生物化学蛋白质化学PPT课件

1、 蛋白质的结构具有多种结构层次，包括蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构一级结构和和空间结构空间结构，空间结构又称，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。存在超二级结构和结构域这两个结构层次。第1页/共70页蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构（蛋白质的一级结构（Primary structurePrimary structure）又称为）又称为共价结构共价结构或或化学结构化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通

2、过肽键连接起来的多肽链结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。 （一）肽键与肽链（一）肽键与肽链1.1.肽键：肽键：一个氨基酸的一个氨基酸的-COOH -COOH 和相邻的另一个氨基酸的和相邻的另一个氨基酸的 -NH-NH2 2脱水形成共价键。如下图：脱水形成共价键。如下图：第2页/共70页第3页/共70页肽键和肽的结构肽键和肽的结构第4页/共70页2. 2. 氨基酸借肽键连接起来叫氨基酸借肽键连接起来叫肽肽，肽是一大类物质，即：，肽是一大类物质，即： 1 1）两个氨基酸组成的肽叫）两个氨基酸组成的肽叫二肽二肽； 2 2）三个氨基酸组成的肽叫）三个氨基酸组成

3、的肽叫三肽三肽；3 3）多个氨基酸组成的肽叫）多个氨基酸组成的肽叫多肽多肽；4 4）氨基酸借肽键连成长链，称为）氨基酸借肽键连成长链，称为肽链肽链，肽链两端有，肽链两端有 自由自由-NH-NH2 2和和-COOH-COOH，自由，自由-NH-NH2 2端称为端称为N-N-末端末端（氨基末端），（氨基末端）， 自由自由-COOH-COOH端称为端称为C-C-末端末端（羧基末端）；（羧基末端）； 5 5）构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为）构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基氨基酸残基； 6 6）肽链中的氨基酸的排列顺序，一般）肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH-NH2 2端开始，由端开始，

4、由N N指指 向向C C，即，即多肽链有方向性多肽链有方向性，N N端为头，端为头，C C端为尾。端为尾。第5页/共70页（二）天然活性肽（二）天然活性肽自然界中有自由存在的活性肽，主要有：自然界中有自由存在的活性肽，主要有：1. 1. 谷胱甘肽（谷胱甘肽（GSHGSH）：三肽（：三肽（Glu-Cys-GlyGlu-Cys-Gly），广泛存在于生物细胞中，含有），广泛存在于生物细胞中，含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。或酶分子中的巯基免遭氧化，使

5、其处于活性状态。 第6页/共70页第7页/共70页2.2.促甲状腺素释放激素：促甲状腺素释放激素：三肽（焦谷氨酰组氨酰脯三肽（焦谷氨酰组氨酰脯氨酸），可促进甲状腺素的释放。氨酸），可促进甲状腺素的释放。 3.3.短杆菌素短杆菌素S S：环十肽，含有环十肽，含有D-D-苯丙氨酸、鸟氨酸，苯丙氨酸、鸟氨酸，对革兰氏阴性细菌有破坏作用，主要作用于细胞膜。对革兰氏阴性细菌有破坏作用，主要作用于细胞膜。 4.4.青霉素：青霉素：含有含有D D半胱氨酸和半胱氨酸和D D缬氨酸的二肽衍生缬氨酸的二肽衍生物物 。主要破坏细菌的细胞壁粘肽的合成引起溶菌。主要破坏细菌的细胞壁粘肽的合成引起溶菌。 第8页/共70页

6、5.5.牛催产素与加压素：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。前均为九肽，分子中含有一对二硫键，两者结构类似。前者第九位为者第九位为GlyGly或或LysLys或或PhePhe，后者为，后者为ArgArg。前者可刺激子宫的收缩，促进分娩。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。节。 牛催产素牛催产素 : S S S S Cys CysTyrTyrIleIleGlnGlnAsnAsnCysCysProProLeuLeuGly-NHGly-

