《生物化學(xué)：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能》課件

1蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能2蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。3第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成一、蛋白質(zhì)的元素組成：主要含C、H、O、N

和S有些蛋白含磷、鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬個別蛋白質(zhì)含碘。（平均16％）4

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。

由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點三聚氰胺與結(jié)石寶寶、皮革奶的由來？5二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸自然界中的氨基酸有300多種。構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種。人體氨基酸除甘氨酸外均屬L-氨基酸。除脯氨酸外均為α-氨基酸。6(一)L-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式CH3L-α-丙氨酸R根據(jù)R的不同進(jìn)行分類78非極性側(cè)鏈氨基酸（7種）極性側(cè)鏈氨基酸（8種）酸性氨基酸（2種）天冬、谷堿性氨基酸（3種）精、賴、組（二）氨基酸的分類根據(jù)氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)R的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)920種氨基酸如何記？非極性中性氨基酸GlyAlaValLeuIlePro極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸SerCysMetAsnGlnThrAspGluLysArgHis餅干鞋上晾一晾果脯，丙甘纈(上)亮異亮（果）脯酸性天和谷堿性精賴組固(谷)定半天，思(絲)念雞蛋酥，谷半(胱)天(冬)絲蛋蘇10營養(yǎng)學(xué)上對氨基酸的分類必需氨基酸：非必需氨基酸：體內(nèi)需要而又不能自身合成，必需由食物提供的氨基酸。人體有8種:賴、色、苯丙、甲硫/蛋、亮、異亮、蘇和纈。8種以外“一兩色素本來淡些”（異亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、纈氨酸）11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。

1212

亞氨基酸（環(huán)狀）—Pro（脯）含硫氨基酸—Cys

（半胱）、Met（蛋）

羥基氨基酸—

Tyr（酪）、Ser（絲）、Thr（蘇）芳香族：Tyr（酪）、Phe（苯）、Trp（色）13pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI兼性離子（三）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。CHNH2COOHRCHNH2COOHR陽離子CHCOOHRNH3+CHCOOHRNH3+陰離子CHNH2COO-RCHNH2COO-R14等電點(isoelectricpoint,pI)

是特定條件下的pH值氨基酸在一定的pH環(huán)境下，解離成陽、陰離子的程度相同，所帶的正、負(fù)電荷相等，因而呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。152.芳香族氨基酸紫外吸收

芳香族氨基酸的吸收光譜280nm:多數(shù)蛋白含這兩種氨基酸殘基，測定蛋白溶液280nm光吸收值可快速簡便分析蛋白含量。0240250260270280290300310波長(nm)光密度色氨酸酪氨酸苯丙氨酸色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸（含有共軛雙鍵）161）.茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)

原理：氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。應(yīng)用：此法可以對氨基酸進(jìn)行定量分析（吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系）。3.氨基酸與茚三酮反應(yīng)

