生物化学与分子生物学学习课件：chapter 1 蛋白质的结构与功能 9-18-2014

1、BIOCHEMSITRY AND MOLECULAR BIOLOGY2014 FALL SEMESTERby Department of Biochemistry and Molecular Biology, School of Basic Medical Scienceshttp:/ 学号要认真核对，密码记住。 重做只能一次，不能反复多次，系统只能在你提交的前2次中选一次好的成绩。 请在规定开放日期内完成测试，超时系统会关闭，再开放时已经是别的章节。 请先看书复习后再测试，否则可能对你的学习帮助不大。 成绩作为平时分占总评的30%。期末考试占总评的70% 。）网上测试系统操作时间表网上测试系

2、统操作时间表序号开放期间开放天数（注）试题名称19/25-295蛋白质结构与功能210/10-145 酶学310/24-285糖代谢411/7-115脂类代谢511/20-245生物氧化611/28-12/25氨基酸代谢712/4-85核酸结构与功能812/11-155核苷酸代谢912/18-225复制1012/19-235转录1112/25-295翻译122013/1/8-125基因表达调控13基因工程（注）开放天数：原则上2-3天工作日，遇上节假日时间不关闭系统Reference Books绪论绪论生物化学生物化学（Biochemistry）在分子水平探讨生命的本质，即研究生物体的分子结构

3、与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用。 生物化学是医学生必修的基础医学课程，为学习其它基础医学和临床医学课程、在分子水平上认识病因和发病机理、诊断和防止疾病奠定扎实的基础。当今生物化学越来越多的成为生命科学的共同语言，它已成为生命科学领域的前沿学科。NanometersMicrometersMillimetersMeters0.1nm1nm10nm100nm1m10m100m1mm10mm100mm1mC-C bondGlucoseHemoglobinMitochondrionBacteriumRed blood cellBumblebeeNewborn humanLevel 4: t

4、he cell and its organellesLevel 3: supramolecular complexesLevel 2: MacromoleculesLevel 1: Monomeric unitsChemical composition of the body 人体的主要化学组成分子分子 Molecule含量含量 （%）水60.0可溶性无机盐0.7不溶性无机盐5.5蛋白质16.0三脂酰甘油（脂肪）13.0膜脂 2.5糖类1.5核酸0.2 PART I: STRUCTURE AND CATALYSIS生物分子的结构与功能Amino Acids, Peptides, and Pro

5、teinsEnzymesCarbohydrates and GlycobiologyNucleotides and Nucleic AcidsLipids PART II: BIOENERGETICS AND METABOLISM 物质和能量代谢Glycolysis,gluconeogenesis, The citric acid cycleFatty acid catabolismAmino acid oxidation and the production of ureaOxidative phosphorylation Lipid biosynthesisBiosynthesis of

6、amino acids, nucleotides and related moleculesHormonal regulation and integration of mammalian metabolism PART III: INFORMATION PATHWAY遗传信息物质和分子生物学Genes and chromosomeRegulation of gene expressionContents18世纪中至世纪中至20世纪初世纪初:主要研究生物体的化学组成主要研究生物体的化学组成脂、糖类和氨基酸的性质脂、糖类和氨基酸的性质核酸的发现核酸的发现酶的发现酶的发现一、一、1919世纪末以前

7、是叙述生物化学阶段世纪末以前是叙述生物化学阶段History of Biochemistry路易斯路易斯巴斯德（巴斯德（Louis Pasteur）首先证明，只有）首先证明，只有活的酵母细胞活的酵母细胞才能进行发才能进行发酵，即蔗糖发酵生成乙醇酵，即蔗糖发酵生成乙醇和二氧化碳。和二氧化碳。爱德华爱德华.布希纳布希纳(Eduavd Buchner)无意之间发现了无意之间发现了酵母提取液酵母提取液的发酵现象的发酵现象生机论1899古代自生论1860s詹姆斯詹姆斯萨姆奈萨姆奈(James B. Sumner)第一个成功地制备第一个成功地制备了尿素酶（了尿素酶（urease）结晶。结晶。1926酶酶的