7、NH2 2牛加压素牛加压素 :7.7.脑啡肽：脑啡肽：为五肽，具有镇痛作用。为五肽，具有镇痛作用。 S S S S Cys CysTyrTyrPhePheGlnGlnAsnAsnCysCysProProAryAryGly-NHGly-NH2 26.舒缓激肽：舒缓激肽：促进血管舒张，促进水、钠离子的排出。促进血管舒张，促进水、钠离子的排出。第9页/共70页第10页/共70页（三）蛋白质的一级结构研究（三）蛋白质的一级结构研究 一级结构的研究包括：一级结构的研究包括：蛋白质的氨基酸组成测定，肽链数目的确定，末端氨蛋白质的氨基酸组成测定，肽链数目的确定，末端氨基酸种类测定，氨基酸的排列顺序测定，二硫

8、键位置的测定，酰胺位置的确定。基酸种类测定，氨基酸的排列顺序测定，二硫键位置的测定，酰胺位置的确定。大致步骤如下：大致步骤如下： 1.1.获取一定量纯的蛋白质样品，获取一定量纯的蛋白质样品，测其分子量，然后将样品完全水解，确定该蛋测其分子量，然后将样品完全水解，确定该蛋白质的氨基酸种类、数目及每种氨基酸的含量。白质的氨基酸种类、数目及每种氨基酸的含量。2.2.进行末端测定，进行末端测定，确定该蛋白质的肽链数目，确定该蛋白质的肽链数目，N-N-端和端和C-C-端是什么氨基酸。端是什么氨基酸。 N-N-末端测定法：末端测定法：常采用常采用2 2，4 4二硝基氟苯法、二硝基氟苯法、EdmanEdma

9、n降解法、丹磺酰氯法。降解法、丹磺酰氯法。 C-C-末端测定法：末端测定法：常采用肼解法、羧肽酶法。常采用肼解法、羧肽酶法。第11页/共70页3.3.肽链的拆分肽链的拆分: :经末端的分析，若该蛋白质含有两条以经末端的分析，若该蛋白质含有两条以上的肽链，而且肽链之间是通过非共价键连接，使用蛋上的肽链，而且肽链之间是通过非共价键连接，使用蛋白质变性剂将其变性后分开；若蛋白质肽链之间通过共白质变性剂将其变性后分开；若蛋白质肽链之间通过共价键相连，则可采取过甲酸氧化法或巯基乙醇还原法将价键相连，则可采取过甲酸氧化法或巯基乙醇还原法将其分开。其分开。4.4.各肽链中氨基酸排列顺序的测定各肽链中氨基酸排

10、列顺序的测定: :使用两种以上的方使用两种以上的方法将肽链部分水解成肽段，测各肽段的氨基酸顺序，然法将肽链部分水解成肽段，测各肽段的氨基酸顺序，然后使用片段重叠法推测出完整肽链的氨基酸顺序。后使用片段重叠法推测出完整肽链的氨基酸顺序。5.5.确定二硫键和酰胺的位置确定二硫键和酰胺的位置 第12页/共70页( (四四) )胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构 第13页/共70页蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构 （一）构型与构象（一）构型与构象 维持蛋白质二级结构的作用力维持蛋白质二级结构的作用力 1、构型与构象、构型与构象 构型：构型：指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间指一

11、个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间排布方式。如单糖的排布方式。如单糖的-、-构型，氨基酸的构型，氨基酸的D-D-、L-L-构型。当从一种构构型。当从一种构型转换成另一种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。型转换成另一种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。 构象：构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或破坏。排列方式。一种构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或破坏。2 2、维持蛋白质二级结构的作用力维持蛋白质二级结构的作用力 氢键：疏水相互作

12、用：范德华力：盐键：二硫键：氢键：疏水相互作用：范德华力：盐键：二硫键： 第14页/共70页（二）蛋白质的二级结构（二）蛋白质的二级结构 二级结构的概念：二级结构的概念：多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式借助氢键有多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式借助氢键有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。 1.1.蛋白质分子构象的立体化学原则蛋白质分子构象的立体化学原则 Linus Pauling Linus Pauling和和Robert CoreyRobert Corey于于2020世纪世纪4040

