分子 细胞与组织教学-生物大分子蛋白质的化学特性结构与功能ppt课件

1、生物大分子蛋白质的化学生物大分子蛋白质的化学特性、构造与功能特性、构造与功能第三章第三章蔡蓉蔡蓉, M.D. & Ph.D生物化学与分子细胞生物学系生物化学与分子细胞生物学系主要内容主要内容 蛋白质的空间构造蛋白质的空间构造 蛋白质空间构造和功能的关系蛋白质空间构造和功能的关系 蛋白质的重要理化性质蛋白质的重要理化性质4 Levels of Protein Structure蛋白质的空间构造蛋白质的空间构造 第一节第一节一、蛋白质的二级构造一、蛋白质的二级构造蛋白质分子中某一段肽链的部分空间蛋白质分子中某一段肽链的部分空间构造，即该段肽链主链骨架原子的相

2、对空构造，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。定义定义: : 主要的化学键：氢键主要的化学键：氢键 n所谓肽链主链骨架原子即所谓肽链主链骨架原子即N氨基氮、氨基氮、 C-碳原子和碳原子和Co羰基碳羰基碳3个原子个原子依次反复陈列。依次反复陈列。 蛋白质二级构造蛋白质二级构造一一-螺旋螺旋G蛋白偶联受体蛋白偶联受体莱纳斯莱纳斯卡尔卡尔鲍林鲍林莱纳斯莱纳斯卡尔卡尔鲍林鲍林Linus Carl Pauling，1901.2.28-1994.8.19.，美国著名化学家、量子化学和构造生，美国著名化学家、量子化学和构造生物学的先驱者之

3、一。物学的先驱者之一。1954年因在化学键方面的任务年因在化学键方面的任务获得诺贝尔化学奖，获得诺贝尔化学奖，1962年因反对核弹在地面测试年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖。的行动获得诺贝尔和平奖。鲍林在生物大分子领域最初的任务是对血红蛋白构造鲍林在生物大分子领域最初的任务是对血红蛋白构造确实定。鲍林首先将确实定。鲍林首先将x-射线衍射晶体构造测试的方法射线衍射晶体构造测试的方法引入到蛋白质构造测定中来。结合血红蛋白的晶体衍引入到蛋白质构造测定中来。结合血红蛋白的晶体衍射图谱，鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋射图谱，鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形陈列的，这就是最早的

4、形陈列的，这就是最早的 螺旋构造模型。有科学史螺旋构造模型。有科学史学者以为沃森和克里克提出的学者以为沃森和克里克提出的DNA双螺旋构造模型就双螺旋构造模型就是遭到了鲍林的影响。是遭到了鲍林的影响。1951年鲍林结合他在血红蛋白年鲍林结合他在血红蛋白进展的实验研讨，以及对肽链和肽平面化学构造的实进展的实验研讨，以及对肽链和肽平面化学构造的实际研讨，提出了际研讨，提出了螺旋和螺旋和折叠是蛋白质二级构造的根折叠是蛋白质二级构造的根本构建单元的实际。这一实际成为本构建单元的实际。这一实际成为20世纪生物化学假世纪生物化学假设干根本实际之一，影响深远。设干根本实际之一，影响深远。肌红蛋白的三维空间构造

5、肌红蛋白的三维空间构造三三-折叠折叠三三-转角和无规卷曲在蛋白质分子转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在中普遍存在 - -转角转角无规卷曲是用来论述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来论述没有确定规律性的那部分肽链构造。分肽链构造。四四五超二级构造和模体五超二级构造和模体在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级构造的肽段，在空间上相互接近，构成一有二级构造的肽段，在空间上相互接近，构成一个有规那么的二级构造组合，被称为超二级构造。个有规那么的二级构造组合，被称为超二级构造。二级构造组合方式有二级构造组合方式有3种：种：， 。二个或三个具有二级构造的肽段，

6、在空间二个或三个具有二级构造的肽段，在空间上相互接近，构成一个特殊的空间构象，称为上相互接近，构成一个特殊的空间构象，称为模体模体(motif) 。模体是具有特殊功能的超二级构造。模体是具有特殊功能的超二级构造。钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指构造锌指构造-螺旋螺旋-转角或转角或环环-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角-链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角-链模体链模体模体常见的方式模体常见的方式二、蛋白质的三级构造二、蛋白质的三级构造疏水键、离子键、氢键和范德华力等。疏水键、离子键、氢键和范德华力等。n主要的化学键主要的化学键: :整条肽链中全部氨基酸残基的

7、相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中一切原子在三维空间的排布位置。即肽链中一切原子在三维空间的排布位置。n定义定义: :一三级构造是指整条肽链中全部氨基酸一三级构造是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置残基的相对空间位置Water-Soluble Globular Proteins 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端构造域是三级构造层次上的独立功能区构造域是三级构造层次上的独立功能区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个构造较分子量较大的蛋白质常可折叠成多个构造较为严密且稳定的区域，并各行其功能，称为构造为严密且稳定的区域，并各行其功能，称为构造域域 (dom

