02第二講蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能(一)剖析課件

上堂課復(fù)習(xí)：如何理解蛋白質(zhì)工程？其研究體系的主線是什么？蛋白質(zhì)工程誕生和標(biāo)志？ 1983年，美國(guó)GENE公司Dr.Ulmer《Science》發(fā)表了 “Peoteinengineering”專論，標(biāo)志“-----”誕生了蛋白質(zhì)工程和基因工程的關(guān)鍵區(qū)別？闡述蛋白質(zhì)工程的理論基礎(chǔ)與基本設(shè)計(jì)原理。蛋白質(zhì)工程基本途徑和主要操作程序。第二講蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能（一）按預(yù)期的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)、新型蛋白質(zhì)基因修飾或基因合成定向改造蛋白質(zhì)空間三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系基礎(chǔ)符合需要性能優(yōu)良功能強(qiáng)大蛋白質(zhì)工程

天然蛋白質(zhì)新型蛋白質(zhì)藍(lán)圖生命活動(dòng)的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)：生命活動(dòng)的執(zhí)行者，如：新陳代謝、生長(zhǎng)繁殖（生老病死）造福人類結(jié)構(gòu)決定功能——結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系——蛋白質(zhì)工程的重要研究?jī)?nèi)容和基礎(chǔ)第一節(jié)蛋白質(zhì)組成和基本結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)：α-氨基酸按一定順序，以肽鍵鏈接形成的、具有一定空間結(jié)構(gòu)、執(zhí)行生物功能的高分子化合物或生物大分子。天然20種L型α-氨基酸是生命活動(dòng)的重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。功能：結(jié)構(gòu)與支架，運(yùn)動(dòng)，防御和保護(hù)，催化，調(diào)節(jié)，運(yùn)輸，信息傳遞等蛋白質(zhì)類別（性狀、結(jié)構(gòu)和溶解度）纖維狀蛋白質(zhì)：膠原蛋白、彈性蛋白、角蛋白、絲蛋白、血纖蛋白等球狀蛋白質(zhì)：大多數(shù)蛋白（免疫球蛋白、多種酶蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白apoTF—運(yùn)鐵機(jī)制）膜蛋白質(zhì)：跨膜蛋白、膜內(nèi)蛋白、錨定蛋白等蛋白質(zhì)多樣性：組成、多層次結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)單元、空間構(gòu)象（復(fù)雜性和多樣性）——20種L型α-氨基酸組成的天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性是功能多樣性基礎(chǔ)揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系， 闡明生命活動(dòng)的基礎(chǔ)α-淀粉酶的蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)圖蛋白質(zhì)的應(yīng)用

紡織—洗滌酶制劑：蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶、脂肪酶過氧化物酶

食品—（焙烤酶制劑，增加面包體積改善面團(tuán)性質(zhì)和瓤結(jié)構(gòu)）釀酒—飼料—造紙—醫(yī)藥—農(nóng)業(yè)—（應(yīng)用廣泛）例：聚γ-谷基酸： 水凝膠、絮凝劑、重金屬吸附劑、飼料添加劑、骨質(zhì)疏松預(yù)防藥物、醫(yī)用生物粘合劑、酶固定劑、防凍劑、生物可降解的塑料。例：聚天冬氨酸：冷卻水處理系統(tǒng)的水垢處理劑、環(huán)境溫和的去垢劑、金屬抗腐蝕劑、礦漿液化劑、皮革鞣制劑、化妝品添加劑。人工合成，已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)如：重組集落刺激因子（CSF）、促紅細(xì)胞生成素（EPO）、白細(xì)胞介素（IL）、 干擾素、生長(zhǎng)激素等元素比例（%）C50~55H6~7O19~24N13~19（16）S0~4P、Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Mo樣品中蛋白質(zhì)含量估算=樣品中含氮量×6.25凱氏定氮一、蛋白質(zhì)的分子組成1、蛋白質(zhì)元素組成磷脂蛋白2、蛋白質(zhì)的基本單位（？）—α-氨基酸氨基酸蛋白質(zhì)分子基本化學(xué)單位常見20種L-α-AA氨基酸機(jī)構(gòu)通式1、氨基酸包括：天然蛋白質(zhì)氨基酸、 非天然蛋白質(zhì)氨基酸2、組成蛋白質(zhì)氨基酸