8、化学本质是蛋白质 20世纪初至中叶世纪初至中叶:营养研究、物质代谢，例如蛋白质生物合成营养研究、物质代谢，例如蛋白质生物合成蛋白质晶体结构解析蛋白质晶体结构解析:X-ray diffraction assay 物质代谢途径的发现：糖代谢的酶促反应过程物质代谢途径的发现：糖代谢的酶促反应过程脂肪酸的脂肪酸的氧化、尿素合成途径和三羧酸循环氧化、尿素合成途径和三羧酸循环二、二、2020世纪上半叶是动态生物化学阶段世纪上半叶是动态生物化学阶段Cori 夫妇发现乳酸夫妇发现乳酸循环循环1930s1940sCori 夫妇发现糖夫妇发现糖原分解过程的关原分解过程的关键分子葡萄糖键分子葡萄糖-1-磷酸磷酸汉斯

9、汉斯克雷勃克雷勃斯斯(Hans A. Krebs)和库尔和库尔特特汉瑟雷特汉瑟雷特(Kurt Henseleit)发发现了尿素循环现了尿素循环(urea cycle)反反应途径应途径Krebs又揭示了三羧酸循环又揭示了三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)机机制制(诺贝尔奖，诺贝尔奖，1953) 。193719321929年年，Cyrus H. Fiske、Yellapragada Subbarow和和Karl Lohman分别发现了腺苷三磷酸分别发现了腺苷三磷酸(ATP)。1941年，师从麦耶霍夫的年，师从麦耶霍夫的Fritz Lipmann(诺贝尔奖，诺贝尔奖，19

10、53)提出生物能过程中的提出生物能过程中的ATP循环学说。循环学说。1948年，年，Eugene Kennedy和和Albert Lehninger证明，证明，催 化 三 羧 酸 循 环 反 应 的 酶 都 分 布 在 线 粒 体催 化 三 羧 酸 循 环 反 应 的 酶 都 分 布 在 线 粒 体(mitochondrion)，线粒体内膜分布有电子传递体，可进，线粒体内膜分布有电子传递体，可进行氧化磷酸化行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)反应。反应。物质代谢与能量代谢偶联分子生物学定义分子生物学定义 从从分子分子水平水平研究生物大分子的结构与功能从研究生物大分

11、子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学而阐明生命现象本质的科学 ，主要指，主要指遗传信息遗传信息的的传递传递（复制）、（复制）、保持保持（损伤和修复）、（损伤和修复）、基因的表基因的表达达（转录和翻译）与（转录和翻译）与调控调控。三、20世纪50年代生物化学发展进入分子生物学时期Linus Pauling（诺贝尔奖，（诺贝尔奖，1954）和）和Robert B. Corey采用采用X射线衍射（射线衍射（X-ray diffraction）技术研究蛋白质结晶，发现了技术研究蛋白质结晶，发现了蛋白质分子的二级结构形式蛋白质分子的二级结构形式-螺旋（螺旋（-helix）1951 Watson 和和

12、Crick提出提出 DNA双螺旋双螺旋模型模型 Double Helix model1953Boyer获得第一获得第一个重组个重组DNA分子分子分子生物学时代19722013运用运用CRISPR/Cas9系统获得基因系统获得基因靶向修饰食蟹靶向修饰食蟹猴猴 第一章： 蛋白质的结构与功能PROTEIN STRUCTURE AND FUNCTION Zengxia LI 李增霞本章主要内容1.1 The Molecular Component of Protein 蛋白质的分子组成 1.2 Hierarchical Structure of Proteins 蛋白质的结构（分四个层次）1.3 Re

13、lationship between Protein Structure and Function 蛋白质的结构与功能的关系1.4 Purifying, Detecting, and Characterizing Proteins 蛋白质的纯化、检测和鉴定蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物蛋白质是生物 体的重要组成成分体的重要组成成分分布分布广广：所有所有器官、组织都含有蛋白质；细胞器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。的各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高：蛋白质是细胞蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人内最丰富的有机分子，占人体干重的体干重的45，某些组

14、织含，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达肌等高达80。2. 蛋白质在生命活动中的重要作用蛋白质在生命活动中的重要作用 （working molecule）蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性 生物催化作用：生物催化作用： 酶酶 运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白 调节作用：如胰岛素、生长激素调节作用：如胰岛素、生长激素 运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子 营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白 结构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白结

