第一章蛋白质的结构和功能

null第一章 蛋白质的结构和功能第一章 蛋白质的结构和功能Structure and Function of Proteinnull 生物大分子： 生物大分子也称“生物高分子”，不但有生物功能，而且分子量较大，其结构也比较复杂。 生物大分子是生物体的重要组成成份，是生命活动的主要物质基础，因而被称为生命物质。生物大分子的主要类型有蛋白质、核酸、多糖。null什么是蛋白质?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。蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体重要组成成分 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％。null1）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. 蛋白质具有重要的生物学功能3. 氧化供能组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N 和 S。 C（50~55%）、 H（6~8%）、 O（20~23%） N（15~18%）、 S（0~4%） 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 。蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点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： 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× 6.25×1001/16%知识点 1§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 3. 几种特殊氨基酸 4. 氨基酸的离解性质 5. 等电点 6. 芳香族氨基酸的紫外吸收 7. 氨基酸的应用 氨基酸(amino acids)——组成蛋白质 的基本单位 氨基酸(amino acids)——组成蛋白质 的基本单位存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20 种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。知识点 2科学家首次合成第21种氨基酸科学家首次合成第21种氨基酸 生物通常能合成20种生存所必需的氨基酸，美国科学家却通过基因技术培育出了新的大肠杆菌。 生物体能按照DNA上的遗传信息生产氨基酸，再用氨基酸合成蛋白质。几乎所有的生物都能产生20种氨基酸。美国科学家通过改变大肠杆菌的基因，使大肠杆菌能够产生一种叫做“对氨苯丙氨酸”的新型氨基酸。并且，从理论上来说，利用类似方法还能够生成其他的氨基酸。§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 氨 基 酸 的 通 式氨 基 酸 的 通 式 HOOC COOH H2N C H H C NH2 R R L-α-氨基酸 D-α-氨基酸构型与构象的区别构型与构象的区别 构型（configuration）是指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向，如氨基酸的D型和L型等，只有分子的共价键断裂，才能使一种构型变成另一种构型。 构象（conformation）也是一种分子的立体结构。是指取代基团当单键旋转时可能形成的不同空间立体结构。 构象的改变并不改变其共价键结构（原子只在单链周围旋转）。例如酶与底物，抗体与抗原，生物的受体与配体的相互作用，往往涉及酶、抗体、受体等蛋白质的构象改变。null镜子COOHNH2CNH2COOHCRL-构型D-构型HRH氨基酸的镜像结构-氨基酸的立体异构体-氨基酸的立体异构体nullC+NH3COO-H§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 null 非极性脂肪族AA (6种） 极性中性AA（6种） 酸性AA（2种） 碱性AA（3种）2. 氨基酸的分类氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类极性AA芳香族氨基酸（3种）nullCH-COO-NH3+H甘 氨 酸 GlyR=非极性脂肪族氨基酸甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 　异亮氨酸 脯氨酸nullCH-COO-丙 氨 酸 　Ala非极性脂肪族氨基酸甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 　异亮氨酸 脯氨酸NH3+CH3R=nullCH-COO-缬 氨 酸 　Val非极性脂肪族氨基酸甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 　异亮氨酸 脯氨酸NH3+CH3-CHR=CH3nullCH-COO-亮 氨 酸 　Leu非极性脂肪族氨基酸甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 　异亮氨酸 脯氨酸NH3+CH3-CH-CH2R=CH3nullCH-COO- 异亮氨酸 Ile非极性脂肪族氨基酸甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 　异亮氨酸 脯氨酸NH3+CH3-CH2-CHR=CH3null 脯氨酸 