20種L型氨基酸名稱及簡(jiǎn)寫符號(hào)（三字母和單字母）3、基本結(jié)構(gòu)（手性分子）非天然蛋白質(zhì)氨基酸：不參與構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸，約150種，包括一些是D-氨基酸或β、γ、δ-氨基酸。一些氨基酸是重要的代謝物前體或中間產(chǎn)物，如：瓜氨酸和鳥氨酸是合成精氨酸的中間產(chǎn)物，β-丙氨酸是是泛酸，輔酶A前體等的前體γ-氨基丁酸是神經(jīng)傳遞的化學(xué)介質(zhì)非極性中性氨基酸：R基不帶電荷或極性極微弱，具有疏水性

（9種）甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。極性中性氨基酸：R基極性親水，但不解離或極弱解離 （6種）絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天門冬酰胺。 含有羥基、巰基和酰胺基等。酸性氨基酸：R基極性解離，水溶液中呈酸性，帶負(fù)電荷，親水性強(qiáng)。（2種）天門冬氨酸、谷氨酸。（羧基）堿性氨基酸：R基極性解離，水溶液中顯堿性，帶正電荷，親水性強(qiáng)。（3種）組氨酸、賴氨酸、精氨酸。（氨基或亞氨基）蛋白質(zhì)分類（按R側(cè)鏈結(jié)構(gòu)）丙氨酸Ala蛋氨酸Met脯氨酸Pro纈氨酸Val亮氨酸Leu異亮氨酸Ile苯丙氨酸Phe甘氨酸Gly色氨酸Trp絲氨酸Ser組氨酸His半胱氨酸Cys蘇氨酸Thr天冬酰胺Asn谷胺酰胺Gln酪氨酸Tyr天冬氨酸Asp谷氨酸Glu賴氨酸Lys精氨酸Arg20種氨基酸（復(fù)習(xí)），要求記憶三字符縮寫構(gòu)型構(gòu)型一個(gè)分子中原子的特定空間排布方式不同構(gòu)型分子間除鏡面對(duì)稱外，不能以任何方式重合一種構(gòu)型改變?yōu)榱硪环N構(gòu)型，必須有共價(jià)鍵的斷鏈和重新形成；L-型D-型構(gòu)象組成分子的原子或基團(tuán)，繞單鍵旋轉(zhuǎn)，形成的不同空間排布當(dāng)一種構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N構(gòu)象時(shí)不要求有共價(jià)鍵的斷鏈和重新形成構(gòu)象構(gòu)型和構(gòu)象的差異？氨基酸的立體異構(gòu)D、L是一種相對(duì)構(gòu)型，不表示旋光性，即與其旋光性（+）、（-）無關(guān)。旋光性用（＋）或（－）表示。（+）及（-）甘油醛作為其他旋光性異構(gòu)體物質(zhì)的構(gòu)型的比較標(biāo)準(zhǔn)，并人為地規(guī)定。在費(fèi)歇爾投影式中，手性碳上的OH排在橫線右邊的為右旋甘油醛作為D型，手性碳上的OH排在橫線左邊的為左旋甘油醛作為L(zhǎng)型。氨基酸的光吸收構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收，但在遠(yuǎn)紫外區(qū)(<220nm)均有光吸收。Why？在近紫外區(qū)(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。Why？酪氨酸

max＝275nm，275=1.4x103;苯丙氨酸max＝257nm，257=2.0x102;色氨酸max＝280nm，280=5.6x103;定量關(guān)系A(chǔ)=abc苯丙氨酸（Phe）二、肽和多肽鏈肽鍵/酰胺鍵寡肽：12-20多肽：大于20多肽鏈的構(gòu)型：反式（tran）/順式（cis）多肽鏈的構(gòu)象（C-N扭角Φ,C-C扭角Ψ）序列讀法：左→右，N→C，氨基端→羧基端肽單位和多肽鏈氨基酸多肽鏈肽鍵

