蛋白质结构与功能

1、高级生物化学,蛋白质的结构与功能,冯明菊 407205117024 营养与食品卫生学,蛋白质的结构与功能,第一节 蛋白质的分子组成,1,第二节 蛋白质的一级结构,2,第三节 蛋白质的空间结构,1,第四节 蛋白质结构与功能的关系,2,3,4,蛋白质（protein）是由许多氨基酸通过肽键相连 形成的高分子含氮化合物。 蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式组合成的生物大分子。 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(Dalton, d)以上的多肽称为蛋白质。 蛋白质分子量变化范围很大, 从大约6000到100万道尔顿甚至更大。,1. 蛋白质的定义,第一节 蛋白质的分子组成,(1

2、)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。,2.蛋白质的生物学重要性,(2)蛋白质具有重要的生物学功能 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 (3) 氧化供能,3.蛋白质的分子组成,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 。 蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由于体

3、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：100克样品中蛋白质的含量 (g %) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%,(1)蛋白质的基本组成单位-氨基酸 组成蛋白质的氨基酸除脯氨酸外，其余均属于-氨基酸。 -氨基酸根据其光学活性具有不同的构型,4.组成蛋白质的氨基酸,COOH COOH H2NCH HCNH2 R R L-氨基酸 D-氨基酸,(2)组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于L-氨基酸（甘氨酸除外），称为编码氨基酸。,R,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,L-氨基酸的通式,根据侧链结构和理化性质的不同，将氨基

4、酸分为以下几类,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,(一)氨基酸具有两性解离的性质 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处溶液的酸碱度。 等电点(isoelectric point, 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，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基

5、酸的等电点。,5. 氨基酸的理化性质,(1)氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide) 肽键(peptide bond)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。 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 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)。 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)。,6.蛋白质中氨基酸的连接,多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 多肽链有两端： N 末端：多

6、肽链中有游离-氨基的一端 ; C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端,C末端,N末端,定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。 蛋白质的一级结构包括组成蛋白质的多肽链 数目，多肽链的氨基酸序列，以及多肽链内 或链间二硫键的数目和位置 主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 二硫键（disulfide bond）：由肽链中相应部 位上两个半胱氨酸残基的侧链脱氢形成。 一级结构是蛋白质空间结构和生物学功能的基础。不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,第二节 蛋白质的一级结构,蛋白质一级结构测定的步骤,（1）蛋白质样品的预处理； （2）测定每条多肽链的氨基酸组成； （

7、3）测定多肽链的N-末端和C-末端； （4）应用两种或两种以上不同的水解方法将所要测定的蛋 白质断裂，各自得到一系列大小不同的肽段； （5）分离提纯所产生的肽，并测定它们的序列； （6）从有重叠结构的各个肽的序列中推断出蛋白质中全部氨基酸顺序。 分析多肽链的N-末端和C-末端; N-端氨基酸分析法：DNFB法、Edman法、氨肽酶法（肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的向里水解） C-端氨基酸分析法：羧肽酶法（肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的向里水解）、肼解法,一.蛋白质的二级结构,它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。 主要有:,第三节 蛋白质的空间结构,定义:蛋白质分子中某

8、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 主要的化学键：氢键,-螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil),(一)蛋白质的二级结构,肽键平面：参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，称为肽键平面或肽单元。 C1和C2在平面上所处的位置为反式构型。,（1）-螺旋(-helix),多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个aa残基；两个aa之间的距离为0.15nm； aa残基侧链R基

9、团伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键； 天然蛋白质的-螺旋通常都是右手-螺旋。 螺旋稳定因素: 每个肽链的C=O, 与第4个氨基酸残基的N-H形成氢键。,-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构,影响-helix稳定的因素：,R基团电荷影响螺旋的形成： 酸碱性氨基酸集中的区域，同性相斥，不利螺旋。 R基团大小影响螺旋的形成： （Phe、Try、Ile）集中的区域，不利螺旋。Gly， Pro不能形成典型的螺旋。 折叠的氨基酸R基团较小。,（2）折叠(pleated sheet),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，R基团处于折叠平面的两侧。,-折叠使多