13、年代末至年代末至5050年代初，应用年代初，应用X-X-射射线衍射法（线衍射法（X-ray diffractionX-ray diffraction）技术对）技术对-角蛋白等研究结果，提出了蛋白角蛋白等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体化学原则，要点如下：质分子构象的立体化学原则，要点如下： 第15页/共70页（1 1）肽链空间构象的）肽链空间构象的基本结构单位基本结构单位为肽平面或肽单位。所谓的肽平面是指肽链为肽平面或肽单位。所谓的肽平面是指肽链中从一个中从一个CC原子到另一个原子到另一个CC原子之间的结构，共包含原子之间的结构，共包含6 6个原子（个原子（CC、C C、O O、N N、H

14、 H、CC），它们在空间共处于同一个平面。如下图所示：），它们在空间共处于同一个平面。如下图所示： 第16页/共70页（2 2）肽键上的原子呈）肽键上的原子呈反式反式构型构型（3 3）肽键肽键C-NC-N键长键长为为0.132nm,0.132nm,比一般的比一般的C-NC-N单键单键 (0.147nm)(0.147nm)短，比短，比C=NC=N双键双键(0.128nm)(0.128nm)要长，要长， 具有部分双键的性质具有部分双键的性质(partial double-bond(partial double-bond character) character)，不能旋转。而，不能旋转。而 C-C

15、OOHC-COOH、C-NHC-NH2 2， 为真正单键为真正单键(pure single bond)(pure single bond)，可以旋转。，可以旋转。 第17页/共70页第18页/共70页(4) (4) 相邻肽平面构成二面角相邻肽平面构成二面角 ：一个：一个CC原子相连的原子相连的两个肽平面，由于两个肽平面，由于N N1 1-C-C和和C-CC-C2 2( (羧基碳羧基碳) )两个键两个键为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。一个肽平面围绕构成不同的构象。一个肽平面围绕N N1 1-C(-C(氮原子与氮原子与碳原子碳

16、原子) )旋转的角度，用旋转的角度，用表示。另一个肽平面表示。另一个肽平面围绕围绕C-CC-C2 2(-(-碳原子与羧基碳碳原子与羧基碳) )旋转的角度，用旋转的角度，用表示。这两个旋转角度叫二面角表示。这两个旋转角度叫二面角(dihedral angle)(dihedral angle)。通常二面角通常二面角(,)(,)确定后，一个多肽链的二级结构确定后，一个多肽链的二级结构就确定了。就确定了。第19页/共70页2.2.蛋白质二级结构主要类型有：蛋白质二级结构主要类型有：-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、 -转角转角(1) -(1) -螺旋螺旋（-Helix-Helix）: : 又称为又称为3.6

17、3.61313螺旋，螺旋，= -57= -57。，= -47= -47。 结构结构要点：要点： 多个肽键平面通过多个肽键平面通过-碳原子碳原子旋转，主链绕一条固定轴形成旋转，主链绕一条固定轴形成右手螺旋右手螺旋。 每每3.63.6个氨基酸残基上升一圈，相当于个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm0.54nm。 相邻两圈螺旋之间借肽键中相邻两圈螺旋之间借肽键中C CO O和和N-HN-H形成许多形成许多链内氢健链内氢健，即每一个氨基酸，即每一个氨基酸残基中的残基中的NHNH和前面相隔三个残基的和前面相隔三个残基的C CO O之间形成氢键，这是之间形成氢键，这是稳定稳定-螺旋的主螺旋的主要键要键

18、。 肽链中肽链中氨基酸侧链氨基酸侧链R R，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响-螺旋螺旋的形成的形成。 第20页/共70页第21页/共70页第22页/共70页第23页/共70页 - -螺旋在许多蛋白中存在，如螺旋在许多蛋白中存在，如-角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由-螺旋结构组成。螺旋结构组成。 螺旋的结构通常用螺旋的结构通常用“S SN N”来表示，来表示，S S表示螺旋每旋转一圈所含的残基数，表示螺旋每旋转一圈所含的残基数，N N表示形表示形成氢键的成氢键的C=OC=O与与H-NH-N原子之间在主链上包含的

