第一章蛋白质

第一章蛋白质的结构与功能 StructureandFunctionofProtein 蛋白质的早期研究 1742 1838年 人并不像老虎等动物一样必须食肉 谷物 土豆等植物也能够维持人们的生命 那么人从谷物和土豆中获取了什么 1838年蛋白质命名 蛋白质 protein 的生物学功能 1 生物体的基本组成成分之一 普遍存在 含量丰富2 生命活动的物质基础 大多数蛋白质具有酶的功能 代谢调节作用 免疫保护作用 转运功能和存储 运动支持和塑性功能 遗传信息传递和信号功能蛋白质是生命活动的物质基础 没有蛋白质就没有生命活动 绪论 第一节蛋白质的分子组成 一 蛋白质的基本单位 氨基酸 aminoacid 20种氨基酸的典型构型 L 氨基酸 二 氨基酸的分类 非极性疏水性氨基酸 Gly Ala Val Leu Ile Pro极性中性氨基酸 Ser Thr Cys Met Asn Gln芳香族氨基酸 Trp Tyr Phe酸性氨基酸 Asp Glu碱性氨基酸 Lys His Arg 三 氨基酸的理化性质 两性解离及等电点 解离程度取决于所处溶液的酸碱度 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值称为氨基酸的等电点 isoelectricpoint pI Zwitterions Aminoacidzwitterionsareamphoteric Theycanreactaseitheracidsorbases Inacidsolution Inbasesolution zwitterion protonated zwitterion deprotonated 紫外吸收 定量分析 茚三酮反应生成的蓝紫色化合物在570nm有最大吸收峰 用于定量分析 四 肽 肽 peptide PeptideBonds APeptideBondisanamidebondlinkingtogetheraminoacidsformingpeptidesandproteins amide 肽键 酰胺键 的定义 蛋白质分子中一个氨基酸残基的 羧基与另一个氨基酸残基的 氨基脱水缩合而形成肽键 属于共价键 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物 两分子氨基酸缩合形成二肽 三分子氨基酸缩合形成三肽 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 10个aa 由更多的氨基酸形成的肽称为多肽 11 50个aa 氨基酸残基两种末端 有自由氨基的一端为N末端 有自由羧基的一端为C末端书写格式 N末端 C末端多肽链的主链 侧链 牛核糖核酸酶 生物活性肽 谷胱甘肽 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸 第二节蛋白质的分子结构 一级结构二级结构三级结构四级结构 后三者称为蛋白质的高级结构或空间构象 定义 蛋白质分子从N 端至C 端的氨基酸排列顺序 氨基酸排列序列由基因遗传信息决定 化学键 肽键 二硫键一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础 一级结构 primarystructure 1953年 完成了第一个蛋白质 牛胰岛素化学结构的测定 获得1958年的诺贝尔化学奖 1977年 成功地测定了第一个噬菌体 X174全基因组5386碱基对的核苷酸序列 因此 与美国分子生物学家伯格 P Berg 和吉尔伯特 W Gilbert 分享1980年诺贝尔化学奖 FrederickSanger 性质 一条开链 易被蛋白酶水解 需盘曲折叠形成稳定的构型 定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构 即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置 并不包括氨基酸残基侧链的构象 化学键 氢键 肽键 二硫键 肽链主链骨架原子的含义 氨基氮 N 碳原子 C 羰基碳 CO 二 二级结构 secondarystructure HeistheonlypersonevertoreceivetwounsharedNobelPrizes forChemistry 1954 andforPeace 1962 Withanalpha helixmodel late1950s HoldinghisfirstNobelmedal surroundedbyfamilymembers LinusPauling 肽键C0 N键长 0 132nm 介于C N单键 0 149nm 和C N双键 0 127nm 之间 具有部分双键性质 因而不能自由旋转 C0 N 位于一个平面上 C0 N周围三个键角之和为360 肽键周围的六个原子同处一个平面 这就是肽键平面 肽单元 C 1与C 2在平面中所处的位置为反式构型 反式构型比顺式构型稳定 肽链中只有C 所形成的单键能够旋转 这决定了相邻两个肽单元平面的相对空间位置 所以肽单元平面是肽链在空间盘曲折叠的基本单位 肽单元 peptideunit 肽键C0 N键长 0 132nm 介于C N单键 0 149nm 和C N双键 0 127nm 之间 具有部分双键性质 因而不能自由旋转 C0 N 位于一个平面上 C0 N周围三个键角之和为360 肽键周围的六个原子同处一个平面 这就是肽键平面 肽单元 C 1与C 2在平面中所处的位置为反式构型 反式构型比顺式构型稳定 肽链中只有C 所形成的单键能够旋转 这决定了相邻两个肽单元平面的相对空间位置 所以肽单元平面是肽链在空间盘曲折叠的基本单位 主链螺旋上升 右手螺旋 肽单元与长轴平行 每3 6个氨基酸残基 aa 上升一圈 螺距0 54nm 每一个aa中的N H和第四个aa的C O之间形成氢键 维系 螺旋的稳定性 氢键与长轴平行 侧链R伸向螺旋外侧 螺旋 helix 以肽单元为单位 以C 为旋转点 折叠成锯齿状结构 110 R侧链位于平面的上下方 若干锯齿状结构平行排列 走向相反或相同 也称为 片层 反向平行更稳定 间距为0 70nm 垂直的氢键维系稳定性 折叠 pleated 转角 turn 由4个aa组成 第一个aa的C O与第四个aa的N H之间形成氢键 无规卷曲 randomcoil 没有确定规律性的肽链结构 模体 motif 2到3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 具有特殊功能 氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响 除了氢键外 影响 螺旋稳定的因素有 极小或极大的侧链基团 存在空间位阻 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基 