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1、第 一 篇 生 物 大 分 子 的 结 构 与 功 能 Part I. Structure & function of biologic macromolecules,Protein: structural molecule, functional molecule Nucleic acid: genetic material Enzyme: biocatalyst,第一章 蛋白质的结构与功能 Chapter 1. Structure & function of protein,蛋白质是组成生物体最基本的成分 蛋白质的分子结构分成不同的四个层次 蛋白质的种类和功能具有多样性 不同蛋白质的功能取
2、决于其组成和结构的差异,第一节. 蛋白质的分子组成 Section 1. Molecular compose of protein,(一)、结构,组成蛋白质的20种氨基酸均为- 氨基酸 通常处于电离状态 构型均为L-型,组成蛋白质的元素主要有C, H, O, N, S, 某些蛋白还含有P, Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Mo 等元素 其中, N含量恒定, 平均为16 % 蛋白质的基本组成单位是氨基酸,一、氨 基 酸 (amino acid),100g样品中蛋白质含量(g%) =每克样品含氮克数1006.25,根据侧链 R 在水溶液中的性质可分为： 1. 非极性疏水性氨基酸: 侧链为链
3、烃 2. 极性的中性氨基酸：侧链含有O、N或S原子组成的非电离极性基团，如羟基、巯基、酰胺基等 3. 酸性氨基酸: Asp, Glu 4. 碱性氨基酸: Lys, Arg, His 两种特殊氨基酸 A. 脯氨酸(Pro): 亚氨基酸 B.半胱氨酸(Cys): 常以胱氨酸形式存在,(二)、 氨基酸的分类,1. 两性电离及等电点,(三)、 氨基酸的理化性质,氨基酸可结合或解离质子，进行两性解离 解离方式取决于其所处的酸碱度 使某一氨基酸呈电中性的pH称为该氨基酸等电点(isoelectric point,pI),2. 紫外吸收性质,芳香族氨基酸(含苯环)均对紫外光有特定吸收，最大吸收波长为280n
4、m 用于快速测定蛋白的含量,两性电离及等电点,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近,3. 茚三酮反应,是鉴定氨基酸(蛋白质)的特殊颜色反应 可用于氨基酸(蛋白质)的定量分析,1. 肽键(peptide bond),氨基酸与氨基酸之间的连接方式,二、肽 (peptide),(一)、肽,肽 键,2. 肽链(polypeptide chain) 由若干氨基酸通过肽键首尾相连而成的链状结构,主链: 由肽键原子及相邻的C所构成的长链骨架 侧链: 各氨基酸侧链,残基(residue): 组成肽链的氨基酸已不完整,3. 多肽与蛋白质,均是氨基酸组成的多肽链 人为地将肽链较
5、短的称为多肽，而把肽链较长的称为蛋白质,4. 肽链的方向性 N-末端(N-terminal) 和 C-末端(C-terminal) 书写方向通常为: N-端在左, C-端在右,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),(二)、生物活性肽,结构特点 功能特性: -SH的还原性和嗜核性, 主要作为体内的氧化保护剂和解毒剂,2. 多肽类激素与神经肽,下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴的多种激素 神经肽,1. 根据组成成分,单纯蛋白 结合蛋白: 其中非蛋白成分称为辅基, 可以是金属离子、色素、寡糖、脂类、磷酸或核酸等,2. 根据形状,三、蛋白质的分类 (classification of prote
6、ins),纤维蛋白: 长轴/短轴 10, 呈纤维状, 多数不溶于水, 为结构蛋白 球状蛋白: 长轴/短轴 10, 呈球形或椭圆形, 多数可溶于水, 为功能蛋白,第二节. 蛋白质的分子结构 Section 2. Structure of protein,蛋白质的分子结构是生理功能的基础 蛋白质分子结构分为一、二、三、四级结构4个层次，其中二、三、四级结构又称空间构象(conformation),一、蛋白质的一级结构 (primary structure),1. 概念 蛋白质分子中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级 结构。 ( 1961年, IUPAC ) 2. 重要性,是决定蛋白质空间构象的基础
7、蛋白质一级结构的测定具有重大意义,1. 概念 是指多肽链主链中各原子在局部的空间排布方式。这种局部肽段的排布通常是指周期性呈一定规则的空间结构。 2. 组成 肽单元(peptide unit) 由于构成肽键的C-N键有部分双键性质,使肽键的四个原子和与之相连的两个-碳原子都处于同一平面，称之为肽平面，或称肽单元。,二、蛋白质的二级结构 (secondary structure),肽平面(peptide plane),3. 二级结构的主要形式 . -螺旋(- helix) i. 在二级结构中最常见、含量最丰富 ii. 是局部肽段的盘绕呈右手螺旋状，侧链伸向四周的一种结构 iii. 主要特征,右手
8、螺旋, 3.6a.a/turn, pitch=0.54nm 螺旋之间通过氢键保持稳定 由第一个肽单位上的 -NH- 和其后的第四个肽单位上的C=O之间形成 影响螺旋形成的主要因素有侧链的大小、形状及所带电荷等,Cross-sectional view of an - helix,. -折叠 (- pleated sheet) i. 两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起，呈折纸状，相邻肽链上的-NH-与C=O形成有规则的氢键，这样的结构称为-折叠或-片层。 ii. 主要特征,主链较伸展, 呈 Z- 字型 相邻的两条链之间通过氢键保持稳定 侧链位于片层上、下 主链走向可平行，亦可反平行 其
