高中生物竞赛课件生物化学第12章蛋白质的结构与功能

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第一章绪论什么是生物化学？

生命的化学(lifechemistry)，它是研究活细胞和生物体内的各种化学分子及其化学反应的一门科学2生物化学的发展简史初期：18世纪~20世纪初。研究了脂类、糖类及氨基酸；发现了核酸；酵母发酵中的“可溶性催化剂”－－酶的概念等蓬勃发展阶段：20世纪初~下叶。必需氨基酸、维生素的发现；多种激素的发现；酶的蛋白质本质揭示并被结晶出来；主要物质代谢途径的确定等分子生物学时期：20世纪下叶~今31950年代

1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型—分子生物学的里程碑；分子遗传学中心法则的提出；遗传密码的破译等分子生物学：是生物化学的延续和发展——主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、基因信息的传递和调控

分子生物学的重要事件4

1970年代：Cohn和Boyer分别完成了DNA体外重组，基因工程技术诞生基因诊断和基因治疗

1980年代：发现了核酶；PCR技术的发明

1990年代：开始了人类基因组计划约2.6×109碱基、10万个基因5功能基因组学蛋白质组学后基因组时代——组学(-omics)表观遗传学……转录组学代谢组学61901年12月10日即诺贝尔逝世5周年时首次颁发该奖每年授予在物理学、化学、生理学或医学、经济学、文学与和平领域内“对人类作出最大贡献的人”生化、分子生物学与诺贝尔奖7生物大分子及维生素部分（19项）1901—2010年，生物化学和分子生物学获奖项共计56项物质代谢部分（17项）遗传信息传递（16项）细胞信号传导（4项）8克雷格·梅洛

安德鲁·菲尔

授予两名美国科学家安德鲁·菲尔和克雷格·梅洛，以表彰他们发现了RNA干扰现象

2006年诺贝尔生理学或医学奖9马里奥-卡佩奇马丁-埃文斯奥利弗-史密斯2007年诺贝尔生理学或医学奖10美国的三位科学家因发现端粒和端粒酶保护染色体的机理而获此殊荣2009年诺贝尔生理学或医学奖11吴宪，蛋白质的变性学说

1965年，人工合成有生物活性的

牛胰岛素

1981年，酵母丙氨酰tRNA的合成

参与了人类基因组计划，1％我国科学家的贡献12生物化学研究的主要内容生物分子的结构与功能物质代谢及其调节基因信息传递规律及其调控13蛋白质、核酸、多糖及复合脂类等称为生物大分子一、生物分子的结构和功能14物质代谢紊乱可引起疾病二、物质代谢及其调节白化病自毁容貌症15三、基因信息传递及调控研究重点：探讨DNA复制、RNA转录、蛋白质生物合成等基因信息传递过程的机制及基因表达的时空调控的规律16生物化学与医学1、基础医学必修课程2、已渗透到医学的各个学科3、疾病的预防、诊断、治疗和预后判断离不开生物化学与分子生物学的理论和技术17如何学好这门课？主要参考书目《生物化学》人卫版8版教材（查锡良主编）《生物化学》第3版高教出版社（王镜岩主编）学习网站精品课程：/biochemistry/网络课程：/jicxy/bioweb/毕博在线网络课程：/webapps/portal/frameset.jsp?tab_id=_2_1&url=/bin/common/course.pl?course_id%3D_32_1台大生化：.tw/及时消化，全面理解，重点记忆前后联系，来回复习适当做些习题18蛋白质的结构与功能第1章StructureandFunctionofProtein19什么是蛋白质?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20蛋白质的生物学重要性分布广：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％1.蛋白质是生物体重要组成成分21作为生物催化剂（酶）代谢调节作用免疫、保护作用物质的转运和存储运动与支持作用参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能22蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节23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

