细胞生物学部分第三章

1、1第三章第三章蛋白质的化学特性、结构和功能蛋白质的化学特性、结构和功能2一、二级结构一、二级结构secondary structure ： 蛋白质分子中某一段肽段的局部空间结构，也蛋白质分子中某一段肽段的局部空间结构，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置，不就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。涉及氨基酸残基侧链的构象。主要形式主要形式:螺旋、螺旋、折叠、折叠、转角、无规卷曲转角、无规卷曲主要化学键：氢键主要化学键：氢键 第一节第一节 蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构（构象（构象conformationconformation）3右手螺旋右手螺旋每圈包含每圈包含3

2、.63.6个氨基酸个氨基酸螺距螺距0.54nm,0.54nm,直径直径0.23nm0.23nm相邻螺旋之间，由第相邻螺旋之间，由第1 1个氨基酸肽键上个氨基酸肽键上COCO与第与第4 4个氨基酸肽键上个氨基酸肽键上NHNH形成氢键。形成氢键。Linus Pauling （一）（一）-螺旋（螺旋（-helix-helix）45氢键方向与螺旋纵轴平行，链内氢键是氢键方向与螺旋纵轴平行，链内氢键是螺旋稳定的主要因素螺旋稳定的主要因素侧链基团位于螺旋外，不参与侧链基团位于螺旋外，不参与- -螺旋螺旋的组成，但对螺旋的形成与稳定有影响的组成，但对螺旋的形成与稳定有影响 螺旋稳定蛋白质空间构象螺旋稳定蛋白

3、质空间构象（一）（一） - -螺旋螺旋(- helix)(- helix)：67肽键平面之间折叠成锯齿状，相邻两平面呈肽键平面之间折叠成锯齿状，相邻两平面呈110110度度氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方结构的维系依靠肽链间的氢键，氢键的方向与肽结构的维系依靠肽链间的氢键，氢键的方向与肽链长轴垂直链长轴垂直肽链的肽链的N N末端在同一侧末端在同一侧-顺向平行，反之为反向顺向平行，反之为反向平行。平行。（二）（二） - -片层片层(-pleated sheet structure) (-pleated sheet structure) 8fra

4、gmentHydrogenbondfragment910肽链出现肽链出现180180转回折的有规律转回折的有规律“U U”结构结构由第由第1 1个氨基酸残基的个氨基酸残基的C=OC=O与第与第4 4个氨基酸残基个氨基酸残基的的N-HN-H形成氢键，中间包括形成氢键，中间包括10101212个原子，较个原子，较螺旋紧密螺旋紧密第二个残基常为第二个残基常为ProPro常位于球蛋白分子表面，为蛋白质活性的重常位于球蛋白分子表面，为蛋白质活性的重要空间结构部分要空间结构部分( (三）三） - -转角转角(-turn)(-turn)111213u各种蛋白质分子中没有确定规律性的肽链各种蛋白质分子中没有确

5、定规律性的肽链空间结构，它是蛋白质分子中一系列无序空间结构，它是蛋白质分子中一系列无序构象的总称。构象的总称。u也是各种蛋白质分子中的特征性二级结构。也是各种蛋白质分子中的特征性二级结构。（四）无规卷曲（四）无规卷曲（random coilrandom coil）14（五）超二级结构（五）超二级结构(supersecondary structure)(supersecondary structure)15细胞色素细胞色素C的的结构结构 细胞核抗原的细胞核抗原的结构结构 纤溶酶原的纤溶酶原的结构结构 模体（模体（motifmotif） 蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功蛋白质分子中具有特定空间

6、构象和特定功能的结构成分。其中一类就是具有特殊功能的结构成分。其中一类就是具有特殊功能的超二级结构。一个模体总有其特征性能的超二级结构。一个模体总有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。 模体可仅由几个氨基酸残基组成。模体可仅由几个氨基酸残基组成。1617钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结合钙离子的模体合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 -螺旋螺旋 折叠折叠模体是具有特殊功能的超二级结构模体是具有特殊功能的超二级结构18整条多肽链中所有氨基酸残基的相对空间位置，也就整条多肽链中所有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。是整条肽链所有原子

