、活性、功能改变*别构作用(allostericeffect)

结合生理小分子—

某一亚基(四级结构)改变亚基间接触/排列(松/紧)95当前第95页\共有108页\编于星期六\11点

亚基间的盐键断裂构象轻微改变（紧密T型松弛R型）