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1、蛋白质的结构与功能 第一章 StructureandFunctionofProtein 目的与要求1 掌握 蛋白质的组成 氨基酸理化性质2 掌握 蛋白质各级结构 维系结构的化学键及结构与功能的关系3 理解 蛋白质在生命过程的重要性 蛋白质的分类4 运用蛋白质理化性质解释临床及生活现象 什么是蛋白质 蛋白质 protein 是由氨基酸 aminoacids 通过肽键 peptidebond 连接形成的高分子含氮化合物 proteins 生物催化 运动 支持 免疫防御 代谢调节 转运 贮存 控制生长和分化 信息接受和传递 组成生物膜 蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofP
2、rotein 第一节 一 蛋白质的元素组成 主要有C H O N和S 有些蛋白质含有少量磷 硒或金属元素铁 铜 锌 锰 钴 钼 个别蛋白质还含有碘 一 组成蛋白质的元素 二 蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近 平均为16 100克样品中蛋白质的含量 g 每克样品含氮克数 6 25 100 1 16 C 50 55 H 6 7 O 19 24 N 13 19 S 0 4 三聚氰胺氮含量66 7 二 组成人体蛋白质的20种L 氨基酸 R L 氨基酸的通式 碳原子 组成人体蛋白质的氨基酸都是L 氨基酸 甘氨酸例外 组成蛋白质的氨基酸都是 氨基酸 脯氨酸例外 非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基
3、酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸 二 氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类 一 侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 亚氨基酸 没有手性 二 侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸 白血病不能合成 解决氨的去路 变成SAM后使其他物质发生甲基化 含有羟基 容易被化学修饰 含有羟基 容易被化学修饰 构成GSH 还原其他物质 防止被氧化 三 侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 可转化成黑色素 可以合成维生素PP 四 侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸 五 侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸 三 20种氨基酸具有共同或特异的理化性质 一 氨基酸具有两性解离的性质 pH pI
4、 pH pI pH pI 氨基酸的兼性离子 阳离子 阴离子 氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度 等电点 isoelectricpoint pI 在某一pH的溶液中 氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等 成为兼性离子 分子所带的净电荷为零 呈电中性 此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点 每个aa的pI是固定的 不随外界pH变化而变化 pH只影响aa的电荷性质和数量 二 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质 色氨酸 酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近 芳香族氨基酸的紫外吸收 由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基 所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方
5、法 肽键 peptidebond 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱水缩合而形成的化学键 一 氨基酸通过肽键连接而形成肽 peptide 四 氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽 甘氨酰甘氨酸 肽键 氨基酸残基 Polypeptidechain N端 C端 肽 Side chain 侧链 1 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物 2 两分子氨基酸缩合形成二肽 三分子氨基酸缩合则形成三肽 二 肽 peptide 3 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽 4 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全 被称为氨基酸残基 residue 5 多肽链 p
6、olypeptidechain 是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构 分别有 N末端 多肽链中有自由氨基的一端 C末端 多肽链中有自由羧基的一端 重要的活性肽 Glutathione GSH H Glu Cys Gly FunctionofGSH Antioxidant2GSH H2O2 GSSG 2H2OGSSG NADPH H 2GSH NADP 蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein 第二节 蛋白质的分子结构包括 一级结构 primarystructure 二级结构 secondarystructure 三级结构 tertiarystructu
7、re 四级结构 quaternarystructure 定义 蛋白质的一级结构指蛋白质分子从N 端至C 端的氨基酸排列顺序 一 蛋白质的一级结构 primarystrcuture 主要的化学键 肽键 有些蛋白质还包括二硫键 Proinsulin 二 多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构 主要的化学键 氢键 肽键具有部分双键的性质 不能自由旋转 参与肽键形成的6个原子在同一平面上 参与肽键的6个原子C 1 C O N H C 2位于同一平面 C 1和C 2在平面上所处的位置为反式 trans 构型 此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 peptideunit 亦成为肽键平面 C 是两个肽键平
8、面的连接点 螺旋 helix 折叠 pleatedsheet 转角 turn 无规卷曲 randomcoil 常见蛋白质二级结构类型 二 螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 结构特点 右手螺旋每螺旋圈包含3 6个氨基酸残基 每个残基上升0 15nm 螺旋上升一圈0 54nm 相邻螺旋之间通过肽键上的酰基氧与亚氨基氢形成氢键氢键保持螺旋结构稳定 氢键方向与螺旋长轴基本平行 氨基酸侧链伸向螺旋外侧 对 螺旋的形成有一定影响 毛发角蛋白 肌球蛋白 原核生物DNA聚合酶I 一般 螺旋中不出现脯氨酸 因为脯氨酸的氨基只有一个氢 形成肽键以后没有多余的氢和第四个aa的羧基氧形成氢键稳定结构 色氨酸有很大的侧链