10、肽链形成片层结构,结构特点： 折纸状结构：以C为转折点，R基团在折纸状结构的上下方。 稳定因素： 两条肽链或一条肽链两段之间的C=O 与N-H 形成氢键。 两段肽链走向： 平行：N端到C端同方向，肽链间距0.65nm； 反平行: N端到C端不同方向, 肽链间距0.70nm。 蛋白质的二级结构主要以螺旋和 -折叠为主，许多蛋白质既有螺旋又有 -折叠。,（3）转角（turn）,多肽链经常出现180的回折，这个回折角就是转角结构,结构特点： 4个氨基酸残基组成，第1个残基的C=0 与第4个残基的N-H形成氢键,形成一个不很稳定的环状结 第二个残基常为Pro.,(4)无规卷曲：没有一定规律的松散的肽链

11、结构，通常酶的活性中心常处在这一构象区域里。,(二)超二级结构和结构域,超二级结构(super secondary 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。 常见的超二级结构： 、 ,模体(motif)：作用的超二级结构。 蛋白质分具有特殊功能子中，2个或3个具有二级结构的肽段，相互接近形成一个特殊的空间结构，并发挥专一的功能 。 模体常见的形式 -螺旋-转角（或环）-螺旋模体 链-转角-链模体 链-转角-螺旋-转角-链模体,结构域（domain） ：是在超二级结构基础上进一步卷曲折叠成紧密的近似球状的结构，在空间上

12、彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。,结构域,小的蛋白质分子只有一个 结构域 结构域三级结构 大的蛋白质分子有数个结 构域,(三)蛋白质的三级结构（Tertiary Structure）,在二级结构基础上，肽链不同区段的侧链基团相互作用，进一步盘绕、折叠形成的的空间结构。 定义: 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。 包括主链和侧链原子。 具有功能作用的完整蛋白质分子。 维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键、范德华力和二硫键、配位键等。,多肽链,疏水键,氢键,二硫键,离子键,CH2OH,CH2OH,范德华力,维持三级结构的作用力,(四) 蛋

13、白质的四级结构（Quaternary Structure）,由两条或两条以上具有三级结构的肽链聚合而成的特定构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构； 其中具有独立三级结构的一条肽链叫亚基（subunit)，无生物功能；亚基之间的结合主要是氢键和离子键。 由几个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白。,均一四级结构：相同亚基组成。同聚体 非均一四级结构：不相同亚基组成。异聚体,4个亚基缔合而成 2种亚基（、） 亚基呈球形 亚基间靠次级键连接 亚基两两相同，分别 为1 、2、1、2 每个亚基都含有一个 血红素辅基,血红蛋白的四级结构,第四节 蛋白质结构与功能的关系,（1）蛋白质的一级结构与功能的关系,1

14、.蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,牛核糖核酸酶的一级结构,2.氨基酸序列提供重要的生物化学信息 细胞色素(cytochrome C)， 比较一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。 3.同种蛋白质中氨基酸顺序的个体差异（分子病） 血红蛋白的一级结构变化引起镰刀型贫血病 4. 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 如:同源蛋白质,（2）蛋白质构象与功能的关系,蛋白质构象并不是固定不变的，有些蛋白质表现其生物功能时，构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象称为别构（变构）现象。 别构蛋白各部

15、位之间的影响是通过构象变化传递的，这种构象变化可以从一个亚基传到另一个亚基，引起协同的相互作用。 以血红蛋白的载O2为例,环境氧低时 Hb 迅速释放氧分子,动脉,环境氧高时 Hb 快速吸收氧分子,(R) 松弛态,(T) 紧张态,静脉,释放氧分子后 Hb 变回 T 态,血中氧分子的运送：,肌红蛋白（Mb） /血红蛋白（Hb）,血红素结构: 铁卟啉化合物 4个吡咯环、 4个甲炔基、 2个丙酸基与aa连接 Fe2+ 6个配位键： 4N、组aa、O2,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,肌红蛋白（Mb） 一条肽链，含1个血红素，可结合1个O2,血红蛋白（Hb） 4个亚基，亚基结构与Mb相似 含4个血红素，各结合4个O2 亚基之间8对盐键。,氧合Hb（Mb）：与O2结合后的Hb （Mb） 百分饱和度：氧Hb(Mb)占总Hb(Mb)的百分数。 氧解离曲线：氧分压与氧百分饱和度的关系曲线。,血红蛋白的构象变化与结合氧的功能,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,Mb: 呈直角双曲线 MB易与O2结合 Hb: 呈S状曲线 O2分压低时：Hb不易与O2结