第01章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能(生化)

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein1主要內(nèi)容蛋白質(zhì)的概念和生物學(xué)重要性蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)的分離純化（增加）2學(xué)習(xí)指導(dǎo)重點：1.蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的特點。2.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能和理化性質(zhì)的關(guān)系。難點：1.血紅蛋白的構(gòu)象變化與運氧功能。2.蛋白質(zhì)分離純化的原理。進(jìn)展：

1.蛋白質(zhì)模體和結(jié)構(gòu)域。2.分子伴侶及其作用。3What’sProtein?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。4蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80％。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分5作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用（酶活性調(diào)節(jié)）免疫保護(hù)作用（抗體）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲（Hb和Mb）運動與支持作用（肌球/肌動蛋白、膠原蛋白）參與細(xì)胞間信息傳遞（激素）2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3.氧化供能（次要功能）6蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)7主要有C、H、O、N和S。有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘。組成蛋白質(zhì)的元素8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，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×100100/16蛋白質(zhì)元素組成的特點9一、蛋白質(zhì)的基本組成單位—— 20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)（編碼）氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。10Generalformulaofanaminoacidshowingthefourdifferentgroupsaroundthecentral

-carbonatom.11Thestereoisomersofan

-aminoacids.

12非極性脂肪族氨基酸（7種）芳香族氨基酸（3種）極性中性氨基酸（5種）堿性氨基酸（3種）酸性氨基酸（2種）（一）氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進(jìn)行分類13標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的R基團(tuán)R=H：甘氨酸R=CH3：丙氨酸側(cè)鏈成環(huán)：脯氨酸（亞氨基酸）分支側(cè)鏈：纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸含硫：甲硫氨酸（蛋氨酸）、半胱氨酸含醇羥基：絲氨酸、蘇氨酸含酚羥基：酪氨酸含酰胺基：谷氨酰胺、天冬酰胺含苯環(huán)：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸含羧基：谷氨酸、天冬氨酸含氨基：賴氨酸含胍基：精氨酸含咪唑基：組氨酸1415(一)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸是非極性脂肪族氨基酸甲硫基16(二)側(cè)鏈含芳香基團(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸吲哚基酚羥基苯環(huán)17(三)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸酰胺基醇羥基巰基18氨基胍基咪唑基(四)側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)的氨基酸屬于堿性氨基酸19羧基(五)側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)的氨基酸是酸性氨基酸20幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）21

半胱氨酸胱氨酸22（二）20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectricpoint,pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。1.氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)23pH＜pIpH=pIpH＞pIcationzwitterionanion陽離子

兼性離子

陰離子Dissociationofglycine242.含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是蛋白質(zhì)定量分析的快速簡便方法。25Absorptionofultravioletlight

byaromaticaminoacids.263.氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍(lán)紫色化合物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。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。27二、蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基 組成的多肽鏈肽鍵

(peptide

bond)

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（酰胺鍵）。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽(peptide)28Formationofapeptidebondbycondensation.29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(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。30N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-羧基的一端多肽鏈有兩端：多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。31Thepentapeptideserylglycyltyrosylalanylleucine,orSer–Gly–Tyr–Ala–Leu.32蛋白質(zhì)與多肽的區(qū)別：氨基酸殘基數(shù)目？穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)？＞50

——蛋白質(zhì)10~50

——多肽不穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)——多肽穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)——蛋白質(zhì)33（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,

-GSH)34GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換35

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）。2.肽類激素及神經(jīng)肽

神經(jīng)肽

(neuropeptide)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。36三、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

（輔基）根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)根據(jù)蛋白質(zhì)功能:結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)功能性蛋白質(zhì)37蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)38一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)—基本結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:

高級結(jié)構(gòu)39定義:蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。主要的化學(xué)鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì) 的一級結(jié)構(gòu)40DNA分子中結(jié)構(gòu)基因的堿基序列決定蛋白質(zhì)分子中的氨基酸排序。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)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。41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:主要的化學(xué)鍵：氫鍵

二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì) 的二級結(jié)構(gòu)421.肽平面的概念參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元(peptideunit)