9、 吲哚基团太大 空间位阻大 若有几个色氨酸也不易形成 螺旋 同种电荷的aa不能同时出现在 螺旋中 三 折叠使多肽链形成片层结构 结构特点 肽键平面折叠成锯齿状 折纸状 R 基团交错位于齿状结构上下方 氢键维持稳定与主链长轴垂直 两条以上肽链并列时 片层有顺式和反式平行 4 R 基团太大时 折叠不易形成 折叠非常牢固如 蜘蛛丝 折叠 蚕丝蛋白几乎都是 折叠 N 端 N 端 N 端 C 端 N 端 C 端 四 转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在 转角 结构特点 转角常发生于肽链进行180 回折时的转角上 一转角通常由4个氨基酸残基组成 其第一个残基的羰基氧 O C 与第四个残基的氨基氢 H 可形
10、成氢键 转角的第二个残基常为脯氨酸 其他常见残基有甘氨酸 天冬氨酸 天冬酰胺和色氨酸 五 模体是具有特殊功能的超二级结构 在许多蛋白质分子中 可发现二个或三个具有二级结构的肽段 在空间上相互接近 形成一个有规则的二级结构组合 被称为超二级结构 模体常见的形式 模体 motif 是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分 其中一类就是具有特殊功能的超二级结构 锌指结构 一个 螺旋两个 折叠三个肽段组成 模体是具有特殊功能的超二级结构 螺旋 环 螺旋 碱性亮氨酸拉链 模体不具备独立执行特定功能的能力 三级结构才具备独立执行某种功能的能力 即肽链中所有原子在三维空间的排布位置 一 三级结构是
11、指整条多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置 三 蛋白质的三级结构 由一条链构成的蛋白质 只有具有三级结构才能发挥生物学活性 分子量较大的蛋白质在形成三级结构时 肽链中某些局部的二级结构常常汇集在一起 形成发挥生物学功能的特定区域称为结构域 domain 一种蛋白质可包含多个结构域 一个结构域可由几个模体构成 domain motif每个结构域都是一个功能单位 具有独立的功能 例如 脂肪酸合成酶具有7个结构域 分别催化不同的反应 DNA结合蛋白至少含有两个结构域 DNA结合域和转录激活域 二 结构域是三级结构层次上的独立功能区 免疫球蛋白结构域示意图 亚基之间的结合主要是氢键 离子键 疏水作用
12、四 含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用 称为蛋白质的四级结构 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链 每一条多肽链都有完整的三级结构 称为蛋白质的亚基 subunit 2020 5 21 57 可编辑 1 具有四级结构的蛋白质 亚基单独存在 一般没有生物学功能 只有聚合成完整的四级结构才有生物学功能 2 有些蛋白质虽然有两条或两条以上的肽链组成 但肽链间通过共价键 如二硫键等 相连 这种结构不属于四级结构的范畴 如胰岛素 注意 由2个亚基组成的蛋白质四级结构中 若亚基分子结构相同 称之为同二聚体 homodimer 若亚基分子结构不同
13、 则称之为异二聚体 heterodimer 血红蛋白的四级结构 蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein 第三节 一 一级结构是空间构象的基础 一 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础 1 一级结构不同 功能不同 剩2 10 丧失活性 活性仍100 2 一级结构中 关键 氨基酸消失 其功能也丧失 例 镰刀形红细胞贫血 3 一级结构中 关键 改变 其生物学活性也改变 Sickle cellanemia镰刀型红细胞贫血 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 Crescent shapederythrocytes lac
14、kofblood Thesickledcellsarefragile Theirbreakdownleadstoananemiathatleavesthevictimsusceptibletoinfectionsanddiseases Theelongatedcellstendtoblockcapillaries causinginflammationandconsiderablepain 镰刀型贫血症在非洲发病率较高 携带者 杂合体 表现为轻度贫血 但对恶性疟疾有较强的抵抗力 由于自然选择的结果 使这一基因在非洲恶性疟疾猖獗的地区较多保留了下来 杂合体的红细胞 二 蛋白质的功能依赖特定空间结
15、构 天然状态 有催化活性 尿素 巯基乙醇 去除尿素 巯基乙醇 非折叠状态 无活性 肌红蛋白 血红蛋白含有血红素辅基 血红素结构 一 血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似 血红蛋白 hemoglobin Hb 血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构 每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧 Hb亚基之间通过8对盐键 使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白 二 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合 肌红蛋白 Mb 和血红蛋白 Hb 的氧解离曲线 血红素与氧结合后 铁原子半径变小 就能进入卟啉环的小孔中 继而引起肽链位置的变动 协同效应 cooperativity 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后 能
16、影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象 称为协同效应 如果是促进作用则称为正协同效应 positivecooperativity 如果是抑制作用则称为负协同效应 negativecooperativity 三 蛋白质构象改变可引起疾病 蛋白质构象疾病 若蛋白质的折叠发生错误 尽管其一级结构不变 但蛋白质的构象发生改变 仍可影响其功能 严重时可导致疾病发生 蛋白质构象改变导致疾病的机理 有些蛋白质错误折叠后相互聚集 常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀 产生毒性而致病 表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变 这类疾病包括 人纹状体脊髓变性病 老年痴呆症 亨停顿舞蹈病 疯牛病等 疯牛病是由朊病毒蛋白 prionprotein PrP 引起的一组人和动物神经退行性病变 正常的PrP富含 螺旋 称为PrPc PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为 折叠的PrPsc 从而致病 疯牛病中的蛋白质构象改变 疯牛病 madcowdisease 是由朊病毒蛋白 prionprotein PrP 引起的一组人和动物神经退行性病变 表现为进行性痴呆 小脑共济失调 肌肉控制减弱 精神敏锐度下降 健忘和
