生物化学课件：第01章蛋白质的结构与功能（12医本）

1、蛋白质的结构与功能,第一章,Structure and Function of Protein,什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由氨基酸构成的具有特定空间结构的、并具有一定生物功能的大分子有机化合物。 蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生命的物质基础。,蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein,第一节,蛋白质的生物学重要性,分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,1. 蛋白质是生物体重要组成成分,作为生物催

2、化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能,总特点：普遍存在、含量高、种类繁多、功能多样,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 。,2008年10月29日，孩子出院时，B超显示双肾结石，一个1.1cm，一个0.9cm。“比入院时还要大了！ .,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，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：,100克样品中蛋白质的

3、含量 (g %) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%,蛋白质元素组成的特点,一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于L-氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但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）。,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,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、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,记忆：色老笨只可意会不可言传,(四)侧链含负性解离基

4、团的氨基酸是酸性氨基酸,记忆：天上的谷子很酸,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,少数的蛋白质还存在一些上述20种基本氨基酸外的氨基酸: 如羟脯氨酸、羟赖氨酸、胱氨酸、四碘甲腺原氨酸（甲状腺素） 非蛋白质氨基酸：如-丙氨酸、D-苯丙氨酸、同型半胱氨酸、瓜氨酸、 鸟氨酸等,几种特殊氨基酸, 半胱氨酸,胱氨酸,pH=pI,pHpI,pHpI,兼性离子,两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质,（一）氨基酸具有两性解离的性质,（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质,芳香族氨基酸的紫外吸收,（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物,氨基酸与

5、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。,四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽,肽键(peptide bond)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。,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide),早在18901910年间，德国化学家E.Fisher证实蛋白质的氨基酸相互结合而成肽,+,肽键的形成,甘氨酸,甘氨酸,甘氨酰甘氨酸,肽链的两个末端,肽键,肽(peptide) 肽键( peptide bond) 寡肽(oligopeptide) 多肽(pol

6、ypeptide) 多肽链( polypeptide chanin ） 氨基酸残基(residue) 肽链两端,一组概念：,人体内具有特殊生物活性的肽类，如：,谷胱甘肽（glutathione，GSH）,谷胱甘肽的结构,谷胱甘肽参加的反应及功能,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,寡肽、多肽类激素,神经肽中有一些是多肽,促甲状腺素释放激素、催产素、加压素等,在神经传导过程中起信号转导作用,蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein,第二节,蛋白质的分子结构包括:,一级结构(primary structure) 二级结构(secondary struct

7、ure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),例：,1952年，丹麦科学家Linderstrom-Lang建议将蛋白复杂的分子结构分成：,什么是？,多肽链中从NC端氨基酸的排列顺序。,主要的化学键,肽键,有些蛋白质还包括二硫键,一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质 的一级结构,1953年，英国化学家F.sanger测定：,一级结构的阐明具有重要意义：,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增加。 国际互联网有若干重要的蛋白质数据

8、库，例如 EMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library） Genbank （Genetic Sequence Databank） PIR（Protein Identification Resource Sequence Database） 收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。,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，不涉及氨基酸残基侧链的构象 。 (所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、 C（-碳原子）和Co（羰基碳）3个原子依次重复排列),(关键词

9、:主链、肽段、局部),什么是？,二级结构的主要化学键,氢键,二级结构的基本单位,肽单元,二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 二级结构,二级结构的基础肽单元(peptide unit) 的说明：,C1和C2为反式(trans)构型,O和H也是反式构型。,肽键键长0.132nm,0.149 nm,0.127 nm ,C与羰基Co和N相连的单键能自由旋转，角度为 、 ,该旋转角度决定了相邻2肽单元的相对空间位置。,C1、C、O、N、H、C2 6个原子在同一平面,称为肽键平面。,（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上,20世纪30年代末，L.Pauling和Corey应用X-射线技术研究氨基酸和寡肽晶

