生物化學(xué)課件蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

生物化學(xué)課件蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第1頁/共91頁蛋白質(zhì)的元素組成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質(zhì)含有少量P或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個別蛋白質(zhì)還含有I

。第2頁/共91頁蛋白質(zhì)的含氮量平均為16％。通過樣品含氮量計算蛋白質(zhì)含量的公式：蛋白質(zhì)含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25蛋白質(zhì)元素組成的特點第3頁/共91頁一、氨基酸

——蛋白質(zhì)的基本組成單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L--氨基酸（甘氨酸除外）。第4頁/共91頁H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第5頁/共91頁非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸（一）氨基酸的分類第6頁/共91頁非極性疏水性氨基酸第7頁/共91頁2.極性中性氨基酸第8頁/共91頁3.酸性氨基酸4.堿性氨基酸第9頁/共91頁

習(xí)慣分類方法芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe含羥基氨基酸：Ser、Thr、Tyr含硫氨基酸：Cys、Met雜環(huán)族氨基酸：His雜環(huán)族亞氨基酸：Pro支鏈氨基酸：Val、Leu、Ile第10頁/共91頁

幾種特殊氨基酸Gly：無手性碳原子。Pro：為環(huán)狀亞氨基酸。Cys：可形成二硫鍵。第11頁/共91頁修飾氨基酸：

蛋白質(zhì)合成后通過修飾加工生成的氨基酸。沒有相應(yīng)的編碼。如：胱氨酸、羥脯氨酸（Hyp）、羥賴氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白質(zhì)中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鳥氨酸、同型半胱氨酸，是代謝途徑中產(chǎn)生的。

第12頁/共91頁（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點2.紫外吸收3.茚三酮反應(yīng)第13頁/共91頁二、肽*肽鍵(peptidebond)：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(xué)鍵。（一）肽(peptide)第14頁/共91頁多肽鏈(polypeptidechain)二肽，三肽……寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide)氨基酸殘基(residue)氨基末端（aminoterminal）和羧基末端（carboxylterminal）主鏈和側(cè)鏈第15頁/共91頁多肽鏈第16頁/共91頁

多肽鏈第17頁/共91頁（二）幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)結(jié)構(gòu):第18頁/共91頁谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽谷氨酸的-羧基形成肽鍵－SH為活性基團為酸性肽是體內(nèi)重要的還原劑第19頁/共91頁GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+主要功能:第20頁/共91頁肽類激素：如促甲狀腺素釋放激素（TRH）神經(jīng)肽(neuropeptide)2.肽類激素及神經(jīng)肽第21頁/共91頁三、蛋白質(zhì)的分類*根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分*根據(jù)蛋白質(zhì)形狀纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)第22頁/共91頁蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)第23頁/共91頁蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括：

一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)高級結(jié)構(gòu)第24頁/共91頁定義：蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要化學(xué)鍵：肽鍵

二硫鍵的位置屬于一級結(jié)構(gòu)研究范疇。第25頁/共91頁一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。胰島素的一級結(jié)構(gòu)3021第26頁/共91頁二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，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(cè)鏈的構(gòu)象

。定義：穩(wěn)定因素：

氫鍵

第27頁/共91頁（一）肽單元(peptideunit)

參與組成肽鍵的6個原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。第28頁/共91頁肽單元HHHH第29頁/共91頁第30頁/共91頁

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)

第31頁/共91頁（二）-螺旋結(jié)構(gòu)要點:

①多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋，側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。②每圈螺旋含3.6個氨基酸，螺距為0.54nm。③每個肽鍵的亞氨氫和第四個肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長軸基本平行。第32頁/共91頁第33頁/共91頁第34頁/共91頁（三）-折疊①多肽鏈充分伸展，相鄰肽單元之間折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下方。②兩段以上的β-折疊結(jié)構(gòu)平行排列，兩鏈間可順向平行，也可反向平行。③兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵，以穩(wěn)固β-折疊結(jié)構(gòu)。氫鍵與螺旋長軸垂直。

第35頁/共91頁第36頁/共91頁第37頁/共91頁（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲-轉(zhuǎn)角：無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。①肽鏈內(nèi)形成180o回折。②含4個氨基酸殘基，第一個氨基酸殘基與第四個形成氫鍵。③第二個氨基酸殘基常為Pro。第38頁/共91頁-轉(zhuǎn)角：第39頁/共91頁（五）模體蛋白質(zhì)分子中，二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。第40頁/共91頁螺旋－環(huán)－螺旋