一個(gè)氨基酸的羧基與下一個(gè)氨基酸的氨基經(jīng)過縮合反應(yīng)形成的共價(jià)鍵天然蛋白質(zhì)通過肽鍵將多個(gè)氨基酸連接在一起構(gòu)成多肽鏈折疊一個(gè)氨基酸的氨基與另一個(gè)氨基酸的羧基之間失水形成的酰胺鍵稱為肽鍵，所形成的化合物稱為肽。多肽的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)氨基酸組成的肽稱為二肽，由多個(gè)氨基酸組成的肽則稱為多肽。氨基酸殘基？氨基酸連接成多肽時(shí)，由氨基酸的主鏈和側(cè)鏈組成的一個(gè)基本單位。（氨基酸在形成肽鍵以后保留的部分）組成多肽的氨基酸單元稱為氨基酸殘基。若稱為氨基酸，一種省略的讀法，不準(zhǔn)確？多肽鏈第一個(gè)氨基酸具有自由的—NH2,稱為氨基端或N端主鏈（肽鍵連接部分）最末一個(gè)氨基酸具有自由的-COOH,稱為羧基端或C端多肽鏈氨基酸順序：在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列的順序。末端：通常在多肽鏈的一端含有一個(gè)游離的

-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個(gè)游離的

-羧基，稱為羧基端或C-端。氨基酸的順序讀寫是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點(diǎn)的排列順序。如上述五肽可表示為：

Ser-Val-Tyr-Asp-Gln肽鍵-1肽鍵-2特點(diǎn)：氮原子的孤對(duì)電子與羰基具有明顯的共軛作用。肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽平面：組成肽鍵的原子（6個(gè)）處于同一平面。在大多數(shù)情況下，以反式結(jié)構(gòu)存在（分子內(nèi)原子間的斥力）。肽鍵-3肽鍵具有局部雙鍵性質(zhì)，具有反式和順式兩種構(gòu)型肽鍵平面—二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)肽單元呈剛性平面（肽鍵平面）RHCCαON由于局部雙鍵性質(zhì)，肽鍵連接的基團(tuán)處于同一平面，具有確定的鍵長(zhǎng)和鍵角，是多肽鏈中的剛性結(jié)構(gòu)。（C-N扭角Φ,C-C扭角Ψ）ΦΨ在生物體中，多肽最重要的存在形式是作為蛋白質(zhì)的亞單位。許多分子量比較小的多肽以游離狀態(tài)存在。具有特殊的生理功能，常稱為活性肽。如：腦啡肽；激素類多肽；胸腺肽；肽類抗生素； 谷胱甘肽；蛇毒多肽等。天然存在的重要多肽小結(jié)蛋白質(zhì)分子組成20種L-型氨基酸及其分類肽和多肽肽鍵和肽平面I蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次一級(jí)結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)：α-螺旋，β-折疊，回折，環(huán)肽鏈，無規(guī)則卷曲超二級(jí)結(jié)構(gòu)（膜體）：α-αβ-ββ-α-ββ-α-β-α-β結(jié)構(gòu)域：三級(jí)結(jié)構(gòu)：四級(jí)結(jié)構(gòu)：氨基酸殘基在蛋白質(zhì)多肽鏈中的排列順序.組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸，按遺傳密碼編碼的順序，通過肽鍵連接起來的多肽鏈。RHCCαON一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)核糖核酸酶的氨基酸排列順序一級(jí)結(jié)構(gòu)的重要性決定高級(jí)結(jié)構(gòu)決定生物學(xué)活性Anfinsen原理：即蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系一級(jí)結(jié)構(gòu)指氨基酸的排列順序，是高級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。一級(jí)結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含著多肽鏈的折疊密碼，決定多肽鏈的折疊方式和高級(jí)結(jié)構(gòu)。不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)。

二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)：指多肽鏈主鏈構(gòu)象（主鏈的排列方式）；多肽鏈本身折疊或盤曲所形成的局部空間構(gòu)象；多肽鏈主鏈中各原子（不涉及側(cè)鏈和其它部分）在局部的空間排布。一段連續(xù)的肽單位---氫鍵—排列成的具有周期性結(jié)構(gòu)的構(gòu)象。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要作用力——?dú)滏I種類：

α-螺旋、β-折疊、β轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲等基本組件：α一螺旋、β-折疊、β轉(zhuǎn)角