蛋白质结构与功能剖析

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1、第一节 蛋白质的化学组成,第二节 蛋白质的分子结构,第三节 蛋白质结构与功能的关系,第四节 蛋白质的理化性质 及其分离纯化,第二章 蛋白质结构与功能,蛋白质的主要生理功能,蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。 生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：,催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能 ,碳(C) 50% 55%,氢(H) 6% 8%,氧(O) 19% 24%,氮(N) 13% 19%,

2、16%；N(g)6.25 = 样品Pr含量,硫(S) 0% 4%,少量的 磷(P)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)和碘(I)等,第一节 蛋白质(protein)的化学组成,元素组成,生物体内的氨基酸类别,蛋白质氨基酸： 蛋白质中常见的20种氨基酸 稀有的蛋白质氨基酸：蛋白质组成中，除上述20种常见氨基酸外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸，它们都是相应常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等。 非蛋白质氨基酸：生物体内呈游离或结合态的氨基酸。,或,构成蛋白质的20种氨基酸(aa)的结构特点:,1. 均为L氨基酸，各种aa的R侧链各不相同,2. 碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除

3、外),3. -碳原子为不对称(手性)碳原子(甘氨酸除外）,一 氨基酸(amino acid) 蛋白质的基本构成,氨基酸结构通式,（一）氨基酸的分类,根据氨基酸侧链基团()的结构和理化性质，将其分为 ：,1.非极性 氨基酸,2.极性氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸,中性氨基酸,1. 非极性 氨基酸,包括7个：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、苯丙氨酸（Phe）和脯氨酸（Pro）,2. 极性氨基酸,R-基含有极性基团；中性,酪氨酸(Tyr),生理pH条件下不解离。,色氨酸(Trp)、,丝氨酸(Ser)、,半胱氨酸(Cys)、,蛋氨酸(Met)

4、、,天冬酰胺(Asn)、,谷氨酰胺(Gln)、,苏氨酸(Thr) 、,包括8个：,3. 酸性氨基酸,R-基有COOH(COO-),带负电荷,4. 碱性氨基酸,R-基有NH2(NH3+),赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His),带正电荷,精氨酸（Arg）,组氨酸（His）,胍基,咪唑基,1. 两性解离及等电点,（二） 氨基酸的理化性质,pHpI,pHpI,pH=pI,等电点(pI)：,氨基酸酸性解离和碱性解离的程度相等，,分子所带的净电荷为零，此时溶液的pH值就称为该氨基酸的等电点。,除碱性氨基酸外，其余氨基酸的等电点均小于pH7,pI=1/2（pK1+pK2）,若一个aa有3个解

5、离基因，则其pI为兼性离子两边pK的平均值,2. 紫外吸收性质,色氨酸和酪氨酸在280nm波长附近对紫外光有最大吸收峰。,据此可以通过测定蛋白质溶液280nm的吸光值快速测定其蛋白质含量。,3. 茚三酮反应,aa与水合茚三酮一起加热，生成蓝紫色的化合物，在570nm处有最大吸收。据此亦可用作aa含量分析。,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220nm)均有光吸收。 在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。 酪氨酸的max275nm，275=1.4x103; 苯丙氨酸的max257nm，257=2.0x102; 色氨酸的max280

6、nm，280=5.6x103;,氨基酸与茚三酮反应,+,水合茚三酮(无色),紫色化合物,水合茚三酮,氨基酸与苯异硫氰酯（PITC）的反应 （Edman反应）,PITC（phenylisothiocyanate）,+,苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA) （phenylisothiohydantion-AA）,氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应 （sanger反应）,DNFB（dinitrofiuorobenzene）,DNP-AA(黄色),+,+ HF,氨基酸,（一） 肽与肽键,脱去一分子水缩合形成的键,二、肽,一个氨基酸的-羧基与,另一个氨基酸的-氨基,肽键的概念：,称肽键(pept

7、ide bond),肽,氨基酸借肽键相连而形成的化合物称肽(peptide),寡肽(oligopeptide),由10个以内氨基酸连成的小肽,多肽(polypeptide),由许多氨基酸连成的肽,又称多肽链或肽链,其形状为一条没有分支的长链，,氨基末端(端),羧基末端(C 端),+,丙氨酸,苯丙氨酸,肽键,二肽,苯丙氨丙氨酸,肽和肽键的形成,肽单位,肽键,在肽键中，与相连的氧原子和氢原子呈反式构型,（反式）,（顺式）,肽键的特点：,肽键的特点：,CN单键为0.149nm,C=N双键为0.127nm,具有部分双键性质,不能自由旋转,肽键中键长为0.132nm,氨基酸在形成肽链时丢失了一分子水，肽

8、链中的氨基酸分子已不完整，,氨基酸残基,称为氨基酸残基(amino acid residue)。,蛋白质与多肽的区别：,Protein,空间构象相对稳定,氨基酸残基数较多,Peptide,空间构象不稳定,氨基酸残基数较少,（二）生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione，GSH),构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的羧基,由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)组成的三肽,(1)组成,(2) 功能,GSH是体内重要的还原剂,谷胱甘肽,谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。,由下丘脑分泌，其功能是促进腺垂体释放促甲状腺素(