茚三酮與脯氨酸或羥脯氨酸反應(yīng)生成亮黃色化合物。17茚三酮反應(yīng)過程茚三酮氨基酸茚三酮(還原型)醛茚三酮藍(lán)色或紫色化合物218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）肽鍵和多肽鏈三、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式19+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵20肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。2分子氨基酸縮合形成二肽，3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(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由10個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸（10~50）相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。蛋白質(zhì)通常含50個以上氨基酸。多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。21…肽鏈的兩個末端氨基酸殘基肽鍵氨基末端羧基末端22N末端C末端牛核糖核酸酶23（二）生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)24解毒作用：與毒物或藥物結(jié)合，消除其毒性作用；參與氧化還原反應(yīng)：作為重要的還原劑，參與體內(nèi)多種氧化還原反應(yīng)；保護(hù)巰基酶的活性：使巰基酶的活性基團(tuán)-SH維持還原狀態(tài)；維持紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定：消除氧化劑對紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞作用。谷胱甘肽的生理功用：25多肽類激素種類較多，生理功能各異。多肽類激素主要見于下丘腦及垂體分泌的激素，如催產(chǎn)素（9肽）、加壓素（9肽）、促腎上腺皮質(zhì)激素（39肽）、促甲狀腺素釋放激素（3肽）。神經(jīng)肽主要與神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用相關(guān)，包括腦啡肽（5肽）、-內(nèi)啡肽（31肽）、強(qiáng)啡肽（17肽）等。26四、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（輔基）根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)活性蛋白質(zhì)非活性（結(jié)構(gòu)）蛋白質(zhì)根據(jù)蛋白質(zhì)的主要功能：27小結(jié)1、蛋白質(zhì)元素組成：C、H、O、N（16%）、S每克樣品蛋白質(zhì)含量（g）=每克樣品含氮量（g）×6.252、組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸除Gly、Pro外，為L-α-氨基酸。3、氨基酸分類：酸性、堿性、含硫、芳香族、含羥基的等。4、理化性質(zhì)：pI、280nm、茚三酮反應(yīng)。5、肽鍵、N末端、C-末端。28蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)29一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)/空間構(gòu)象蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的四個層次基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)30一級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）示意圖31一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)什么是蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)？蛋白質(zhì)分子中從N→C端氨基酸的排列順序。主要的化學(xué)鍵—肽鍵有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵32二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)

蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈，主鏈骨架原子（α-碳原子、羰基碳、氨基氮）的局部空間結(jié)構(gòu)，不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。(關(guān)鍵詞:肽段、局部、主鏈)定義二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵—氫鍵二級結(jié)構(gòu)的基本單位—肽鍵平面/酰胺平面/肽單元33主鏈側(cè)鏈34(一)肽鍵平面肽鍵鍵長＜C-NC=N＜部分雙鍵性質(zhì),不能自由旋轉(zhuǎn)。C1、C、O、N、H、C2

6個原子在同一平面35相鄰2個肽單元的相對空間位置Cα1OHNCo肽單元-1肽單元-2OHNCoCα3Cα2RHψ3637-螺旋(-helix)

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

（二）蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象381、-螺旋39右手螺旋(順時針)。肽鏈的主鏈形成緊密的螺旋，每一圈包含3.6個氨基酸殘基，每個殘基跨距為0.15nm，螺旋上升一圈的距離(螺距)為3.6×0.15=0.54nm.第1個肽鍵的N-H和第4個肽鍵的C=O氧形成氫鍵，以穩(wěn)固α-螺旋結(jié)構(gòu)，氫鍵方向與螺旋中心平行，螺旋通過氫鍵維持穩(wěn)定。側(cè)鏈伸向外側(cè)。PaulingandCorey于1951年提出-螺旋結(jié)構(gòu)特點：402、-折疊：由若干肽段和肽鏈平行排列所形成的扇面狀片層構(gòu)象。-折疊靠不同肽鏈之間肽鍵上的CO與NH形成氫鍵而得以穩(wěn)定。N端N端C端C端平行式-折疊41N端N端C端C端反平行式-折疊反平行式-折疊比平行式-折疊要穩(wěn)定。42側(cè)面觀-折疊模式圖2代表側(cè)鏈R基團(tuán)代表肽鍵平面上的原子43①每個肽單元以Cα為旋轉(zhuǎn)點，依次折疊成鋸齒狀。-折疊結(jié)構(gòu)要點：②幾個肽段順向平行、反向平行（間距0.70nm）。③維持因素：氫鍵（羰基氧和氨基氫之間形成氫鍵）。④R基團(tuán)的位置：鋸齒的上下方。443、-轉(zhuǎn)角常由4個氨基酸殘基組成。第2個殘基常為脯氨酸。