Pro非极性脂肪族氨基酸甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 　异亮氨酸 脯氨酸null CH-COO- 丝氨酸 SerNH3+OH-CH2R=丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷胺酰胺 苏氨酸 极性中性 氨基酸null CH-COO- 半胱氨酸 CysNH3+SH-CH2R=丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷胺酰胺 苏氨酸 极性中性 氨基酸nullCH-COO- 蛋氨酸 MetNH3+CH3SCH2CH2R=丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷胺酰胺 苏氨酸 极性中性 氨基酸null CH-COO-天冬酰胺 AsnNH3+H2N-C-CH2R=O丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷胺酰胺 苏氨酸 极性中性 氨基酸null谷胺酰胺 GlnCH-COO-NH3+H2N-C-CH2CH2R=O丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷胺酰胺 苏氨酸 极性中性 氨基酸null CH-COO-苏氨酸 ThrNH3+CH3 - CH OHR=丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷胺酰胺 苏氨酸 极性中性 氨基酸nullCH-COO- 苯丙氨酸 PheNH3+R=CH2 苯丙氨酸 色氨酸 酪氨酸芳香族氨基酸nullCH-COO-NH3+ 色氨酸 TrpR=CH2 苯丙氨酸 色氨酸 酪氨酸芳香族氨基酸Nnull CH-COO-酪氨酸 ThrNH3+R=CH2HO 苯丙氨酸 色氨酸 酪氨酸芳香族氨基酸null CH-COO-谷氨酸 Glu酸性氨基酸谷氨酸 　天冬氨酸 NH3+HOOCCH2CH2R=null CH-COO-天冬氨酸 Asp酸性氨基酸谷氨酸 　天冬氨酸 NH3+HOOCCH2R=天上的谷子有点酸null CH-COO-赖氨酸 Lys碱性氨基酸赖氨酸 精氨酸 组氨酸 NH3+NH2(CH2)3CH2R=null CH-COO-精氨酸 Arg碱性氨基酸赖氨酸 精氨酸 组氨酸 NH3+H2NCNH(CH2)2CH2R=NHnull组氨酸 His碱性氨基酸赖氨酸 精氨酸 组氨酸 CH-COO-NH3+R=HC=C－CH2N NH耐（赖）经（精）煮（组）§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 3. 几种特殊的氨基酸 null 3，几种特殊氨基酸 脯氨酸 （亚氨基酸）知识点 3null 半胱氨酸 胱氨酸-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3知识点 4null 在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸， 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。 其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下:null甘氨酸 Gly 丙氨酸 Ala 半胱氨酸 Cys 谷氨酸 Glu 　天冬氨酸 Asp 重要的氨基酸知识点 5§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 3. 几种特殊氨基酸 4. 氨基酸的离解性质 4，氨基酸的离解性质4，氨基酸的离解性质氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。 在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。 在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之 发生变化。知识点 6§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 3. 几种特殊氨基酸 4. 氨基酸的离解性质 5. 等电点 null 调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的 -NH3＋和 -COO-的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。 5. 等电点知识点 7null等电点的用途等电点的用途氨基酸（蛋白质）在等电点时，溶解度最小。 根据等电点的大小判断氨基酸（蛋白质）的酸碱性。 根据等电点差别分离纯化氨基酸（蛋白质） 沉淀法 、电泳法§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 3. 几种特殊氨基酸 4 .氨基酸的离解性质 5. 等电点 6. 芳香族氨基酸的紫外吸收 null芳香族氨基酸的吸收光谱 多数蛋白含这两种氨基酸残基，测定蛋白溶液280nm光吸收值可快速简便蛋白含量。光密度6，紫外吸收 色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。知识点 8§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成一、二十种氨基酸的结构、分类及理化性质 1. 氨基酸的通式 2. 分类 3. 几种特殊氨基酸 4. 氨基酸的离解性质 5. 等电点 6. 