生物化學(xué)：第1章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能3

1、（Biochemistry） n蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括: 高級高級 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)(primary structure) 二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure) 三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure) 四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure) The structure of myoglobin. lMyoglobin: l8-helices. Fibrous proteins (1) Keratin (角蛋白角蛋白) ：- 角蛋白角蛋白 特點特點： 每3.6個氨基酸殘 基螺旋上升一圈， 螺距0.54nm

2、氨基酸側(cè)鏈位于 螺旋外側(cè)，影響- 螺旋的形成 每個肽鍵的N-H 與相鄰第4個肽鍵的 羰基O形成氫鍵 -折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu) The - conformation of polypeptide chains. Fibroin (絲心蛋白)： 天然的 角蛋白 Fibrous proteins (2) 結(jié)構(gòu)特點？結(jié)構(gòu)特點？ -轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在 -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部 分肽鏈結(jié)構(gòu)。分肽鏈結(jié)構(gòu)。 -turn -turn: -轉(zhuǎn)角 -turns 常見Pro

3、或 Gly 殘基 在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具 有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一 個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)。 二級結(jié)構(gòu)組合形式有二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：種：， 。 鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子 的模體的模體 鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu) -螺旋螺旋-轉(zhuǎn)角（或轉(zhuǎn)角（或 環(huán)）環(huán)）-螺旋模體螺旋模體 鏈鏈-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-鏈模體鏈模體 鏈鏈-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-螺旋螺旋- 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-鏈模體鏈模體 n模體常見的形式模體常見的形式 二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，

4、在空間上相互二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互 接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象，稱為接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象，稱為模體模體(motif) 。 模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu) （二）在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多肽鏈進一步（二）在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多肽鏈進一步 折疊形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)折疊形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu) 疏水鍵、離子鍵、氫鍵和疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等。力等。 n主要的化學(xué)鍵主要的化學(xué)鍵: 整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。 即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位

5、置。 n定義定義: 疏水鍵、離子鍵、氫鍵和疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等力等 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C 端端 纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū) 分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個結(jié)構(gòu)較為緊分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個結(jié)構(gòu)較為緊 密的區(qū)域，并各行其功能，稱為密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域 (domain) 。 亞基之間的結(jié)合主要是亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵氫鍵和和離子鍵離子鍵。 （三）含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)（三）含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì) 具有四級結(jié)構(gòu)具有四級結(jié)構(gòu)

6、蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接 觸部位的布局和相互作用，稱為觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級蛋白質(zhì)的四級 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。 有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈， 每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白 質(zhì)的質(zhì)的亞基亞基 (subunit)。 由由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子 結(jié)構(gòu)相同，稱之為結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體同二聚體(homodimer)，若亞基分，若亞基分 子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體異二聚體

7、(heterodimer)。 血紅蛋白的血紅蛋白的 四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu) 1.蛋白質(zhì)各級結(jié)構(gòu)的特點、維系鍵。蛋白質(zhì)各級結(jié)構(gòu)的特點、維系鍵。 2.天然蛋白質(zhì)要有活性必需具備完整的三級或四級結(jié)構(gòu)天然蛋白質(zhì)要有活性必需具備完整的三級或四級結(jié)構(gòu) 。 煙草花葉病毒（煙草花葉病毒（TMV）示意圖示意圖 由由2 130個相同亞基個相同亞基 構(gòu)成的螺旋對稱性柱形蛋構(gòu)成的螺旋對稱性柱形蛋 白質(zhì)外殼，緊密排列于一白質(zhì)外殼，緊密排列于一 含有含有6 390個核苷酸的單個核苷酸的單 鏈鏈RNA分子周圍。解離的分子周圍。解離的 TMV外殼亞基和外殼亞基和RNA，在在 合適的條件下能合適的條件下能自裝配自裝配成成 完整的完整

