高级生化第一章课件

第一章第一章 蛋白质的结蛋白质的结构与功能构与功能 Chapter 1 Structure and Function of Protein第一章第一章 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能 n n蛋白质是活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分蛋白质是活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，是各种生物功能主要的体现者。以核酸子，是各种生物功能主要的体现者。以核酸-蛋白质的蛋白质的结构、功能及其相互关系为中心，逐渐形成了分子生物结构、功能及其相互关系为中心，逐渐形成了分子生物学，成为带领生命科学进入新时代的龙头。学，成为带领生命科学进入新时代的龙头。n n蛋白质的功能与其特殊的结构有着十分密切的内在联系，蛋白质的功能与其特殊的结构有着十分密切的内在联系，结构是特定功能的内在依据，功能则是特定结构的外在结构是特定功能的内在依据，功能则是特定结构的外在表现。因此，阐明蛋白质的分子结构及其与功能的关系表现。因此，阐明蛋白质的分子结构及其与功能的关系是现代生物化学的基本命题，是揭示生命运动规律的必是现代生物化学的基本命题，是揭示生命运动规律的必由之路由之路。蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体的重要组成成分蛋白质是生物体的重要组成成分2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能1）作为生物催化剂）作为生物催化剂2）代谢调节作用）代谢调节作用3）免疫保护作用）免疫保护作用4）物质的转运和存储）物质的转运和存储5）运动与支持作用）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递3.氧化供能氧化供能1.1 蛋白质分子的结构蛋白质分子的结构n n一级结构一级结构（primary structureprimary structure）指多肽链中氨基酸残）指多肽链中氨基酸残基的数目、组成及其排列顺序（基的数目、组成及其排列顺序（N-N-端端C-C-端），即由共端），即由共价键维系的多肽链的二维（线性）结构，不涉及空间排价键维系的多肽链的二维（线性）结构，不涉及空间排列。列。n n二级结构二级结构（secondary structuresecondary structure）是多肽链主链）是多肽链主链（backbonebackbone）在氢键等次级键作用下折叠成的构象单元）在氢键等次级键作用下折叠成的构象单元或局部空间结构，未考虑侧链的构象和整个肽链的空间或局部空间结构，未考虑侧链的构象和整个肽链的空间排布排布。1.1 蛋白质分子的结构蛋白质分子的结构n n三级结构三级结构（tertiary structuretertiary structure）则指整个肽链）则指整个肽链的氨基酸残基侧链基团互相作用以及与环境间的的氨基酸残基侧链基团互相作用以及与环境间的相互作用下形成的三维结构。相互作用下形成的三维结构。n n寡聚体内亚基的空间排列称为寡聚体内亚基的空间排列称为四级结构四级结构（quaternary structurequaternary structure）。）。n n相邻的二级结构往往形成某种有规律的、空间上相邻的二级结构往往形成某种有规律的、空间上可辩认的、更高层次的折叠单元，称为可辩认的、更高层次的折叠单元，称为超二级结超二级结构构（super-secondary structuresuper-secondary structure）或）或折叠单元折叠单元（folding unitfolding unit），主要涉及这些构象元件在空），主要涉及这些构象元件在空间上如何聚集。与此同时，间上如何聚集。与此同时，WetlauferWetlaufer观察到蛋白观察到蛋白质分子中存在相对稳定的球状亚结构，其间由单质分子中存在相对稳定的球状亚结构，其间由单肽链相互连接，命名为肽链相互连接，命名为结构域结构域（structural structural domaindomain）。）。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构30211.1.1 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构1.1.2 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构n n1.1.2.1 1.1.2.1 1.1.2.1 1.1.2.1 决定蛋白质高级结构的因决定蛋白质高级结构的因决定蛋白质高级结构的因决定蛋白质高级结构的因素素素素 （1 1）肽肽链链的的折折叠叠模模式式取取决决于于其其特特定定的的氨基酸序列氨基酸序列 多多肽肽链链中中氨氨基基酸酸序序列列包包含含着着决决定定其其三三维维结结构构的的信信息息，称称为为蛋蛋白白质质卷卷曲曲 密密 码码（code code of of protein protein foldingfolding）或或 立立 体体 化化 学学 密密 码码(stereochemistry(stereochemistry code)code)，至至今今尚尚未完全破译。未完全破译。n n（2 2）细胞内特有的微环境（）细胞内特有的微环境（pHpH、离子强度、水、离子强度、水、温度等）是多肽链折叠成天然构象的重要环境因素。温度等）是多肽链折叠成天然构象的重要环境因素。n n（3 3）维持蛋白质三维结构的作用力：）维持蛋白质三维结构的作用力：表表1.2 1.2 蛋白质中的二硫键和几种次级键的键蛋白质中的二硫键和几种次级键的键能能 1.1.2.2 肽键的性质 n肽键具有部分双键的性质，肽键两端有关原子（羰基C、羰基O、羰基C连接的C、氨基N、氨基H和氨基N连接的C）必须处于同一平面，称为肽平面。1.1.2.2 肽键的性质肽键的性质 n n绕绕N-CN-C键轴旋转的二键轴旋转的二面角（面角（C-N-C-CC-N-C-C）称）称为为，绕，绕C-CC-C键轴旋键轴旋转的二面角（转的二面角（N-C-N-C-C-NC-N）称为）称为，角以角以C-CC-C对对N-HN-H键呈反式时为键呈反式时为0 0，角以角以N-CN-C对对C-OC-O键呈键呈反式时为反式时为0 0。