15、构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白 能量转换蛋白：如细胞色素能量转换蛋白：如细胞色素 基因调节蛋白：如阻遏蛋白基因调节蛋白：如阻遏蛋白蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性3.氧化供能氧化供能: 在一些特殊情况下，可以通过氨基酸代谢途径在一些特殊情况下，可以通过氨基酸代谢途径进入三羧酸循环进入三羧酸循环 （例如：消耗性疾病）（例如：消耗性疾病） 在安徽阜阳的农村，有一件怪事。从2003年开始，那里的100多名婴儿，陆续患上了一种怪病。本来出生健康的孩子，在喂养期间，开始四肢变的短小，身体瘦弱，尤其是婴儿的脑袋显得偏大。当地人把这些孩子称为“大头娃娃”。组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有主要有C、

16、H、O、N和和S（地球生命主要是碳生（地球生命主要是碳生命，所以碳含量高达命，所以碳含量高达50或以上）或以上） 。 有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量磷磷或金属元素或金属元素铁、铜、锌、铁、铜、锌、锰、钴、钼锰、钴、钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘 。 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含

17、量 ( g % )= 每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16% 蛋白质元素的组成特点蛋白质元素的组成特点将有机化合物与硫酸共热使其中的氮转化为硫酸铵。在这一步中，经常会向混合物中加入硫酸钾来提高中间产物的沸点（从337到373）。样本的分解过程的终点很好判断，因为这时混合物会变得无色且透明（开始时很暗）。在得到的溶液中加入少量氢氧化钠，然后蒸馏。这一步会将铵盐转化成氨。而总氨量（由样本的含氮量直接决定）会由反滴定法确定：冷凝管的末端会浸在硼酸溶液中。氨会和酸反应，而过量的酸则会在甲基橙的指示下用碳酸钠滴定。滴定所得的结果乘以特定的转换因子就可以得到结果。凯式定氮法第一节：氨基

18、酸第一节：氨基酸SECTION 1: AMINO ACID一、组成人体蛋白质的一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于种氨基酸均属于L- -氨基氨基酸酸 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。除了组成蛋白质的20种氨基酸外，体内还存在一些不参与蛋白质组成的氨基酸及其衍生物，如-氨基丁酸（ -aminobutyric acid)为谷氨酸-脱羧的产物，是传递神经冲动的神经递质；瓜氨酸（L-citruline)和鸟氨酸（L-ornithine)是参与鸟氨酸循环的中间物。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC

19、+NH3COO-H非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质可根据侧链结构和理化性质进行分类进行分类甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P

20、6.301. 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸 Nonpolar, aliphatic色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 甲硫氨酸甲硫氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 Polar, unch

21、arged含非极性侧链基团含非极性侧链基团含极性侧链基团含极性侧链基团Ser, S Thr, T Cys, CMet, M Asn, N Gln, QGly, G Ala, A Val, VLeu, L Pro, P Ile, I含芳香基团含芳香基团 Phe, F; Tyr, Y; Trp, W天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593. 酸性氨基酸酸性

22、氨基酸 Negatively charged 4. 碱性氨基酸碱性氨基酸 Postively charged含碱性侧链基团含碱性侧链基团（带正电荷）（带正电荷） 含酸性侧链基团（带负电荷）含酸性侧链基团（带负电荷） Lys, K; Arg, R; His, HAsp, D; Glu, E几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸

23、二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3三、三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质种氨基酸具有共同或特异的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。处溶液的酸碱度。 等电点等电点(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和的溶液中，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，呈电阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈

24、电中性。此时溶液的中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。（一）氨基酸具有两性解离的性质（一）氨基酸具有两性解离的性质pH=pI-H-pHpI+H+-H-+H+pHpHpIpI时，氨基酸带负电荷，在电场中向正极时，氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动移动 当当pHpH GA(Glu) - GT TA(Val) A(Val) 思考题：思考题： 丙氨酸的滴定曲线显示其有两个可解离基团羧基和氨基，其丙氨酸的滴定曲线显示其有两个可解离基团羧基和氨基，其pKa值分别为值分别为2.34和和9.69。二聚，三聚和多聚丙氨酸的滴定。二聚，三聚和多聚丙氨酸的滴定曲线也显示它们有两个可解离

