分子細(xì)胞與組織教學(xué)課件3生物大分子蛋白質(zhì)的化學(xué)特性結(jié)構(gòu)與功能

1、生物大分子蛋白質(zhì)的化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)與功能,第三章,M.D. & Ph.D 生物化學(xué)與分子細(xì)胞生物學(xué)系,主要內(nèi)容,蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系 蛋白質(zhì)的重要理化性質(zhì),4 Levels of Protein Structure,蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),第一節(jié),一、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),主要的化學(xué)鍵：氫鍵,所謂肽鏈主鏈骨架原子即N（氨基氮）、 C（-碳原子）和Co（羰基碳）3個(gè)原子依次重復(fù)排列。,蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),（一）-螺旋,G蛋白偶聯(lián)受體,萊納斯卡爾鮑林,萊納斯卡爾鮑林（Linus Carl Pauling，1901.2.28-1994.8.19.），美國(guó)著名化學(xué)家、量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的先驅(qū)

2、者之一。1954年因在化學(xué)鍵方面的工作取得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，1962年因反對(duì)核彈在地面測(cè)試的行動(dòng)獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)。,鮑林在生物大分子領(lǐng)域最初的工作是對(duì)血紅蛋白結(jié)構(gòu)的確定。鮑林首先將x-射線衍射晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試的方法引入到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定中來(lái)。結(jié)合血紅蛋白的晶體衍射圖譜，鮑林提出蛋白質(zhì)中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的，這就是最早的 螺旋結(jié)構(gòu)模型。有科學(xué)史學(xué)者認(rèn)為沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型就是受到了鮑林的影響。1951年鮑林結(jié)合他在血紅蛋白進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，以及對(duì)肽鏈和肽平面化學(xué)結(jié)構(gòu)的理論研究，提出了螺旋和折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)建單元的理論。這一理論成為20世紀(jì)生物化學(xué)若干基本理論之一，影響

3、深遠(yuǎn)。,肌紅蛋白的三維空間結(jié)構(gòu),（三）-折疊,（三）-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在,-轉(zhuǎn)角,無(wú)規(guī)卷曲是用來(lái)闡述沒(méi)有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。,（四）,（五）超二級(jí)結(jié)構(gòu)和模體,在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。,二級(jí)結(jié)構(gòu)組合形式有3種：， 。,二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)。,鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體,鋅指結(jié)構(gòu),-螺旋-轉(zhuǎn)角（或環(huán)）-螺旋模體 鏈-轉(zhuǎn)角-鏈模體 鏈-轉(zhuǎn)角-螺旋-轉(zhuǎn)角-鏈模體,模體常

4、見(jiàn)的形式,二、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu),整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。,定義:,（一）三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置,Water-Soluble Globular Proteins,肌紅蛋白 (Mb),結(jié)構(gòu)域是三級(jí)結(jié)構(gòu)層次上的獨(dú)立功能區(qū),分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個(gè)結(jié)構(gòu)較為緊密且穩(wěn)定的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域 (domain) 。,大多數(shù)結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的100至200個(gè)氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個(gè)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)常分解出獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域，而各結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象可以基本不改變，并保持其功能。 超二級(jí)結(jié)構(gòu)則不具備這種特點(diǎn)。

5、 因此，結(jié)構(gòu)域也可看作是球狀蛋白質(zhì)的獨(dú)立折疊單位，有較為獨(dú)立的三維空間結(jié)構(gòu)。,蛋白質(zhì)的多肽鏈須折疊成正確的空間構(gòu)象,分子伴侶(chaperon)通過(guò)提供一個(gè)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(jí)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(kāi)，如此重復(fù)進(jìn)行可防止錯(cuò)誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。,分子伴侶也可與錯(cuò)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(guò)程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。,亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。,三、蛋白質(zhì)的四級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)。,許多功能性蛋白質(zhì)

