蛋白質結構與功能沈

1、會計學1蛋白質結構與功能沈蛋白質結構與功能沈一、什么是蛋白質?蛋白質(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。1）作為生物催化劑（酶）2）代謝調節(jié)作用(激素)3）免疫保護作用(抗原,抗體)4）物質的轉運和存儲(血紅蛋白,載脂蛋白)5）運動與支持作用(肌動和肌球蛋白)6）參與細胞間信息傳遞(膜蛋白等)2. 蛋白質具有重要的生物學功能3. 氧化供能蛋 白 質 的 分 子 組 成The Molecular Component of Protein第 一 節(jié)CHONPS氨基酸蛋白質元素生命 蛋白質的分子組成 組成蛋白質的元

2、素主要有C(50-55%)、H(6-8%)、O(19-24%)、N(13-19%)和 S(0-4%)。 有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘 。 各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16。 由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量 ( g % )= 每克樣品含氮克數 6.251001/16% 蛋白質元素組成的特點一、蛋白質中的氨基酸 v存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸（甘氨酸除外）。v氨基均連接在緊靠羧基的-碳原子

3、上故稱-氨基酸。 氨基酸-組成蛋白質的基本單位H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H 側鏈-CH3, -SH -H-COOH, -CH2OH-NH2, -CONH2氨基酸結構通式COOHCNH2HR NHN1. 非極性疏水性氨基酸2. 極性中性氨基酸3. 酸性氨基酸4. 堿性氨基酸氨基酸的分類:疏水作用強的氨基酸常處于蛋白質分子的內部,或在生物膜的疏水環(huán)境。* 20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:1. 非極性疏水性氨基酸結構式中文名英文名三字符 一字符PI（三） 酸性氨基酸（四） 堿性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸, R基團含羧基,解離使分子帶負電.賴氨酸,精氨酸和組氨酸.

4、 R基團含氨基,解離分子帶正電.結構式中文名英文名三字符一字符PI天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22賴氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸 arginine Arg R 10.76組氨酸 histidine His H 7.593. 酸性氨基酸4. 堿性氨基酸結構式中文名英文名三字符 一字符PI-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸 (Cys) +胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH

5、3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3幾種特殊氨基酸 脯氨酸（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH22-NH+22CHCHCOO2CHCH 羥脯氨酸; 羥賴氨酸;羥基谷氨酸; 這些氨基酸是翻譯后修飾而來,體內沒有相 應的遺傳密碼二、肽鍵與肽* 肽鍵是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）肽鍵(peptide bond)NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵NH2-CH-C-N-CH

6、-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO* 肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。* 兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽* 肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。* 由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。N 末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C 末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端* 多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。* 主鏈和側鏈：肽鏈中肽單元是多肽鏈的骨架或主鏈基團構

7、成側鏈，在骨架上向外伸出多肽鏈方向是從端端肽，肽鍵N-端C-端氨基酸殘基OHCN肽鍵蛋白質的分類 蛋白質的形狀 球狀蛋白質 纖維狀蛋白質蛋白質組成成分 結合蛋白質 單純蛋白質只含有氨基酸,其水解產物只有氨基酸含有非蛋白部分-輔酶 蛋白質的功能酶,轉運蛋白,結構蛋白蛋 白 質 的 分 子 結 構The Molecular Structure of Protein 第 二 節(jié)一級結構(primary structure)二級結構(secondary structure)三級結構(tertiary structure)四級結構(quaternary structure)蛋白質的分子結構包括:高級結構

8、定義蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質的一級結構主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。 123 n一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。(一)、蛋白質的一級結構測定原則分析已純化蛋白質的氨基酸殘基組成測定多肽鏈的氨基末端與羧基末端為何種氨基酸殘基把肽鏈水解成片段，分別進行分析測定各肽段的氨基酸排列順序，一般采用Edman降解法一般需用數種水解法，并分析出各肽段中的氨基酸順序，然后經過組合排列對比，最終得出完整肽鏈中氨基酸順序的結果。通過核酸來推演蛋白質中的氨基酸序列按照三聯密碼的原則推演出氨基酸的序列分離編碼蛋白質的基因測定DNA序列排列出mRNA序列已知一級