25、基团，它们的曲线也显示它们有两个可解离基团，它们的pKa值如下表所值如下表所示：示：(1)写出写出Ala-Ala-Ala的结构式，并标明其的结构式，并标明其pKa值。值。(2)解释为解释为什么什么pK1的数值随着丙氨酸的聚合度的增加而增加？的数值随着丙氨酸的聚合度的增加而增加？(3) 解释为解释为什么什么pK2的数值随着丙氨酸的聚合度的增加而下的数值随着丙氨酸的聚合度的增加而下降？降？二、蛋白质的二、蛋白质的二级结构二级结构 （Secondary Structure) 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间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结构，即该段肽链主链骨架原

26、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 主要的化学键主要的化学键： 氢键氢键 Secondary structure refers to particularly stable arrangements of amino acid residues giving rise to recurring structural patterns在多肽晶体的在多肽晶体的x- x-射线研究中，鲍林和克里发现，射线研究中，鲍林和克里发现，肽键的长度（肽键的长度（1.32 1.32 ）介于）介于C-NC-N单键（单键（1.49 1.49 ）和）和C=NC

27、=N双键（双键（1.271.27）之间。他们还发现，肽键具有）之间。他们还发现，肽键具有平面性（所有四个原子连接的平面性（所有四个原子连接的C-NC-N小组在同一平小组在同一平面上），而且两个面上），而且两个CC处于反式处于反式CONCN+O-CNCOHC肽键肽键 Peptide BondPeptide Bond（一）肽单元（一）肽单元 Peptide UnitPeptide Unit是一个刚性（是一个刚性（rigidrigid）的平面的平面参与肽键的参与肽键的6 6个原子个原子C C 1 1、C C、O O、N N、H H、C C 2 2位于同一平面，位于同一平面，C C 1 1和和C C

28、2 2在平面上所处的位置为在平面上所处的位置为反式反式(trans)(trans)构型，此同一平面构型，此同一平面上的上的6 6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单肽单元元 ( (peptide unit)peptide unit) 。肽单位平面与二面角肽单位平面与二面角 肽平面（肽平面（peptide planepeptide plane）：）：肽链主链的肽键肽链主链的肽键C-NC-N具具有部分双键的性质，有部分双键的性质， 因而不能自由的旋转，使因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。通

29、常是反平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。通常是反式的。式的。（二）（二）- -螺旋螺旋 (The -helix is a common protein secondary structure )n 是在蛋白中最常见的一种二级结构是在蛋白中最常见的一种二级结构构象，为右手螺旋。构象，为右手螺旋。n 每圈螺旋每圈螺旋3.63.6个氨基酸残基个氨基酸残基, ,螺距为螺距为0.54nm0.54nm，跨越，跨越1313个原子。个原子。n 主链内部形成主链内部形成H-H-键，螺旋的每个肽键，螺旋的每个肽键的键的N-HN-H和氨基端（后面）的第和氨基端（后面）的第4 4个个羰基氧形成羰基氧形成H-H-键，氢

30、键方向与螺旋键，氢键方向与螺旋长轴基本平衡。长轴基本平衡。n 侧链基团侧链基团R R在螺旋外侧。在螺旋外侧。=-57 =-47典型蛋白： 毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白、血凝块中的纤维蛋白（三三） - -折叠折叠 （The conformation organizes polypeptide chains into sheets) - -折叠折叠 ( sheet)的特点的特点n 多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替位于锯齿状结构的上结构，氨基酸残基侧链交替位于锯齿状结构的上下方下方n 两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排

31、列，两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，n 它们之间靠链间肽键（它们之间靠链间肽键（-C=O-C=O）氧与亚氨基（）氧与亚氨基（- -NHNH）氢形成维系）氢形成维系n 平行排列的两条肽链走向（平行排列的两条肽链走向（N-N-端到端到C-C-端的方向）端的方向）可相同，也可相反）可相同，也可相反）n 平行平行 =-119=-119o o =+113=+113o o 反平行反平行 =-139=-139o o =+135=+135o o 典型蛋白： 蚕丝蛋白（四）（四） -转角转角 turns are common in proteins 180180度的转角，常连接度的转角，常连接2 2

