2017全国生物奥赛辅导课件蛋白质结构

第四节 蛋白质,三、二肽和多肽,（一）肽,由一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物。氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）。,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,习惯上，含有25个以下氨基酸构成的肽称为寡肽； 由25个以上氨基酸组成的肽称为多肽；,寡肽与多肽,多肽链：是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构； 多肽链的方向是从氨基末端（N-末端）走向羧基末端（C-末端）。,N末端：多肽链中有自由氨基的一端 C末端：多肽链中有自由羧基的一端,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,多肽是一个线性链状分子,肽链中的氨基酸不是原来完整的分子，多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。,肽键,链状结构,丝氨酰-缬氨酰-酪氨酰-天冬氨酰-谷氨酰胺,肽的命名,Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,肽键,由于肽键CONH带有双键性质，不能沿C-N键自由旋转。组成肽键的4个原子处于同一平面。 H和O原子处于CN键的两侧形成反式。,酰胺平面,酰胺平面与-碳原子的二面角（ 和 ）,二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称角，绕C-C键旋转的角度称角。和称作二面角，亦称构象角。,生物的生长、发育、细胞分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗衰老、生物钟规律及分子进化等均涉及到活性肽。 活性肽是机体内传递信息、调节代谢和协调器官活动的重要化学信使。,三、二肽和多肽,（二）几种生物活性肽,在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。 如：谷胱甘肽；脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；蛇毒多肽等。,1.谷胱甘肽（GSH）,三、二肽和多肽,（二）几种生物活性肽,体内重要的还原肽,谷胱甘肽的分子中有一个特殊的肽键，是由谷氨酸的羧基与半胱氨酸的氨基缩合而成。,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢。,由于GSH中含有一个活泼的巯基，很容易氧化，二分子GSH脱氢以二硫键相连成氧化型的谷胱甘肽（GSSG）,谷胱甘肽的生理功用： 解毒作用 参与氧化还原反应 保护巯基酶的活性 抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定,（一）谷光甘肽（GSH）,2GSH,GSSG,（二）胰高血糖素,由胰岛-细胞分泌（-细胞分泌胰岛素），29肽。胰高血糖素调节 维持血糖浓度。,体内许多激素属寡肽或多肽,2.多肽类激素及神经肽,三、二肽和多肽,（二）几种生物活性肽,催产素和升压素,均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。,促肾上腺皮质激素（ACTH）,39肽，活性部位为第410位的7肽片段： Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly,脑肽,高等动物中枢神经系统产生的一类小活性肽。 如:脑啡肽，具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾,Met-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Leu-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu,-内啡肽，具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。,胰高血糖素,由胰岛-细胞分泌，29肽。胰高血糖素调节维持血糖浓度。,蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）（conformation）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种结构层次：一级结构primary），二级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。,蛋白质的结构,为了表示蛋白质结构的不同组织层次，一般采用下列的专门术语。 一级结构指的是多肽链共价主链的氨基酸顺序。 二级结构是指多肽链借助氢键排列成沿一维方向具有周期性结构的构象，如纤维状蛋白质中的螺旋和折叠片。 三级结构是指多肽链借助各种次级键(非共价键)盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状构象。三级结构中，除了属于二级结构的螺旋和折叠片等有规则的构象之外，还有无规则的松散肽段。 四级结构是指寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系或结合方式。,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,一级结构：多肽链中氨基酸残基的排列顺序。化学键：肽键和二硫键。,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,蛋白质的氨基酸序列具有重要意义： （1）蛋白质的一级结构决定它的高级结构 氨基酸序列的改变可以导致蛋白高级结构与功能异常和疾病，例如镰刀状细胞贫血病； （2）蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋白质生物活性的分子基础。,1.蛋白质的一级结构,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,二硫键（SS）是由两个半胱氨酸（残基）脱氢连接而成的，是连接肽链内或肽链间的主要化学键。二硫键在蛋白质分子中起着稳定肽链空间结构的作用，往往与生物活力有关。 二硫键被破坏后，蛋白质或多肽的生物活力就会丧失。蛋白质结构中，二硫键的数目多，蛋白质结构的稳定性就越强。在生物体内起保护作用的皮、角、毛发的蛋白质中，二硫键最多。,指多肽链本身折叠和盘绕的方式，形成有规律的结构或构象。,2.蛋白质的二级结构,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,主要的维系键： 氢键（链内或链间）,-螺旋 -折叠 -转角 无规卷曲,（一）蛋白质的二级结构(secondary structure) 定义 蛋白质分子中多肽链主链原子中的局部空间分布状态，即多肽链主链原子的空间构象,不涉及侧链原子的空间排布。,2.蛋白质的二级结构,（1）-螺旋：,-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象。,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,-螺旋,Pauling 和Corey于1951 年提出蛋白质的-螺旋结构模型。,多为右手螺旋（较稳定）。 每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每个AA残基跨距为0.15nm，螺旋上升一圈的距离（螺距）为0.54nm。 螺旋中所有氨基酸残基的R侧链都伸向外侧，链中的全部C=O 和-N-H几乎都平行于螺旋轴。 螺旋通过氢键维持稳定。每个肽键的NH和第四个肽键的CO形成氢键。