生物大分子的结构与功能培训课件

生物大分子的结构与功能学习“生物大分子的结构与功能”的关键点结构特性重要功能基本的理化性质与应用2生物大分子的结构与功能1、蛋白质是生命活动的基本物质基础分布广：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：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％；占细胞干重的70%。概述蛋白质在生命活动中的重要性第一章蛋白质的结构与功能3生物大分子的结构与功能2、蛋白质的重要生物学功能3、氧化供能1）生物催化剂：酶2）代谢调节作用：激素，受体，G蛋白，等3）防御作用：免疫球蛋白，等4）物质转运：血红蛋白，等5）运动与支持：肌动蛋白，等6）营养和存储：酪蛋白，卵清蛋白，等7）结构蛋白：胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白，等4生物大分子的结构与功能元素组成：C50-55％H6-7％O19-24％N13-19％S0-4％其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等第一节蛋白质的分子组成5生物大分子的结构与功能

其中N的平均含量％＝16％蛋白质含量＝样品含氮量/16％＝样品含氮量×6.25凯氏定氮法测定蛋白质含量的理论依据6生物大分子的结构与功能一、蛋白质的基本结构单位——氨基酸(aminoacids)存在于自然界中的氨基酸有300多种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。蛋白质肽氨基酸水解水解酸/碱/酶7生物大分子的结构与功能氢原子氨基羧基侧链基团α-碳原子氨基酸的基本结构8生物大分子的结构与功能----C-C-C-C-COOHγβα----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸----C-C-C(NH2)-C-COOHβ-氨基酸----C-C(NH2)-C-C-COOHγ-氨基酸什么是L-α-氨基酸？9生物大分子的结构与功能H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R10生物大分子的结构与功能脯氨酸（亚氨基酸）几种特殊的氨基酸11生物大分子的结构与功能半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH12生物大分子的结构与功能二、氨基酸的分类（p9-10表1-1）非极性脂肪族氨基酸：具有非极性R侧链，呈疏水性，包括脂肪族氨基酸。（6种）极性中性氨基酸：具有极性R侧链，呈亲水性，通常含羟基、巯基、酰胺基等。（6种）芳香族氨基酸：含有苯环（3种）酸性氨基酸：R侧链含羧基（2种）碱性氨基酸：R侧链含氨基、胍基或咪唑基（3种）13生物大分子的结构与功能(zwitterion)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子

阳离子阴离子三、氨基酸的理化性质1、两性解离14生物大分子的结构与功能纯晶体状态COO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷0加酸H+H+H+H总电荷“+”15生物大分子的结构与功能COO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷0加碱OH－OH－OH－总电荷“-”

H2NH2O16生物大分子的结构与功能氨基酸的等电点pH<pIpH=pIpH>pI正电荷两性离子负电荷负极移动（电场中）不移动正极移动等电点（isoelectricpoint,pI）：在某一pH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，所带净电荷为零，呈电中性，在电场中不泳动。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。17生物大分子的结构与功能pI值决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。等电点计算2222RNHRCOOHNH2COOHpKpKpIpKpKpIpKpKpI+=+=+=----aaaa碱性酸性中性18生物大分子的结构与功能R为极性基团（兼性离子两边的pK值的平均值）酸性aa：pI=1/2（pK-COOH+pKR）如：天冬氨酸pI=½

（pK-COOH+pKR）=½（2.09+3.86）=2.98碱性aa：pI=1/2（pK-NH2+pKR）如：赖氨酸pI=½

（pK-NH2+pKR）=½（8.95+10.53）=9.74R为非极性基团（R为非游离基团）pI=1/2（pK1+pK2）如：甘氨酸pK-COOH=2.34，pK-NH2=9.60pI=1/2（2.34+9.6）=5.9719生物大分子的结构与功能2、紫外吸收Trp、Tyr和Phe在280nm波长附近具有最大吸收峰，其中Trp的最大吸收最接近280nm蛋白质定量20生物大分子的结构与功能3、显色反应：茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰为570nm，可用于氨基酸定量分析。例外：Pro黄色；Asn棕色21生物大分子的结构与功能四、肽键和多肽链+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键22生物大分子的结构与功能1、肽键：一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基之间脱去一分子水形成的酰胺键，是蛋白质中氨基酸间最基本的连接方式。23生物大分子的结构与功能肽分类、命名*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……*

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)。甘氨酰甘氨酸24生物大分子的结构与功能多肽链——蛋白质的基本结构形式多肽链(…NHCHCONHCHCO…)多肽链的方向性：从N末端指向C末端。肽链的两端：氨基末端（N-端）和羧基末端（C-端）25生物大分子的结构与功能Ser-Val-Tyr-Asp-Gln

