生物化學(xué)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

1、 一、基本問題一、基本問題-肽肽 一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基之一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基之 間失水形成的酰胺鍵稱為肽鍵，所形成的化間失水形成的酰胺鍵稱為肽鍵，所形成的化 合物稱為肽。合物稱為肽。 由兩個氨基酸組成的肽由兩個氨基酸組成的肽 稱為二肽，由多個氨基酸稱為二肽，由多個氨基酸 組成的肽則稱為多肽。組組成的肽則稱為多肽。組 成多肽的氨基酸單元稱為成多肽的氨基酸單元稱為 氨基酸殘基。氨基酸殘基。 1.1.多肽多肽 CCNCCNCCNCCNC CH2CHCH2CH2CH2 COO - OHCO2HCH2 CONH2 OH CH3 H3N + OOOO HHHHH HHHH

2、SerValTyrAsp Gln CH3 N-端 C-端 肽鍵 多肽鏈中氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序多肽鏈中氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序 稱為稱為氨基酸序列氨基酸序列。 通常在多肽鏈一端含有一個游離通常在多肽鏈一端含有一個游離 -氨基，稱為氨基端或氨基，稱為氨基端或 N-端；在另一端含有一個游離端；在另一端含有一個游離 -羧基，稱為羧基端或羧基，稱為羧基端或C- 端。氨基酸序列是從端。氨基酸序列是從N-端氨基酸殘基開始，以端氨基酸殘基開始，以C-端氨基端氨基 酸殘基為終點的排列順序。如五肽可表示為：酸殘基為終點的排列順序。如五肽可表示為： Ser-Val-Tyr-Asp

3、-Gln 2 2、肽單位、肽單位 肽鍵與相鄰的兩個肽鍵與相鄰的兩個碳原子所組成的基團(tuán)，碳原子所組成的基團(tuán)， 稱為肽單位或肽平面（稱為肽單位或肽平面（peptide unit） 肽平面 肽平面 肽單位的特性肽單位的特性 （1）氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共）氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共 軛作用。肽鍵中的軛作用。肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不 能自由旋轉(zhuǎn)。能自由旋轉(zhuǎn)。 （2）肽單位的六個原子同處于一個平面）肽單位的六個原子同處于一個平面 (3)肽平面內(nèi)兩個肽平面內(nèi)兩個C一般處于反式構(gòu)型一般處于反式構(gòu)型 空間位阻效應(yīng)，反式構(gòu)型比順式穩(wěn)定 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指

4、由不同種類、數(shù)量蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指由不同種類、數(shù)量 的氨基酸，通過肽鍵而構(gòu)成的排列順序。的氨基酸，通過肽鍵而構(gòu)成的排列順序。 一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu) 肽鏈的氨基酸順序；肽鏈的氨基酸順序； 組成蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目；組成蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目； 多肽鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置。多肽鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置。 其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序，它是蛋其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序，它是蛋 白質(zhì)生物功能的基礎(chǔ)。白質(zhì)生物功能的基礎(chǔ)。 包括：包括： 二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽單位，二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽單位， 各自沿一定的軸盤旋或折迭，并以氫鍵為主要各自沿一

5、定的軸盤旋或折迭，并以氫鍵為主要 的次級鍵而形成有規(guī)則的構(gòu)象，如的次級鍵而形成有規(guī)則的構(gòu)象，如螺旋、螺旋、折折 迭和迭和轉(zhuǎn)角等。轉(zhuǎn)角等。 它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的 氫鍵。氫鍵。 不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。 主要有主要有 -螺旋、螺旋、 -折疊、折疊、 -轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角。 二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu) (1)多個肽鍵平面通過多個肽鍵平面通過碳原子旋轉(zhuǎn)，緊密盤曲成碳原子旋轉(zhuǎn)，緊密盤曲成 螺旋狀，有左、右手螺旋之分，常見右手螺旋；螺旋狀，有左、右手螺旋之分，常見右手螺旋； (2)主鏈呈螺旋上升，每主鏈呈螺旋上升，每3.