,-螺旋结构形成的限制因素： 凡是有Pro存在的地方不能形成。因Pro形成的肽键N原子上没有H，不能形成氢键。 静电斥力。若一段肽链有多个Glu或Asp相邻，则因pH=7.0 时都带负电荷，防碍螺旋的形成；同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内，正电荷相斥，也防碍螺旋的形成。 位阻。如Asn、Leu侧链很大，防碍螺旋的形成。,-折叠是由若干肽段或肽链排列形成的片层构象,是一种肽链相当伸展的结构。,（2）-折叠,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,2.蛋白质的二级结构,（1）肽链按层排列，主要依靠相邻肽链上的-C=O与-NH-形成的氢键以维持结构的稳定性。也可以在同一肽链的不同部分之间形成。 （2）肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。,结构特征：,-折叠包括平行式和反平行式两种类型,（3）-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。反平行结构更为稳定。,（4）-折叠在纤维蛋白和球状蛋白中均存在。,-角蛋白用热水或稀碱等方法处理，或用外力拉直，就转变为-角蛋白，属于平行结构。 丝心蛋白属于反平行结构。,(1)在-转角部分，由四个氨基酸残基组成; 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的N-H之间形成氢键。 (2)这类结构主要存在于球状蛋白分子中。 (3)属于非重复性结构,2.蛋白质的二级结构,（3）-转角：,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,结构特点：,多肽链上经常出现180的回折，这个回折角上就是-转角结构。,为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。,-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。,甘氨酸侧链为氢原子，适于充当多肽链大幅度转向的成员。 脯氨酸的环状侧链的固定取向有利于-转角的形成，它往往出现在转角部位。,（3）-转角（-turn） 多肽链中的肽段出 现1800回折时的结构。 -转角常出现在肽链 呈180回折处，多由 4个氨基酸残基组成， 第1个氨基酸的羰基氧 与第4个氨基酸残基的 氨基氢形成氢键。,（1）没有一定规律，不能被归入明确的二级结构； （2）对每一种特定蛋白都是确定的结构，有其自身的结构规律； （3）球蛋白分子中，往往含有较多的无规卷曲； （4）无规卷曲往往有利于多肽链形成灵活的、具有特异生物活性的构象。,2.蛋白质的二级结构,（4）无规卷曲：,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,没有规律性的的松散肽链结构，就是无规卷曲。,结构特征：,-螺旋,-折叠,-转角,无规卷曲,限制性内切核酸酶BamHI的三级结构 （示二级结构的几种类型）,某些肽段似乎无确定规律的折叠方式。,（4）无规卷曲(random coil),转角与无规卷曲的功能特点 （1）转角与无规卷曲多位于球状蛋白的表面，使多肽链具有弯曲、回折和重新定向的能力，以形成结实、球状的结构。 （2）无规卷曲与生物活性密切相关，经常构成酶的活性中心和其它蛋白质特异的功能部位， 对外界的理化因子极为敏感。,2.蛋白质的二级结构,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,蛋白质二级结构总结与比较,* 模体（motif） 在许多蛋白质的分子中，几个（多为23个）具有二级结构的肽段相互靠近，形成具有特定功能的空间构象，称为模体。模体是一种超二级结构。 形式： 螺旋-转角-螺旋（HTH） 锌指结构 亮氨酸拉链,（三）模体(motif),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,钙结合蛋白中 结合钙离子的模体,形式： 螺旋-转角-螺旋（HTH） 锌指结构 亮氨酸拉链,helix-turn-helix(HTH),螺旋-转角-螺旋,螺旋折叠折叠 2个His和2个Cys 与Zn离子结合 螺旋区 与 DNA 结合,锌指结构（zinc finger),碱性亮氨酸拉链模体 （basic leucine zipper,bZIP）,超二级结构和结构域是位于二级结构和三级结构之间的两个层次，超二级结构的层次接近二级结构，而结构域的层次接近三级结构。,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,3.蛋白质的超二级结构和结构域,是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,3.蛋白质的超二级结构和结构域,（1）超二级结构：,1、 （复绕-螺旋） 2、 3、 4、曲折 （希腊钥匙构象）,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,3.蛋白质的超二级结构和结构域,（1）超二级结构：,是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在二级结构或超二级结构基础上进一步绕曲折叠，形成紧密的三级结构的局部折叠区，它是相对独立的近似球状的结构，具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,3.蛋白质的超二级结构和结构域,（2）结构域：,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,结构域之间常常只有一段肽链相连，形成所谓“铰链区”，使结构域容易发生相对运动。结构域之间的这种柔性有利于如酶和抗体活性的发挥。,通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。 酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上 在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性（功能的独立性）。,功能特点：,（一）蛋白质的空间结构,3.蛋白质的超二级结构和结构域,（2）结构域：,一条多肽链、以二级结构为基础、总三维空间结构,重点：,是指在二级结构、超二级结构和结构域基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成的特定的球状分子结构。三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能。,4.蛋白质的三级结构,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,有氢键、疏水作用、离子键、范德华力和二硫键等。尤其是疏水作用，在蛋白质三级结构中起着重要作用。 二硫键是维持三级结构唯一的一种共价键，能把肽链的不同区段牢固地连接在一起。,主要的维系键：,4.蛋白质的三级结构,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,肌红蛋白 (Mb),为单肽蛋白质，含有153个氨基酸，有8个螺旋区,五、肌红蛋白的结构与功能 肌红蛋白是第一个被确定的具有三级结构的蛋白质，主要生物学功能是结合氧，是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质。肌红蛋白是一个相对比较小的蛋白，只由一条多肽链组成，呈扁平的棱形，含有一个血红素辅基。分子大小为4.5X3.5X2.5nm。,这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位，一般由一条肽链构成，无生理活性。,5.蛋白质的四级结构,四、蛋白质,（一）蛋白质的空间结构,主要是疏水作用，其次是氢键、