32、段相邻的段相邻的 - -折叠片段折叠片段含含4 4个氨基酸残基个氨基酸残基第一个氨基酸残基的肽键（第一个氨基酸残基的肽键（-C=O-C=O）氧和地四个氨基酸残基的）氧和地四个氨基酸残基的NH2NH2形成氢键形成氢键Gly Gly 和和Pro Pro 氨基酸残基氨基酸残基 常见于常见于 - -转角转角 - -转角：转角：（五）模体（五）模体 motif （也叫做超二级结构（也叫做超二级结构 Supersecondary structure)在许多蛋白质分子中，可发现二个或在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空

33、间构象，被称为接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体模体(motif)。是二个或多个二级结构的折叠方式是二个或多个二级结构的折叠方式（folding pattern), folding pattern), 有时是非常简单的结构，有时是非常简单的结构，比如比如 - - - - loop loop ， hairpin hairpin等等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 锌指结构锌指结构 zinc finger motif 由由1 1个个 - -螺旋和螺旋和2 2个反个反平行的平行的 - -折叠共折叠共3 3个肽个肽段组成段组成, ,形似手指形似手指, ,

34、 能够结合锌离子能够结合锌离子 锌指具有结合锌指具有结合DNADNA的的功能功能. .锌指模体结构锌指模体结构锌指模体存在于类固醇激素受体超家族和一些转录因子中，属锌指模体存在于类固醇激素受体超家族和一些转录因子中，属DNADNA结合蛋结合蛋白。锌指模体约由白。锌指模体约由3030个氨基酸残基组成。个氨基酸残基组成。4 4个半胱氨酸残基或个半胱氨酸残基或2 2个半胱氨酸个半胱氨酸残基和残基和2 2个组氨酸残基与个组氨酸残基与1 1个锌离子配价结合。锌指模体的个锌离子配价结合。锌指模体的 - -螺旋部分是与螺旋部分是与DNADNA结合的部位。结合的部位。Zn组氨酸残基半胱氨酸残基-折叠-折叠-螺

35、旋ZnYKCGERSFVEKSALSRHQRVHKNCLZn（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链一段肽链其氨基酸残基的侧链适合适合形成形成 - -螺旋螺旋或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。这是氨基酸残基的侧链的相互作用可稳定这是氨基酸残基的侧链的相互作用可稳定或去稳定相应的二级结构的原因或去稳定相应的二级结构的原因 若一段肽链有若一段肽链有多个酸性氨基酸多个酸性氨基酸残基相邻，则在残基相邻，则在pH7.0时这些残基

36、的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨时这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨碍碍-螺旋的形成。同样，螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基多个碱性氨基酸残基在一在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍-螺旋的形成。螺旋的形成。 天冬酰胺、亮氨酸天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响的侧链很大，也会影响-螺旋形成。螺旋形成。 脯氨酸脯氨酸的结构不利于形成的结构不利于形成- -螺旋。螺旋。 形成形成-折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才能折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才能容许两条肽段彼此靠近。容许两条肽段彼此靠近。三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构 ( Prot

37、ein Tertiary Structure) 整条肽链中整条肽链中全部氨基酸残基全部氨基酸残基的相对空间位置。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。多肽即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构结构（一）（一） 三级结构是指整条多肽链的空间分布三级结构是指整条多肽链的空间分布 肌红蛋白肌红蛋白 (myoglobin,Mb) N 端端 C端端( (二二) ) 维持三级结构稳定主要依靠非共价键维持三级结构稳定主要依靠非共价键 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称非共价键、次级键

38、主要有氢键、 Van der Waals力、疏水作用、和离子键等。非共价键相互作用的物理本质 1.氢键 本质是静电引力，比范德华力键能要强得多。蛋白质中至少50%的内部极性基团参与形成氢键。 2.范德华力 本质是静电引力, 非特异弱相互作用. 取向力 诱导力 色散力 3.离子键 两个带正负相反电荷基团之间的相互作用.作用力比氢键和范德华力要强. 4.疏水相互作用 水分子为减少疏水基团对水分子之间形成的氢键网的破坏作用而将肽链上的疏水基团挤压在一起,避开水相.这种熵驱动力在肽链自发折叠过程中起重要作用.（三）结构域（三）结构域 Domain由由-折叠、折叠、 -螺旋形成的结构域螺旋形成的结构域