6、6個氨基酸殘基上升一圈，個氨基酸殘基上升一圈， 相當(dāng)于相當(dāng)于0.54nm； (3)每一個氨基酸殘基中的每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基和前面相隔三個殘基 的的CO之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸 平行；平行； (4)氨基酸側(cè)鏈氨基酸側(cè)鏈R在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷 影響影響螺旋的形成。螺旋的形成。 -螺旋的特點螺旋的特點 2 2、 - -折疊折疊 - -折疊的特點折疊的特點 1）由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排 列而成；主鏈呈鋸齒狀折疊，相鄰肽鍵平列而成；主鏈呈鋸齒狀折疊

7、，相鄰肽鍵平 面間面間呈呈110角。角。 2） -碳原子總處于折疊的角上，碳原子總處于折疊的角上，R基團(tuán)處于基團(tuán)處于 折疊棱角上并與其垂直，折疊棱角上并與其垂直，在鋸齒的上方或在鋸齒的上方或 下方。下方。 3）穩(wěn)定力：）穩(wěn)定力：氫鍵。氫鍵。 4）方向：）方向：平行或反平行。平行或反平行。 沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平?jīng)]有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平 面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲。面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲。 超二級結(jié)構(gòu)：在多肽 鏈內(nèi)順序上相互鄰近 的二級結(jié)構(gòu)常常在空 間折疊中靠近，彼此 相互作用，形成規(guī)則 的二級結(jié)構(gòu)聚集體。 已知有3種基本形式： 、。 結(jié)構(gòu)域

8、: :在多肽鏈上由二級結(jié)構(gòu)元件或超二級結(jié)構(gòu)形 成的相對獨立的緊密球狀實體，是三級結(jié)構(gòu)的局部 折疊區(qū)。較小的球狀蛋白質(zhì)或亞基是單結(jié)構(gòu)域，而 較大的球狀蛋白質(zhì)或亞基是多結(jié)構(gòu)域。 結(jié)構(gòu)域之間常形成裂隙，比較松散，往往是蛋白質(zhì) 優(yōu)先被水解的部位。酶的活性中心往往位于兩個結(jié) 構(gòu)域的界面上。 結(jié)構(gòu)域之間由“鉸鏈區(qū)”相連，使分子構(gòu)象有一定 的柔性，通過結(jié)構(gòu)域之間的相對運動，使蛋白質(zhì)分 子實現(xiàn)一定的生物功能。 在蛋白質(zhì)分子內(nèi)，結(jié)構(gòu)域可作為結(jié)構(gòu)單位進(jìn)行相對 獨立的運動，水解出來后仍能維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，甚 至保留某些生物活性。 指由多條各自具有一、二、三級結(jié)構(gòu)的肽指由多條各自具有一、二、三級結(jié)構(gòu)的肽 鏈通過非共價鍵

9、連接起來的結(jié)構(gòu)形式；鏈通過非共價鍵連接起來的結(jié)構(gòu)形式； 在此蛋白質(zhì)分子中，最小的單位為亞基或在此蛋白質(zhì)分子中，最小的單位為亞基或 亞單位亞單位Subunit，它一般由一條肽鏈構(gòu)成，它一般由一條肽鏈構(gòu)成， 無生理活性。無生理活性。 由多個亞基聚集而成的蛋白質(zhì)才具有生理由多個亞基聚集而成的蛋白質(zhì)才具有生理 活性?；钚?。 維持亞基之間的化學(xué)鍵主要是疏水力。維持亞基之間的化學(xué)鍵主要是疏水力。 維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素 一級結(jié)構(gòu)：肽鍵，二硫鍵一級結(jié)構(gòu)：肽鍵，二硫鍵 二級結(jié)構(gòu)：氫鍵二級結(jié)構(gòu)：氫鍵 三級結(jié)構(gòu)：主要有氫鍵、疏水鍵、三級結(jié)構(gòu)：主要有氫鍵、疏水鍵、 離子鍵和范德華力等離子鍵

10、和范德華力等 四級結(jié)構(gòu)：疏水鍵四級結(jié)構(gòu)：疏水鍵 a鹽鍵（離子鍵鹽鍵（離子鍵 ） b氫鍵氫鍵 c疏水相互作用力疏水相互作用力 d 范德華力范德華力 e二硫鍵二硫鍵 第三節(jié) 蛋白質(zhì)的性質(zhì) 一、蛋白質(zhì)的分子大小一、蛋白質(zhì)的分子大小 蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量很大，一般在蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量很大，一般在60006000到數(shù)百萬。到數(shù)百萬。 蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的主要測定方法：蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的主要測定方法： 沉降速度法沉降速度法 凝膠過濾法凝膠過濾法 SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法聚丙烯酰胺凝膠電泳法 二、蛋白質(zhì)的兩性離解和等電點二、蛋白質(zhì)的兩性離解和等電點 具兩性離解性質(zhì)；具兩性離解性質(zhì)； 在不同的