9、调节糖代谢)。,2.促甲状腺素释放激素,(1) 组成,(2) 功能,三、蛋白质的分类,1. 根据组成成分分为：,单纯蛋白质全部由aa组成；,结合蛋白质除蛋白部分外， 还含非蛋白部分。,结合蛋白质中的非蛋白部分称为辅基，常以共价键与蛋白部分相连。,辅基：包括色素、寡糖、脂类、磷酸、金属 离子、核酸等,2. 根据其形状分为：,纤维蛋白质分子状如纤维，其长轴 比纵轴大于10：1,球状蛋白质分子状如球形或椭圆形,常难溶于水，常作为细胞支架和细胞连接，如大量存在于结缔组织中,常可溶于水，如酶、转运蛋白、免疫球蛋白等,第二节 蛋白质的分子结构,一、 蛋白质的一级结构,二、 蛋白质的二级结构,三、 蛋白质的

10、三级结构,四、 蛋白质的四级结构,高级结构或 空间结构,蛋 白 质 结 构 的 主 要 层 次,一级结构,四级结构,二级结构,三级结构,primary structure,secondary structure,Tertiary structure,quariernary structure,一、蛋白质的一级结构,蛋白质一级结构的概念： 蛋白质分子中所有氨基酸的排列顺序，称 一级结构中的主要化学键： 肽键，二硫键 氨基酸序列书写： 以氨基末端开始羧基末端结束，依次编1、2、3,蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的一级结构,胰岛素的一级结构,各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同,一级

11、结构测定,基本战略：片段重叠法氨基酸顺序直测法 要点：a.测定蛋白质的分子量及其氨基酸组分 b. 测定肽键的N末端和C末端 c. 应用两种或两种以上的肽键内切酶分别在多肽键的专一位点上断裂肽键；也可用溴化氰法专一性地断裂甲硫氨酸位点，从而得到一系列大小不等的肽段。 d. 分离提纯所产生的肽段，并分别测定它们的氨基酸顺序 e. 将这些肽段的顺序进行跨切口重叠，进行比较分析，推断出蛋白质分子的全部氨基酸序列。,蛋白质顺序测 定基本战略,二、蛋白质二级结构,概念： 是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及到aa侧链R基团的构象。 肽单元（肽平面）： 肽

12、键的6个原子C1 、C、N、O、H、 C 2位于同一平面，构成所谓的肽单元,肽单位,肽键中的和均不能自由旋转,肽键(-CONH- ) 中的个原子,个碳原子( C),和,被约束在一个刚性平面（即肽键平面）上， 构成一个肽单元(peptide unit)。,酰胺平面与-碳原子的二面角（ 和 ）,二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称角，绕C-C键旋转的角度称角。和称作二面角，亦称构象角。,完全伸展的多肽主链构象,-碳原子,酰胺平面,=1800，=1800,=00，=00的多肽主链构象,酰胺平面,=00，=00,侧链,非键合原子接触半径,蛋白质的二级结构类型,螺

13、旋结构,折叠结构,-转角,无规卷曲,（一）螺旋 (helix),由肽键平面盘旋 形成的螺旋状构象,1.概念,2.螺旋的结构特征,(1)以肽键平面为单位,以碳原子为转折盘旋形成右手螺旋,(2) 每3.6个氨基酸残基 绕成一个螺圈(3600),螺距为0.54nm,每个氨基酸上升0.15nm,肽键平面与中心轴平行,(3)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部,(4)肽键的CO和NH 都形成氢键,是稳定螺旋的主要作用力,氢键的方向与中心轴大致平行,（二）折叠 (pleated sheet),故又称折叠片或片层。,肽键平面呈伸展的锯齿状排列 形成的结构称折叠。,常为两条或两条以上伸展的多肽链,侧向聚集在一

14、起形成扇面状，,1.概念,2. 折叠结构特点,() 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列；,侧链基团交错地分布在片层平面的两侧。,()由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴 接近垂直。,() 条肽段平行排列构成，肽段之间 可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行 。,（三）转角(turn),肽链出现1800回折的转角处结构称为转角。,1.概念,2.结构特征,*第一个残基的C=O与第四个 残基的N-H形成氢键.,*常见于球状蛋白质分子表面.,（四）无规卷曲(random coil),1.概念,没有确定规律性的肽键构象,常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起调节作用，有利于整条肽链

15、盘曲折叠,无规则卷曲,细胞色素C的三级结构,无规则卷曲示意图,(五) 蛋白质的超二级结构和结构域,(2) 结构域（structure domain）,蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或折叠或转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构 基本组合方式：；,在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。 形成意义： 动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性,()超二级结构（ supersecondary structure ）,超二级结构类型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-链, -迂回,回形拓扑结构,回形拓扑结构, -迂回,三 蛋白质的三级结构,称为蛋白质的三级结构 ( trertiary structure),1.概念,一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布包含了主链构象和侧链构象的内容,结构域(structural domain),一条肽链通过盘曲折叠,常形成2 个或多个在空间上可以明显区分的折叠实体，称为结构域.,