19、原子数。原子之间在主链上包含的原子数。 第24页/共70页* * 影响影响-螺旋稳定的因素：螺旋稳定的因素： 酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于斥，不利于-螺旋形成；较大的螺旋形成；较大的R(R(如苯丙氨酸、如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸色氨酸、异亮氨酸) )集中的区域，也妨碍集中的区域，也妨碍螺螺旋形成；脯氨酸因其旋形成；脯氨酸因其-碳原子位于五元环上，碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述故不易形成上述-螺旋；甘氨酸的螺旋；甘氨酸的R R基为基为H H，空，

20、空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。第25页/共70页(2) (2) -折叠折叠(-pleated sheets)(-pleated sheets)又称又称-片层、片层、-结构，其结构要点如下：结构，其结构要点如下：多肽链呈多肽链呈锯齿状锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构；（或扇面状）排列成比较伸展的结构；相邻两个氨基酸残基的轴心距离为相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.35nm0.35nm，侧链，侧链R R基团交替地分布在片层平基团交替地分布在片层平面的上下方，片层间有面的上下方，片层间有氢键氢键相连；相连；有有平行式平行式和和反平行式反平行式两种，平

21、行式的折叠其两种，平行式的折叠其=-119=-119。，=+113=+113。反平行。反平行折叠其折叠其=-139=-139。，=+135=+135。 这种片层在丝心蛋白里大量存在。这种片层在丝心蛋白里大量存在。第26页/共70页第27页/共70页第28页/共70页第29页/共70页第30页/共70页(3) -(3) -转角转角: :又称又称-弯弯曲，曲，-回折或发夹结构。回折或发夹结构。指蛋白质的多肽链在形成指蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现空间构象时经常会出现180180。的回折，回折处的的回折，回折处的结构就称为结构就称为-转角。一转角。一般由四个连续的氨基酸组般由四个连续的氨基

22、酸组成，第一个氨基酸的羧基成，第一个氨基酸的羧基与第四个氨基酸的氨基形与第四个氨基酸的氨基形成氢键。也有一些是由第成氢键。也有一些是由第一个氨基酸的羧基与第三一个氨基酸的羧基与第三个氨基酸的氨基形成氢键。个氨基酸的氨基形成氢键。 第31页/共70页第32页/共70页第33页/共70页纤维状蛋白质的结构纤维状蛋白质的结构第34页/共70页第35页/共70页第36页/共70页第37页/共70页第38页/共70页第39页/共70页（二）超二级结构和结构域（二）超二级结构和结构域1 1超二级结构超二级结构 超二级结构（超二级结构（Super-secondary structureSuper-secon

23、dary structure）的）的概念是概念是M.RossmannM.Rossmann于于19731973年提出来的。蛋白质分子年提出来的。蛋白质分子中的多肽链在三维折叠中往往形成有规则的二级结中的多肽链在三维折叠中往往形成有规则的二级结构聚集体，在球蛋白中充当三级结构的构件。常见构聚集体，在球蛋白中充当三级结构的构件。常见的有：的有：、等。等。 第40页/共70页第41页/共70页第42页/共70页第43页/共70页第44页/共70页第45页/共70页第46页/共70页2 2结构域（结构域（structural domainstructural domain） 在一些相对较大的蛋白质分子中

24、，在空间在一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，折叠时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成更复杂的再组装成更复杂的球状球状结构，这种在二级或超结构，这种在二级或超二级结构基础上形成的二级结构基础上形成的特定区域特定区域称为称为结构域结构域。它的结构层次它的结构层次介于超二级结构和三级结构之间介于超二级结构和三级结构之间。如图所示：如图所示： 第47页/共70页第48页/共70页第49页/共70页第50页/共70页第51页/共70页蛋白质的三级结构 三.蛋白质的三级结构 一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布，称为布，称为三级结构三级结构，是包括主、侧链在内的空间，是包括主、侧链在内的空间排列。大多数蛋白质的三级结构为排列。大多数蛋白质的三级结构为球状或近似球球状或近似球状状。在三级结构中，大多数的亲水的。在三级结构中，大多数的亲水的R R侧基分布侧基分布于球形结构的表面，而疏水的于球形结构的表面，而疏水的R R侧基分布于球形侧基分布于球形结构的内部，形成疏水的核心。结构的内部，形成疏水的核心。 第52页/共70页第53页/共70页第54页/共70页第55页/共70页 三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，三级结构