8、ain) 。 大多数构造域含有序列上延续的大多数构造域含有序列上延续的100至至200个氨基酸残个氨基酸残基，假设用限制性蛋白酶水解，含多个构造域的蛋白基，假设用限制性蛋白酶水解，含多个构造域的蛋白质常分解出独立的构造域，而各构造域的构象可以根质常分解出独立的构造域，而各构造域的构象可以根本不改动，并坚持其功能。本不改动，并坚持其功能。 超二级构造那么不具备这种特点。超二级构造那么不具备这种特点。 因此，构造域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，因此，构造域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间构造。有较为独立的三维空间构造。 蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象蛋白质的多肽

9、链须折叠成正确的空间构象分子伴侣分子伴侣(chaperon)经过提供一个维护环境从而经过提供一个维护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或构成四级构造。加速蛋白质折叠成天然构象或构成四级构造。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此反复进展可防止错误的聚集发生，后松开，如此反复进展可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。使肽链正确折叠。 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。后，再诱导其正确折叠。 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的

10、正确构成起了重要的作用。构成起了重要的作用。 亚基之间的结合主要是氢键和离子键。亚基之间的结合主要是氢键和离子键。三、蛋白质的四级构造三、蛋白质的四级构造蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的规划和相互作用，称为蛋白质的四级触部位的规划和相互作用，称为蛋白质的四级构造。构造。许多功能性蛋白质分子含有许多功能性蛋白质分子含有2条或条或2条以上条以上多肽链。每一条多肽链都有完好的三级构造，多肽链。每一条多肽链都有完好的三级构造，称为蛋白质的亚基称为蛋白质的亚基 (subunit)。Quaternary Structure血红蛋白血红蛋白(hemoglobi

11、n，Hb)四、维系蛋白质空间构造的非共价键四、维系蛋白质空间构造的非共价键 二级构造：氢键二级构造：氢键 三级构造：疏水键三级构造：疏水键 四级构造：盐键四级构造：盐键五、二硫键五、二硫键蛋白质构造与功能的关系蛋白质构造与功能的关系第二节第二节一一级构造是空间构象的根底一一级构造是空间构象的根底一、蛋白质分子一级构造和功能一、蛋白质分子一级构造和功能的关系的关系牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级构造一级构造二二硫硫键键 天然形状，天然形状，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠形状，无活性非折叠形状，无活性二一级构造类似的蛋白质具有类

12、似的高级二一级构造类似的蛋白质具有类似的高级构造与功能构造与功能一级构造类似的多肽或蛋白质，其空间构象一级构造类似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也类似。以及功能也类似。 氨基酸残基序号氨基酸残基序号 胰岛素胰岛素 A5 A6 A10 A30 A5 A6 A10 A30 人人 Thr Ser Ile Thr Thr Ser Ile Thr 猪猪 Thr Ser Ile Ala Thr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Ala Thr Ser Ile Ala 兔兔 Thr Gly Ile Ser Thr Gly Ile Ser 牛牛 Ala Gly Val Ala Ala

13、Gly Val Ala 羊羊 Ala Ser Val Ala Ala Ser Val Ala 马马 Thr Ser Ile Ala Thr Ser Ile Ala三氨基酸序列提供重要的生物进化信息三氨基酸序列提供重要的生物进化信息一些广泛存在于生一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色物界的蛋白质如细胞色素素(cytochrome C)，比，比较它们的一级构造，可较它们的一级构造，可以协助了解物种进化间以协助了解物种进化间的关系。的关系。 四重要蛋白质的氨基酸序列改动可引起疾病四重要蛋白质的氨基酸序列改动可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro

14、glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病。分子病。n肌红蛋白肌红蛋白/ /血红蛋白血红蛋白含有血红素辅基含有血红素辅基血红素构造血红素构造 二、蛋白质分子空间构造和功能的关系二、蛋白质分子空间构造和功能的关系一血红蛋白亚基与肌红蛋白构造类似一血红蛋白亚基与肌红蛋白构造类似n肌红蛋白肌红蛋白(myoglobin，Mb) 肌红蛋白是一个只需三级肌红蛋白是一个只需三级构造的单链蛋白质，有构造的单链蛋白质，有8段段-

15、螺螺旋构造。旋构造。血红素分子中的两个丙酸血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键方式与肽链中的侧链以离子键方式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的荷相连，加之肽链中的F8组氨组氨酸残基还与酸残基还与Fe2+构成配位结合，构成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。稳定结合。 血红蛋白血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有血红蛋白具有4个亚个亚基组成的四级构造，每基组成的四级构造，每个亚基可结合个亚基可结合1个血红素个血红素并携带并携带1分子氧。分子氧。Hb亚基之间经过亚基之间经过8对盐键，使对盐键，使4个亚基