从。从CC看，看，C-CC-C键或键或N-CN-C键顺时针方向旋转用键顺时针方向旋转用“+”号表示，沿反时针方向旋转用号表示，沿反时针方向旋转用“”号表示号表示。原则上。原则上和和可以取可以取-180-180+180+180之间的任一值，这样多肽链主链之间的任一值，这样多肽链主链的各种可能构象都可用的各种可能构象都可用和和这两个二面角或扭角来描述这两个二面角或扭角来描述 （图（图1.51.5）。）。1.1.2.3 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 qq（1 1 1 1）螺旋（）螺旋（）螺旋（）螺旋（helixhelixhelixhelix）：）：）：）：-螺旋：螺旋：3.63.613R13R ；3 310R10R螺旋螺旋 ；-螺旋：螺旋：4.44.416R16R qq（2 2 2 2）-片层（片层（片层（片层（-pleated sheet-pleated sheet-pleated sheet-pleated sheet）：）：）：）：qq（3 3 3 3）回折（）回折（）回折（）回折（reverse turnreverse turnreverse turnreverse turn）：）：）：）：-回折回折 ；-回折：回折：qq（4 4 4 4）环（环（环（环（looplooplooploop）：）：）：）：qq（5 5 5 5）连接条带：）连接条带：）连接条带：）连接条带：qq（6 6 6 6）无序结构：）无序结构：）无序结构：）无序结构：w-回折；构象由第二个和第三个残基C的二面角所规定 环环 m这是最近发现普通存在于球状蛋这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级结构，这白质中的一种新的二级结构，这种结构的形状象希腊字种结构的形状象希腊字，所以，所以称称环。环。环这种结构总是出现环这种结构总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，这种结构与生物功水残基为主，这种结构与生物功能有关，另外在分子识别中可能能有关，另外在分子识别中可能起重要作用。起重要作用。1.1.3 超二级结构 1.1.3.1 简单超二级结构：两个或多个相邻的二级结构元件（主要是-螺旋和-片层）进一步组合成有规律的,空间上可辨认的二级机构组合.（1）-拐角（-corner）：（2）-发夹（-hairpin）：（3）-发夹（-hairpin）：（4）拱形结构（arch）：（1 1 1 1）复绕）复绕）复绕）复绕-螺旋（螺旋（螺旋（螺旋（coiled-coil-helixcoiled-coil-helixcoiled-coil-helixcoiled-coil-helix）:1.1.3.2 1.1.3.2 1.1.3.2 1.1.3.2 复杂的超二级结构：复杂的超二级结构：复杂的超二级结构：复杂的超二级结构：多个二级结构元件或简单超二级结构多个二级结构元件或简单超二级结构多个二级结构元件或简单超二级结构多个二级结构元件或简单超二级结构（2 2 2 2）-单元（单元（单元（单元（-unit-unit-unit-unit）：）：）：）：（3 3 3 3）-迂回（迂回（迂回（迂回（-meander-meander-meander-meander）：）：）：）：（4 4 4 4）-折叠筒（折叠筒（折叠筒（折叠筒（-sheet barrel-sheet barrel-sheet barrel-sheet barrel）：）：）：）：1.1.3.3 一些已知功能的超二级结构（1 1）螺旋）螺旋-回折回折-螺旋（螺旋（helix-turn-helix,HTHhelix-turn-helix,HTH）：）：（2 2 2 2）锌指（）锌指（）锌指（）锌指（Zine fenger,ZFZine fenger,ZFZine fenger,ZFZine fenger,ZF）:（3 3 3 3）亮氨酸拉链（）亮氨酸拉链（）亮氨酸拉链（）亮氨酸拉链（Leucine Zipper,LZLeucine Zipper,LZLeucine Zipper,LZLeucine Zipper,LZ）：）：）：）：（4 4 4 4）螺旋）螺旋）螺旋）螺旋-环环环环-螺旋（螺旋（螺旋（螺旋（helix-loop-helix,HLHhelix-loop-helix,HLHhelix-loop-helix,HLHhelix-loop-helix,HLH）：）：）：）：（5 5）EFEF手（手（EF-EF-handhand）：）：1.1.4 结构域 n1.1.4.1 结构域的概念结构域的概念：球蛋白分子内存在紧密的球状亚结构，称为结构域。结构域的概念具有三种不同而又相互联系的涵义：即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。弹性蛋白酶：两个结构域相似木瓜蛋白酶碱1 木瓜蛋白酶碱2 图1.21 弹性蛋白酶结构示意图 图1.22 木瓜蛋白酶结构示意图木瓜蛋白酶：-螺旋和-折叠股The cell surface protein CD4 consists of four similar domains1.1.4.2 1.1.4.2 结构域的运动：结构域的运动：LDHLDH 1.1.4.3 结构域的分类：图1.23 五种不同类型的结构域A:-螺旋域D:-折叠域C:+域D,E:/域F:无-螺旋和-折叠域结构域的组合结构域的组合结构域的组合结构域的组合1.1.5 1.1.5 球形蛋白质的三级结构球形蛋白质的三级结构 n n 多肽链在手性效应的驱动下，遵循尽量减小多肽链在手性效应的驱动下，遵循尽量减小表面的原则，折叠、卷曲形成二级结构、超二级表面的原则，折叠、卷曲形成二级结构、超二级结构和结构域等局部三维结构。为了获得整体上结构和结构域等局部三维结构。为了获得整体上能量最低的天然构象，这些局部三维结构还需进能量最低的天然构象，这些局部三维结构还需进一步调整，形成三级结构。三级结构反映了蛋白一步调整，形成三级结构。三级结构反映了蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但不涉及质分子或亚基内所有原子的空间排布，但