课件：蛋白质的结构与功能lxy.ppt

蛋白质的结构与功能,第1章,Structure and Function of Protein,什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质研究的历史,1833年，从麦芽中分离淀粉酶。 1864年，血红蛋白被分离并结晶。 19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成。,20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。 1962年，确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代，蛋白质组学研究的展开,蛋白质的生物学重要性,分布广 含量高,1. 蛋白质是生物体重要组成成分,作为生物催化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 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,蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein,第一节,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 。,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16,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,自然界中的氨基酸有300余种,一 、氨基酸(amino acid，aa) 蛋白质的基本构成单位,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）。,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,非极性氨基酸 不带电荷的极性氨基酸 芳香族氨基酸 带正电荷的碱性氨基酸 带负电荷的酸性氨基酸,二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,(一)非极性氨基酸:侧链为非极性基团的氨基酸,(二)不带电荷的极性氨基酸:侧链有极性但生理pH条件下不解离的氨基酸,(三)芳香族氨基酸:侧链基团含有笨环的氨基酸,(四)带正电荷的碱性氨基酸:侧链含正性解离基团的氨基酸，生理条件下带正电荷,(五)带负电荷的酸性氨基酸:侧链含负性解离基团的氨基酸，生理条件下带负电荷,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,三、氨基酸的理化性质,氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,（一）氨基酸具有两性解离的性质,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,等电点（isoelectric point, pI,（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,应用：快速测定蛋白质含量。,（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。,应用：氨基酸定量分析,脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮反应呈黄色 (440nm),天东酰胺与茚三酮反应呈棕色,四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,肽键(peptide bond)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。,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,虽是单键却有双键性质 与C-N相连的O和H成反式构型 周边六个原子在同一平面上,肽键性质：,肽单元(peptide unit)： 组成肽键的4个原子(C、N、O、H )和与之相邻的2个碳原子(C1 、 C 2)位于同一平面，构成所谓的肽单元,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,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)。,N 末端：多肽链中有游离-氨基的一端,多肽链有两端：,多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构,C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端,从N末端的氨基酸残基开始，以C末端氨基酸残基为终点。,上述五肽可简写表示为：H3N+-Ser-Val-Tyr-Asp-Gln-coo-,多肽链顺序：,N端,C端,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),构成第一个肽键的羧基是Glu的羧基,由Glu、Cys和Gly组成的三肽,(1)组成,(2) 功能,GSH是体内重要的还原剂,促甲状腺素释放激素,神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein,第二节,蛋白质的分子结构:,定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子中从N-端至C-端的氨基酸数目及排列顺序。,一、蛋白质的一级结构（primary structure）,主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,第一个被测定的一级结构牛胰岛素,(1953,Cambrigde U),一级结构是蛋白质空间结构和特异生物学功能的基础，如发生改变往往会导致疾病的发生。,二、蛋白质的二级结构（secondary structure）,指蛋白质分子中多肽链骨架中原子的局部空间排列，不涉及氨基酸残基侧链的构象。,定义:,多肽链骨架：,由NCaC序列重复排列而成,-螺旋 ( -helix),（二）蛋白质二级结构的主要类型,-折叠 (-pleated sheet),-转角 (-turn),无规卷曲 (random coil),螺旋,由肽键平面盘旋形成的螺旋状构象,1.概念,2.-螺旋的结构特征,(1)多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升，顺时钟走向，即右手螺旋 。,左手和 右手螺旋,(2)每隔3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距为0.54nm;肽键平面与中轴平行.,(3)主链原子构成螺旋的主体, 侧链在其外部，其形状、大小及电荷影响-螺旋的形成。