丝－缬－酪－天－谷

SVTDE如下述五肽可表示为：26生物大分子的结构与功能2、生物活性肽：谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+27生物大分子的结构与功能神经肽：脑啡肽、内啡肽、强啡肽、P物质、Y肽肽类激素：催产素、加压素等其他：生长因子；短杆菌S；甜味肽等28生物大分子的结构与功能

+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-

+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Met-脑啡肽Leu-脑啡肽

L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val

L-OrnL-Orn

L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu

短杆菌肽S(环十肽)由细菌分泌的多肽，含有D-氨基酸和一些稀有氨基酸，如鸟氨酸（Ornithine,缩写为Orn）。

29生物大分子的结构与功能第二节 蛋白质的分子结构30生物大分子的结构与功能一、蛋白质的一级结构(primarystructure)蛋白质分子中从N端到C端的氨基酸排列顺序31生物大分子的结构与功能

510152025301AASXDXSLVEVHXXVFIVPPXILQAVVSIA31TTRXDDXDSAAASIPMVPGWVLKQVXGSQA61GSFLAIVMGGGDLEVILIXLAGYQESSIXA91SRSLAASMXTTAIPSDLWGNXAXSNAAFSS121XEFSSXAGSVPLGFTFXEAGAKEXVIKGQI151TXQAXAFSLAXLXKLISAMXNAXFPAGDXX181XXVADIXDSHGILXXVNYTDAXIKMGIIFG211SGVNAAYWCDSTXIADAADAGXXGGAGXMX241VCCXQDSFRKAFPSLPQIXYXXTLNXXSPX271AXKTFEKNSXAKNXGQSLRDVLMXYKXXGQ301XHXXXAXDFXAANVENSSYPAKIQKLPHFD331LRXXXDLFXGDQGIAXKTXMKXVVRRXLFL361IAAYAFRLVVCXIXAICQKKGYSSGHIAAX391GSXRDYSGFSXNSATXNXNIYGWPQSAXXS421KPIXITPAIDGEGAAXXVIXSIASSQXXXA451

XXSAXXA酵母己糖激酶的一级结构32生物大分子的结构与功能N末端C末端牛核糖核酸酶二硫键33生物大分子的结构与功能一级结构体现生物信息：20n………….多样一级结构是空间结构及生物活性的基础…..特异一级结构的连接键：肽键（主要）、二硫键小结34生物大分子的结构与功能二、蛋白质的二级结构(secondarystructure)蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链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。肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和CO（羰基碳）3原子依次重复排列。35生物大分子的结构与功能α-螺旋(α-helix)β-折叠(β-

pleatedsheet)β-转角(β-turn)无规则卷曲（randomcoil）36生物大分子的结构与功能肽键具部分双键性，不能自由旋转肽键中的四个原子（-CO-NH-）和与之相邻的两个α碳原子（C1、C2）位于同一刚性平面内，称为肽单元

。肽键上H与O的方向几乎总是相反，称反式肽单元（trans-peptideunit），该构型更稳定。CNHHHORRCNHHHORR（一）肽单元（peptideunit）37生物大分子的结构与功能38生物大分子的结构与功能（二）、-螺旋（-helix）特点（1）多肽链主链围绕中心轴螺旋式上升，3.6个氨基酸/圈，螺距0.54nm；39生物大分子的结构与功能（2）氢键维系：链内氢键（AA1…AA4,第1个肽平面羰基上的O，与第4个肽平面亚氨基上的H形成氢键)，方向与螺旋长轴平行；（3）一般为右手螺旋。侧链伸出，在螺旋外侧40生物大分子的结构与功能1、多肽链充分伸展，每个肽单元以C为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链位于锯齿状结构的上下方；2、两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，其结构靠链间氢键维系（羰基上的氧和亚氨基上的氢），方向垂直长轴特点（三）、β-折叠(β-pleatedsheet)41生物大分子的结构与功能3、顺平行折叠：两条肽链走向相同；反平行折叠：两条肽链走向相反。反平行折叠顺平行折叠

反平行折叠顺平行折叠

42生物大分子的结构与功能（四）、-转角一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：Pro,Gly以主链间氢键维持稳定。多肽链中180度回折处形成的特定构象。没有确定规律性的肽链结构