。43

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)

2.蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象形式周期性結(jié)構(gòu)44Eachpeptidebondhassomedouble-bondcharacterduetoresonanceandcannotrotate.45(a)Formationofaright-handed

α-helix.(b)showingthe

intrachainhydrogenbonds.(0.54nm)(1)α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)46Knowingthe

RightHand

fromtheLeft.47Lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups.48theatomsinthecenterofthe

α-helixareinveryclosecontact.49(2)

-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)The

β-conformation

ofpolypeptidechains.50The

β-

conformation

ofpolypeptidechains.51(3)

-轉(zhuǎn)角

-轉(zhuǎn)角通常由4個氨基酸殘基組成脯氨酸為亞氨基酸，形成肽鍵使肽鏈走向轉(zhuǎn)折。52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)。(4)無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲是剛性二級結(jié)構(gòu)之間的柔軟肽段，有利于三級結(jié)構(gòu)的形成。533.模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)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，形成一個特殊的空間構(gòu)象，稱為模體(motif)

。模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種ααβαβββ54α-螺旋-β轉(zhuǎn)角（或環(huán)）-α-螺旋模體鏈-β轉(zhuǎn)角-鏈模體鏈-β轉(zhuǎn)角-α-螺旋-β轉(zhuǎn)角-鏈模體鋅指結(jié)構(gòu)(zincfinger)模體常見的形式555657三、在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多肽鏈進(jìn)一步折疊 形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、氫鍵、離子鍵、VanderWaals力等。維系穩(wěn)定的力量（次級鍵）: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。三級結(jié)構(gòu)的定義:（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置5859Tertiarystructureofspermwhalemyoglobin.(a)Thepolypeptidebackbone.Mb-球形蛋白質(zhì)60(e)Aspace-fillingmodelwithallaminoacidsidechains.功能性蛋白質(zhì)至少應(yīng)具有三級結(jié)構(gòu)(球形)61（二）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)常可折疊成多個結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。結(jié)構(gòu)域可看作是球狀蛋白質(zhì)的獨立折疊單位，有較為獨立的三維結(jié)構(gòu)。例如：轉(zhuǎn)錄因子有DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域二聚化結(jié)構(gòu)域62（三）分子伴侶參與蛋白質(zhì)折疊分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護(hù)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)。分子伴侶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(jìn)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(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。63亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì) 具有四級結(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)。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)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。64由2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，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。含有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，單獨的亞基一般沒有生物學(xué)功能，只有完整的四級結(jié)構(gòu)寡聚體才有生物學(xué)活性。65血紅素β亞基α亞基血紅蛋白(Hb)

的四級結(jié)構(gòu)66Levelsofstructureinproteins.折疊卷曲排序聚合Briefsummary67蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

TheRelationofStructureandFunctionofProtein

第三節(jié)68（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)是高級結(jié)構(gòu) 與功能的基礎(chǔ)1.蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)直接決定其空間構(gòu)象

變性劑尿素→破壞氫鍵β-巰基乙醇→破壞二硫鍵核糖核酸酶的變性與復(fù)性實驗2.蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)間接決定其生物學(xué)功能69透析氧化70（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能胰島素氨基酸殘基序號A5A6A10B30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla哺乳類動物胰島素氨基酸序列的差異71（三）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：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)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。72肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素(heme)的結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似73肌紅蛋白(myoglobin,Mb)

肌紅蛋白是一個只有三級結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段α-螺旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結(jié)合，所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分穩(wěn)定結(jié)合。74血紅蛋白(hemoglobin,Hb)血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結(jié)構(gòu)，每個亞基可結(jié)合1個血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。血紅素β亞基α亞基75Hb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?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合76SaturationMyoglobinHemoglobinAsigmoid(cooperative)bindingcurve.77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)。如果是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)(negativecooperativity)78血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。79變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為變構(gòu)效應(yīng)。80脫氧Hb為緊張態(tài)(T態(tài))，與氧的親和力小。隨著O2的結(jié)合，2個α-亞基之間的鹽鍵斷裂，