蛋白质结构与功能.ppt

1、第二讲 蛋白质的结构和功能（一）,按预期的结构和功能 基因修饰或基因合成 定向改造蛋白质 设计、构建新型蛋白质,结构与功能关系 三维结构,基 础,符合需要 性能优良 功能强大,蛋白质工程,天然蛋白质,新型蛋白质,蓝 图,没有蛋白质就没有生命,新陈代谢、生长繁殖（生老病死）,造福人类,第一节 蛋白质组成和基本结构,蛋白质：-氨基酸按一定顺序以肽键链接形成的、具有一定空间结构、执行生物功能的高分子化合物或生物大分子。天然 20种 L型-氨基酸 是生命活动的重要的物质基础。 功能：结构与支架，运动，防御和保护，催化，调节，运输，信息传递等 蛋白质类别（性状、结构和溶解度） 纤维状蛋白质：胶原蛋白、弹

2、性蛋白、角蛋白、丝蛋白、血纤蛋白等 球状蛋白质：大多数蛋白 膜蛋白质：跨膜蛋白、膜内蛋白、锚定蛋白等 蛋白质多样性：组成、多层次结构和结构单元、空间结构 （复杂性和多样性） 结构多样性是功能多样性基础 揭示蛋白质机构和功能关系,蛋白质的应用 纺织：洗涤酶制剂：蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶过氧化物酶 食品：（焙烤酶制剂，增加面包体积改善面团性质和瓤结构） 酿酒：饲料：造纸：医药：农业： 聚-谷基酸： 生物可降解塑料和水凝胶、防冻剂、絮凝剂、重金属吸附剂、饲料添加剂、骨质疏松预防药物、医用生物粘合剂、酶固定剂 聚天冬氨酸： 冷却水处理系统的水垢处理剂、环境温和的去垢剂、金属抗腐蚀剂、矿浆液化剂

3、、皮革鞣制剂、化妆品添加剂。人工合成，已经大规模生产,* 样品中蛋白质含量估算 = 样品中含氮量6.25,一、蛋白质的分子组成 1、蛋白质元素组成,2、蛋白质的基本单位-氨基酸,氨基酸机构通式,1、氨基酸： 天然氨基酸（蛋白质）、非天然氨基酸 2、组成蛋白质氨基酸 20种氨基酸 名称及简写符号（三字母和单字母） 3、基本结构,非极性中性氨基酸：R基团不带电荷或极性极微弱疏水性 甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。 极性中性氨基酸：R基团极性亲水，但不解离或极弱解离 丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天门冬酰胺。（羟基和酰胺基） 酸性氨基酸：R基

4、团极性且解离，在中性溶液中酸性，带负电荷，亲水性强。 天门冬氨酸、谷氨酸。（羧基） 碱性氨基酸：R基团极性解离，在中性溶液中显碱性，带正电荷，亲水性强。 组氨酸、赖氨酸、精氨酸。（氨基或亚氨基）,分类（按R侧链结构）,丙氨酸 Ala,蛋氨酸 Met,脯氨酸 Pro,缬氨酸 Val,亮氨酸 Leu,异亮氨酸 Ile,苯丙氨酸 Phe,甘氨酸 Gly,色氨酸 Trp,丝氨酸 Ser,组氨酸 His,半胱氨酸 Cys,苏氨酸 Thr,天冬酰胺 Asn,谷胺酰胺 Gln,酪氨酸 Tyr,天冬氨酸 Asp,谷氨酸 Glu,赖氨酸 Lys,精氨酸 Arg,20种氨基酸（复习），要求记忆三字符缩写,构型,构

5、型,一个分子中原子的特定空间排布,当一种构型改变为另一种构型时必须有共价键的断链和重新形成；不同构型分子间除镜面对称外不能以任何方式重合,L-型,D-型,构象,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,当一种构象转变为另一种构象时不要求有共价键的断链和重新形成,构象,氨基酸的立体异构,氨基酸的光吸收,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220nm)均有光吸收。 在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。 酪氨酸 max275nm，275=1.4x103; 苯丙氨酸 max257nm，257=2.0 x102; 色氨酸 ma

6、x280nm，280=5.6x103;,二、 肽和多肽链,肽键/酰胺键 寡肽：12-20 多肽：大于20 多肽链的构型(反式tran/顺式cis） 多肽链的构象（C-N扭角, C-C扭角） 序列读法：左右，NC ，氨基端羧基端,肽单位和多肽链,氨基酸,多肽链,肽键,一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经过缩合反应形成的共价键,蛋白质,通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。,多肽的结构,由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。,氨基酸残基： 氨基酸连接成多肽时，由氨基酸的主链和侧链组