无规卷曲43生物大分子的结构与功能1、α-螺旋(α-helix)右手螺旋：3.6个AA/圈，螺距0.54nm；氢键维系：链内氢键（AA1…AA4），平行长轴；侧链伸出螺旋蛋白质的二级结构是指多肽链骨架中原子的局部空间排列，不涉及侧链的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置，主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。维持二级结构的力量为氢键。小结44生物大分子的结构与功能2、β-折叠(β-pleatedsheet)多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；侧链交错位于锯齿状结构的上下方；氢键维系：氢键的方向垂直长轴；可有顺平行片层和反平行片层结构。3、其它（1）肽链主链出现的180°回折部分称β-转角。（2）蛋白质分子中那些没有确定规律性的部分肽链构象称为无规卷曲。45生物大分子的结构与功能

蛋白质分子中，2个或2个以上的具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成规则的二级结构组合。有三种形式：-螺旋组合（

）、-折叠组合（）、-螺旋-折叠组合（

）（五）、超二级结构46生物大分子的结构与功能钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构模体（motif）

是具有特殊功能的超二级结构，是由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。一个模体有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。

47生物大分子的结构与功能三、蛋白质的三级结构

（TertiaryStructure）

（一）

整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是所有原子在三维空间的整体排布，称为三级结构，包括主、侧链构象。48生物大分子的结构与功能特点（Features）:空间长度缩短，呈球状、棒状、纤维状三级结构主要靠次级键（非共价键）维系固定：疏水键、盐键、氢键、范德华力；二硫键（共价键）也参与维系三级结构疏水基团在分子内部，亲水基团在分子表面功能区形成：三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位。49生物大分子的结构与功能次级键介导蛋白质高级结构形成50生物大分子的结构与功能51生物大分子的结构与功能（二）、结构域（Domain）分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。70结构域与分子整体以共价键相连具有相对独立的空间构象和生物学功能同一蛋白质中的结构域可以相同或不同，不同蛋白质中的结构域也可能相同或不同52生物大分子的结构与功能（三）、分子伴侣（Chaperon）能提供保护环境，从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构的蛋白质分子。53生物大分子的结构与功能Features:具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单位（subunit），亚基可以相同，亦可以不同次级键维系，主要是氢键和离子键单独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合成为有完整四级结构的蛋白质，才有功能四、蛋白质的四级结构

QuaternaryStructure

二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链，彼此借次级键相连，形成一定的空间构象，称为四级结构。54生物大分子的结构与功能血红蛋白（Hb）两个α链与两个β链组成的四聚体

α链：141aa；β链：146aa;每条链各含一个血红素辅基α链β链55生物大分子的结构与功能五、蛋白质的分类1、按照组成分类：单纯蛋白质、结合蛋白质单纯蛋白：只有氨基酸组分结合蛋白：氨基酸组分＋其他组分（辅基）2、根据形状分类：纤维状蛋白、球状蛋白3、按照结构分类：单体蛋白、寡聚蛋白单体蛋白：只有一条多肽链寡聚蛋白：数条多肽链非共价相互作用超家族（super-）、家族（family）、亚家族（sub-）

4、按照生物功能分类：酶、调节蛋白、转运蛋白、运动蛋白、防御蛋白、营养蛋白、储存蛋白、结构蛋白、毒蛋白56生物大分子的结构与功能六、蛋白质组学（proteomics）

定义：以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象研究内容：蛋白质表达谱、翻译后修饰谱、亚细胞定位图、相互作用图、生物信息学及数据库技术平台：双向电泳蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析研究意义57生物大分子的结构与功能RNase是由124aa残基组成的单肽链，分子中8个Cys的-SH构成4对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质。（一）一级结构是空间构象的基础第三节蛋白质结构与功能的关系

一.蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础

58生物大分子的结构与功能

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性59生物大分子的结构与功能人VETSISLYQNFVNQSHEAYGERTPKT马---G---------------------A猪–------------------------A牛--A-V--------------------T羊--AGV--------------------A天竺鼠-DAGT*RH-S--SR-N-TSQDDI--D鲸–------------------------A鸡--HNT-----AA----------S--A3489101213141518123491013141620212227282930A链B链某些脊椎动物胰岛素一级结构部分氨基酸残基差异“-”为与人相同；*为芳香族氨基酸；未列出的为相同序列（二）一级结构相似，高级结构和功能也相似60生物大分子的结构与功能

生物名称不同氨基酸数生物名称不同氨基酸数黑猩猩0恒河猴1猪、牛、羊10马12鸡13海龟15金枪鱼21小蝇25小麦35酵母44不同生物和人的细胞色素c中氨基酸组成的差异（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息

生物界不同种属来源的蛋白质，比较一级结构，可反映物种进化关系61生物大分子的结构与功能62生物大分子的结构与功能N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSHbAN-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)分子病（moleculardisease）

：由于蛋白质分子发生变异所导致的疾病。病因为基因突变所致。镰刀形红细胞贫血病（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病63生物大分子的结构与功能正常红细胞镰刀形红细胞64生物大分子的结构与功能65生物大分子的结构与功能肌红蛋白