8、的TMV。 三、蛋白質(zhì)組學(xué)三、蛋白質(zhì)組學(xué) （一）蛋白質(zhì)組學(xué)基本概念（一）蛋白質(zhì)組學(xué)基本概念 蛋白質(zhì)組是指一種細胞或一種生物所表達的全部蛋白質(zhì)組是指一種細胞或一種生物所表達的全部 蛋白質(zhì)，即蛋白質(zhì)，即“一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)”。 （二）蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)平臺（二）蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)平臺 蛋白質(zhì)組學(xué)是高通量，高效率的研究蛋白質(zhì)組學(xué)是高通量，高效率的研究: : 雙向電泳分離樣品蛋白質(zhì)雙向電泳分離樣品蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)點的定位、切取蛋白質(zhì)點的定位、切取 蛋白質(zhì)點的質(zhì)譜分析蛋白質(zhì)點的質(zhì)譜分析 （三）蛋白質(zhì)組學(xué)研究的科學(xué)意義（三）蛋白質(zhì)組學(xué)研究的科學(xué)意義 氨基酸排列順序；肽鍵

9、、二硫鍵 主鏈骨架原子的相對空間位置；氫鍵；肽平面 形式-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲 motif概念、作用 三級結(jié)構(gòu)：三級結(jié)構(gòu)：全部氨基酸殘基的相對空間位置；次級鍵 domain 四級結(jié)構(gòu)：四級結(jié)構(gòu)：各個亞基的空間排布和相互作用；結(jié)合力 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 The Relation of Structure and Function of Protein 第第 三三 節(jié)節(jié) （一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ) 一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 （二）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（二）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 1.

10、 有完整一級結(jié)構(gòu)的多肽鏈可自發(fā)恢復(fù)結(jié)構(gòu)和活性 2. 一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)，其構(gòu)象及功能也相似 3. 分子病 天然狀態(tài)，天然狀態(tài)， 有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 非折疊狀態(tài)，無活性非折疊狀態(tài)，無活性 胰島素胰島素 氨基酸殘基序號氨基酸殘基序號 A5A6A10B30 人人ThrSerIleThr 豬豬ThrSerIleAla 狗狗ThrSerIleAla 兔兔ThrGlyIleSer 牛牛AlaGlyValAla 羊羊AlaSerValAla 馬馬ThrSerIleAla 分子病分子病 基因突變基因突變 Aa變異變異 蛋白結(jié)構(gòu)和功

11、能改變引起的遺傳病。蛋白結(jié)構(gòu)和功能改變引起的遺傳病。 鐮刀型紅細胞貧血鐮刀型紅細胞貧血 由由Hb分子分子亞基亞基N末端序列的一級結(jié)構(gòu)改變引起末端序列的一級結(jié)構(gòu)改變引起Hb表面表面 電荷和等電點變化，溶解度降低并出現(xiàn)不正常線形締合。電荷和等電點變化，溶解度降低并出現(xiàn)不正常線形締合。 HbS HbA -鏈N-末端序列 ValHisLeuThrProLysGluGlu ValHisLeuThrProLysGluVal 12345678 正常紅細胞和鐮刀狀紅細胞的掃描電鏡圖譜正常紅細胞和鐮刀狀紅細胞的掃描電鏡圖譜 ？ （一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu) 二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功

12、能的關(guān)系二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 Hb與與Mb一樣能可逆地與一樣能可逆地與O2結(jié)合，結(jié)合， Hb與與 O2結(jié)合后稱為結(jié)合后稱為氧合氧合Hb。氧合。氧合Hb占總占總Hb的百的百 分數(shù)（稱分數(shù)（稱百分飽和度百分飽和度）隨）隨O2濃度變化而改變。濃度變化而改變。 （二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧 肌紅蛋白肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線的氧解離曲線 血紅蛋白和肌紅血紅蛋白和肌紅 蛋白的氧合曲線不同蛋白的氧合曲線不同 ，前者是，前者是 S 形曲線，形曲線， 后者是雙曲線。后者是雙曲線。 -亞基可與氧結(jié)亞基可與氧結(jié) 合，而合，而-亞基由于存亞

