生物学蛋白质结构与功能

生物学蛋白质结构与功能第1页/共65页问题：β折叠两个片断的平行和反平行怎么理解？P210模体是功能域吗？如果是，是结构域构成模体还是模体构成结构域？p222-223分子伴侣？肽链相对分子质量的计算。寡肽氨基酸数。“多肽链从氨基酸末端走向羧基末端”是什么意思？二硫键的形成。超家族、家族、亚家族怎么划分的？肽键的刚性平面怎么理解？二级结构、三、四级结构类型复杂，不好理解？第2页/共65页一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。第3页/共65页二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：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：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。第4页/共65页1）作为生物催化剂（酶，具有高效率的特点）2）代谢调节作用（胰岛素等）3）免疫保护作用（抗体）4）物质的转运（血红蛋白）和存储（卵清蛋白等）5）运动（肌动蛋白）与支持（多蛋白复合体）作用6）参与细胞间信息传递（细胞膜糖蛋白）7）异常功能2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能第5页/共65页多肽和蛋白质

PolypeptidesandProteins第一节第6页/共65页一、多肽和蛋白质是氨基酸的多聚体（一）氨基酸是多肽与蛋白质的基本组成单位氨基酸通过肽键(peptidebond)

相互连接而形成多肽和蛋白质。肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。第7页/共65页+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键第8页/共65页*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……（N肽）*

肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。*由二十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。第9页/共65页氨基末端（aminoterminal）或N末端：多肽链中有自由氨基的一端羧基末端（carboxylterminal）或C末端：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有方向性：*多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。多肽链从氨基末端走向羧基末端。第10页/共65页N末端C末端牛核糖核酸酶第11页/共65页（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)第12页/共65页2.体内有许多激素属寡肽或多肽第13页/共65页3.神经肽是脑内一类重要的肽

在神经传导过程中起重要作用的肽类称为神经肽(neuropeptide)。第14页/共65页组成蛋白质的元素：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

。二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂第15页/共65页

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，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量：（排除非蛋白质N的影响）100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%蛋白质元素组成的特点：第16页/共65页(一)蛋白质根据分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋白质两类根据蛋白质组成成分，可分为：单纯蛋白质（simpleprotein）缀合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分（conjugatedprotein）（辅基）（prostheticgroup）第17页/共65页分类辅基举例脂蛋白脂类血浆脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等）糖蛋白糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等核蛋白核酸核糖体磷蛋白磷酸基团酪蛋白（casein）血红素蛋白血红素（铁卟啉）血红蛋白、细胞色素c黄素蛋白黄素核苷酸（FAD、FMN）琥珀酸脱氢酶金属蛋白铁铁蛋白锌乙醇脱氢酶钙钙调蛋白锰丙酮酸羧化酶铜细胞色素氧化酶缀合蛋白质及其辅基第18页/共65页根据蛋白质形状，可分为：纤维状蛋白质球状蛋白质根据蛋白质结构与功能的关系，可分为：超家族（superfamily）家族（family）亚家族（subfamily）形状决定性质膜蛋白？第19页/共65页(二)蛋白质分子结构可区分为4个层次高级结构或空间构象(conformation)一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)构象？第20页/共65页三、氨基酸残基的排列顺序决定蛋白质的一级结构肽键（主要化学键）二硫键蛋白质一级结构(primarystructure)是指蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序。形成一级结构的化学键：第21页/共65页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。目录胰岛素空间结构第22页/共65页四、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质的二级结构蛋白质二级结构(secondarystructure)是指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间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。第23页/共65页

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

蛋白质二级结构的主要形式：维系二级结构的主要化学键：

氢键第24页/共65页（一）肽键是一个刚性的平面参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元

(peptideunit)

。第25页/共65页肽键一分子氨基酸的α－羧基和一分子氨基酸的α－氨基脱水缩合形成的酰胺键，即-CO-NH-。氨基酸借肽键联结成多肽链。是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面，则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。第26页/共65页第27页/共65页（二）-螺旋是常见的蛋白质二级结构第28页/共65页α-螺旋连续排列的酰胺平面旋转形成面螺旋右手螺旋酰胺平面与螺旋的长轴平行一个AA0.15nm,每3.6个为一圈(0.54nm)螺旋借助相邻两圈之-NH---CO-稳定AA的侧链伸向螺旋外侧AA的大小和电荷可以影响螺旋的形成第29页/共65页（三）-折叠使多肽链形成片层结构第30页/共65页β-折叠较为伸展,酰胺平面以锯齿状排列两个片段可以是平行或反平行AA间距平行0.65nm

反平行0.67nm只有片段间氢键,无片段内氢键AA的侧链伸向锯齿状结构的外侧小侧链的AA有利于β-折叠的生成第31页/共65页反平行β折叠平行β折叠第32页/共65页（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