7、成的一个基本单位。（氨基酸在形成肽键以后保留的部分） 组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。,多肽链,第一个氨基酸具有自由的 NH2,称为氨端或N端,主链（肽键连接部分）,最末一个氨基酸具有自由的 -COOH,称为羧端或C端,多肽链,氨基酸顺序：在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列的顺序。 末端：通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。 氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,肽键-1,肽键-2,特点：氮原子的孤对电子与羰基具有

8、明显的共轭作用。 组成肽键的原子处于同一平面。 肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。 在大多数情况下，以反式结构存在。,肽键-3,肽键具有局部双键性质，具有反式和顺式两种构型,肽键平面二级结构的基础 肽单元呈刚性平面（肽键平面）,由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构。,在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。 许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。具有特殊的生理功能，常称为活性肽。 如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。,天然存在的重要多肽,第三讲：蛋白质的结构与功能的关系 （二）,内容提要,一

9、级结构 二级结构 三级结构 四级结构 结构功能,蛋白质的结构及其功能,重点掌握： 超二级结构 结构域 三级结构,I 蛋白质的结构层次 一级结构： 二级结构：-螺旋，-折叠，回折，环肽链，无规则卷曲 超二级结构（膜体）： - -, - 结构域： 三级结构： 四级结构：,氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序. 组成蛋白质的20种氨基酸，按遗传密码编码的顺序，通过肽键连接起来的多肽链。,一、蛋白质一级结构,核糖核酸酶的氨基酸排列顺序,一级结构的重要性 决定高级结构 决定生物学活性,二、蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构： 指多肽链主链构象（主链的排列方式）； 多肽链本身折叠或盘曲所形成的局部空间构象；

10、多肽链主链中各原子（不涉及侧链和其它部分）在局部的空间排布。 一段连续的肽单位-氢键排列成的具有周期性结构的构象。 蛋白质二级结构主要作用力氢键 种类： -螺旋、-折叠、转角和无规则卷曲等 基本组件：一螺旋、-折叠、 转角,1、二级结构的基础肽键平面 肽单元呈刚性平面（肽键平面）,由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构。,2、蛋白质空间构象的作用力 氢键：二级结构的主要作用力 范德华力 疏水作用 库仑力（静电引力） 二硫键： 稳定构象， 多在转角附近形成,3、二级结构的基本形式 （1） -螺旋 （-helix） 蛋白质基本结构 -螺旋肽平面键长

11、、键角一定； 肽键的原子排列呈反式构型； 相邻的肽平面构成两面角；,多肽链中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个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm; 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。（ C=O:H-N） 蛋白质分子多为右手-螺旋。 另外：310螺旋（-helix的末端）和螺旋（一圈4.4 aa,不稳定，很少存在）,-螺旋,（2）-折叠（ -sheet）,蛋白质基本组件，5-10个氨基酸残基组成 -片层/-折叠：肽链中一种比较伸展、呈锯

12、齿状的肽链结构，单链间通过氢键形成的层状结构。伸展性较差。 单链构象伸展，单链原子间没有相互作用，稳定性较差，靠链间的氢键。 平行-折叠： 1.同一走向-规则的-链疏水侧链分布在折叠片平面的两侧 2.主要分布球状或纤维状蛋白 反平行-折叠： 1.相反走向-规则的链疏水侧链分布在折叠片平面的一侧 2.主要分布：如纤维状蛋白 MORE ATTENTION？ 实际蛋白质结构中的-折叠不都是平直层面，而是一种扭转层面。Why？,平行和反平行-折叠,（3）回折-reverse turn, -转角（ -turn） 是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构。 主链骨架本身180回折； 由4个氨基酸残基构成

13、； 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，构象稳定。 分两种型（I型和II型） -转角（-turn） 外形与-转角类似，但折叠更紧密，通常由三个残基组成。较少见。,I型,II型,OR2和R3 反式,OR2和R3 顺式,-凸起： 反平行-片层中的一种不规则情况； 在一股链中有一额外氨基酸残基，产生凸起； 肽链方向发生一定变化。 常常位于活性中心 详见教材 p19 图2-10 -凸起 环（-loop）： -转角的延伸，多肽链也呈180回折，但回折部分较长，通常由6-16个残基构成。呈环型。柔性很强，如活性中心的打开和关闭 （4）无规则卷曲： 指多肽链主链部分形成的无规律