芳香族氨基酸的紫外吸收 7. 氨基酸的应用 null 医药工业 氨基酸输液 必需氨基酸：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸 半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。7. 氨基酸的应用 null 治疗药剂 精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果； 天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。 半胱氨酸：能促进毛发的生长，可用于治疗秃发症；甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等； 组氨酸：可扩张血管，降低血压，用于心绞痛，心功能不全等疾病的治疗 null 食品工业 营养强化剂； 谷氨酸钠－味精； 天冬氨酸钠：可用于清凉饮料，能增加清凉感并使香味浓厚爽口； 天冬氨酰苯丙氨酸甲酯--甜味素APM味精的是非 ？？？味精的是非 ？？？“中国餐馆症候群”———从头到上肢有麻木感和全身倦怠的特定症状等。 WHO用双盲法进行了严密的检查。其结果是，摄取了3～4.4克味精的人群未发现任何症状。 一般每人每日摄入量以不超过6克为宜，过多可使血液中谷氨酸钠含量增高，引起短时的头痛、心跳加快、恶心、口干等症状。 由于味精在155℃时可生成焦谷氨酸钠而失去鲜味，并产生毒性。  null 化妆品工业 氨基酸能调节皮肤pH的变动，对细菌的防护作用，也可作为皮肤、毛发的营养成分，增加皮肤、毛发的光泽。 防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。 在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素，可防止皮肤老化。§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成 二、肽键和肽 1. 什么是肽和肽键？ 2. 重要的多肽 3. 多肽链 §1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成 二、肽键和肽 1. 什么是肽和肽键？ 知识点 9null 一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物称为肽 (peptide)。 氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（ peptide bond 酰胺键）。 定义：null+甘氨酰甘氨酸肽键 甘氨酸 甘氨酸nullH2N-丝氨酸-亮氨酸-苯丙氨酸-COOHnull+二、肽（peptide)肽键的形成甘氨酸甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽链的两个末端…肽链的两个末端肽键null* 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……甘氨酸甘氨酸* 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)。* 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。蛋白质与多肽的区别：蛋白质与多肽的区别：§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成 二、肽键和肽 1. 什么是肽和肽键？ 2. 重要的多肽 2，重要的多肽 2，重要的多肽 谷胱甘肽 (glutathione, GSH)知识点 10null Glu、Cys、Gly彼此连接形成的三肽，特殊的是Glu与Cys形成是γ-肽键，活性基团是-SH。 作用有：是细胞内重要的还原剂;它保护巯基蛋白和巯基酶免受过氧化物的氧化;维持红细胞膜结构的稳定,消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。null GSH与GSSG间的转换 null 体内许多激素属寡肽或多肽多肽类激素及神经肽null 脑啡肽： 为五肽，具有镇痛作用，它们在中枢神经系统中形成，是体内自己产生的一类鸦片剂。Tyr--Gly--Gly--Phe--Leunull牛催产素与加压素： 均为九肽，分子中含有一对二硫键，两者结构类似。前者第八位为Leu，后者为Arg。前者可刺激子宫的收缩，促进分娩。后者可促进小动脉收缩，使血压升高，也有抗利尿作用，参与水、盐代谢的调节。 牛催产素 S S Cys·Tyr·Ile·Gln·Asn·Cys·Pro·Leu·Gly-NH2  牛加压素 S S Cys·Tyr·Phe·Gln·Asn·Cys·Pro·Arg·Gly-NH2§1 蛋白质的分子组成§1 蛋白质的分子组成 二、肽键和肽 1. 什么是肽和肽键？ 2. 重要的多肽 3. 多肽链 3，多肽链 多肽链是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。3，多肽链(polypeptide chain)知识点 11null 多肽链结构示意图null 通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。 多肽链的骨架应该是 H2N-C-C—N-C-C—N-C-C……的重复。 