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%三聚氰胺？24一、氨基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）——蛋白质的基本组成单位25CCH3丙氨酸L-氨基酸的通式RH甘氨酸Ca+NH3OO-H（一）氨基酸的一般结构26非极性氨基酸不带电荷的极性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸（二）氨基酸的分类

根据氨基酸侧链基团(Ｒ)的结构和理化性质，分为5类271.非极性氨基酸——侧链含烃链，疏水性甘氨酸(Gly)丙氨酸(Ala)缬氨酸(Val)亮氨酸(Leu)异亮氨酸(Ile)脯氨酸(Pro)282.极性中性氨基酸——侧链有极性但不带电荷丝氨酸(Ser)半胱氨酸(Cys)甲硫氨酸(Met)天冬酰胺(Asn)谷氨酰胺(Gln)苏氨酸(Thr)293.芳香族氨基酸——侧链含芳香基团色氨酸(Trp)酪氨酸(Tyr)苯丙氨酸(Phe)304.酸性氨基酸——侧链含羧基COO-，带负电谷氨酸(Glu)天冬氨酸(Asp)315.碱性氨基酸——侧链含正性解离基团（氨基、胍基和咪唑基），带正电胍基咪唑基(弱碱性)赖氨酸(Lys)精氨酸(Arg)组氨酸(His)32几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH233

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3P6表2-134蛋白质氨基酸(AA)的结构特点1.均为L-a-氨基酸(甘氨酸除外)

，各种AA的R侧链各不相同2.a-碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除外)和一个羧基3.a-碳原子为不对称(手性)碳原子(甘氨酸除外）35a-氨基和a-羧基能够可逆的结合和解离出质子(H+)H+HHNa-氨基H+a-羧基COOHCOOJuangRH(2004)BCbasics（三）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点(pI)HHHN++H+-H++H+-H+K2K136COOH+NH3COO-R

-

C

-

H+NH3R

-

C

-

HCOO-NH2R

-

C

-

H+1-10pK1≈2pK2≈9兼性离子pH=pI=5.5阳离子阴离子K1+OH-K2+OH-+H++H+pH<pIpH>pIAA的带电状况取决于溶液的pH值pH值29140pI37等电点(isoelectricpoint,pI)

在某一pH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，分子所带的净电荷为零，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点中性氨基酸：pI=(pKa-COOH+pKa-NH3+)/2酸性氨基酸：pI=(pKa-COOH+pKR-COOH)/2碱性氨基酸：pI=(pKa-NH3++pKR-NH3+)/2382、含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近用于定量蛋白质含量芳香族氨基酸的紫外吸收393.茚三酮反应（570nm）氨基酸+水合茚三酮蓝紫色的化合物Pro与茚三酮直接生成亮黄色物质(440nm)此反应可用于氨基酸定量分析（先用层析法分离）40+-H2O甘氨酰甘氨酸肽键二、肽（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽

(peptide)+H2O41MetPhe二肽LysMetPhe三肽CysThrLysMetPhe五肽寡肽：N<=10多肽：10<N<=50蛋白质：N>50蛋白质的相对分子质量≈AA的数目×11042肽链不分支且有方向性(N->C)CysMetPheLysSerThrValNH2COOH氨基末端(Ｎ－端)羧基末端(C－端)氨基酸残基(residue)

肽链中的氨基酸因脱水缩合而基团不全读法：某氨酰某氨酰……某氨酸43

HCaCNCaOJuangRH(2004)BCbasicsC－N单键长0.149nmC=N双键长0.127nm0.132nm肽单元

肽键中的C、O、N、H和２个Cα被约束在一个刚性平面上，构成肽单元（肽平面）44a-碳是两个相邻肽平面的连接点4546（二）生物活性肽生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽重要的生物活性肽有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素、抗生素肽等471.谷胱甘肽(glutathione,GSH)构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的γ－羧基GluCysGly48GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换GSH是体内重要的还原剂！49

