第一章-蛋白质结构基础

1、第一章 蛋白质结构基础,蛋白质 Protein,第一节 前 言,1、元素的组成： C、H、O、N、S等，N的含量一般为16% 凯氏定氮法测定蛋白质的含量： 蛋白质含量=蛋白氮6.25,一、蛋白质的组成单位氨基酸,三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。俗称蜜胺、蛋白精,化学结构 R-CH(NH2)-COOH 含有氨基的羧酸 R 代 表 氨 基 酸 之 间 相异 的 部分 ，叫 R 基 ， 又 称 为 侧 链 。,酪氨酸分子,2、组成单位氨基酸,A、除脯氨酸外，其他均具有如下结构通式。,-氨基酸,可变部分,不变部分,脯氨酸的侧链R-基与主链N原子共价结合，形成一个环状的

2、亚氨基酸。,B、除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原子或手性中心，具有旋光性； C、除了甘氨酸外，其余具有光学异构体,从蛋白质水解得到的-氨基酸均为 L-型氨基酸,L-丙氨酸,D-丙氨酸,沿H-C键观察，R-N-CO为顺时针方向为L型分子,D、氨基酸的优势构象 构象（conformation）是组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布。一种构象转变为另一种构象，不会有共价键的断裂与形成。 “交错构象”（stagged conformation）是能量上最有利的排布。,二、非蛋白质氨基酸 （不是组成蛋白质的氨基酸）,这些氨基酸不参与蛋白质的组成，大都是氨基酸的衍生，但有些是、或氨基酸；

3、目前认为有些非蛋白质氨基酸是某些代谢过程的中间产物或重要代谢物的前体。 如：瓜氨酸和鸟氨酸精氨酸前体 刀豆氨酸和5羟基色氨酸杀虫杀菌。 多巴胺神经递质,氨基酸的旋光性,除甘氨酸外，都具有旋光性。,酪氨酸（Tyr、278nm）、色氨酸(Trp、279)和苯丙氨酸(Phe、259)能够吸收紫外光共轭双键,氨基酸的光吸收,三、氨基酸的理化性质,紫外吸收 在中性pH值下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在280nm，而苯丙氨酸的在260nm处。大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中280nm吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。,芳香族氨基酸的紫外吸收,第二节 肽（peptide),肽键(酰胺

4、键),二 肽,1. 成 肽 反 应,缩合,2、肽键,3、氨基酸残基：肽链中的氨基酸由于参加肽链的形成，损失了NH2上的H和COOH上的OH，称为氨基酸残基，HNCHCOR,氨基酸之间脱水后形成的键为肽键，也为酰胺键,一是肽链中的肽键CONH带有双键的性质。使主链上1/3的键不能旋转（链上1/3是CN键）； 二是还有很多R侧链，影响程度受R侧链基团的性质（大小、亲水性、电荷相吸和排斥）等。,不是任意二面角（，）所决定的肽链构象都是立体化学所允许的,第三节 蛋 白 质 的 结 构,蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。,12-20氨基酸残基的肽链称为寡肽

5、20氨基酸残基的称为多肽,一、一 级 结 构（ 线 性 结 构）,蛋 白 质 的 一 级 结 构 (primary structure) 指 它 的蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序,蛋白质的一级结构(Primary structure)包括: 多肽链的氨基酸顺序和数目，以及多肽链内或链间二硫键(disulfide bond)的数目和位置。,两个半胱氨酸氧化可生成胱氨酸,二硫键：由肽链中相应部位上两个半胱氨酸 残基脱氢连接而成的,由A（21个AA，11种），B（30AA，16种）组成，并通过Cys连结两对-S-S-； A链第6和11的Cys通过-S-S-连接成链内小环； 我国1965年在世界

6、上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。,维持蛋白质一级结构的作用力是:,答 案： 肽 键、二硫键（都属于共价键）,二、蛋白质的空间结构 也叫三维构象，高级结构或立体结构 定义：指蛋白质分子中所有原子在三维空间排列分布和肽链的走向。又称为蛋白质的构象。,（一） 二 级 结 构(secondary structure),蛋白质多肽链本身的折叠与盘绕方式,包括: 螺旋、 折叠片、 转角、 自由回转等。,(a) 理想的右螺 旋； (b) 右螺旋 ； (c) 左螺 旋 。 天然蛋白质大部分为右手螺旋；,1.-螺旋(-helix),O （ 氢 键 ）H C（NHCHCO）3N R 氢键:由同

