生物化学与分子生物学：第2章 多肽与蛋白质 7年制2版

1、生物大分子：由基本结构单位按一定顺序和连接方式所形成的多聚体。 蛋白质：氨基酸 核酸： 核苷酸 糖复合物：单糖,多肽与蛋白质,第二章,Polypeptides and Proteins,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：占人体干重的45， 某些组织,例如脾、肺及横纹肌等高达80,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物 体重要组成成分(结构蛋白,Protein derives from Greek proteios，meaning “first” or “foremost,1）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

2、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(功能蛋白,3. 氧化供能,老年痴呆症,镰刀形红细胞贫血,病例,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,第一节 肽、蛋白质的一级结构 Primary Structure of peptides and Proteins,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,一、蛋白质的元素组成,蛋白质的含氮量平均为16,100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) =

3、 每克样品含氮克数 6.25100,1/16,蛋白质元素组成的特点,二、蛋白质的基本组成单位,氨基酸是多肽与蛋白质的基本组成单位,1. 肽 键(peptide bond,一）蛋白质由氨基酸通过肽键连接形成链状结构,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,三、蛋白质的基本结构特点,氨基酸通过肽键连结形成肽和蛋白质,甘氨酰甘氨酸,肽键,2. 肽和蛋白质,由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,氨基酸残基(residue,寡肽(oligopeptide) 多肽(polypep

4、tide,肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全,许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种链状结构,3. 多肽链(polypeptide chain,主链结构: 氨基酸残基通过肽键连接而成的结构。 侧链结构：氨基酸残基的R基团结构,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,多肽链的两端,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,多肽链方向性,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.谷胱甘肽是体内重要的还原剂,谷胱甘肽 (glutathione, GSH,GSH的巯基具有还原性：保

5、护蛋白质或酶分子的巯基免遭氧化，维持蛋白质或酶活性状态。 GSH与致癌剂或药物结合,2. 寡肽或多肽激素,3. 神经肽,在神经传导过程中起重要作用的肽类称为神经肽(neuropeptide,脑啡肽(5肽)、-内啡肽(31肽)和强啡肽(17肽)等,孤啡肽(17肽)，其一级结构类似于强啡肽,蛋白质分子由氨基酸构成一条多肽链，分子量大，能折叠成一定的形状，形成具有空间结构的大分子,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tert

6、iary structure) 四级结构(quaternary structure,高级结构,三）蛋白质分子结构的四个层次,1952年丹麦科学家Linderstrom-Lang建议,一）概念： 蛋白质分子中从N端到C端的氨基酸残基排列顺序,四、蛋白质一级结构 （primary structure,化学键,肽键（主要化学键）、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，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。 细胞的环境因素影响蛋白质分子的空间构象,目 录,二）蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础,蛋白质数据库（Genebank）：NCBI网站： National Center for

7、Biotechnology Information ,三）一级结构比对用于同源蛋白质分析,序列比对方法：将2个序列准确地对齐，使之达到相同序列最大化，插入或删除序列（不同序列）最小化，然后计算相同的氨基酸数,根据同源蛋白质序列相似程度分类 同源蛋白：同一基因进化（功能相似）而来的 蛋白质，氨基酸序列相似程度25,四）蛋白质分类,1. 组成分类,2.家族分类： 根据蛋白质一级结构特点，氨基酸同源分析,3.空间结构分类： 模体、结构域、亚基分类,4.形状分类,结合蛋白质及其辅基,第二节 肽、蛋白质的高级结构,Three Dimentional S

8、tructure of Peptides and Proteins,一、蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键,一）肽键是一个刚性的平面（肽键平面,键长： CN：0.149 C=N：0.127 肽键：0.132 肽键具有部分双键性质,O O CC NC CC = N+C H H,肽单元(peptide unit,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，构成肽单元,肽键有部分双键性质,1） 肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转 2）肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面 3） 相邻的a碳原子呈反式构型,H O R2 H H O R4 H H NH2CC = NCC = N CC =

9、 NCC = N CCOOH R1 H H O R3 H H O R5,螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) -环（ -loop）： 无规卷曲 ( random coil,二）蛋白质二级结构的主要形式,维系二级结构的主要化学键： 氢键,肽键平面通过C旋转或折叠形成的主链结构,1、-螺旋,螺旋是常见的蛋白质二级结构,螺旋：多肽链肽键平面通过C旋转， 形成一种螺旋的结构,结构特点,以肽键平面为单位,右手螺旋； 每螺旋圈3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm ； 氢键保持螺旋结构的稳定，氢键的方向与螺旋长轴基本平行； 氨基酸侧链伸向螺旋外

10、侧，并影响螺旋的形成和稳定。 两性特点：每隔34个aa有1个极性或非极性aa，肽链具有亲水性或疏水性,2、-折叠,折叠：多肽链肽键平面通过C折叠， 形成一种伸展形的折纸状结构,特征： 多肽链较伸展，呈锯齿状，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方； 两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段，两条肽链走向可相同，也可相反。 平行：N端到C端同方向，肽链间距0.65nm； 反平行: N端到C端不同方向, 肽链间距0.70nm。 氢键稳固折叠结构,蛋白质的二级结构主要以螺旋和 -折叠为主，许多蛋白质既有螺旋又有 -折叠,3、-转角（ -turn,转角：肽链1800回折，回折角形成的结构,4个氨基酸残基