AA残基中的R基不参与成键,伸展向外. §2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 结构域 分子伴侣 四、蛋白质的四级结构 null蛋白质的分子结构包括 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)§2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 null 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。 主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 null 例: 牛胰岛素的一级结构null牛胰岛素的一级结构 A链（含21个氨基酸残基） B链（含30个氨基酸残基） 胰岛素的 3 个二疏键 A链内含1个二硫键 A链与B链间含2个二硫键nullnull人胰岛素晶体猪胰岛素晶体nullN末端C末端 牛核糖核酸酶null作用：是蛋白质空间构象和特异生物学 功能的基础，但一级结构并不是决定空间构象的唯一因素。 定义：蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸 排列顺序。 主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 一级结构要点知识点 12§2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 null蛋白质的二级结构定义 ：多肽链主链的局部空间结构，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 （有周期性、重复有序的空间结构）。主要的化学键： 氢键 -螺旋 (  -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ) null 1. 肽单元 2. α-螺旋(α-helix) 结构特点 影响螺旋形成的因素 3. β-折叠（β-Pleated sheet) 4. β-转角和无规卷曲 5. 模体（序） 二、蛋白质的二级结构null 1. 肽单元 二、蛋白质的二级结构nullnull 肽单元 nullnull肽键平面示意图null 1. 肽单元 2. α-螺旋(α-helix) 结构特点 影响螺旋形成的因素 二、蛋白质的二级结构null 以肽单元为单位，多肽链依顺时针方向形成紧密的右手螺旋，R基伸展向外，外观形状为棒状。结构特点：α-螺旋：α-螺旋：null 以肽单元为单位，多肽链依顺时针方向形成紧密的右手螺旋，R基伸展向外，外观形状为棒状。 每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。取名为3.613 。结构特点： -螺旋 -螺旋null3.6残基0.54nmnull 以肽单元为单位，多肽链依顺时针方向形成紧密的右手螺旋，R基伸展向外，外观形状为棒状。 每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。取名为3.613 。 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个肽键上的NH与第四个氨基酸残基的-CO基形成氢键，以此类推。维系蛋白质二级结构的稳定主要靠氢键。结构特点：例：角蛋白，肌球蛋白、血红蛋白知识点 13nullnullα-螺旋想象： 右手拿一根麻花， 一口吃掉3.6节（3.6个氨基酸）影响螺旋形成的因素影响螺旋形成的因素 极大的侧链基团（存在空间位阻）； (如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸) 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）； 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。知识点 14null其它几种类型的螺旋null 1. 肽单元 2. α-螺旋(α-helix) 结构特点 影响螺旋形成的因素 3. β-折叠（β-Pleated sheet) 二、蛋白质的二级结构null -折叠是由若干肽段或肽链几乎完全伸展的平行排列，肽链的主链呈锯齿状折叠构象，外观为一片状物(扇面状片层构象)。侧链位于锯齿结构的上下方。-折叠null-折叠nullnull -折叠是由若干肽段或肽链几乎完全伸展的平行排列，肽链的主链呈锯齿状折叠构象，外观为一片状物。侧链位于锯齿结构的上下方。 -折叠结构的稳定因素---氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。 -折叠nullnullβ-折叠包括平行式和反平行式两种类型null-折叠null由若干条肽段或肽链平行或反平行排列 组成片状结构； 主链骨架伸展呈锯齿状； 借相邻主链之间的氢键维系。例：蚕丝蛋白知识点 15-折叠的结构特征null-折叠想象： 无聊地把一张纸折成好多的折。null 1. 肽单元 2. α-螺旋(α-helix) 结构特点 影响螺旋形成的因素 3. β-折叠（β-Pleated sheet) 4. β-转角和无规卷曲 二、蛋白质的二级结构长江第一湾长江第一湾长江第一湾长江第一湾-转角 （-turn）-转角 （-turn） 其结构特征为： 肽链内形成180°回折; 含四个氨基酸残基; 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 –NH 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。 null-转角（-ture）-转角 （-turn）-转角 （-turn）null无规卷曲 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。 