鋅指第41頁/共91頁（六）影響二級結(jié)構(gòu)形成的因素氨基酸側(cè)鏈所帶電荷、大小及形狀。影響α-螺旋形成的因素：β-折疊形成條件：要求氨基酸側(cè)鏈較小。第42頁/共91頁三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。穩(wěn)定因素：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。定義第43頁/共91頁第44頁/共91頁

肌紅蛋白(Mb)N端C端第45頁/共91頁纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域(domain)大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域。第46頁/共91頁結(jié)構(gòu)域Triosephosphateisomerase第47頁/共91頁分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)的一類蛋白質(zhì)。*可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復(fù)進行可使肽鏈正確折疊。*與錯誤聚集的肽段結(jié)合，誘導(dǎo)其正確折疊。*對蛋白質(zhì)分子中二硫鍵的正確形成起重要的作用。作用：第48頁/共91頁亞基之間的結(jié)合力主要是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)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，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。每條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱為亞基(subunit)。第49頁/共91頁血紅蛋白（Hb）的四級結(jié)構(gòu)第50頁/共91頁第51頁/共91頁蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)第52頁/共91頁（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)系牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵第53頁/共91頁

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性第54頁/共91頁（二）一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系例：鐮刀形紅細胞貧血N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)第55頁/共91頁

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。第56頁/共91頁（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)與功能的關(guān)系第57頁/共91頁Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧第58頁/共91頁肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線第59頁/共91頁*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)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。促進作用稱為正協(xié)同效應(yīng)(positivecooperativity)抑制作用稱為負協(xié)同效應(yīng)(negativecooperativity)第60頁/共91頁變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)凡蛋白質(zhì)（或亞基）因與某小分子物質(zhì)相互作用而發(fā)生構(gòu)象變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)（或亞基）功能的變化，稱為蛋白質(zhì)的變構(gòu)效應(yīng)。第61頁/共91頁（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象?。喝舻鞍踪|(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)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。第62頁/共91頁蛋白質(zhì)構(gòu)象病的機理：有些蛋白質(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)為蛋白質(zhì)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、瘋牛病等。第63頁/共91頁瘋牛病瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第64頁/共91頁第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein第65頁/共91頁（一）蛋白質(zhì)的兩性電離一、理化性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)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。第66頁/共91頁蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。第67頁/共91頁（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)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1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。*蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜第68頁/共91頁+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉第69頁/共91頁（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固*蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。第70頁/共91頁

造成變性的因素：如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)：——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。第71頁/共91頁

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。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。

蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變：溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。第72頁/共91頁若蛋白質(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)象和功能，稱為復(fù)性。復(fù)性(renaturation)第73頁/共91頁

天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性第74頁/共91頁*蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。*蛋白質(zhì)的凝固作用(proteincoagulation)

蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。

第75頁/共91頁（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。第76頁/共91頁（五）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)⒈茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)

蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。⒉雙縮脲反應(yīng)(biuretreaction)蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應(yīng)稱為雙縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。第77頁/共91頁二、蛋白質(zhì)的分離和純化（一）透析及超濾法*透析(dialysis)：利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。*超濾法：應(yīng)用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。第78頁/共91頁（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀*使用丙酮沉淀時，必須在0～4℃低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應(yīng)立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。*鹽析(saltprecipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。第79頁/共91頁*免疫沉淀法：將某一純化蛋白質(zhì)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(yīng)的抗原蛋白，并形成抗原抗體復(fù)合物的性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。第80頁/共91頁（三）電泳蛋白質(zhì)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(zhì)在電場中泳動而達到分離各種蛋白質(zhì)的技術(shù),稱為電泳(elctrophoresis)。根據(jù)支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。

第81頁/共91頁幾種重要的蛋白質(zhì)電泳*SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳：常用于蛋白質(zhì)分子量的測定。*等電聚焦電泳：通過蛋白質(zhì)等電點的差異而分離蛋白質(zhì)的電泳方法。*雙向凝膠電泳：是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要技術(shù)。第82頁/共91頁（四）層析層析(chromatography)分離蛋白質(zhì)的原理待分離蛋白質(zhì)溶液（流動相）經(jīng)過一個固態(tài)物