11、在不同的pH環(huán)境下，蛋白質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)不同。環(huán)境下，蛋白質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)不同。 pHpI:帶負(fù)電荷，在電場中向陽極移動。帶負(fù)電荷，在電場中向陽極移動。 利用蛋白質(zhì)的電泳現(xiàn)象，可以將蛋白質(zhì)進(jìn)行分利用蛋白質(zhì)的電泳現(xiàn)象，可以將蛋白質(zhì)進(jìn)行分 離純化。離純化。 電泳技術(shù)目前主要有自由界面電泳、凝膠電泳、電泳技術(shù)目前主要有自由界面電泳、凝膠電泳、 等電聚焦電泳、毛細(xì)管電泳等等電聚焦電泳、毛細(xì)管電泳等 三、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)三、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì) 蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量很大，它在水中能夠形成膠體蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量很大，它在水中能夠形成膠體 溶液，具有膠體溶液的典型性質(zhì)，如丁達(dá)爾現(xiàn)象、布溶液，具有膠體溶液的典型性質(zhì)，如

12、丁達(dá)爾現(xiàn)象、布 朗運動、不能透過半透膜等。利用蛋白質(zhì)不能通過半朗運動、不能透過半透膜等。利用蛋白質(zhì)不能通過半 透膜的性質(zhì)，可用透析法將非蛋白的小分子雜質(zhì)除去。透膜的性質(zhì)，可用透析法將非蛋白的小分子雜質(zhì)除去。 蛋白質(zhì)膠體溶液穩(wěn)定的原因：蛋白質(zhì)膠體溶液穩(wěn)定的原因： 1）水化作用）水化作用 2）電荷相互作用）電荷相互作用 四、蛋白質(zhì)的沉淀作用四、蛋白質(zhì)的沉淀作用 破壞使蛋白質(zhì)膠體溶液穩(wěn)定的條件，蛋白質(zhì)將破壞使蛋白質(zhì)膠體溶液穩(wěn)定的條件，蛋白質(zhì)將 會沉淀。有可逆沉淀和不可逆沉淀之分。會沉淀。有可逆沉淀和不可逆沉淀之分。 1.可逆沉淀 溫和條件下，通過改變?nèi)芤旱臏睾蜅l件下，通過改變?nèi)芤旱膒HpH或電荷狀況

13、，或電荷狀況， 可使蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但此時蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和可使蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但此時蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和 性質(zhì)都沒有發(fā)生變化，適當(dāng)?shù)臈l件下可重新溶性質(zhì)都沒有發(fā)生變化，適當(dāng)?shù)臈l件下可重新溶 解形成溶液。解形成溶液。 可逆沉淀是分離和純化蛋白質(zhì)的基本方法，如可逆沉淀是分離和純化蛋白質(zhì)的基本方法，如 等電點沉淀法、鹽析法和有機(jī)溶劑沉淀法等。等電點沉淀法、鹽析法和有機(jī)溶劑沉淀法等。 2.不可逆沉淀 在強(qiáng)烈沉淀條件下，不僅破壞了蛋白質(zhì)膠體溶在強(qiáng)烈沉淀條件下，不僅破壞了蛋白質(zhì)膠體溶 液的穩(wěn)定性，而且也破壞了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性液的穩(wěn)定性，而且也破壞了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性 質(zhì)，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)沉淀不可能再重新溶解于水。質(zhì)，產(chǎn)生

14、的蛋白質(zhì)沉淀不可能再重新溶解于水。 加熱沉淀、強(qiáng)酸堿沉淀、重金屬鹽沉淀和生物加熱沉淀、強(qiáng)酸堿沉淀、重金屬鹽沉淀和生物 堿沉淀等都屬于不可逆沉淀。堿沉淀等都屬于不可逆沉淀。 蛋白質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。某些物理或化學(xué)蛋白質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。某些物理或化學(xué) 因素能夠破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，引起蛋白質(zhì)理化性因素能夠破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，引起蛋白質(zhì)理化性 質(zhì)改變并導(dǎo)致其生理活性喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)質(zhì)改變并導(dǎo)致其生理活性喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì) 的變性。蛋白質(zhì)的變性通常都伴隨著不可逆沉淀。的變性。蛋白質(zhì)的變性通常都伴隨著不可逆沉淀。 蛋白質(zhì)的變性不涉及到一級結(jié)構(gòu)的變化，只是二、蛋白質(zhì)的變性不涉

15、及到一級結(jié)構(gòu)的變化，只是二、 三、四級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。三、四級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 引起變性的主要因素：引起變性的主要因素： 物理因素：物理因素：熱、紫外光、激烈攪拌、高壓等熱、紫外光、激烈攪拌、高壓等 化學(xué)因素：化學(xué)因素：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、脲、胍等。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、脲、胍等。 五、蛋白質(zhì)的變性五、蛋白質(zhì)的變性 六、蛋白質(zhì)的紫外吸收六、蛋白質(zhì)的紫外吸收 大部分蛋白質(zhì)均含有帶芳香環(huán)的苯丙氨酸、酪大部分蛋白質(zhì)均含有帶芳香環(huán)的苯丙氨酸、酪 氨酸和色氨酸。因此，大多數(shù)蛋白質(zhì)在氨酸和色氨酸。因此，大多數(shù)蛋白質(zhì)在280nm 280nm 附近顯示強(qiáng)的吸收。附近顯示強(qiáng)的吸收。 利用這個性質(zhì)，可以對蛋白質(zhì)進(jìn)行