体内许多激素属寡肽或多肽

神经肽(neuropeptide)：脑啡肽，内啡肽等2.多肽类激素及神经肽50第二节蛋白质的分子结构高级结构或空间结构一级结构二级结构三级结构四级结构51定义蛋白质的一级结构指蛋白质中氨基酸数目及排列顺序及共价连接一、蛋白质的一级结构主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键

52胰岛素——第一个被测定一级结构195330AA21AA53蛋白质上的氨基酸序列是有意义的决定蛋白质的空间结构－正确功能标示蛋白质的功能信息－信号肽各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同信号肽——有特殊功能的多肽片断54二、蛋白质的二级结构蛋白质分子中多肽链骨架中原子的局部空间结构，并不涉及氨基酸残基侧链的构象

定义

主要的化学键：氢键

55主链骨架由：-N-C

-C-重复排列而成N-Ca-C－N-Ca-C－N-Ca-C－N-Ca-C肽键肽键肽键肽单元？56

-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57——由肽键平面盘旋形成的螺旋状构象1.

-螺旋0.54nm5819541951592.a-螺旋的结构特征(1)以肽键平面为单位,以a-碳原子为转折，盘旋形成右手螺旋(生物似乎偏好右手？)60(2)每3.6个氨基酸残基绕成一个螺圈(3600),螺距为0.54nm,肽键平面与中心轴平行2.a-螺旋的结构特征61(3)主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部62(4)肽键的CO和NH

都形成氢键氢键的方向与中心轴大致平行,是稳定螺旋的主要作用力63氢键——稳定二级结构的主要作用力正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即氢键特征1.方向性：电子流向2.饱和性64a-螺旋可卷绕成新的相邻关系65氨基酸残基的侧链对a-螺旋形成的影响1、氨基酸残基侧链所带电荷2、氨基酸残基侧链的大小

3、脯氨酸残基-----终结者

Ala、Glu、Leu和Met较常见于a-螺旋Pro、Gly、Ser和Tyr较少见66毛发a-角蛋白的结构为什么头发富有弹性？672.

-折叠

-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象68β－折叠结构特点(１)肽键平面呈锯齿状排列，相邻肽键平面的夹角为1100

；侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧69(3)２～５条肽段平行排列构成，肽段之间可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行

(2)由氢键维持稳定,其方向与折叠的长轴接近垂直70b-折叠的同向与反向平行71丝心蛋白(b-角蛋白)的反平行b-折叠结构为什么蚕丝的质地如此柔软？723.β-转角（β-turn）1.概念：肽链出现1800回折的转角处结构2.结构特征*第一个残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键*常见于球状蛋白质分子表面734.无规卷曲(randomcoil)有序非重复结构——没有确定规律性的肽键构象常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠H2NCOOH74

多肽链内顺序上相互临近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体超二级结构——二级结构的组合概念75钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构模体(motif)——具有特殊功能的超二级结构76

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77三、蛋白质的三级结构

(tertiarystructure)具有二级结构的蛋白质的一条多肽链再进一步盘曲或折叠形成的具有一定规律的三维空间结构即一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布定义主链构象+侧链构象78第一个解出的蛋白质立体结构79

肌红蛋白(Mb)由氨基酸亲水侧链组成的亲水基团在蛋白分子表面，而疏水基团在蛋白分子内部80CD4分子4个相似结构域结构域(domain)

——三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域二级结构超二级结构结构域三级结构81类似的domain经常被重复使用在分子演化过程中，一个有用的domain可被反复利用分子层次的世界也经常发生互相抄袭的事件82