180回折。

氫鍵維持（第1個殘基的羰基氧與第4個殘基的氨基氫）。無確定規(guī)律性的肽段構(gòu)象4、無規(guī)卷曲：氫鍵45若干具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，空間上相互接近，形成的二級結(jié)構(gòu)組合，具有特定空間構(gòu)像和特殊的功能。（三）、模體(motif)/超二級結(jié)構(gòu)Ca2+NCα-螺旋α-螺旋環(huán)HisHisCCysZn2+NCys鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體

鋅指結(jié)構(gòu)

4647三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力、二硫鍵等。

整條肽鏈全部氨基酸所有原子蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定主要靠次級鍵，如：三維空間排布每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，具備三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)才有生物學(xué)活性。48結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)常可分割成一個或數(shù)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(jié)構(gòu)域(domain)。并非所有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域都明顯可分。49四級結(jié)構(gòu)—亞基(subunit)—維持因素—由2條或2條以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成，多肽鏈之間以非共價鍵結(jié)合形成的空間結(jié)構(gòu)。四級結(jié)構(gòu)中每條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。離子鍵、疏水鍵、氫鍵、范德華力等非共價鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)胰島素是否有有四級結(jié)構(gòu)？50亞基通常亞基只有一條多肽鏈，但有的亞基由兩條或多條多肽鏈組成，這些多肽鏈間多以二硫鍵相連。亞基單獨存在時無生物學(xué)活性。四級結(jié)構(gòu)中亞基可以是相同的或不相同的，亞基相同時，分子具有對稱性。寡聚體（2～10）多聚體（＞10）亞基是具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，又稱亞單位或單體、原聚體。51血紅蛋白Hb的四級結(jié)構(gòu)血紅素β鏈α鏈52一級結(jié)構(gòu)定義肽鍵、二硫鍵氨基酸殘基基本單位主要鍵備注常見形式、模體肽單元整條肽鏈亞基氫鍵疏離氫Van離氫結(jié)構(gòu)域亞基蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次比較小結(jié)蛋白質(zhì)書寫的方向性N-C二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)53蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)54（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)（二）一級結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)（三）一級結(jié)構(gòu)與分子病55例：鐮刀形紅細(xì)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)這種由蛋白質(zhì)氨基酸序列改變而導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。5657Hb-AN-

Val-His-Leu-Thr-Pro-GluHb-SN-

Val-His-Leu-Thr-Pro-ValComparisonofnormalandsicklecellhemoglobin如何治療呢？？58（一）肌紅蛋白空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（二）血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系59第一個氧分子與Fe2+結(jié)合Hb由T型變R型第二亞基結(jié)合氧的速度↑第三亞基結(jié)合氧的速度↑↑第四亞基結(jié)合氧的速度↑↑↑Hb結(jié)合氧的過程：60變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect):蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的改變引起其功能的變化。變構(gòu)效應(yīng)劑/配體能引起變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)。幾個概念：61協(xié)同效應(yīng)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的結(jié)合能力,稱為協(xié)同效應(yīng)。若是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)。

若是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)。62（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。旱鞍踪|(zhì)的折疊錯誤→構(gòu)象改變→影響功能→導(dǎo)致疾病。發(fā)病機(jī)理：蛋白質(zhì)錯誤折疊相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性。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。63瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變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。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病64第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化技術(shù)65一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)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。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)體液中蛋白質(zhì)的存在形式？？陽離子pH＜pI陰離子pH＞pI兼性離子pH=pICOO-PH2NCOO-PH3N+COOHPH3N++OH-+H++OH-+H+66二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(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(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。表面電荷水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:67三、蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(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。蛋白質(zhì)的變性(denaturation)68生物活性喪失粘度增加結(jié)晶能力喪失

溶解度降低，易于沉淀易被蛋白酶水解變性造成蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)改變：69造成變性的因素:如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)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)。

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。此外,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。

70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(renaturation)

。71

四、蛋白質(zhì)的紫外吸收和呈色反應(yīng)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。72蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)（1）茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)

蛋白質(zhì)含有的自由氨基也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)呈紫藍(lán)色。（2）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。（3）Folin