13、基由于存 在空間位阻，幾乎不在空間位阻，幾乎不 與氧結(jié)合。當(dāng)與氧結(jié)合。當(dāng)-亞基亞基 與氧結(jié)合后，發(fā)生三與氧結(jié)合后，發(fā)生三 級結(jié)構(gòu)的變化，此變級結(jié)構(gòu)的變化，此變 化使相鄰的化使相鄰的-亞基發(fā)亞基發(fā) 生三級結(jié)構(gòu)的變化，生三級結(jié)構(gòu)的變化， 與氧結(jié)合使血紅蛋白與氧結(jié)合使血紅蛋白 結(jié)合氧的能力在短時結(jié)合氧的能力在短時 間內(nèi)迅速上升，從而間內(nèi)迅速上升，從而 使使曲線呈曲線呈“S”形。形。 * 協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)(cooperativity) 一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合 后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能 力的

14、現(xiàn)象，稱為力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)。 如果是促進作用則稱為如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)正協(xié)同效應(yīng) (positive cooperativity) 如果是抑制作用則稱為如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(yīng)負協(xié)同效應(yīng) (negative cooperativity) 血紅蛋白的變構(gòu)現(xiàn)象（變構(gòu)時的亞基移動）血紅蛋白的變構(gòu)現(xiàn)象（變構(gòu)時的亞基移動） （三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾?。ㄈ┑鞍踪|(zhì)構(gòu)象改變與疾病 蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生 錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu) 象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導(dǎo)象發(fā)生改變，仍

15、可影響其功能，嚴重時可導(dǎo) 致疾病發(fā)生。致疾病發(fā)生。 蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機理蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機理：有些蛋：有些蛋 白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解 酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn) 為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。 包括包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、 亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。 瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變 瘋牛病是由朊病毒蛋白瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion prot

16、ein, PrP) 引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。 正常的正常的PrP富含富含-螺旋，稱為螺旋，稱為PrPc。 PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變 成全為成全為-折疊的折疊的PrPsc，從而致病。，從而致病。 PrPc -螺旋螺旋 PrPsc -折疊折疊 正常正常 瘋牛病瘋牛病 第四節(jié)第四節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì) The Physical and Chemical Characters of Protein 一、兩性電離一、兩性電離 蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，

17、氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液pH條條 件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。 當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成時，蛋白質(zhì)解離成 正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電 荷為零，此時溶液的荷為零，此時溶液的pH稱為稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點。 n蛋白質(zhì)的等電點蛋白質(zhì)的等電點( isoelectric point, pI) 體內(nèi)蛋白質(zhì)的體內(nèi)蛋白質(zhì)的pI近近pH5.0。 二、膠體性質(zhì)二、膠體性質(zhì) 蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自蛋

18、白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1 萬至萬至100萬，其分子直徑可達萬，其分子直徑可達1100nm，為膠，為膠 粒范圍之內(nèi)。粒范圍之內(nèi)。 顆粒表面電荷顆粒表面電荷 水化膜水化膜 n蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素: + + + + + + + 帶正電荷的蛋白質(zhì)帶正電荷的蛋白質(zhì) 帶負電荷的蛋白質(zhì)帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì) 水化膜水化膜 + + + + + + + 帶正電荷的蛋白質(zhì)帶正電荷的蛋白質(zhì) 帶負電荷的蛋白質(zhì)帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒 酸酸堿堿 酸酸堿堿 酸酸堿堿 脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用 溶液中蛋白質(zhì)的聚沉溶

19、液中蛋白質(zhì)的聚沉 三、蛋白質(zhì)變性三、蛋白質(zhì)變性 在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)特定的空在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)特定的空 間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間 結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。 (denaturation) n變性的本質(zhì)變性的本質(zhì): : 破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白 質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。 n造成變性的因素造成變性的因素: : 如如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、 重金屬離子及生物堿試劑等重金屬離子及生物堿試劑等 。 n 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例: : 臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。 此外此外, , 防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑 （如疫苗等）的必要條件。（如疫苗等）的必要條件。 若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素 后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu) 象和功能，