7、一条肽链内每 3个 氨 基 酸 残基的两个肽键衍生而来，即每个氨基酸残基的NH与前面每隔3个氨基酸残基的C=O形成的。,稳定-螺旋的因素 -螺旋具有极性： 所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向 -螺旋的中心没有空腔,-helix不稳定的因素：,R基团带同种电荷： pH=7时，多聚Lys或多聚 Glu ； R基团较大时造成空间位阻， 如Ile； 多肽链中有Pro或HO-Pro，helix中断，产生结节kink 它改变多肽链的方向，并终止螺旋。,2.-折叠(-pleated sheet),-折叠是多肽链的折叠形式,两条或多条几乎完全伸展的肽链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; 平

8、行肽链间以氢键从侧面连接的构象。,平行式 反平行式,3. 转角(-turn),作用力同样是肽键衍生来的氢键 但由于只有这一个氢键，只形成转角结构。,O （ 氢 键 ）H C（NHCHCO）2N R,在-转角部分，由四个氨基酸残基组成; 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,螺旋,折叠片,转角,自由回转,龙虾肽酶,4.自由回转,没有一定规律的松散的肽链结构 作用力弱,维持蛋白质二级结构的作用力是？ 氢键 纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白,4、自由回转(random coil),(二）

9、超二级结构和结构域 超二级结构(supersecondary structure) ：是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体， 通常有， 。 结构域(domain) ：是在超二级结构基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球状的结构。在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。,（三） 三级结构（Tertiary structure),定义：多肽链上的所有原子，包括主链和残基的侧链，在三维空间上的分布 疏水键对维持蛋白质的三级结构起着重要的意义 举例：鲸的肌红蛋白,肌红蛋白的三级结构,肌红蛋白的三级结构,亚铁血红素,肌红蛋白的三级结构,整个分子只

10、有一条肽链组成的蛋白质必须具备三级结构才有生物活性，多肽蛋白中的每条肽链若单独存在，纵使具有三级结构也无生物活性，只有整个分子具有完整四级才有生物活性。,三级结构:,(四) 四级结构（Quatermary structre),1、定义： 由两条或两条以上的具有三级结构的多肽链聚合而成特定构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构。 其中每一条肽链称为亚基，由亚基构成的蛋白质为寡聚蛋白。,2、四级结构的内容：,亚基的数目4条 种类2种 亚基的立体分布球形 亚基的相互作用次级键,血红蛋白,亚基单独没有生物功能 四亚基两两相同，分别称为1 、2、1、2。,血红蛋白四级结构,每条链都以非共价键与一个血红素辅基

11、相连,卟啉铁,三、维系蛋白质的结构的作用力,一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键） 二级结构：氢键（主链上C=O和NH之间 形成） 三、四级结构：二硫键、次级键（氢键疏水 键、疏水键、离子键、范得 华力、配位键）,键 能 肽键 二硫键 离子键 氢键 疏水键 范德华力,数量巨大,第四节 蛋白质分子结构与功能关系,一、蛋白质的一级结构与功能的关系 （一）同源蛋白质：指不同的有机体中实现同一功能的蛋白质 例如：胰岛素和细胞色素C 蛋白质的进化 构建系统进化树,真菌,两栖类,植物,哺乳动物,鸟类,昆虫,爬行类,细 胞 色 素 C 的 进 化 系 统 树,（二）一级结构的变化引起功能的变化,血红蛋白的一

12、级结构变化而引起镰刀型贫血病,镰刀状贫血病血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息,正常细胞 镰刀形细胞,它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。,正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys - 链 谷氨酸 镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys - 链 缬氨酸,谷氨酸（极性） 缬氨酸（非极性）,由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失， 导致病人窒

13、息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。,肌红蛋白 血红蛋白 血红蛋白 氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似 结构决定功能,二、空间结构与功能的关系： （一）蛋白质执行其生物功能需要相应空间结构,例如：核糖核酸酶,功能恢复,天然构象,无规线团,天然构象,（二）变构效应（别构效应）,外因通过改变蛋白质构象引起蛋白质功能变化的现象。 例如：以血红蛋白的载氧气过程说明蛋白质构象发生变化与功能的关系。,定义：蛋白质在表达功能的过程中构象发生 变化的现象,血中氧分子的运送：,(R) relaxed state（氧合血红蛋白）,(T) tense state（脱氧血红蛋白构象）,(R) relaxed

14、state,(T) tense state,血中氧分子的运送：,静脉,动脉,环境氧高时 Hb 快速吸收氧分子,环境氧低时 Hb 迅速释放氧分子,释放氧分子后 Hb 变回 T state,（三）蛋白质的变性-功能丧失,1.定义： 天然蛋白质因受到物理和化学的因素影响，使蛋白质严格的空间结构受到破坏，（但不包括肽键的裂解），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，这种现象称为蛋白质变性作用。,变性的蛋白质恢复其天然活性的现象称为复性。,2.变性的本质 二、三、四级空间结构被破坏，变性因素破坏了维持蛋白质空间结构的各种次级键以及二硫键。 但一级结构完好（一级结构破坏-降解） 溶解度下降，蛋白质