null无规则卷曲示意图细胞色素C的三级结构null 1. 肽单元 2. α-螺旋(α-helix) 结构特点 影响螺旋形成的因素 3. β-折叠（β-Pleated sheet) 4. β-转角和无规卷曲 二、蛋白质的二级结构null 1. 肽单元 2. α-螺旋(α-helix) 结构特点 影响螺旋形成的因素 3. β-折叠（β-Pleated sheet) 4. β-转角和无规卷曲 5. 模体（序） 二、蛋白质的二级结构模体（模序 motif）模体（模序 motif）定义：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，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。 类型：α螺旋组合(α-loop-α)、 β折叠组合(βββ) α螺旋β折叠组合(βαβ)。 null 蛋白质模体(超二级结构)nullnullnull钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模体)锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模体)null锌指（zinc finger）：一个α-螺旋和两个反平行β-折叠组成。N-端二个Cys、C-端二个His之间的形成的洞穴容纳Zn2+。 null影响-螺旋形成因素：多个酸性、碱性AA相邻、Pro的出现、R基团过大。 影响-折叠形成因素： R基团很大定义：蛋白质分子中某一肽段的局部空间结构。主要的化学键：肽键间的氢键二级结构要点知识点16主要形式： -螺旋、-折叠、-转角、无规 卷曲。 §2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 三、 蛋白质的三级结构 (Tertiary Structure)三、 蛋白质的三级结构 (Tertiary Structure) 1. 定义： 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。（肽链中所有原子在三维空间的排布位置）。 null 含多种二级结构单元； 是紧密的球状或椭球状实体； 疏水侧链埋藏在分子内部， 亲水侧链暴露在分子面。三级结构的特征null 肌红蛋白(Mb) 的三级结构 153 aa，1个血红素辅基。A、B、C、D、E、F、G、H8个螺旋区，螺旋之间有无规卷曲，pro（100、120）位于转角处。 疏水作用、盐键、氢键、Van der Waals力稳定。null 血 红 素 结 构 图 nullRNase的分子结构α-螺旋β-折迭β-转角无规卷曲磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构null(运) 铁蛋白的三级结构 (纯α-螺旋)null质体蓝素的三级结构（纯β结构）null核酸限制性内切酶BamHI的三级结构null2. 主要的化学键： 维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。null蛋白质分子中氢键的形成null蛋白质分子中离子键的形成null 疏水键： 非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。 蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。 null 范德华氏（van der Waals)引力： 分子之间存在的相互作用力。 它分为取向力、诱导力和色散力三种 其作用力大小只有化学键能的1/10~1/100.nullnull维持蛋白质分子构象的各种化学键a 氢键b 离子键c 疏水键三级结构中疏水键数量最多，往往居于球状蛋白质内部。+null定义：整条肽链中全部氨基酸残基的 相对空间位置。主要的化学键：氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。三级结构要点知识点17三级结构的特征：是紧密的球状或椭球状实体；含多种二级结构单元；疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。§2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 结构域 结构域（domain)结构域（domain) 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个在空间上可明显区别的局部区域，各有独特的空间构象，并承担特定的生物学功能。 一般每个结构域约由50-400个氨基酸残基组成。知识点18Ⅳ型胶原酶的结构域Ⅳ型胶原酶的结构域纤连蛋白(fibronectin)分子的结构域纤连蛋白(fibronectin)分子的结构域null30k 40k 20k 75k60k35k 30k肝素 纤维蛋白 肌动蛋白细胞胶原蛋白纤维蛋白肝素纤维蛋白 纤连蛋白分子的结构域 两条肽链通过两个二硫键相连，含6个结构域，各个结构域分布执行一种功能。有可与细胞、胶原、DNA肝素等配体结合的结构域。nullnull结构域 1结构域 2 溶菌酶的三级结构中的两个结构域§2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 结构域 分子伴侣 分子伴侣（moleculer chaperone)分子伴侣（moleculer chaperone) 新生肽 功能蛋白 分子伴侣 组蛋白 核质素 DNA 核小体 在蛋白质加工、折叠形成特定空间构象及穿膜进入细胞器的转位过程中起关键作用的一类蛋白质。