侧链基团之间形的次级键（主要）疏水作用(最主要)氢键离子键范德华力共价键：二硫键(次要)维持三级结构稳定的键83三级结构中的疏水作用力疏水性AA常埋在水溶性蛋白质的核心亲水性基团以水溶性蛋白质而言(脂溶性蛋白质恰相反)84三级结构中的氢键二级结构氢键三级结构氢键胰脏85三级结构中的离子键可与金属离子形成离子键：Cys、His、Glu、Asp金属离子对蛋白质的贡献：1.稳定蛋白质结构2.参与该蛋白的功能86范德华力——非键合原子间的瞬时偶极间的相互作用，包括引力和斥力范德华半径87稳定三级结构的二硫键88蛋白质的折叠是有序的89四、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)90亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键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蛋白质的四级结构概念91四个亚基通过8个离子键相连单独的亚基无生物学功能血红蛋白的四级结构92五、蛋白质的分类根据蛋白质的分子组成单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分（辅基）根据蛋白质形状纤维状蛋白质：胶原蛋白、弹性蛋白…球状蛋白质:酶、转录因子、蛋白质类激素…长轴比纵轴>10∶193蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节94（一）一级结构是空间结构(构象)的基础一、蛋白质一级结构与功能的关系RNA酶的一级结构二硫键顺序规定构象95天然状态有催化活性非折叠状态无活性尿素过量b-巯基乙醇说明规定RNA酶复杂的空间结构所需的信息包含在它的AA顺序中去除尿素痕量b-巯基乙醇96（二）一级结构是功能的基础胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla相似的一级结构具有相似的功能97（三）一级结构改变与分子病

蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间构象乃至生理功能。例子：镰刀状红细胞贫血分子病：由蛋白质异常和缺乏导致的疾病98致命突变非致命突变

Hbb亚基第6个AA残基：99血红蛋白β-亚基第6位氨基酸残基正常人：Glu患者：Val谷->缬(GAG->GTG)100二、蛋白质空间结构与功能的关系(一)蛋白质的功能依赖于特定的空间结构例：RNA酶构象改变导致失活构象决定功能101（二）血红蛋白的构象变化与结合氧

肌红蛋白(myoglobin，Mb)血红蛋白(hemoglobin，Hb)功能相同？102血红素结构

肌红蛋白(Mb)——贮氧

含一个血红素辅基，位于肌细胞中血红蛋白(Hb)——载氧

每个亚基结构与Mb相似，位于红细胞中（原卟啉＋铁原子）HisF8103任何亚基吸引O2后牵动骨架

(T态－>R态)（二）血红蛋白构象变化与结合氧的能力104牵一发而动全身，所有亚基均受影响T态--->R态105(R)relaxedstate(T)tensestate

血液中O2的运输Hemoglobin肺O2Myoglobin肌肉静脉动脉当环境的[O2]升高时,Hb高效地结合上O2当环境的

[O2]下降时,Hb释放出O2到

Mb任何一个亚基结合了O2后会促进其他亚基与O2的结合JuangRH(2004)BCbasics106020406080100120100806040200氧饱和度(%)氧分压

(pO2,mmHg)运动中的肌肉休息时的肌肉MyoglobinHemoglobin动脉[O2]静脉[O2]血红蛋白与肌红蛋白的氧解离曲线AdaptedfromGarrett&Grisham(1999)Biochemistry(2e)p.480107协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体(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结合能力的现象如果是促进作用则称为正协同效应

(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应

(negativecooperativity)108蛋白质的结构层次有形体有生命有智慧？109（三）蛋白质空间结构改变与疾病蛋白质构象病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，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。110疯牛病是由朊病毒蛋白(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PrPcPrPc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PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变111第四节蛋白质的理化性质与分离纯化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein112（一）蛋白质具有两性解离的性质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pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团一、蛋白质的理化性质113蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点蛋白质的等电点PrCOOHNH3+PrCOO-NH3+PrCOO-NH2+OH-+H++OH-+H+pH=pIpH<pIpH>pI114（二）蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内蛋白质的胶体原因：表面形成水化膜表面同种电荷的斥力115+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉（沉淀）116（三）蛋白质的变性与沉淀在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，也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的丧失蛋白质的变性(denaturation)117

变性的本质

破坏非共价键和二硫键，

不改变蛋白