7、在三维空间的排布位置。*特点：特点： a.仅一条多肽链的蛋白质，三级结构是其最高空间仅一条多肽链的蛋白质，三级结构是其最高空间 结构，具有活性结构，具有活性 b.形成亲水表面及疏水内核形成亲水表面及疏水内核*主要化学键：疏水键主要化学键：疏水键二、三级结构二、三级结构 （tertiary structure tertiary structure ）19肌红蛋白肌红蛋白Myoglobin20u分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域。稳定的区域，并各行其功能，称为结构域。u一般由一般由100100200200

8、个连续氨基酸残基组成。个连续氨基酸残基组成。u若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本不改解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本不改变，并保持其功能。超二级结构无此特性。变，并保持其功能。超二级结构无此特性。u是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构，是三级结构层次上的独立功能区。间结构，是三级结构层次上的独立功能区。u并非所有蛋白质的结构域都明显可分并非所有蛋白质的结构域都明显可分结构域（结构域（domaindomain）2122* *分

9、子伴侣参与蛋白质的折叠分子伴侣参与蛋白质的折叠分子伴侣分子伴侣(chaperone)(chaperone)通过提供一个保护环境从通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。链正确折叠。 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，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。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

10、键的正确形分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。成起了重要的作用。 23伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用 24 蛋白质中各个亚基的空间排布及亚基接触部位蛋白质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。的布局和相互作用。亚基（亚基（subunitsubunit） 在蛋白质的四级结构中，每个各具独立三级在蛋白质的四级结构中，每个各具独立三级结构的多肽链称为亚基。亚基单独存在不具有结构的多肽链称为亚基。亚基单独存在不具有生物活性。生物活性。三、四级结构（三、四级结构（quaternary structure quaternary struct

11、ure ）25特点：特点： 在具有四级结构蛋白质中，亚基单独在具有四级结构蛋白质中，亚基单独存在无活性存在无活性 不是所有的蛋白质都具有四级结构，不是所有的蛋白质都具有四级结构，有些蛋白质只有三级结构也有生物活性有些蛋白质只有三级结构也有生物活性 亚基间以次级键相连（盐键为主）亚基间以次级键相连（盐键为主） 肽链间如以共价键（二硫键）相连，肽链间如以共价键（二硫键）相连，则不属于四级结构则不属于四级结构NH3 COO 2 NH3 COO 2 COO NH3 1COO NH3 1Asp HisArg Asp LysLys Asp ArgHis Asp94 146141 126 4040 126

12、141146 94血红蛋白四级结构中的盐键血红蛋白四级结构中的盐键血红蛋白四级结构示意图血红蛋白四级结构示意图2728 一级：肽键、二硫键一级：肽键、二硫键 二级：氢键二级：氢键 三级：疏水键、氢键、盐键三级：疏水键、氢键、盐键 四级：盐键四级：盐键 四、维系蛋白质空间结构的非共价键四、维系蛋白质空间结构的非共价键2930* *二硫键（二硫键（disulfide bonddisulfide bond）31第二节第二节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 DNA DNA的碱基排列顺序的碱基排列顺序 蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序 蛋白质的空间构象蛋白质的空

13、间构象蛋白质的功能蛋白质的功能 * *一级结构是基础，高级结构是关键一级结构是基础，高级结构是关键321、关键位置氨基酸残基改变影响生理功能、关键位置氨基酸残基改变影响生理功能 E.g.镰刀状红细胞性贫血镰刀状红细胞性贫血 HbA Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys HbS Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys 6分子病分子病molecular diseaseDNA分子上基因结构的改变，使其编码相应蛋白质分子上基因结构的改变，使其编码相应蛋白质一级结构改变，从而引起其功能的异常或丧失所造一级结构改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的遗传性

14、疾病。成的遗传性疾病。一、蛋白质一级结构和功能的关系一、蛋白质一级结构和功能的关系3334一些临床上的分子病及其相应的蛋白质分子异常一些临床上的分子病及其相应的蛋白质分子异常 分子病分子病 相应蛋白质分子的异常或缺失相应蛋白质分子的异常或缺失镰状细胞贫血镰状细胞贫血 血红蛋白血红蛋白家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症 低密度脂蛋白受体低密度脂蛋白受体原发性痛风病原发性痛风病 磷酸核糖焦磷酸酶磷酸核糖焦磷酸酶白化病白化病 酪氨酸酶酪氨酸酶血友病血友病A与与B 凝血因子凝血因子与与重度联合免疫缺陷症重度联合免疫缺陷症(SCID) 腺苷脱氨酶腺苷脱氨酶苯丙酮酸尿症苯丙酮酸尿症 苯丙氨酸羟化酶苯丙氨