血红蛋白α

血红蛋白β二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白与肌红蛋白的结构相似66生物大分子的结构与功能肌红蛋白血红蛋白67生物大分子的结构与功能血红素结构68生物大分子的结构与功能肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合

69生物大分子的结构与功能Hb的4个亚基与4个O2结合的平衡常数不同，第一个亚基结合O2后，可促进其它亚基与O2的结合。协同效应90一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2)结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体的结合能力，称为协同效应(cooperativity)。正协同效应(positivecooperativity)：促进作用负协同效应(negativecooperativity)：抑制作用70生物大分子的结构与功能Hb结合氧的理论解释71生物大分子的结构与功能变构效应变构剂变构蛋白由一个O2与Hb亚基结合后引起亚基的构象变化变构效应（allostericeffect）：蛋白质分子的特定部位与小分子化合物结合后，引起蛋白质分子空间构象改变，从而促使生物学活性变化的现象。小分子O2或其它化合物称为变构剂。Hb或其它构象改变的蛋白质称为变构蛋白。72生物大分子的结构与功能疯牛病由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。疾病与核酸无关。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病（三）蛋白质构象改变引起疾病73生物大分子的结构与功能朊病毒致病过程中的构象变化示意图蛋白质构象疾病：错误构象相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病。老年痴呆(Alzheimer’sdisease)疯牛病(Madcowdisease,orbovinespongiformencephalopathyorBSE)亨汀顿舞蹈病(Huntington’sdisease)74生物大分子的结构与功能一、蛋白质的两性电离性质体内多数蛋白质pI为pH5.0，体液pH7.4,阴离子？阳离子?pH<pIpH=pIpH>pI蛋白质的等电点（pI）：在某一pH溶液中，蛋白质解离成阴、阳离子的趋势相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。第四节蛋白质的理化性质75生物大分子的结构与功能二、蛋白质具有胶体性质1.有许多高分子溶液的性质（Mr1万-100万kD，直径1-100nm，为胶粒范围之内），如：扩散慢易沉降粘度大不能透过半透膜2.蛋白质胶体溶液的稳定因素：水化膜颗粒表面电荷76生物大分子的结构与功能三、蛋白质的变性（Denaturation）

在某些物理和化学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性丧失。77生物大分子的结构与功能变性因素：1）物理因素：高温、高压、射线等2）化学因素：强酸、强碱、重金属盐等变性后的表现：1）生物学活性消失2）理化性质改变变性的意义：1）利用变性：酒精消毒，高温高压灭菌，血滤液制备2）防止变性：低温保存蛋白质制剂3）取代变性：乳品解毒(用于急救重金属中毒)78生物大分子的结构与功能复性-恢复活性：

去除变性因素后，变性蛋白恢复原来的空间结构，恢复生物活性的现象。是否所有的蛋白质变性都是可逆的？为什么？

理论上可以，但很难使外界因素完全复原。有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。79生物大分子的结构与功能四、蛋白质的紫外吸收特征由于蛋白质分子中含有共轭双键的色氨酸和酪氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。80生物大分子的结构与功能1、茚三酮反应(ninhydrinreaction)

蛋白质水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应。2、双缩脲反应(biuretreaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。五、蛋白质的呈色反应

OOO||||||2H2N—C—NH2---------→2H2N—C—NH—C—NH2+NH3

尿素双缩脲氨双缩脲

紫色

NaOHCuSO481生物大分子的结构与功能一、透析及超滤法分离蛋白质与小分子化合物*透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。*超滤法

(ultrafiltration)应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。第五节蛋白质的分离、纯化与结构分析82生物大分子的结构与功能血液透析小分子溶出小分子被带出透析机透析液加压血液透析：利用蛋白质分子较大，不能透过半透膜的性质，用半透膜将蛋白质与无机盐、单糖等小分子物质分开83生物大分子的结构与功能二、有机溶剂沉淀、盐析及免疫沉淀*丙酮、乙醇等有机溶剂，可破坏蛋白质的水化层，在0～4℃低温下，使蛋白质沉淀。环境温度高等不良因素影响下，有机溶剂可促使蛋白质变性。*盐析(saltprecipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和且水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。*

免疫沉淀法：利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。84生物大分子的结构与功能三、电泳法分离蛋白质蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)

。根据支撑物不同，分为薄膜电泳、凝胶电泳等85生物大分子的结构与功能86生物大分子的结构与功能几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。87生物大分子的结构与功能四、层析(chromatography)或色谱法分离蛋白质待分离蛋白质溶液（流动相）经过一种固态物质（固定相）时，根据待分离蛋白质的颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的。