16、定性鑒定。利用這個性質(zhì)，可以對蛋白質(zhì)進(jìn)行定性鑒定。 七、蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)七、蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng) 反應(yīng)名稱反應(yīng)名稱反應(yīng)基團(tuán)反應(yīng)基團(tuán)顏色顏色參與反應(yīng)物質(zhì)參與反應(yīng)物質(zhì) 茚三酮反應(yīng)茚三酮反應(yīng)-NH3紫色紫色 -氨基酸氨基酸 雙縮脲反應(yīng)雙縮脲反應(yīng)2個以上肽鍵個以上肽鍵藍(lán)色藍(lán)色蛋白質(zhì)、多肽蛋白質(zhì)、多肽 米倫反應(yīng)米倫反應(yīng)酚基酚基紅色紅色Tyr，Protein 黃色反應(yīng)黃色反應(yīng)苯環(huán)苯環(huán)黃色黃色Tyr,Phe，Protein 乙醛酸反應(yīng)乙醛酸反應(yīng)吲哚基吲哚基紫色紫色Trp,Protein 酚試劑反應(yīng)酚試劑反應(yīng)酚、吲哚基酚、吲哚基藍(lán)色藍(lán)色Tyr,Protein 坂口反應(yīng)坂口反應(yīng)胍基胍基紅色紅色Arg,Protein

17、 第四節(jié) 蛋白質(zhì)的分類 A、簡單蛋白、簡單蛋白B、結(jié)合蛋白、結(jié)合蛋白 思考題：思考題： 氨基酸的種類有哪些？各自的劃分依據(jù)氨基酸的種類有哪些？各自的劃分依據(jù) 是什么？是什么？ 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)指什么？各有何特征？維蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)指什么？各有何特征？維 持結(jié)構(gòu)的作用力有哪些？持結(jié)構(gòu)的作用力有哪些？ 蛋白質(zhì)的重要理化性質(zhì)有哪些？蛋白質(zhì)的重要理化性質(zhì)有哪些？ 等電點的概念？等電點的概念？ - -折疊的特點折疊的特點 1）由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排 列而成；主鏈呈鋸齒狀折疊，相鄰肽鍵平列而成；主鏈呈鋸齒狀折疊，相鄰肽鍵平 面間面間呈呈110角。角。 2） -碳原

18、子總處于折疊的角上，碳原子總處于折疊的角上，R基團(tuán)處于基團(tuán)處于 折疊棱角上并與其垂直，折疊棱角上并與其垂直，在鋸齒的上方或在鋸齒的上方或 下方。下方。 3）穩(wěn)定力：）穩(wěn)定力：氫鍵。氫鍵。 4）方向：）方向：平行或反平行。平行或反平行。 結(jié)構(gòu)域: :在多肽鏈上由二級結(jié)構(gòu)元件或超二級結(jié)構(gòu)形 成的相對獨立的緊密球狀實體，是三級結(jié)構(gòu)的局部 折疊區(qū)。較小的球狀蛋白質(zhì)或亞基是單結(jié)構(gòu)域，而 較大的球狀蛋白質(zhì)或亞基是多結(jié)構(gòu)域。 結(jié)構(gòu)域之間常形成裂隙，比較松散，往往是蛋白質(zhì) 優(yōu)先被水解的部位。酶的活性中心往往位于兩個結(jié) 構(gòu)域的界面上。 結(jié)構(gòu)域之間由“鉸鏈區(qū)”相連，使分子構(gòu)象有一定 的柔性，通過結(jié)構(gòu)域之間的相對運動，使蛋白質(zhì)分 子實現(xiàn)一定的生物功能。 在蛋白質(zhì)分子內(nèi)，結(jié)構(gòu)域可作為結(jié)構(gòu)單位進(jìn)行相對 獨立的運動，水解出來后仍能維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，甚 至保留某些生物活性。 二、蛋白質(zhì)的兩性離解和等電點二、蛋白質(zhì)的兩性離解和等電點 具兩性離解性質(zhì)；具兩性離解性質(zhì)； 在不同的在不同的pH環(huán)境下，蛋白質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)不同。環(huán)境下，蛋白質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)不同。 pHpI: