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1、多肽与蛋白质,第二章,Peptides and Proteins,1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1864年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶。 19世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽 。 1938年，德国化学家Gerardus J. Mulder引用“Protein” 一词来描述蛋白质。,1951年, Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构-螺旋(-helix)。 1953年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。 1962年，John Kendrew和Max Per
2、utz确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代以后，后基因组计划。,什么是蛋白质?,蛋白质（protein）是由许多氨基酸（amino acids）通过肽键（peptide bond） 相连形成的高分子含氮化合物。,分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物 体重要组成成分,1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要
3、的生物学功能,3. 氧化供能,肽和蛋白质的一级结构,第一节,Primary Structure of Peptides and Proteins,（一）氨基酸通过肽键相连形成肽/蛋白质,存在自然界中的氨基酸有300余种，组成体内蛋白质的氨基酸（amino acid）有20种，均为L-氨基酸（除甘氨酸外） 。,、肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚体,肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 氨基酸通过肽键(peptide bond) 相互连接而形成多肽和蛋白质。,肽/蛋白质分子中的氨基酸通过脱水生成的共价键被称为肽键(peptide bond)，肽键是一种酰胺键，具有
4、部分双键的性质。,* 一分子氨基酸与另一分子氨基酸脱去一分子水缩合成二肽。,* 二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽 ,* 一般来说，由数个、十数个氨基酸组成的肽习惯称为寡肽(oligopeptide)，而很多氨基酸组成的肽称为多肽（polypeptide）。通常，多肽分子质量10 kD；而蛋白质则是由一条或多条肽链组成的更大分子，但两者两者经常通用。,肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。,氨基末端（amino terminal）或 N 末端：多肽链中有游离氨基的一端称氨基末端(amino terminal)或N-端。 羧基末端（carboxyl t
5、erminal）或C 末端：多肽链中有游离羧基的一端称为羧基末端(carboxyl terminal)或C-端。,多肽链具有方向性：,多肽链从氨基末端走向羧基末端。,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽是根据由N-端至C-端参与其组成的氨基酸残基命名的,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1.谷胱甘肽是体内重要的还原剂,谷胱甘肽 (glutathione, GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,2.体内有许多激素属寡肽或多肽,3. 神经肽是脑内一类重要的肽,在神经传导过程中起重要作用的肽类称为神经肽(neuropeptide)。,较早发现的
6、有脑啡肽(5肽)、-内啡肽(31肽)和强啡肽(17肽)等。,近年发现的孤啡肽(17肽)，其一级结构类似于强啡肽。, 组成蛋白质的元素：,主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。,二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂,各种蛋白质的含氮量很接均为16。,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：,100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%, 蛋白质元素组成的特点：,(一)蛋白质的分子组成与结构特征是其分类的基础,1. 蛋白
7、质根据分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋白质两类：,结合蛋白质及其辅基,3. 蛋白质根据其形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两类 ，可分为：,2. 蛋白质根据结构特点进行分类 ，可分为：,超家族（super family） 家族（family） 亚家族（subfamily）,(二)蛋白质分子结构可区分为4个层次,高级结构 或 空间构象(conformation),一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),三、氨基酸残基的排列顺序决定蛋白质的
8、一级结构,肽键（主要化学键） 二硫键,蛋白质一级结构(primary structure)是指蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序。 形成一级结构的化学键：,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,目 录,四、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质的二级结构,蛋白质二级结构(secondary structure)是指蛋白质分子中某一段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，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。,五、蛋白质一级结构比对可用于同源 蛋白质分析,蛋白质一级结构（氨基酸序列）比对常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。,序列
