《《分子 细胞与组织教学课件》3.生物大分子蛋白质的化学特性，结构与功能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《分子 细胞与组织教学课件》3.生物大分子蛋白质的化学特性，结构与功能（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生物大分子蛋白质的化学特性、结构与功能,第三章,蔡蓉, M.D. & Ph.D 生物化学与分子细胞生物学系 ,主要内容,蛋白质的空间结构 蛋白质空间结构和功能的关系 蛋白质的重要理化性质,4 Levels of Protein Structure,蛋白质的空间结构,第一节,一、蛋白质的二级结构,主要的化学键：氢键,所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、 C（-碳原子）和Co（羰基碳）3个原子依次重复排列。,蛋白质二级结构,（一）-螺旋,G蛋白偶联受体,莱纳斯卡尔鲍林,莱纳斯卡尔鲍林（Linus Carl Pauling，1901.2.28-1994.8.19.），美国著名化学家、量子化学和结构生
2、物学的先驱者之一。1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖，1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖。,鲍林在生物大分子领域最初的工作是对血红蛋白结构的确定。鲍林首先将x-射线衍射晶体结构测试的方法引入到蛋白质结构测定中来。结合血红蛋白的晶体衍射图谱，鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形排列的，这就是最早的 螺旋结构模型。有科学史学者认为沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型就是受到了鲍林的影响。1951年鲍林结合他在血红蛋白进行的实验研究，以及对肽链和肽平面化学结构的理论研究，提出了螺旋和折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。这一理论成为20世纪生物化学若干基本理论
3、之一，影响深远。,肌红蛋白的三维空间结构,（三）-折叠,（三）-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。,（四）,（五）超二级结构和模体,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。,二级结构组合形式有3种：， 。,二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体(motif) 。,模体是具有特殊功能的超二级结构。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,-螺旋-转角（或环）-螺旋模体 链-转角-链模体 链-转角-螺旋-转角-链模
4、体,模体常见的形式,二、蛋白质的三级结构,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。,定义:,（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,Water-Soluble Globular Proteins,肌红蛋白 (Mb),结构域是三级结构层次上的独立功能区,分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域 (domain) 。,大多数结构域含有序列上连续的100至200个氨基酸残基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本不改变，并保持其功能。 超二级结构则不具备
5、这种特点。 因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构。,蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象,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。,亚基之间的结合主要是氢键和离子键。,三、蛋白质的四级结构,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。,许多功
6、能性蛋白质分子含有2条或2条以上多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。,Quaternary Structure,血红蛋白(hemoglobin，Hb),四、维系蛋白质空间结构的非共价键,二级结构：氢键 三级结构：疏水键 四级结构：盐键,五、二硫键,蛋白质结构与功能的关系,第二节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质分子一级结构和功能的关系,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,（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。, 氨基酸残基序号
7、 胰岛素 A5 A6 A10 A30 人 Thr Ser Ile Thr 猪 Thr Ser Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala 兔 Thr Gly Ile Ser 牛 Ala Gly Val Ala 羊 Ala Ser Val Ala 马 Thr Ser Ile Ala ,（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息,一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。,（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,肌红蛋白/血红蛋白含有血红
8、素辅基,血红素结构,二、蛋白质分子空间结构和功能的关系,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,肌红蛋白(myoglobin，Mb),肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段-螺旋结构。 血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。,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。,脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键,Hb与Mb一样能可逆
9、地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。,（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,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 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity),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。,别
10、构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应。,（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(prion protein, 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，
11、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,第三节,蛋白质的重要理化性质,一、大分子亲水胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,颗粒表面电荷 水化膜,蛋白质胶体稳定的因素:,水化膜,带负电荷的蛋白质,溶液中蛋白质的聚沉,二、两性解离与等电点,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零
12、，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,蛋白质的等电点( isoelectric point, pI),三、紫外吸收特征与蛋白质定量分析,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量,茚三酮反应(ninhydrin reaction),双缩脲反应(biuret reaction),四、蛋白
13、质的变性,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,蛋白质的变性(denaturation),造成变性的因素: 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,应用举例: 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation) 。,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
14、性,在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。,蛋白质沉淀,蛋白质的凝固作用(protein coagulation),SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。 等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。 双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。,几种重要的蛋白质电泳:,一、掌握 1. 蛋白质的结构与功能： 1) 二级结构的概念和各种二级结构基本单元的特征 2) 三级结构的概念及特点 3) 模
15、体和结构域的概念 4) 四级结构、亚基概念与特点 5) 别构效应的概念 6) 蛋白质结构中的非共价键和共价键组成特点 2. 蛋白质结构和功能的关系 1) 蛋白质一级结构与功能的关系，分子病的概念 2) 蛋白质空间结构、结构与功能间的关系 3. 蛋白质的理化性质 1) 蛋白质的两性解离与等电点 2) 蛋白质的紫外吸收特征与定量分析 3) 蛋白质变性的概念及实际应用,二、熟悉 1. 超二级结构的概念 2. 蛋白质构象病的概念 三、了解 1. 蛋白质的大分子亲水胶体性质,2015-2016学年第一学期分子、细胞与组织 TBL教学实施方法,每次TBL课出8道单选题，打印后分给学生，每组1-3张（视每组人数多少决定）。 时间分配：讨论20分钟，答题20分钟，每组解释答案1分半，其他组点评1分钟。 每组解释答案的题目由教师随机分配，解释人也在组中随机抽取，只需解释教师指定的两个易混淆的答案选项（哪两个选项由出题老师指定）。 点评：每组同学解释完答案后，由另一组同学来点评，每组都有一次机会来点评别组的解释，每次由哪组来点评由教师随机指定。 分数比例为-答案：解释：点评。,