6、分子含有2條或2條以上多肽鏈。每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基 (subunit)。,Quaternary Structure,血紅蛋白(hemoglobin，Hb),四、維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的非共價(jià)鍵,二級(jí)結(jié)構(gòu)：氫鍵 三級(jí)結(jié)構(gòu)：疏水鍵 四級(jí)結(jié)構(gòu)：鹽鍵,五、二硫鍵,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,第二節(jié),（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ),一、蛋白質(zhì)分子一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系,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(wú)活性,（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能,一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象以及功能也相似。, 氨基酸殘基序號(hào) 胰島素

7、A5 A6 A10 A30 人 Thr Ser Ile Thr 豬 Thr Ser Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala 兔 Thr Gly Ile Ser 牛 Ala Gly Val Ala 羊 Ala Ser Val Ala 馬 Thr Ser Ile Ala ,（三）氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息,一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細(xì)胞色素(cytochrome C)，比較它們的一級(jí)結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。,（四）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,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”。,肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基,血

8、紅素結(jié)構(gòu),二、蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系,（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似,肌紅蛋白(myoglobin，Mb),肌紅蛋白是一個(gè)只有三級(jí)結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段-螺旋結(jié)構(gòu)。 血紅素分子中的兩個(gè)丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個(gè)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。,血紅蛋白(hemoglobin，Hb),血紅蛋白具有4個(gè)亞基組成的四級(jí)結(jié)構(gòu)，每個(gè)亞基可結(jié)合1個(gè)血紅素并攜帶1分子氧。 Hb亞基之間通過(guò)8對(duì)鹽鍵，使4個(gè)亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。,脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵,Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)

9、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,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,協(xié)同效應(yīng)(cooperativity),一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)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) (positive cooperativity) 如果是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng) (negative cooperativity),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(dòng)。,別構(gòu)效應(yīng)(a

10、llosteric effect),蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為別構(gòu)效應(yīng)。,（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病,蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)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(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。,蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)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。,瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。 正常的PrP富含-螺旋，稱為PrP

11、c。 PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為-折疊的PrPsc，從而致病。,瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變,第三節(jié),蛋白質(zhì)的重要理化性質(zhì),一、大分子親水膠體性質(zhì),蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。,顆粒表面電荷 水化膜,蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:,水化膜,帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì),溶液中蛋白質(zhì)的聚沉,二、兩性解離與等電點(diǎn),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(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液

12、的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。,蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)( isoelectric point, pI),三、紫外吸收特征與蛋白質(zhì)定量分析,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(zhǎng)處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的A280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測(cè)定。,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)。,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(lái)檢測(cè)蛋白質(zhì)水解程度。,應(yīng)用蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)可測(cè)定蛋白質(zhì)溶液含量,茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction),雙縮脲反應(yīng)(biuret reaction),四、蛋白質(zhì)的變性,

13、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(wú)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),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 。,應(yīng)用舉例: 臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來(lái)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。,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) 。,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(wú)活性,在一定

14、條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)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(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。,蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。,蛋白質(zhì)沉淀,蛋白質(zhì)的凝固作用(protein coagulation),SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質(zhì)分子量的測(cè)定。 等電聚焦電泳，通過(guò)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)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)。,幾種重要的蛋白質(zhì)電泳:,一、掌握 1. 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能： 1) 二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念和各種二級(jí)結(jié)構(gòu)基本單元的特征 2) 三級(jí)結(jié)構(gòu)的概念及特點(diǎn) 3) 模體和結(jié)構(gòu)域的概念 4) 四級(jí)結(jié)構(gòu)、亞基概念與特點(diǎn) 5) 別構(gòu)效應(yīng)的概念 6) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的非共價(jià)鍵和共價(jià)鍵組成特點(diǎn) 2. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系 1) 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，分子病的概念 2) 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系 3. 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì) 1) 蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點(diǎn) 2) 蛋白質(zhì)的紫外吸收特征與定量分析 3) 蛋白質(zhì)變性的概念及實(shí)際應(yīng)用,二、熟悉 1. 超二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念 2. 蛋白質(zhì)構(gòu)象病的概念 三、了解 1. 蛋白質(zhì)的大分子親水膠體性質(zhì),2015-2016學(xué)年第一學(xué)期分