有Pro等亚氨基酸存在 不能形成氢键 定义 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置 也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置 化学键 疏水作用 离子键 氢键 VanderWaals力 三 三级结构 tertiarystructure 肌红蛋白 结构域 domain 蛋白质中的二级结构和超二级结构常常折叠成相对致密的结构 称为结构域 多为球状或纤维状 常以无规卷曲相连 具有各自的功三级结构就是阐述这些结构之间的相互关系 及稳定这些结构的化学力 分子伴侣 辅助蛋白热休克蛋白作用 防止错误聚集 诱导正确折叠 在二硫键的形成过程中起作用 亚基 subunit 构成四级结构的每条具有完整三级结构的多肽链 四级结构定义 蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用同聚体 homo 异聚体 hetero 化学键 氢键 离子键 四 四级结构 quaternarystructure 血红蛋白的四级结构 单独的亚基没有生物学功能 一 组成 单纯蛋白质结合蛋白质 二 蛋白质分子形状 球状蛋白质纤维状蛋白质 三 蛋白质的功能 活性蛋白质 酶 激素 运输和贮存蛋白质等非活性蛋白质 胶原 角蛋白等 蛋白质的分类 第三节蛋白质结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的一级结构 蛋白质一级结构与功能的关系 一级结构是空间构象的基础 一级结构与功能的关系 一级结构相似 其空间结构和功能也相似氨基酸的序列提供生物进化的信息起关键作用的氨基酸改变 也可影响功能 Sickle celldisease NormalredbloodcellsSickleshapedredbloodcells Duetosingleaminoacidchangeinhemoglobin Sickle celldisease SinglespecificaminoacidchangecauseschangeinproteinstructureandsolubilityResultsinchangeincellshapeCausescellstoclogbloodvessels Sickle celldisease 二 蛋白质空间结构与功能的关系 肌红蛋白与血红蛋白的结构 Thehemeprostheticgroupbindsiron Ferrohemoglobin Fe2 bindsO2 Ferrihemoglobin Fe3 alsoknownasmethemoglobin doesnotbindO2 N C C C C N C C C C N C C C C N C C C C H C C H H C C H C H 3 C H C H 2 C H 2 C O O C H 2 C H C H 3 C H 3 H 3 C H 2 C F e 2 N C C C C N C C C C N C C C C N C C C C H C C H H C C H C H 3 C H C H 2 C H 2 C O O C H 2 C H C H 3 C H 3 H 3 C H 2 C F e 3 OxygenbindstoFe2 inheme 肌红蛋白血红蛋白 StructuresofdeoxyHbandoxy Hb 百分饱和度 氧饱和度 氧和Hb占总Hb的百分数 hemoglobincanexistineitherahighaffinity R orlowaffinity T state Tstate lowaffinitybindingofO2Rstate highaffinitybindingofO2 Tstate Rstate Oxygenbindinginducesaconformationalchangeinhemoglobin 此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起亚基构象变化 称为变构效应 变构剂为氧 变构蛋白为Hb 协同效应 cooperativity 的定义 是指具有四级结构的蛋白质中一个亚基与其配体结合后 能影响其它亚基与配体的结合能力 如果这种影响是促进作用的则称为正协同效应 positivecooperativity 反之称为负协同效应 negativecooperativity Whatisthephysiologicalsignificanceofcooperativityinhemoglobin 三 蛋白质构象改变与疾病蛋白质的一级结构不变 但其折叠发生错误导致构象发生改变 引起功能障碍发生疾病 称为蛋白构象疾病 牛海绵状脑病 致病性朊粒即朊病毒蛋白 PrP 第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化 当蛋白质溶液处于某一pH时 蛋白质游离成正 负离子的趋势相等 即成为兼性离子 净电荷为O 此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点 pI 人体液中许多蛋白质等电点在pH5 0左右 所以在体液 pH7 4 中以阴离子形式存在 蛋白质的理化性质 蛋白质的两性电离 蛋白质的胶体性质蛋白质分子量达到胶粒1 100nm范围 水化膜和表面电荷 静电斥力 是稳定蛋白质胶体的重要因素 蛋白质的变性 沉淀和凝固 变性 denaturation 在某些物理或化学因素作用下 蛋白质特定的空间构象被破坏 从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失 变性本质是次级键和二硫键的破坏 不涉及一级结构的变化 蛋白质从卷曲到延展的过程 天然构象破坏 溶解度降低 粘度增加 结晶能力消失 生物学活性丧失 易被蛋白酶分解 变性原因 物理因素 加热 高压 紫外线 超声波 化学因素 强酸强碱 有机溶剂 重金属盐 SDS 蛋白质变性后 疏水基团外露 肽链融合相互缠绕继而聚集 因而从溶液中沉淀析出 此称蛋白质的沉淀 若蛋白质变性程度较轻 去除变性因素后 有些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 renaturation 但有些蛋白质变性后 空间构象被严重破坏 不能复原 称为不可逆行变性 蛋白质变性后并不一定沉淀沉淀的蛋白质也不一定变性变性蛋白质也不一定凝固 关系 变性 复性 不可逆行变性变性 等电点处沉淀 凝固 蛋白质的紫外吸收 茚三酮反应 蓝色反应 双缩脲反应 两个以上肽键的化合物在碱性溶液中与硫酸铜作用呈现紫红色反应 蛋白质中含有Tyr和Trp 因此在280nm处有特征性紫外吸收峰 且在一定浓度范围内 其A280n