39、丙酮酸激酶丙酮酸激酶的一个结构的一个结构域域 免疫球蛋白免疫球蛋白的一个结构的一个结构域域 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域行使其功能，称为结构域(domain) ,它们之间常它们之间常由舒展的肽键连接。由舒展的肽键连接。Domain: 一一个典型的结构域都具有一种特殊的个典型的结构域都具有一种特殊的功能，例如可以结合小分子等功能，例如可以结合小分子等。 结构结构域一般由几个超二级结构单位组域一般由几个超二级结构单位组成的。结构域的大小变化很大，

40、范围成的。结构域的大小变化很大，范围从从2525到到300300个氨基酸残基，平均约为个氨基酸残基，平均约为100100个残基个残基。 右图右图a a为为 迂回含有通过发夹环连接的迂回含有通过发夹环连接的反平行反平行 链。图链。图b b是一种是一种 / / 式的折叠桶式的折叠桶，它是由重复的，它是由重复的单位组成的，折叠单位组成的，折叠桶的核心通常都是疏水结合部位或反桶的核心通常都是疏水结合部位或反应部位。应部位。 迂回迂回 / 折叠桶折叠桶分子伴侣分子伴侣 ChaperonChaperon分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然

41、构象或形成四级结构。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，后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。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正确形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 Chaperonins in protein foldingChaperonins

42、 in protein folding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 亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是疏水作用疏水作用，其次，其次是氢键和离子键。是氢键和离子键。四、蛋白质的四、蛋白质的四级结构四级结构 ( Protein Quaternary Structure)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布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。某些蛋白质分子某些蛋白质分子含有含有二条或多条二条或多条多肽链，多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有完整的

43、三级结构，称为蛋白质的质的亚基亚基 (subunit)。血红蛋白血红蛋白的四级结构的四级结构 由由2个亚基组成个亚基组成的蛋白质四级结构中，的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，若亚基分子结构相同，称 之 为称 之 为 同 二 聚 体同 二 聚 体(homodimer)，若亚基若亚基分子结构不同，则称分子结构不同，则称之 为之 为 异 二 聚 体异 二 聚 体(heterodimer)。 （二）（二）亚基通过亚基间的相互作用联系在一起亚基通过亚基间的相互作用联系在一起（三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质（三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质生物体内许多蛋白质往生物体内许多蛋白质往往由多

44、个亚基组成，亚基之往由多个亚基组成，亚基之间凭借次级键形成蛋白质四间凭借次级键形成蛋白质四级结构。级结构。 胰岛素受体：胰岛素受体：由由4个亚基组成个亚基组成(22) ，亚基与亚基与亚基形成单体亚基形成单体(monomer)，2个个单体形成二聚体单体形成二聚体(dimer)。 目目 录录蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系Structure and Function of Proteins第三节第三节目目 录录（一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础的基础牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶的一级结构的一

45、级结构二二硫硫键键目目 录录 天然状态，天然状态，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状态，无活性非折叠状态，无活性目目 录录（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能高级结构与功能一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。构象以及功能也相似。 目目 录录 氨基酸残基序号氨基酸残基序号 胰岛素胰岛素 A5 A6 A10 B30 人人 Thr Ser Ile Thr 猪猪 Thr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Ala 兔

46、兔 Thr Gly Ile Ser 牛牛 Ala Gly Val Ala 羊羊 Ala Ser Val Ala 马马 Thr Ser Ile Ala目目 录录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。 目目 录录 ( (三三) )氨基酸序列提供重要的生氨基酸序列提供重要的生物化学信息物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素c(cytochrome c)c(cytoc

47、hrome c)，比较它们的一级结构，可以帮助，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。了解物种进化间的关系。 目目 录录从细胞色从细胞色素素c的一级的一级结构看生结构看生物进化物进化物种进化物种进化过程中越过程中越接近的生接近的生物，细胞物，细胞色素的一色素的一级结构越级结构越相似相似目目 录录（四）（四）重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro 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”。目目 录录1. 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 二、蛋白质空间结构表现功能二、蛋白质空间结构表现功能血红素结构血红素结构 ( (一一) )血红蛋白构象改变引起功能变化血红蛋白构象改变引起功能变化目目 录录肌红蛋白肌红蛋白(myoglobin，Mb) 肌红蛋白是一个只有肌