9、結構的蛋白質的數量已相當可觀,并以更快的速度增長.Internet 上有若干重要的蛋白質數據庫:(Updatedprotein databases);例如: EMBL ( european molecular biology laboratory data library)Genbank (genetic sequence databank)PIR (protein Identification Resource Sequence Database)二、蛋白質的空間結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象 。定義 主要的化學鍵

10、： 氫鍵 (一)、蛋白質的二級結構肽單元:參與肽鍵形成的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元 (peptide unit) 。肽鍵肽鍵多肽鏈中主鏈骨架原子在局部空間的排列分布狀況，并不涉及各R側鏈的空間排布。肽單元/肽鍵平面肽鏈的主鏈原子中CC和CN之間的單鍵可以旋轉，此單鍵的旋轉決定兩個肽鍵平面的相對關系。肽鍵平面的相對旋轉，使主鏈可以多種構象出現。圍繞肽鍵C原子和N原子的三個鍵角之和均為360。，說明肽鍵及其相連的四個原子共處一個平面肽鍵的C-N鍵長，比單鍵短，比雙鍵長，具有部分雙鍵的

11、性質，不能自由旋轉。ONHOCRNH2COOHCCCCCCOHHNNHHHHRRR肽單元成為肽鏈折疊的基本單位-螺旋( -helix ) -轉角 ( -turn )無規(guī)卷曲 (random coil ) 蛋白質二級結構的主要形式 -折疊 ( -pleated sheet )1、主鏈構象的分子模型1、 -螺旋特點：右手螺旋。氨基酸側鏈伸向螺旋外側。每3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm。主鏈中每個肽鍵的亞氨基上的H與后面第四個肽鍵平面的羰基氧構成氫鍵。影響-螺旋形成的因素：2、側鏈的大小1、酸性氨基酸、堿性氨基酸3、脯氨酸2、-折疊 特點: 相鄰兩肽鍵平面間折疊成鋸齒狀。 氨基酸殘

12、基側鏈位于鋸齒狀結構的上下方。 兩條以上肽鏈或一條肽鏈的若干肽段的鋸齒狀結構可平行排列，兩條肽鏈走向可相同（順向平行），也可相反（反向平行）。 穩(wěn)定因素是鏈間肽鍵的羰基與亞氨基形成的氫鍵. CHNCCCCNNNNHHHHOOOOO3、-轉角-轉角: 伸展的肽鏈形成180回折,即U形轉角.由個連續(xù)的氨基酸殘基構成，穩(wěn)定作用力是第一個氨基酸的CO與第四個氨基酸的NH形成氫鍵4、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構。 二級結構是天然蛋白質在一級結構基礎上折疊、盤曲成各 自特定的空間結構。意義：決定了蛋白質的分子形狀、理化性質和生物學活性。分類：主鏈構象和側鏈構象。 基序(motif)在許

13、多蛋白質分子中，可發(fā)現二個或多個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個二級結構的集聚體，被稱為基序(motif)。鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體 鋅指結構 基序的特征性構象是其功能的基礎(二）、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等。 主要的化學鍵指在二級結構、基序、乃至結構域的基礎上，由于側鏈基團的相互作用，整條肽鏈進一步折疊和盤曲成球狀分子。即整條肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。 定義： 肌紅蛋白 (Mb) N 端 C端153個氨基酸殘基單鏈分子一個血紅素輔基有A至H 8段螺旋 (占70%) 三級結構的形成 和穩(wěn)定主要依靠R 基團之間形成的 非共價

14、鍵或二硫鍵.纖連蛋白分子的結構域 （二）結構域大分子蛋白質的三級結構?？煞指畛梢粋€或數個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結構域(domain) 。結構域是蛋白質三級結構的基本構件單位.鉸鏈區(qū)亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質的四級結構蛋白質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，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質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構，稱為蛋白質的亞基 (subunit)。血紅蛋白的四級結構 總結表蛋白質結構與功能的關系The Relation of Structure and Function o