14、的卷曲构象。 也称卷曲：无规则、不重复的明确而稳定的结构， 受侧链影响，但能运动，酶的活性部位和其它功能。,三种主要二级结构示意图,三、超二级结构,定义：相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用形成规则排列的组合体，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中。也称模体（motif）。 意义：肽链折叠和结构预测种类： 基本的超二级结构类型（3类） ：转录因子-亮氨酸拉链（识别DNA?参与基因表达调控）；纤维状蛋白主要结构元件 结合力：（平行和反平行）非极性结合成疏水内核 ：羧肽酶,-发夹活性中心结构；平行平行/反平行。 :反向平行的折叠与-螺旋，或相互平行垂直的-螺旋。 如：Zn指结构，具有识别作用。

15、 Zn2+与2个Cys和2个His配位结合，,三种基本的超二级结构模型,二级结构和超二级结构,二级结构与超二级结构的关系,下面认识一下超二级结构,A: B: C: (Rossman折叠） D: （发卡结构） E: （曲折） F: （希腊钥匙拓扑）,螺旋组合 由两段-螺旋通过环连接形成的结构。 如：噬菌体的衰减子，识别DNA，与DNA的大沟结合。 在钙结合蛋白家族、DNA结合蛋白、转录因子中的模体结构。 癌基因蛋白亮氨酸拉链结构也属于这一类型,钙调素中的EF 手型模体,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,癌基因蛋白Fos中的亮氨酸拉链模体识别DNA，参与基因表达

16、调控，与癌基因表达调控有关,常出现于真核生物DNA结合蛋白的C-端，可识别DNA，参与基因表达调控，往往与癌基因表达调控功能有关。 主要代表：酵母转录激活因子GCN4，癌蛋白Jun，Fos，Myc，增强子结合蛋白C/EBP等。 其一级结构C末端，亮氨酸有规律地每隔7个氨基酸出现一次。两组平行走向的带亮氨酸的-螺旋靠疏水作用形成对称二聚体时，每条肽链上的亮氨酸残基，刚好互相交错排列，形成“拉链”。 在“拉链”式的蛋白质分子中，亮氨酸以外带电荷的氨基酸形式同DNA结合。 当来自同一个或不同多肽链的两个-螺旋的疏水面(常常含有亮氨酸残基)相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链.,亮氨

17、酸拉链 (leucine zipper),-片层组合 顺向平行或反向平行-片层组合 -组合常形成回形拓扑结构和-曲折结构。,回形拓扑结构和-曲折结构,顺向平行或反向平行-片层组合,或组合,DNA结合蛋白中的锌指模体（组合）,由两段-片层结构与一段-螺旋结构组合而成。 常见于蛋白质分子的结构域中。,四、结构域（Domain）,定义：在二级结构和超二级结构（模体）的基础上，肽链进一步折叠形成的功能上相对独立，结构较为紧凑的三级结构的局部折叠区域。 100-200残基折叠或部分折叠成独特的空间构象，并承担特定的生物学功能。由此，也称为功能区。 同一蛋白，结构域可相同，可不同，但不同的蛋白质中也可以有

18、相同的结构域。 如：乳酸脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、苹果酸脱氢酶均以NAD+为辅基，具有2个结构域，但NAD+结合的结构域构象基本相同。 较小球蛋白：仅有一个结构域，结构域和三级结构意义相同。如红氧还蛋白（单结构域） 较大球蛋白：有两个或以上的结构域，铰链连接，柔性强，以便相对运动。 一般来说：结构域是独立存在的功能单位，可以是一个结构域，也可以是2个或以上结构域组成。 典型实例：IgG（共12个，可变区4个，恒定区8个），V区结合抗原，由2个结构域组成。,结构域分类： 型结构域：如：蚯蚓血红蛋白，铁蛋白，毛发-角蛋白等； /型结构域：数量较多。黄素氧还蛋白；人硫氧还蛋白； 丙酮酸激酶，甲基

19、化转移酶 型结构域：免疫球蛋白G (IgG),型结构域,毛纤维-角蛋白,胶原蛋白中存在的螺旋结构不同于一般的-螺旋，单股左手螺旋，整体右手螺旋。,型结构域,胶原蛋白,又称Rossmann折叠，由-螺旋与片层交替连接形成多层结构 平行的-片层在内，-螺旋形成外部覆盖层。 由于-片层链总是呈右手扭曲走向，故多条-片层链均右手扭曲成筒状（-barrel）或马鞍形（saddle shape）。,/型结构域（3种类型）,图 单绕平行筒结构模式图,磷酸丙糖异构酶中的单绕平行筒,/型（1）平行的/拓扑结构,-螺旋和-片层的重复单位从头至尾盘绕成马蹄状结构。 其-片层链只有轻微的倾斜，并几乎与中心轴平行,胎盘