null 帮助新生多肽链正确折叠的一种蛋白质。 可逆地与新生肽结合，然后帮助它折叠为具有特定空间结构的蛋白质。 与错误折叠的肽段结合，使之解聚再诱导其正确折叠。对蛋白质分子中二硫键的正确形成起了重要的作用。nullnull分子伴侣在蛋白质折叠中的作用 null王志珍院士“漫画”蛋白质世界§2 蛋白质的分子结构§2 蛋白质的分子结构一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 结构域 分子伴侣 四、蛋白质的四级结构 null蛋白质的四级结构 定义：四级结构是指由两个或两个以上具有三级结构的多肽链按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。 (各个亚基间的空间排布和相互作用） 其中每条多肽链称为亚基。 知识点19null亚基(subunit)：就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链，单独存在时一般无生物学活性。 亚基可以相同或不同亚基的立体排布方式亚基的立体排布方式null亚基的种类, 数目和亚基间缔合方式各不同。 不是所有的蛋白质都具有四级结构。 亚基间的聚合与疏松，聚合与解聚互为可逆，这也是调节蛋白质功能活性的一种方式。基本特征知识点20null维持蛋白质四级结构的主要作用力 在蛋白质四级结构中，亚基之间的作用力主要包括：氢键、离子键、范德华力和疏水键。即亚基之间主要是通过次级键彼此缔合在一起。知识点21null 蛋白质分子中的共价键与次级键知识点22血红蛋白的空间结构血红蛋白的空间结构null一级结构 二级结构 三级结构 四级结构定义肽键氨基酸残基基本单位主要键备注模体肽单元整条肽链亚基氢键疏离氢Van离氢结构域亚基 蛋白质结构层次比较nullnullnullnull2nullnull §3 蛋白质结构与功能的关系 §3 蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构是高级结构 与功能的基础二、蛋白质的功能依赖特定空间结构 §3 蛋白质结构与功能的关系 §3 蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构是高级结构 与功能的基础 1. 一级结构是空间构象的基础 2. 一级结构相似的蛋白质具有相似的 高级结构与功能 3. 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病null 1. 一级结构是空间构象的基础 蛋白质一级结构是空间结构的基础，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持。 蛋白质复杂的空间构象所需的信息包含在它的一级结构中，是由肽链中氨基酸的排列顺序决定的。 例：核糖核酸酶（RNase)nullnull 72 65 58 110 95 4084 26 72 65 58 110 95 4084 26HS26HS 4058 SHSH 65HS 72 SH 84 95 HSHS 110天然状态 有催化活性-S-S-恢复, 正确配对,有活性非折叠状态, 无活性, - S - S - 被还原成半胱氨酸残基β-巯基乙醇和尿素对 RNase 的作用 蛋白质的变性与复性 §3 蛋白质结构与功能的关系 §3 蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构是高级结构 与功能的基础 1. 一级结构是空间构象的基础 2. 一级结构相似的蛋白质具有相似的 高级结构与功能 null 胰岛素分子中氨基酸残基的差异部分 §3 蛋白质结构与功能的关系 §3 蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构是高级结构 与功能的基础 1. 一级结构是空间构象的基础 2. 一级结构相似的蛋白质具有相似的 高级结构与功能 3. 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病null 分子病—指蛋白质分子中由于AA排列顺序与正常蛋白质不同而发生的一种遗传病(基因突变造成的)。 镰刀形细胞性贫血病 病因：血红蛋白AA顺序的细微变化 蛋白质一级结构的变异与分子病镰刀形细胞性贫血 血红蛋白遗传信息的异常 镰刀形细胞性贫血 血红蛋白遗传信息的异常 正常 DNA……TGT GGG CTT CTT TTT…… mRNA……ACA CCC GAA GAA AAA HbA(β亚基)N端 苏--脯----谷----谷----赖… 异常DNA　……TGT GGG CAT CTT TTT…… mRNA……ACA CCC GUA GAA AAA…… Hbs(β亚基)N端 苏--脯---缬----谷----赖… nullnull正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图 谷氨酸在生理pH值下为带负电荷的氨基酸，而缬氨酸却是一种非极性氨基酸，就使得HbS分子表面的荷电性发生改变，引起等电点改变，溶解度降低，使之不正常地聚集成纤维状血红蛋白，致使红细胞变形成镰刀状,输氧功能下降,细胞脆弱易溶血.null 6月，镰刀应该是割谷子（谷氨酸）， 却歇了（缬氨酸），因此得了镰刀形细胞贫血。 null蛋白质结构的变异与功能改变null将胰岛素分子A链中的第1位甘氨酸除去或代换，结果胰岛素的降糖功能下降90%以上。 若继续切除或代换2、3、4位上的氨基酸，其降糖功能全部丧失。可见这几个氨基酸，特别是甘氨酸残基的侧链基团是与胰岛素功能直接有关的必需基团。 若保留胰岛素的一级序列结构，只打断一级结构中的二硫键，降糖功能同样100%丧失。