15、f Protein第 三 節(jié)一、蛋白質一級結構是空間構象的基礎 （一）、多肽鏈中氨基酸的組成及排列順序決定了肽鏈的折疊方式 膠原蛋白的結構特點含有大量的甘氨酸，脯氨酸和羥脯氨酸脯氨酸和羥脯氨酸不能形成氫鍵甘氨酸也不利于螺旋的形成因此膠原蛋白的多肽鏈呈伸展狀，以三股左手螺旋相互纏繞成右手螺旋，是高抗張力強度的結構（見書圖）牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵Anfinsen 實驗： 124個AA; 8個Cys 4對二硫鍵 球狀蛋白 天然狀態(tài)，有催化活性 尿素、 -巰基乙醇 去除尿素、-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性分子伴侶(molecular chaperones)分子伴侶是蛋白質合成過程中形成空間結構的控

16、制因子。在新生肽鏈的折疊、加工和穿膜進入細胞的過程中起關鍵作用。通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。* 分子伴侶和ATP的復合物可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。 * 分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。 * 分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。 一級結構相似的多肽或蛋白質，其空間構象及功能也相似。 起關鍵作用的氨基酸殘基缺失或被替代，會嚴重影響空間構象及生理功能。如：胰島素 細胞色素（二）部分氨基酸殘基在蛋白質空間結構中處于關鍵位置如：鐮刀形紅細胞例：鐮

17、刀形紅細胞貧血N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽鏈HbA 肽 鏈N-val his leu thr pro val glu C(146) 親水的谷氨酸疏水的纈氨酸6正常Hb(水溶性)異常Hb(聚集成絲)正常人鐮刀形紅細胞貧血紅細胞形狀改變，相互粘結，脆性增加。氧結合能力大大降低溶血性貧血這種由遺傳突變引起的蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。（一）蛋白質的變性與復性 * 蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪

18、失的過程。二、蛋白質空間結構與生物學功能 蛋白質變性的本質 破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質的一級結構。 變性蛋白質的特征變性蛋白質的主要特征是生物學活性喪失.若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation) 。 蛋白質的復性 應用舉例 臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。 此外, 防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。 （二）、酶原（zymogen)的激活使無活性的蛋白酶原轉變成有活性酶的過程其實質是除去部分肽段,使酶蛋白空間結構發(fā)生變化,暴露或生成催化必須的”活性中心”,使酶具有了催化功能.

19、例如：胰蛋白酶原（三）、蛋白質的變構作用 肌紅蛋白與血紅蛋白的結構 （22）O2血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。未結合O2結合O2血紅蛋白的構象變化與結合氧 氧分壓（mmHg)氧飽和度( )%Hb蛋白質構象改變與疾病 蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質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，產生毒性而致病，表現為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、

20、瘋牛病等。蛋白質構象病（protein conformation disease)瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為-折疊的PrPsc，從而致病。PrPc-螺旋PrPsc-折疊正常瘋牛病第四節(jié)蛋白質的理化性質與分離純化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein一、蛋白質的兩性電離 蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外

21、，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。 * 蛋白質的等電點( isoelectric point, pI) 當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、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pH稱為蛋白質的等電點。pHpICOO-NH2利用蛋白質的這種性質,可將混合蛋白質通過電泳或離子交換層析方法分離與純化.* 電 泳蛋白質在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白質的技術, 稱為電泳(elctrophoresis) 。根據支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳

22、等。 蛋白質的兩性解離與電泳幾種重要的蛋白質電泳*SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質分子量的測定。*等電聚焦電泳，通過蛋白質等電點的差異而分離蛋白質的電泳方法。*雙向凝膠電泳是蛋白質組學研究的重要技術。* 層 析層析(chromatography)分離蛋白質的原理待分離蛋白質溶液（流動相）經過一個固態(tài)物質（固定相）時，根據溶液中待分離的蛋白質顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待分離的蛋白質組分在兩相中反復分配，并以不同速度流經固定相而達到分離蛋白質的目的 。蛋白質分離常用的層析方法* 離子交換層析：利用各蛋白質的電荷量及性質不同進行分離。* 凝膠過濾(gel filtration)又稱分子