,(4)-螺旋的每个肽键的-和第四个肽键的羰基氧形成氢键；,氢键是稳定螺旋的主要作用力。,氢键的方向与中心轴大致平行；,Linus Pauling helix,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。,-折叠,折叠结构特点,() 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列；,侧链基团交错地分布在片层平面的两侧。,2019/8/27,52,可编辑,() 条肽段平行排列构成，肽段之间 可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行 。,（a）顺向平行式,（b）反向平行式,()由氢键维持稳定，其方向与折叠的长轴 接近垂直。,-转角,肽链出现1800回折时转角处的结构,无规卷曲,没有确定规律性的肽链构象,常见形式:-螺旋组合（） -折叠组合（） -螺旋折叠组合（）,（三）超二级结构-模体（motif）,指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体。,锌指结构,三、蛋白质三级结构（tertiary structure）,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整体排布。,（一）定义,主要的化学键:次级键，如疏水键、氢键、离子键和Van der Waals力等。,肌红蛋白 (Mb),Mb是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段-螺旋结构。 2. 由于侧链基因的相互作用，多肽链缠绕，形成球状分子：疏水侧链大都在分子内部，亲水侧链则在分子表面。,（二）结构域,分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域(domain)。,细胞表面蛋白CD4分子4个相似结构域,四、蛋白质的四级结构（quaternary structure）,亚基(subunit),蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成的，每条肽链都有完整的三级结构，称其为亚基,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。,亚基间的结合力主要是疏水作用、氢键和盐键。,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)。,例如，血红蛋白的四级结构,五、蛋白质的分类,根据蛋白质分子组成:,根据蛋白质形状和空间构象:,根据蛋白质功能:,蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein,第三节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,天然状态 有催化活性,非折叠状态 SS被还原 无活性,天然状态 SS恢复正确配对 活性恢复,牛RNA酶的变性与复性,尿素 b-巯基乙醇,透析,说明蛋白质一级结构是空间结构形成的基础，而只有具备了特定的空间结构的蛋白质才具有生物学活性,一级结构相似的蛋白质功能相似，一级结构不同的蛋白质功能不同,ACTH、-MSH和-MSH一级结构比较,（二）一级结构是功能的基础,蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间结构乃至生物学功能,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”,（三）一级结构改变与分子病,镰状红细胞贫血的分子机制,HbS与HbA的区别,-亚基第6位氨基酸,正常人：Glu,患者：Val,构象是蛋白质活性与功能的根本。 构象为氨基酸序列所规定，而后者又为基因所规定。,二、蛋白质空间结构与功能的关系,构象决定功能,（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构,1. 肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)的结构,（二）血红蛋白构象变化与结合氧,蛋白质的空间结构决定生物学功能,肌红蛋白（1条多肽链）与血红蛋白（4个亚基，具有完整的四级结构）空间结构有较大差异，其功能也不相同,Mb和Hb结构与功能的比较,Hb与Mb的氧解离曲线,2. 血红蛋白构象变化与结合氧,Hb与Mb一样能可逆地与O2结合；但Hb第一个亚基与O2结合，可促进第二、第三个亚基与O2的结合，前三个亚基与O2结合，又大大促进第四个亚基与O2结合。,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。,变构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。,（三）蛋白质构象改变与疾病,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。,疯牛病 老年痴呆症 亨丁顿舞蹈病 人纹状体脊髓变性病 (克-雅病),折叠错误 相互聚集 淀粉样纤维沉淀 毒性,蛋白质构象疾病的作用机理,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，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,第四节,蛋白质的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白质具有两性电离的性质,蛋白质两端的-NH2和-COOH以及侧链中的某些基团均可以在一定的pH值条件下解离为带正电或负电荷的基团。,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。,二、蛋白质具有胶体性质,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,三、蛋白质变性、沉淀与凝固,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。,1. 蛋白质的变性(denaturation),造成变性的因素:,变性的本质:,破坏次级键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。,化学因素：,强酸、强碱、有机溶剂、生物碱、 尿素、胍、重金属,物理因素：,热、紫外线、超声波、剧烈振荡,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。,蛋白质的复性(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