15、的组成成分和分子量不变,3.变性蛋白的特征,（1）生物活性的丧失最主要标志 （2）理化性质的改变： 溶解度下降，易沉淀 结晶能力丧失 渗透压力、和扩散速度降低 粘度、旋光性负值上升，等电点上升 （3）生化性质的改变,人头发的电子显微镜照片与模型,烫发过程： 1、加还原剂（巯基乙醇）打开二硫键。 2、加氧化剂（双氧水）重新生成错位二硫键。,第五节 多肽链的折叠问题,蛋白质在体内形成的两个阶段： 遗传密码介导的氨基酸多肽链的合成 多肽链折叠为有特定功能的蛋白质,多肽链合成中遗传信息的表达步骤,蛋白质的去折叠或变性,Native state folded,Denatured state unfold

16、ed,unfolding,refolding,变性过程的两种不同理论,高度协同的、爆炸式的发生,1、两态模型,牛胰核糖核酸酶的变性,2、序变模型,or,N,I,D,N,I,1,I,2,D,D,关于蛋白质折叠的密码,绝大多数的小蛋白质的去折叠与再折叠是可逆的 枯草杆菌蛋白酶去折叠后, 不能正确折叠至天然态 N-末端剪切,新生肽的折叠,Protein的一级结构决定其高级结构，其特征蛋白质的aa序列包含了构成高级结构的全部信息。 分子伴侣(molecular chaperone)： 是进化上十分保守的蛋白质家族，广泛存在于多种生物体内，其主要作用是与新生肽或部分折叠的蛋白质的疏水表面结合，加速其折叠

17、或组装成天然构象的进程，并防止其相互聚集和错误折叠。,分子伴侣的几个特征,同类分子伴侣在所有的生物中有惊人的相似性，表明它们在进化很保守; 分子伴侣在行使功能时需水解以改变构象、释放底物和进行再循环; 能识别暴露的未折叠的蛋白质结构域，能与多种不同的多肽相互作用，影响折叠的速率和动力学，无序列偏爱性。,分子内伴侣,将对蛋白质折叠有帮助的前导肽称为分子内伴侣。 分子内伴侣在蛋白质折叠中起降低过渡态活化能的作用，从而使折叠反应容易完成。,蛋白质折叠的起始及 折叠中间体,疏水塌缩 经熔球中间态 （molten globule state） 二级结构生成 框架结构模型 特殊作用的启动 Disulfid

18、e bonds 去折叠态中的残留有序结构,蛋白质折叠的起始模型,熔球中间体 (molten globule state),中间体与天然态具有几乎相同的二级结构组分 中间体具有相对致密的球状结构 具有大量的疏水面，三级结构处于涨落之中,蛋白质的折叠途径,CJD: Creutzfeld-Jakob disease,学名：克罗伊茨费尔德雅各布氏症 简称克雅氏症 俗名：疯牛病 临床症状 ：出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。 神经病理检查 ：病人的脑神经发生海绵状变性,蛋白质的错误折叠可造成致命后果,Alzheimers disease (AD),学名：阿尔茨海默氏病 临床症状：以遗忘

19、为最早期、最突出的症状。继而出现反应迟钝、判断力和理解力下降，重复语言和无意义的重复动作等。随着疾病进展，最终严重痴呆，卧床不起，出现并发症。,加德赛克在新几内亚岛发现了一种奇怪的疾病 ，当地的土著人称之为“kuru”。由于找不到病因，被当地人称为“终极巫术”。 Kuru的诅咒非常残酷：先是不可抑制的颤抖，然后丧失行走能力及无法言语，接着瘫痪。但中了巫术的人至死心智都很清醒，不会陷入昏睡状态，因此格外痛苦。,经过加德赛克对死者脑部的解剖和进一步研究，在大脑的特定区域会检查出细微的小孔，使脑组织看起来像一块海绵。 1968年，加德赛克指出：当他将死于kuru病人的脑组织提取物注射到正常的实验动物身上，该动物也会死于与kuru相似的症状。明显地，这种提取物含有遗传物质，在当时被推测为某种病毒。,史坦利布鲁希纳,美国加州大学旧金山分校教授。因其发现了朊病毒,并在其致病机理的研究方面做出了杰出贡献，而获得1997 年诺贝尔生理医学奖。,朊病毒（Prion):不含核酸，完全由蛋白质构成的病毒。 朊病毒很快被证明可由细胞自身染色体的基因编码。这个基因称为PRNP，它可以表达正常的脑组织并且编码一种命名为PrPc的蛋白质，存在于神经细胞的表