15、酸羟化酶蚕豆病蚕豆病 6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶顽固性佝偻病顽固性佝偻病 25-羟维生素羟维生素D31-羟化酶羟化酶Lesch-Nyhan(自毁脸容自毁脸容) 次黄嘌呤次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸鸟嘌呤磷酸综合征综合征 核糖转移酶核糖转移酶 352.2.非关键部位氨基酸残基改变不影响生理活性非关键部位氨基酸残基改变不影响生理活性 * *各种胰岛素各种胰岛素A8A8A9A9 A10 A10A30A30人人苏苏丝丝异亮异亮 苏苏牛牛丙丙丝丝 缬缬 丙丙猪猪丙丙丝丝异亮异亮 丙丙羊羊丙丙甘甘 缬缬 丙丙36促肾上腺皮质激素促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素和促黑激素(-MSH, -MSH)共有

16、一段相同的氨基酸序列，因此，共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也也可促进皮下黑色素生成但作用较弱。可促进皮下黑色素生成但作用较弱。 373.氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素色素c(cytochrome c)c(cytochrome c)，比较它们的一级结，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。构，可以帮助了解物种进化间的关系。 38从细胞色素从细胞色素c的一的一级结构看生物进化级结构看生物进化物种进化过程中越物种进化过程中越接近的生物，细胞色接近的生物，细胞色素的一级结构越相似素的一级结构越相似39二、蛋

17、白质空间结构和功能的关系二、蛋白质空间结构和功能的关系40241* *特点：特点： 1) 1)只有具有四级结构的蛋白质有此性质只有具有四级结构的蛋白质有此性质 2) 2)变构剂多为生理小分子，如变构剂多为生理小分子，如O2O2、ATPATP 3) 3)变构剂与活性中心外的某一部位结合变构剂与活性中心外的某一部位结合 4) 4)构象轻微改变，活性增高或降低构象轻微改变，活性增高或降低 2.2.别构效应（别构效应（allosteric effect)allosteric effect)4243O2血红素与氧结合后，血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔能进入卟啉环

18、的小孔中，继而引起肽链位中，继而引起肽链位置的变动。置的变动。44血红蛋白运氧中血红蛋白运氧中 的别构作用的别构作用4546473.蛋白质构象改变可导致构象病蛋白质构象改变可导致构象病蛋白质构象疾病：蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。其功能，严重时可导致疾病发生。48蛋白质构象改变导致疾病的机制：有些蛋白质错蛋白质构象改变导致疾病的机制：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的

19、淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。49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全在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为为-折叠的折叠的PrPsc，从而致病。，

20、从而致病。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病疯牛病疯牛病50 NH3+ NH3+ NH2 NH3+ NH3+ NH2 COOH COO- COO- COOH COO- COO- 阳离子阳离子 兼性离子兼性离子 阴离子阴离子 （pHPI)pHPI) P P PP P P 第三节第三节 蛋白质的理化特性蛋白质的理化特性一、蛋白质的两性解离一、蛋白质的两性解离1.+H+H+H+H+ +OH+OH+OH+OH512、蛋白质的等电点：分子呈电中性时溶液的、蛋白质的等电点：分子呈电中性时溶液的pH值值3、蛋白质所带电荷受环境、蛋白质所带电荷受环境pH的影响的影响 pH PI 阴离子阴离子 pH = PI 电中性电中性 52 血清蛋白电泳图谱血清蛋白电泳图谱_+ 2 1 53二、蛋白质的高分子特性二、蛋白质的高分子特性 1.亲水胶体溶液稳定性决定因素：亲水胶体溶液稳定性决定因素： 水化层水化层 电荷电荷 2.透析透析 3.超速离心超速离心MW 1万百万万百万分子大小分子大小 1100nm54+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碱碱酸酸碱碱脱水