9、比对方法（sequence-comparison method）关键在于将2个序列准确地对齐，使之达到相同序列最大化，插入或删除序列最小化的目的，然后计算相同的氨基酸数。,同源蛋白质仅指同一基因进化而来的蛋白质。,序列相似但非进化相关的2个蛋白质的序列，常被称为相似（analogy）序列 。,第二节 肽、蛋白质的高级结构,Three Dimentional Structure of Peptides and Proteins,蛋白质的二级结构(secondary structure)是指组成蛋白质的肽链的主链的空间结构，也就是肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。,一、多
10、肽链中的局部特殊构象是蛋白质 的二级结构,肽链主链骨架原子包括N（氨基氮）、C（-碳原子）和CO（羰基碳）3个原子依次重复排列。,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -环 -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),蛋白质二级结构的主要形式：,维系二级结构的主要化学键：氢键,（一）肽键是一个刚性的平面,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2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 (peptide unit) 。,（二）-螺旋是常见的蛋白质二级结构,（三）
11、-折叠使多肽链形成片层结构,（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在,-转角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,（五）模体是蛋白质的超二级结构,在许多蛋白质分子中，由几个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近、相互作用，所形成的折叠模样，称为超二级结构（supersecondary structure），又称折叠（fold）或模体（motif）。,超二级结构形式有3种：，,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,（六）氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成,蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或-折叠，它就会出现相应的二级结构。 这是氨
12、基酸残基的侧链的相互作用可稳定或去稳定相应的二级结构的原因。,一段肽链有多个谷氨酸或天冬氨酸残基相邻，则在pH7.0时，这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨碍-螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍-螺旋的形成。,天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响-螺旋形成。,脯氨酸的结构不利于形成-螺旋。,形成-折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才能容许两条肽段彼此靠近。,二、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构,蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置，包
13、括一级结构中相距甚远的肽段的空间位置关系。,（一）三级结构是指整条多肽链的空间分布,肌红蛋白 (Mb),肌红蛋白（myoglobin）是一个单个肽链的球状蛋白质，由153个氨基酸残基构成，含有1个血红素（heme）辅基。,(二) 维持三级结构稳定主要依靠非共价键,蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称非共价键、次级键，主要有氢键、范德华力（Van der Waals force）、疏水作用（hydrophobic interactin）和盐键（salting bond）（又称离子键）等。,纤连蛋白分子的结构域,（三）三级结构可含有功能各异的结构域,在二级结构或超二级结构的基础上，多
14、肽链可形成在三级结构层次上的局部折叠区，称为结构域(domain)。,（四）根据结构域可对蛋白质进行分类：,根据结构域可将球状蛋白质分为4类： 反平行螺旋结构域（全-结构） 平行或混合型折叠片结构域（，-结构） 反平行折叠片结构域(全-结构) 富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白质结构）,A. 全-结构域 B. 平行或混合型折叠片结构域 C. 全-结构域 D. 富含二硫键结构域,（五）分子伴侣参与蛋白质的折叠,分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。,* 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽
15、链正确折叠。,* 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,* 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。,目前已知参与蛋白质折叠的分子伴侣可分为3类： 热激蛋白70(Hsp70)：Hsp70在真核和原核生物中高度保守，它可部分逆转变性或聚集的蛋白质 。 伴侣蛋白(chaperonin)：伴侣蛋白普遍存在于细菌、线粒体、叶绿体和真核生物，主要有2个家族：Hsp60（在大肠杆菌中又称为GroEL）和Hsp10。 核质蛋白(nucleoplasmin),伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用,各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。,三、多亚基的蛋白质具有四级结构形式
16、,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。,体内有许多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)。,（一）具有四级结构形式的蛋白质由多亚基组成,血红蛋白的四级结构,（二）亚基通过亚基间的相互作用联系在一起,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，则称之为异二聚体(heterodimer)。,（三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质,生物体内许多蛋白质往往由多个亚基组成，亚基之间凭借次级键形成蛋白质四级结构。,胰岛素受体：由4个亚基组成(22) ，亚基与亚基形成单体(monomer)，2个单体形成二聚体(dimer)。,血红蛋白的一、二、三、四级结构,蛋白质结构与功能的关系Structure and Function of