20、核糖核酸酶抑制剂中的 /马蹄状结构,/型（2）/马蹄状结构,乳酸脱氢酶的核苷酸结合结构域， 6段-片层链和4段-螺旋 交叉连接而成双绕平行-片层。,乳酸脱氢酶的核苷酸结合结构域中的双绕平行-片层,若干-片层平行交叉盘绕成马鞍形双层结构， 并与若干段-螺旋交叉连接而成。平行的-片层链在内部，-螺旋在两侧,双绕平行-片层结构模式图,/型（3）双绕平行-片层,/型（3）双绕平行-片层,图 黄素氧还蛋白中的双绕平行-片层,图 二氢叶酸还原酶中的双绕平行-片层,绝大部分由反平行片层组成，-螺旋结构10%，也可形成-筒或双绕片层。,结构域,图 希腊花边-筒的结构模式,几种不同的希腊花边-筒,回形镶边（希腊

21、花边）样折叠的筒状结构,结构域（1）希腊花边-筒,图 免疫球蛋白VL结构域中的希腊花边-筒,图 前清蛋白中的希腊花边-筒,结构域（1）希腊花边-筒,结构域（2）卷饼折叠,图 星状烟草坏死病毒外壳蛋白中的卷饼折叠,“卷饼折叠”是在希腊回形花边结构基础上，添加额外的交叉盘绕结构。,“-螺旋浆”是若干-折叠链组成“叶片”样结构，然后再由若干“叶片”围成圆形的螺旋浆结构，又称为“超筒”,图 神经酰胺酶亚基中的-螺旋浆,结构域（3） -螺旋浆,-折叠链多层盘绕，形成“三明治”夹心结构，中间可以包含-螺旋等其他结构。,图 -晶体蛋白中的-三明治折叠,图 脂笼蛋白(肠脂肪酸结合蛋白)中的 -三明治折叠,结构

22、域（3） -三明治折叠,五、三级结构-tertiary,定义： 多肽链中，各个二级结构的空间排布方式及有关侧链基团之间的相互作用关系，称蛋白质的三级结构。 理解： 蛋白质的多肽链在各种二级结构和超二级结构基础上，通过侧链基团的相互作用，进一步盘曲折叠形成具有一定规律的三维空间结构。 对球状蛋白而言，整条多肽链中二级结构元件和结构域空间排列方式，也是指肽链中所有原子的空间排布方式。 三级结构 = 主链构象+侧链构象 仅一条的蛋白质，三级结构式其最高层次结构。 维持蛋白质三维结构的作用力？主要次级键,氢键：-OHO=C-OH 疏水键:苯环，疏水氨基酸 盐键或离子键：-NH3+-O-C=O 范德华力

23、,环境因子影响,变性和复性 活性变化,肌红蛋白（A）和丙糖磷酸异构酶（B） 三级结构,A,A,A,B,定义：由两条或两条以上的具有独立结构的多肽链、以次级键相互结合而形成的空间结构。 亚基：每个具有独立结构的多肽链单位 四级结构是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局 亚基之间的次级键结合比二三级结构疏松，结合驱动力是疏水相互作用，结合的专一性是由极性基团之间的氢键和离子键提供。 亚基可以是相同的，也可以是不同的。,六、四级结构-quarternary,血红蛋白四级结构模型,面红蛋白四级结构模型,蛋白质的一级结构和空间构象,1.空间结构特点：不是走向随机，而是特有的构象 2.著名的Anfi

24、nsen原理（20世纪60年代）： 每种蛋白质都有自己的特定氨基酸组成和排列顺序 蛋白质一级结构氨基酸序列已经包含了其三维结构的全部信息，即一级结构决定了蛋白质的高级结构。 一级结构可以自动发展到高级结构。或者说决定蛋白质分子高级结构的全部信息都包含于一级结构即多肽链的氨基酸序列中。 3.遗传密码：指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序。三联密码，三个碱基决定一个氨基酸是遗传密码 4.折叠密码：多肽链中的氨基酸序列决定蛋白的空间结构的“密码”。,II 蛋白质结构与功能关系,一、蛋白质一级结构与功能关系 构象和功能由一级结构决定，有什么样的氨基酸序列，就要什么样的空间结构，决定论蛋白质多种多样的功能。 1、一级结构不同，生物功