第33页/共65页⑴主链骨架本身以大约180°回折；

⑵回折部分通常由4个氨基酸残基构成；

⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。第34页/共65页（五）模体是蛋白质的超二级结构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，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，并发挥专一的功能

，被称为模体(motif)。超二级结构：2个或2个以上二级结构组合，

αα，βαβ，ββ第35页/共65页模体(motif)：数个至数十个AA组成的具有自身相对独立构象和功能的小区域，模体可构成结构域，也可独立存在。第36页/共65页DNA结合蛋白中的锌指模体（αββ组合）

钙调素中的EF手型模体（αα-螺旋组合）

第37页/共65页转录因子MyoD的螺旋-环-螺旋模体

DNA结合蛋白中的同源异型模体

第38页/共65页模体与功能相同的模体表现出相同的功能，因此，不同蛋白质只要有部分相似功能就可能具有相似的模体。具有不同功能的蛋白质其模体不同，即使是同一类蛋白质也表现出不同的性质。第39页/共65页（六）氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成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适合形成-螺旋或β-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或去稳定相应的二级结构的原因。第40页/共65页一段肽链有多个酸性氨基酸残基相邻，则在pH7.0时这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨碍α-螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍α-螺旋的形成。天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响α-螺旋形成。脯氨酸的结构不利于形成α-螺旋。形成β-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。第41页/共65页五、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构蛋白质的三级结构(tertiarystructure)是指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。（一）三级结构是指整条多肽链的空间分布第42页/共65页

肌红蛋白(Mb)的三级结构N端C端153AA1Heme（亚铁血红素）A~H八段α-螺旋无-S-S-键功能：储存O2第43页/共65页第44页/共65页(二)

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，主要有氢键、VanderWaals力、疏水作用、和离子键等。第45页/共65页第46页/共65页纤连蛋白分子的结构域（三）三级结构可含有功能各异的结构域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，各行使其功能，称为结构域(domain)

。第47页/共65页(四)根据结构域可对蛋白质进行分类根据结构域可将球状蛋白质分为4类：反平行α螺旋结构域（全α-结构）平行或混合型β折叠片结构域（α，β-结构）反平行β折叠片结构域(全β-结构)富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白质结构）第48页/共65页A.全α-结构域B.平行或混合型β折叠片结构域C.全β-结构域D.富含二硫键结构域第49页/共65页催化结构域：功能相近者相似调节结构域：调节因子不同，故相似者甚少。结构域的存在可很好解释多功能酶的作用机制。不同酶分子上存在着不同的结构域，故功能不同。相同的结构域存在于不同酶分子上，可推测其具有部分相同功能。结构域与功能第50页/共65页蛋白激酶

PKAPKGPKCEGFR

肌球蛋白同源性轻链激酶催化亚基C侧催化域N侧催化域+调节亚基N侧调节域C侧调节域

ATP结合区段，Asp-Phe-Gly催化位点，蛋白质底物结合位点第51页/共65页第52页/共65页第53页/共65页结构域与功能功能相近者具有相似的结构域不同结构域具有不同功能多功能要求多结构域第54页/共65页（五）分子伴侣参与蛋白质的折叠分子伴侣(chaperone)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。*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，再诱导其正确折叠。*分子伴侣对于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。第55页/共65页伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用第56页/共65页亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。六、某些蛋白质具有四级结构形式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，称为蛋白质的四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。（一）四级结构是指亚基的空间分布第57页/共65页血红蛋白的四级结构（二）亚基通过亚基间的相互作用联系在一起由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。第58页/共65页第59页/共65页（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往由多个亚基组成，亚基之间凭借次级键形成蛋白质四级结构。

胰岛素受体：由4个亚基组成(α2β2)，α亚基与β亚基形成单体(monomer)，2个单体形成二聚体(dimer)。

第60页/共65页血红蛋白的一、二、三、四级结构第61页/共65页肽键数=脱去水分子数肽链数+肽键数=氨基酸数80个氨基酸构成的一条肽链,形成80-1=79个肽键,脱去79个水所以该蛋白质相对分子质量=氨基酸×80-水×7920种氨基酸平均相对分子质量是128,水相对分子质量为18.带进去蛋白质相对分子质量=128×80-18×79=8818第62页/共65页二硫键disulfidebond又称S－S是2个SH基被氧化而形成的—S—S—形式的硫原子间的键。在生物化学的领域中，通常系指在肽和蛋白质分子中的半胱氨酸残基中的键。此键在蛋白质分子的立体结构形成上起着一定的重要作用。为了确定蛋白质的一级结构，首先必须将二硫键打开，使成为线状多肽链。为此，需要在2-巯-乙醇、二硫苏糖类、巯基乙酸等的硫化合物与尿素那样的变性剂同时