10、体结构获得键长、角数据，推导出肽的构想，提出：,相邻2肽单元（肽键平面）的相对空间位置,酰胺平面-1,酰胺平面-2,-螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil),（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构,蛋白质二级结构,外观：右手螺旋（顺）。,-螺旋结构要点：,-螺旋 ( -helix ),螺距：3.6个氨基酸、0.54nm。,维持因素：氢键。,R基团的位置：螺旋外侧， R基团影响-螺旋的形成。,肽段折纸状、锯齿状，相对伸展。,-折叠结构要点：,-折叠 ( -pleated sheet ),几个肽段顺向平行、反

11、向平行0.70nm。,维持因素：氢键。,R基团的位置：锯齿的上下方。,4个氨基酸残基 第二个常为脯氨酸 180回折 氢键维持,-转角结构要点：,无规卷曲：,-转角和无规卷曲,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,（五）模体是具有特殊功能的超二级结构,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，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。,二级结构组合形式有3种：， 。,超二级结构,二个或三个二级结构 空间上靠近 特殊的构象 特殊的功能,模体(motif),定义,举例,模体是具有特殊功能的超二级结构。,（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响,蛋

12、白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链（如电荷、大小、形状）适合形成-螺旋或-折叠，它就会出现相应的二级结构。,疏水键、离子键、氢键、 Van der Waals力等。,整条肽链 全部氨基酸 所有原子,什么是？,主要的化学键：,三维空间的位置排布,三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构,（一）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,结构域：,三级结构中、分割成折叠较为紧密且稳定的区域，各行使其功能。 结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构。,（三）分子伴侣(chaperon),（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区

13、,四级结构,亚基 (subunit),维持因素,各亚基的空间排布 亚基间相互作用关系,四级结构中每条具有完整三级结构的多肽链,离子键、氢键 不包括共价键,四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构,由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。,血红蛋白的四级结构,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,定义,肽键,氨基酸残基,基本单位,主要键,备注,模体,肽单元,整条肽链,亚基,氢键,疏离氢Van,离氢,结构域,亚基,蛋白质结构层次比较,五、蛋白质的分类,根据蛋白质组成成分:,根据蛋

14、白质形状:,六、蛋白质组学,问题：,如何理解L-氨基酸的结构特征 多肽链怎么形成？叙述GSH的结构特点及功能 讲讲你对蛋白质的一、二、三及四级结构划分的理解，形成原因？,蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein,第三节,一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础,（一）一级结构是空间构象的基础,（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息,一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。,（四）重要蛋

15、白质的氨基酸序列改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响 亚基与氧结合,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响 亚基与氧结合,二、蛋白质的功能依赖特定空间结构,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响 亚基与氧结合,X-射线衍射法分析：,O与Hb各亚基结合可能性 ：,第一个氧分子与Fe2+结合,Fe2+半径变小，进入卟啉平面,牵动F8组aa残基,牵动其它亚基,Hb由T型变R型,第二亚基结合氧的速度,第三亚基结合氧的速度,第四亚基结合氧的速度,Hb结合氧的过程：,别构效应(alloste

16、ric effect):,正协同效应 负协同效应,蛋白质空间结构的改变引起其功能的变化。,别构效应剂/配体 协同效应(cooperativity),几个概念：,蛋白质构象疾病：蛋白质的折叠错误构象改变 影响功能导致疾病。,发病机理：蛋白质错误折叠相互聚集，形成抗蛋白 水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性。,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。,（三）蛋白质构象改变可引起疾病,第四节,蛋白质的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白质具有两性电离的性质,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残

17、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。,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。,蛋白质的等电点( isoelectric point, pI),二、蛋白质具有胶体性质,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1100nm，为胶粒范围之内。,颗粒表面电荷 水化膜,蛋白质胶体稳定的因素:,三、蛋白质空间结构破坏而引起变性,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

18、失。,蛋白质的变性(denaturation),造成变性的因素: 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,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。,应用举例:,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) 。,在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,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。,蛋白质沉淀,蛋白质的凝固作用(protein coagulation),四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量,茚三酮反应(ninhydrin reaction),双缩脲反应(biuret reaction),第五节,