11、组成 氢键维系稳定(第1个残基的C=0 与第4个残基的N-H形成氢键) 第二个残基常为脯氨酸,4、-环（omega loop）： 出现在螺旋或 -折叠之间的结构。比-转角的氨基酸多，规律性不很明确,5、 无规卷曲： 没有确定规律性的部分肽链结构,三）氨基酸残基侧链对二级结构形成的影响,R基团电荷影响螺旋的形成： 酸或碱性氨基酸集中的区域，同性相斥，不利螺旋。 R基团大小影响螺旋的形成： Phe、Try、Ile集中的区域，不利螺旋。 Gly，Pro不能形成典型的螺旋。 折叠的氨基酸R基团较小,四） 模体(motif,在许多蛋白质分子中，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

12、的空间构象，具有特殊功能，称为模体,在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构,超二级结构,模体,Loop,钙结合蛋白的模体 （螺旋-环-螺旋） 在环(无规卷曲)中亲水侧链的氧原子通过氢键与Ca2+结合,常见的模体结构,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,DNA结合蛋白的模体 （锌指结构） 1个螺旋，两个反平行-折叠组成，形似手指。 N-末端1对Cys， C-末端1对His， 容纳结合一个Zn2+。 螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，与DNA结合,亮氨酸拉链模体（leucine zippers，LZ,两性”螺旋，隔6个aa，

13、1个Leu， Leu侧链位螺旋一侧，亲水侧链位另一侧。 两条螺旋平行，Leu像拉链样紧密交错结合，形成二聚体，称为“拉链”结构,二、蛋白质三级结构,一）三级结构是指整条多肽链的空间分布,三级结构：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排布位置。 包括主链和侧链原子。 具有功能作用的完整蛋白质分子,多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成,肌红蛋白 (Mb) 的三级结构,Mb的结构特点： 153个氨基酸残基组成球状单链蛋白分子。 8个螺旋占75%，间隔无规卷曲。 含1个血红素辅基,主要化学键：非共价键 疏水键、离子键(盐键)、氢键和 Van der Waals力。 以疏

14、水键为主要作用，不牢固，易被破坏,二）维持三级结构稳定主要依靠非共价键,三）三级结构可含有功能各异的结构域,磷酸甘油醛脱氢酶的NAD+结合结构域和催化结构域,结构域：蛋白质分子折叠形成相对致密的，具有一定功能作用的局部区域，称为结构域。 结构域是蛋白质的活性部位，是蛋白质局部肽链所有原子排布,纤连蛋白分子的结构域,根据结构域可将球状蛋白质分为4类： 反平行螺旋结构域（全-结构） 平行或混合型折叠片结构域（，-结构） 反平行折叠片结构域(全-结构) 富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白质结构,A. 全-结构域 B. 平行或混合型折叠片结构域 C. 全-结构域 D. 富含二硫键结构域,四）分子伴侣

15、参与蛋白质的折叠,分子伴侣(chaperone)： 能为其它蛋白质分子提供合适环境，使之折叠成具有天然构象蛋白质的分子。 参与蛋白质折叠的分子伴侣： 热休克蛋白、伴侣分子、核质蛋白,主要是疏水作用，其次是氢键和离子键,三、蛋白质的四级结构,含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每一条具有完整三级结构的多肽链,蛋白质的亚基,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,蛋白质的四级结构,由4个亚基组成。各亚基的三级结构与Mb极为相似。每个亚基结合一个血红素。 Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合,血红蛋白的四级结构,胰岛素受体： 4个亚基组成(22) ， 亚基与亚基形成单体(

16、monomer)， 2个单体形成二聚体(dimer,血红蛋白的一、二、三、四级结构,蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列,蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠,Primarystructure,Secondarystructure,蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构,蛋白质的四级结构是亚基的空间排列,Polypeptide(single subunitof transthyretin,Transthyretin, with fouridentical polypeptide subunits,Tertiarystructure,Quaternarystructure,一级结构：氨基

17、酸的排列顺序，线性结构。 二级结构：主链原子的局部空间排布。 超二级结构:几个二级结构的组合 模体:具有功能作用的超二级结构 三级结构：主链和侧链原子的空间排布。 一条多肽链所有原子的空间排布。 结构域:局部主链和侧链原子的空间排布 四级结构：多条肽链之间原子的空间排布,第三节 蛋白质结构与功能的关系Structure and Function of Proteins,1、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,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,2、一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,一级结构相似的多肽或蛋白质，其

18、空间构象以及功能也相似。 差异的氨基酸不影响结构和功能，无关突变,哺乳动物胰岛素氨基酸序列的差异,促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(-MSH, -MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成但作用较弱,3、氨基酸序列提供重要的生物化学信息,一级结构与物种进化间存在关系。 同源蛋白的氨基酸序列相似性程度与功能相关,细胞色素c一级结构与生物进化 物种进化越接近的生物，细胞色素一级结构越相似,细胞色素c一级结构： 人与黑猩猩：相同； 人与猕猴：Tyr102：Arg102； 人与酵母：差51aa； 灰鲸与猪：差2aa,4、重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病,一级结构影