16、严密个亚基严密结合而构成亲水的球状结合而构成亲水的球状蛋白。蛋白。 脱氧脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键亚基间和亚基内的盐键 Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与O2结合后称为氧合结合后称为氧合Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分的百分数称百分饱和度随数称百分饱和度随O2浓度变化而改动。浓度变化而改动。二血红蛋白亚基构象变化可影响亚基二血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合与氧结合肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线协同效应协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其

17、配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合才干的景象，称为协同效应。合才干的景象，称为协同效应。 假设是促进作用那么称为正协同效应假设是促进作用那么称为正协同效应 (positive cooperativity)假设是抑制造用那么称为负协同效应假设是抑制造用那么称为负协同效应(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。入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。别构效应别构效应(allosteric effect)蛋白质空间构

18、造的改动伴随其功蛋白质空间构造的改动伴随其功能的变化，称为别构效应。能的变化，称为别构效应。三蛋白质构象改动可引起疾病三蛋白质构象改动可引起疾病蛋白质构象疾病：假设蛋白质的折叠发蛋白质构象疾病：假设蛋白质的折叠发生错误，虽然其一级构造不变，但蛋白质的生错误，虽然其一级构造不变，但蛋白质的构象发生改动，仍可影响其功能，严重时可构象发生改动，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。导致疾病发生。蛋白质构象改动导致疾病的机理：有些蛋蛋白质构象改动导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常构成抗蛋白水解白质错误折叠后相互聚集，常构成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现酶的淀粉样纤维沉

19、淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改动。为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改动。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病是由朊病毒蛋白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。引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为全为-折叠的折叠的PrPsc，从而致病。，从而致病。疯牛病中的蛋白质构象改动疯牛病中的

20、蛋白质构象改动第三节第三节蛋白质的重要理化性质蛋白质的重要理化性质一、大分子亲水胶体性质一、大分子亲水胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。为胶粒范围之内。 颗粒外表电荷颗粒外表电荷 水化膜水化膜n蛋白质胶体稳定的要素蛋白质胶体稳定的要素:+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸

21、碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉二、两性解离与等电点二、两性解离与等电点蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成时，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，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。称为蛋

22、白质的等电点。n蛋白质的等电点蛋白质的等电点( isoelectric point, pI)三、紫外吸收特征与蛋白质定量分析三、紫外吸收特征与蛋白质定量分析由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm波优点有特征性吸收波优点有特征性吸收峰。蛋白质的峰。蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。可作蛋白质定量测定。蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反响。三酮反响。 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共

23、热，呈现紫色或红色，此反响称为双硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反响称为双缩脲反响，双缩脲反响可用来检测蛋白质水解缩脲反响，双缩脲反响可用来检测蛋白质水解程度。程度。运用蛋白质呈色反响可测定蛋白质溶液运用蛋白质呈色反响可测定蛋白质溶液含量含量 茚三酮反响茚三酮反响(ninhydrin reaction)双缩脲反响双缩脲反响(biuret reaction)四、蛋白质的变性四、蛋白质的变性在某些物理和化学要素作用下，其特定的在某些物理和化学要素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间构造变成无空间构象被破坏，也即有序的空间构造变成无序的空间构造，从而导致其理化性质改动和生序的空间构造，从而导

24、致其理化性质改动和生物活性的丧失。物活性的丧失。n蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)n呵斥变性的要素呵斥变性的要素: :n如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等属离子及生物碱试剂等 。 n变性的本质变性的本质: :破坏非共价键和二硫键，不改动蛋白破坏非共价键和二硫键，不改动蛋白质的一级构造。质的一级构造。n 运用举例运用举例: :n临床医学上，变性要素常被运用来消毒及灭菌。临床医学上，变性要素常被运用来消毒及灭菌。n此外此外, , 防止蛋白量变性也是有效保管蛋白质制防止蛋白量变性也是有效保管蛋白质制剂如疫苗等的必要

25、条件。剂如疫苗等的必要条件。 假设蛋白量变性程度较轻，去除变性要假设蛋白量变性程度较轻，去除变性要素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性构象和功能，称为复性(renaturation) 。 天然形状，天然形状，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠形状，无活性非折叠形状，无活性在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因此从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因此从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉变性

26、的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。淀，但并不变性。 蛋白量变性后的絮状物加热可变成比较巩固蛋白量变性后的絮状物加热可变成比较巩固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。 n蛋白质沉淀蛋白质沉淀n蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation)SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。子量的测定。等电聚焦电泳，经过蛋白质等电点的差别而分等电聚焦电泳，经过蛋白质等电点的差别而分别蛋白质的电泳方法。别蛋白质的电泳方法。双向凝胶电泳是蛋白质组学研讨的重要技术。双向凝胶电泳是蛋白质组学研讨的重要技术。n几种重要的蛋白质电泳几种重要的蛋白质电泳: :一、掌握一、掌握 1. 蛋白质的构造与功能：蛋白质的构造与功能：1) 二级构造的概念和各种二级构造根本单元的特征二级构造的概念和各种二级