9、中反平行的方式更稳定,Model of an antiparallel - pleated sheet,. - 转角 (- turn) 是指多肽链中出现的一种180 O 回折 由第一个残基的 C=O和第四个残基的-NH-形成的氢键来稳定其结构。,4. 二级结构的聚集 模序(motif) 由相邻的二至三个-螺旋或-折叠组成特定的组合体，发挥特殊的功能。如：钙结合蛋白的螺旋-环-螺旋，锌指结构等。,. 不规则卷曲 是指多肽链中规则性不强的一些区段,5. 影响二级结构形成的因素,# 蛋白质的二级结构是根据其一级结构的特点而决定的, 但在同一个蛋白质多肽链中的不同区域,可形成不同的二级结构。,蛋白质二
10、级结构是以一级结构为基础的 影响二级结构形成的因素主要为残基侧链的大小、电荷 脯氨酸的存在影响-螺旋的形成 分子伴侣(chaperon),1. 概念 是指一条多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，亦即肽链上所有原子或基团的空间排布。 2. 结构域与三级结构 结构域是指二级结构折叠比较紧密的区域，每个结构域都有自己独立的功能。 结构域通常是蛋白质的活性区域 3. 三级结构的维系力次级键 包括疏水作用、离子键(盐键)、氢键及Van der Waals力等,三、蛋白质的三级结构 (tertiary structure),Model of myoglobin at high resolution,Di
11、agram of binding domain of fibronectin,Alpha-carbon diagram of -chymotrypsin,Model of ribonuclease S,1. 概念 由两条或多条的肽链之间相互作用，彼此以非共价键相连而成的更复杂的空间排布。 2. 组成单位: 亚基 (subunit),数量: 2几千个 210, 寡聚体 10, 多聚体 亚基有自己独立的一、二、三级结构，但无完整的功能 亚基可以相同均一四级结构 亚基亦可不相同非均一四级结构,四、蛋白质的四级结构 (quaternary structure),3. 主要维系力：疏水作用,Summar
12、y,第三节. 蛋白质结构与功能的关系 Section 3. Relationships between structure and functions of protein,一、蛋白质一级结构与功能的关系 (primary structure & function),一级结构一旦确定，就决定了其空间结构的排布 但一级结构并不是决定空间结构的唯一因素,(一). 一级结构是空间结构的基础,(二). 一级结构与功能的关系,1.不同的一级结构决定不同的生理功能,2. 一级结构中只有少数氨基酸残基与功能直接相关, 即功能基团, 或称关键部位(key - part),3. 非功能基团对维持功能基团的构象有
13、重要作用,关键部位相同，则功能可能相同或相似。如Insulin,Cyt c,关键部位不同，即便是一个氨基酸残基的改变，也可导致功能的完全改变或丧失. 如镰刀型血红蛋白,镰刀形血红蛋白,镰刀形红细胞贫血 （sickle cell anemia）,Differences in amino acids sequence of insulin from human and animals.,Insulin A8 A9 A10 B30 human Thr Ser Ile Thr pig Thr Ser Ile Ala dog Thr Ser Ile Ala rabbit Thr Ser Ile Ser
14、cow Ala Ser Val Ala goat Ala Gly Val Ala horse Thr Gly Ile Ala,二、蛋白质空间结构与功能的关系 (conformation & function),(一). 肌红蛋白与血红蛋白的结构,Mb储存氧气Hb运输氧气,蛋白质的空间结构与生理功能密切相关 以肌红蛋白和血红蛋白为例,含153个氨基酸残基的单链蛋白和一个血红素(heme)辅基 空间结构上主要为8段-螺旋折叠为球状, heme位于分子内部的袋形空穴中,1. 肌红蛋白(myoglobin, Mb),由4个亚基组成，分别为2个-亚基和2个-亚基 每个亚基的结构与Mb极相似 4个亚基共同
15、围绕成紧密的球形，亚基之间以疏水作用和盐键维持稳定,2. 血红蛋白(hemoglobin, Hb),(二). 血红蛋白的构象变化与结合氧,1. 结合氧特性(解离曲线),Hb与O2的结合曲线呈S型, 与Mb不同(直角双曲线) 4个亚基与4个O2结合时难易程度不同,先难后易(平衡常数K1K2,K3K4), 具有正协同效应(positive cooperativity),2. 协同效应机理变构效应(allosteric effect) (1). 变构效应的概念 蛋白质与效应剂结合后引起蛋白质的构象改变(进而引起生物活性改变)的现象，称为变构效应。,(2). Hb的变构效应 未结合时处于紧张态(T态)第一个O2结合血红素后 该亚基F肽段位移 两个-亚基之间的盐键断裂 亚基间结合松弛 第二、第三亚基更易结合O2 三个亚基结合O2以后，第四亚基的血红素已几乎完全暴露，极易结合O2 整个血红蛋白完全处于松弛态(R态),Summary,Mb: 三级结构，无变构效应 Hb: 四级结构，有变构效应,（三）蛋白质构象改变与疾病,蛋白质的折叠发生错误，使蛋白质的构象发生改变，尽管其一级结构不变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生，此类疾病称为蛋白构象疾病。 例：疯牛病 PrPC PrPSC (-helix)