19、响空间结构，影响蛋白质功能 例：镰刀形红细胞贫血: glu: GTA val: GAA,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病,二、蛋白质空间结构与功能的关系,1、蛋白质功能需要完整的空间结构。 单亚基蛋白质(单聚体): 结构域没有完整的功能。 多亚基蛋白质(寡聚体): 三级结构没有完整的生理功能。 2、空间结构改变(变构), 功能改变。 3、空间结构破坏(变性), 功能丧失,肌红蛋白(Mb)/血红蛋白(Hb)的结构 含有血红素辅基,血红素结构： 铁卟啉化合物: 4个吡咯环，4个甲炔基 2个CH2CH2COO-与aa连接Fe2+ 形成 6个配位键： 4N、组aa、O2,三）血红蛋白

20、构象与功能,肌红蛋白(myoglobin，Mb,单链蛋白质，8段-螺旋结构。 肽链F8组氨酸残基与Fe2+形成配位结合,血红蛋白(hemoglobin，Hb,4个亚基组成。亚基三级结构与Mb相似。 Hb亚基之间通过8对离子键，紧密结合,氧合Hb：Hb(Mb)与O2结合后的Hb (Mb) 。 百分饱和度：氧合Hb(Mb)占总Hb(Mb)的百分数。 氧解离曲线：氧分压与氧百分数的关系曲线,2. 血红蛋白亚基构象变化影响结合氧能力,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,Mb: 呈直角双曲线 MB易与O2结合 Hb: 呈S状曲线 O2分压低时：

21、Hb不易与O2结合； O2分压升高：逐渐增强结合力,紧密型（T态）： 盐键连接，亚基紧密结合，O2亲合力低。 松弛型（R态）： 盐键断裂，亚基松弛结合，O2亲合力高,亚基与O2结合，盐键断裂； Hb逐渐从T态转变为R态； 与O2亲合力逐渐提高,Hb的第一个亚基与O2结合， 促进第二个亚基与O2结合,协同效应(cooperativity,一个多聚体蛋白质的一个亚基与配体结合，能影响此多聚体的另一个亚基与配体结合，这种现象称为协同效应。 正协同效应(positive cooperativity) 负协同效应(negative cooperativity,Hb的第一个亚基与O2结合， 促进第二个亚基

22、与O2结合,血红素与O2结合后， 铁原子半径变小，进入卟啉环的小孔中， 肽链位置变动,影响其它亚基的构象,使其它亚基结合O2能力增强,别构效应(allosteric effect,蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应（变构效应,协同效应是由于蛋白质的别构效应引起的,血红蛋白构象与功能,构象：T型、R型 功能：T型：O2亲和力低； R型：O2亲和力高。 变构效应：O2结合T型Hb的亚基，肽链移位，盐键断裂，T型转变为R型。 协同效应：O2结合第一个亚基，引起O2与第二个亚基结合亲和力增强,四、蛋白质构象改变与构象病,蛋白质构象疾病： 蛋白质构象发生改变，影响蛋白质功能，所导致的疾病

23、,人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、 亨停顿舞蹈病、疯牛病等,蛋白质构象改变导致疾病的机制： 蛋白质错误折叠后相互聚集， 聚集蛋白抵抗蛋白水解酶， 产生淀粉样纤维沉淀，而致病。 病理改变：蛋白质淀粉样纤维沉淀,老年痴呆症,疯牛病：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。 朊病毒蛋白的分型： 正常细胞型PrP：PrPc 异常致病型PrP：PrPsc,疯牛病中的蛋白质构象改变,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,五、蛋白质的化学修饰、相互作用可改变其功能,蛋白质翻译后的化学修饰 磷酸化、甲基化、乙酰化等修饰,六、生

24、物信息学探讨蛋白质的结构与功能关系,生物信息学应用计算机程序，解释复杂分子机制。 1. “序列相似性”评分 2. 预测二级结构：超二级结构、模体,第四节 蛋白质的理化性质 Chemical and Physical Properties of Proteins,一、蛋白质具有两性电离性质,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,蛋白质的等电点( isoelectric point, pI,PHPI,二、蛋白质胶体性质,蛋白质分子量1万至100万之间，分子的直径1100nm，为胶粒范围之内,蛋白质胶体稳定的因素:

25、 水化膜：表面极性基团吸附H2O分子。 颗粒表面电荷：静电斥力，使蛋白质颗粒不易聚集,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,三、蛋白质变性,在物理和化学因素作用下，蛋白质特定空间构象被破坏，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学活性的丧失,蛋白质变性(denaturation,引起变性的因素：加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等,变性的本质：破坏非共价键和二硫键， 不改变蛋白质的一级结构,变性的结果： 理化性质改变：溶解度降低，粘度提高。 生物学功能丧失，称为失活,应用举例: 使蛋白质变性：临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 防止蛋白质变性：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(renatu