说明这些必需基团须有特定的三级空间结构作基础才能发挥出生物活性。 §3 蛋白质结构与功能的关系 §3 蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 二、蛋白质的功能依赖特定空间结构null 1. 血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构相似 2. 血红蛋白的构象变化可影响 亚基与氧结合 3. 协同效应和变构效应(allostery) 4. 蛋白质构象改变与疾病二、蛋白质的功能依赖特定空间结构null 1. 血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构相似 二、蛋白质空间结构与功能的关系null 1. 血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构相似 2. 血红蛋白的构象变化可影响 亚基与氧结合 二、蛋白质的功能依赖特定空间结构血红蛋白的构象变化影响与氧结合血红蛋白的构象变化影响与氧结合Hb与Mb一样能可逆地与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，用Y表示）随O2浓度变化而改变。null肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线nullMb与氧的亲和力大于Hb MbP50 ＝ 1mmHg HbP50 ＝ 26mmHg Mb的氧解离曲线是双曲线型 Hb的氧解离曲线是 “S”型 Mb Hb Po2＝100mmHg Y=1 Y=0.97 Po2＝20 mmHg Y=0.95 Y= 0.25 Hb在体内的主要功能为运输氧气，而Hb的变构效应，极有利于它在肺部与O2结合及在周围组织释放O2null第一个氧分子与Fe2+结合 Fe2+半径变小，进入卟啉平面牵动F8组aa残基牵动其它亚基←Hb由T型变R型←第二亚基结合氧的速度↑第三亚基结合氧的速度↑↑第四亚基结合氧的速度↑↑↑Hb结合氧的过程：nullnull 1. 血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构相似 2. 血红蛋白的构象变化可影响 亚基与氧结合 3. 协同效应和变构效应(allostery) 二、蛋白质的功能依赖特定空间结构协同效应(cooperativity) 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)变构效应(allosteric effect)变构效应(allosteric effect)定义：当变构剂与蛋白质分子结合，使蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能的变化。知识点23null酶活性升高 或降低蛋白质＋变构剂功能改变 Hb ＋ O2 与氧的亲和力增大变构酶 ＋ 小分子构象改变变构蛋白null 变构效应的结构基础是亚基间(蛋白质四级结构)的相互作用，它存在于多亚基蛋白和酶中，“S”曲线是变构效应的动力学特征。知识点24null 与肌红蛋白以及单独存在的Ｈb的α或β亚基相比，因Ｈb属四级结构，构象改变且有亚基相传递而有变构效应，故有协同效应和可调功能，动力学曲线呈“Ｓ”型； 肌红蛋白和单独存在的α或β亚基都是三级结构，一条肽链，虽能结合氧，亦有构象改变，可无亚基传递变构信息，不能形成变构效应和协同效应，动力学曲线呈矩形双曲线。null 由此可见结构与功能的关系十分密切，结构相似功能相近，结构不同功效各异，结构变化功能亦随之变化，结构愈高级功能愈复杂。null 1. 血红蛋白亚基与肌红蛋白的结构相似 2. 血红蛋白的构象变化可影响 亚基与氧结合 3. 协同效应和变构效应(allostery) 4. 蛋白质构象改变与疾病二、蛋白质的功能依赖特定空间结构null 蛋白质构象改变与疾病 蛋白质构象疾病：蛋白质的折叠错误 蛋白质的构象发生改变（尽管其一级结构不变） 影响其功能 导致疾病发生。null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。null疯牛病中的蛋白质构象改变 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α-螺旋，称为PrPc。 PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。null正常朊病毒蛋白结构 （显示-螺旋） 朊病毒结构 （显示-片层结构）正常朊病毒蛋白与朊病毒空间结构的差异§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 1. 蛋白质的两性解离 2. 蛋白质的胶体性质 3. 蛋白质的变性 4. 蛋白质的沉淀和凝固作用 5. 蛋白质的紫外吸收 §4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 1. 蛋白质的两性解离 null 蛋白质的两性电离 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。 蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 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，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 1. 蛋白质的两性解离 2. 