23、篩層析，利用各蛋白質分子大小不同分離。目 錄 透析及超濾法* 透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法。* 超濾法 應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質溶液的目的。二、蛋白質的高分子性質 超速離心* 超速離心法(ultracentrifugation)既可以用來分離純化蛋白質也可以用作測定蛋白質的分子量。 *蛋白質在離心場中的行為用沉降系數(sedimentation coefficient, S)表示,沉降系數與蛋白質的密度和形狀相關 。因為沉降系數S大體上和分子量成正比關系，故可應用超速離心法測定蛋白質分子量，但對分子形狀

24、的高度不對稱的大多數纖維狀蛋白質不適用。三、蛋白質的膠體性質 蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1100nm，為膠粒范圍之內。 * 蛋白質膠體穩(wěn)定的因素1、顆粒表面電荷2、水化膜+帶正電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜+帶正電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質不穩(wěn)定的蛋白質顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉* 蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈就會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發(fā)生沉淀，但并不變性。 *鹽析(salt precipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉

25、等加入蛋白質溶液，使蛋白質表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。 丙酮沉淀、*使用丙酮沉淀時，必須在04低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質溶液體積。蛋白質被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。 * 免疫沉淀法：將某一純化蛋白質免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質，可從蛋白質混合溶液中分離獲得抗原蛋白。 四、蛋白質的紫外吸收光譜及呈色反應由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。 紫外吸收光譜蛋白

26、質的呈色反應2、 茚三酮反應(ninhydrin reaction) 蛋白質經水解后產生的氨基酸也可茚三酮反應生成藍 紫色化合物。 3、雙縮脲反應(biuret reaction) 蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共 熱，呈現紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解程度和多肽的定量測定。1、Folin酚試劑反應： 蛋白質中含有酚羥基的氨基酸，在堿性條件下，能與 酚試劑反應生成藍色化合物。1、名詞解釋：肽平面、基序、結構域、變構效應、 蛋白質的等電點（PI）、蛋白質的變性2、蛋白質的基本組成單位是什么？其結構特征是什么？3、根據氨基酸側鏈基團結構，試述氨基酸的分

27、類？ 可電離的極性氨基酸有哪些？4、蛋白質的二級結構有哪些？試述-螺旋的特點。5、舉例說明蛋白質一級結構是空間結構的基礎 。6、列表說明蛋白質各級結構的定義和維系力 。7、什么是分子??？ 蛋白質構象??？復習思考題：1.蛋白質的元素組成中，氮含量有什么特點？該特點有什么意義？2.蛋白質的基本組成單位是什么？寫出其結構通式。3.所有氨基酸的-碳原子都是不對稱碳原子嗎？4.“自然界存在300多種氨基酸和百億種蛋白質，因此，參加蛋白 質合成的氨 基酸至少有300種?！边@句話對嗎？為什么？5.什么叫“編碼氨基酸”？6.非電離的極性側鏈氨基酸真的不能電離嗎？7.多肽鏈中氨基酸殘基之間的連接是通過什么化學鍵？8.12個氨基酸殘基組成的多肽鏈稱為幾肽？9.什么是蛋白質的一級結構？10.什么是蛋白質的二級結構？包括哪些結構單元？11.什么是維系蛋白質二級結構的主要力量？12.什么是蛋白質的三級結構？13.維系三級結構的主要作用力是什么？包括二硫鍵嗎？14.什么是蛋白質的四級結構？14.一條蛋白質多肽鏈能否形成四級結構？15.一個蛋白質的活性至少需要形成幾級結構？16.兩個具有獨立功能活性的蛋白質分子，相互締合以共同 完成某一生化功能，此時，能否稱這個復