蛋白质的胶体性质 null 蛋白质属于生物大分子之一,分子量介于一万到百万之间，已达到胶粒范围。 球状蛋白质的表面有水化膜，阻止蛋白质颗粒的相互聚集。表面电荷的存在也是溶液稳定的重要因素蛋白质的胶体性质§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 1. 蛋白质的两性解离 2. 蛋白质的胶体性质 3. 蛋白质的变性 null蛋白质的变性 (denaturation) 定义：在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子内部的非共价断裂，其特定的空间结构被破坏，则生物活性丧失，理化性质改变的现象。 知识点25null次级键 断裂空间结构 被破坏理化性质改变生物学活性丧失溶解度下降 易被酶水解 粘度增加酶失去催化活性 激素失去调节功能引起变性原因变性本质变性结果蛋白变性理化因素知识点26null 蛋白质变性的应用 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。 蛋白质变性的应用 null 豆腐是大豆蛋白质的浓溶液加热加盐而成的变性蛋白凝固体。 急救重金属盐中毒时，可给患者吃大量乳品或蛋清，其目的是：使乳品或蛋清中的蛋白质在消化道中与重金属离子结合成不溶解的变性蛋白质，从而阻止重金属离子被吸入体内，最后设法将沉淀物从肠胃中洗出。null 变性并非是不可逆的变化，当变性程度较轻时，（如去除变性因素）有的蛋白质仍能恢复或部分恢复其原来的构象及功能，变性的可逆变化称为复性 .§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 1. 蛋白质的两性解离 2. 蛋白质的胶体性质 3. 蛋白质的变性 4. 蛋白质的沉淀和凝固 蛋白质的沉淀 (precipitation)蛋白质的沉淀 (precipitation) 蛋白质所形成的亲水胶体颗粒具有两种稳定因素，即颗粒表面的水化层和电荷。然而除掉这两个稳定因素(如调节溶液pH至等电点和加入脱水剂)蛋白质便容易凝集析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性（如盐析）。在一定条件下，变性的蛋白质也可不发生沉淀。 null水化膜酸碱溶液中蛋白质的聚沉蛋白质的凝固作用 (protein coagulation)蛋白质的凝固作用 (protein coagulation)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 等电点 加热 蛋白质 变性 结絮 凝固 溶解度降低蛋白质的变性、沉淀与凝固的关系蛋白质的变性、沉淀与凝固的关系变性不一定沉淀（溶解度降低） 沉淀不一定变性 变性不一定凝固 凝固一定变性。§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 1. 蛋白质的两性解离 2. 蛋白质的胶体性质 3. 蛋白质的变性 4. 蛋白质的沉淀和凝固 5. 蛋白质的紫外吸收 null蛋白质的紫外吸收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OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化§4 蛋白质的理化性质及其分离纯化 一、蛋白质的理化性质 二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化 根据蛋白质溶解度差异进行分离的方法：盐析、低温下有机溶剂沉淀、免疫沉淀。 null 是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。 盐析(salt precipitation)血清蛋白的分段盐析血清蛋白的分段盐析 饱和硫酸铵溶液 离心硫酸铵固体 离心 透 析null 丙酮沉淀 使用丙酮沉淀时，必须在0～4℃低温下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。 null 将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。 免疫沉淀法：二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化 根据蛋白质溶解度差异进行分离的方法：盐析、低温下有机溶剂沉淀、免疫沉淀。 根据蛋白质带电差异进行分离纯化的方法：包括电泳、离子交换层析等方法。null 电 泳蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳(elctrophoresis) 。 根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。 null原点带负电荷蛋白质的泳动方向滤纸、醋酸纤维素 薄膜或其他支持物阳极阴极电极缓冲液电极缓冲液电泳示意图nullnull聚丙烯酰胺凝胶电泳null层 析 (chromatography) 待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的 。null* 离子交换层析：是利用离子交换剂与溶液中的离子（蛋白质）之间所发生的交换反应来进行分离的方法。蛋白质分离常用的层析方法二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化 根据蛋白质溶解度差异进行分离的方法：盐析、低温下有机溶剂沉淀、免疫沉淀。 根据蛋白质分子大小差异进行分离纯化的方法：包括透析、超速离心、凝胶层析等。 根据蛋白质带电差异进行分离纯化的方法：包括电泳、离子交换层析等方法。null透析及超滤