《生物化学第二章》PPT课件.ppt

1、第四节 蛋白质的分子结构,一. 蛋白质的一级结构,蛋白质结构的主要层次,一级结构,四级结构,二级结构,三级结构,primary structure,secondary structure,Tertiary structure,quariernary structure,蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序,或称氨基酸序列。而蛋白质的化学结构包括肽链数目、端基组成、氨基酸序列和二硫键的位置，又称共价结构。蛋白质的一级结构是最基本的结构，它决定着蛋白质高级结构。,一. 蛋白质的一级结构,以胰岛素为例，胰岛素是动物胰脏中胰岛细胞分泌的一种分子量较小

2、的激素蛋白，它的主要功能是降低体内血糖含量。临床上用来治疗糖尿病。,最先由Sanger于1953年完成测定胰岛素一级结构.,20 世纪50 年代末，美国学者Moore 等人完成牛胰核糖核酸酶全序分析。该酶由一条含124 个氨基酸残基的多肽链组成，分子内含有4 个链内二硫键，分子量为12600，是水解核糖核酸分子中磷酸二酯键的一种酶。,二、蛋白质的构象和维持构象的作用力,2.1 构型与构象,构型（configuration）是指不对称碳原子上相连的各原子或取代基团的空间排布（D-构型、L-构型）。 构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成。,构象（conformation）是指相同构型的化合物中，

3、与碳原子相连的各原子或取代基团在单键旋转时形成的相对空间排布。 构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成。,2.2维持蛋白质构象的作用力 氢 键 范德华力 疏水作用 盐 键 二 硫 键 配 位 键,维持蛋白质分子构象的作用力a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键,蛋白质的二级结构（secondary structure）指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元主要有以下类型：,三、蛋白质的二级结构的概念 3.1 二级结构的概念,天然蛋白质包括-螺旋、 -折叠、 -转角、 无规则卷曲等二级结构。,X-射线衍射技

4、术研究表明，肽键C-N键介于单键和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转，其中绝大多数都形成刚性的酰胺平面结构。,3.2 蛋白质的构象,虽是单键却有双键性质 周边六个原子在同一平面上 前后两个a-carbon在对角(trans),C,H,a,N,C,O,C,a,C-N 0.145 nm (正常),C=N 0.133 nm,C=N 0.125 nm (正常),肽单位的构象具有三个显著的特征： 1肽单位是一个刚性的平面结构. 2肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置. 3C和亚氨基N 及C与羰基C 之间的键是单键，可以自 由旋转.,完全伸展的多肽主链构象,-碳原子,酰胺平面,=1800，

5、=1800,=00，=00的多肽主链构象,酰胺平面,=00，=00,侧链,非键合原子接触半径,因此，从理论上讲，蛋白质中的所有C- C单键和C- N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。 但事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。 主要原因：,这是因为主链上由1/3具有部分双键性质的C-N 键，不能自由旋转。 2.此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各异。 3.它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着大量的构象形成。,可将肽链的主链看成是由被Ca隔开的许多平面组成的。,1. a-螺旋(a-helix),2. b-折叠 (b-pleated she

6、et),3. b-转角 (b-turn),4. 无规卷曲 (nonregular coil),3.3 二级结构单元的种类,1）肽链中的酰胺平面绕C相继旋转一定角度形成-螺旋，并盘绕前进。每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈；每圈间距0.54nm，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm，旋转100。,-螺旋结构的主要特点：,1.-螺旋(-helix),2）螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧； 肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;,-螺旋结构的主要特点：,1.-螺旋(-helix),3）绝大多数天然蛋白质都是右手螺旋。每个氨基

7、酸残基的N-H都与前面第四个残基C=O形成氢键。,-螺旋结构的主要特点：,1.-螺旋(-helix),4） * -螺旋遇到Pro就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。,* 带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，不能形成键内氢键，螺旋的稳定性降低。,侧链在a-螺旋结构中的作用：,1.-螺旋(-helix),脯氨酸,COOH,C,H,NH,CH2,CH2,CH2,2、折叠（-pleated sheet）,特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即折叠片。侧链基团与C间的键几乎垂直于折叠平面，R基团

8、交替地分布于片层平面两侧。 类别：平行 反平行,2、-折叠(-pleated sheet),维持-折叠结构稳定性的力 氢键。由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之间形成，即氢键是在链与链之间形成的。,2、 -折叠( -pleated sheet),（a）平行式,（b）反平行式,N端在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.325nm,N端不在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.35nm,3、 转角（-turn）,特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800 。,-转角都在蛋白质分子的表面。,无规卷曲常出现在a-螺旋与a-螺旋、a-螺旋与-折叠、 -折叠与-折叠

9、之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。,又称自由卷曲，是指没有一定规律的松散肽链结构。酶的功能部位常常处于这种构象区域。,4、无规则卷曲（non-regular coil）,无规则卷曲示意图,无规则卷曲,细胞色素C的三级结构,四、 蛋白质的超二级结构和结构域,蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或折叠或转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构 基本组合方式：；,()超二级结构的定义（ supersecondary structure ）,4.1 超二级结构,（2） 类型,-由两股或三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋,-由两股折叠片，中间加入螺旋而形成的

10、片层结构,-由三条或更多的反平行式-链通过-转角或其它的肽段连接而成的结构,A；B X ； C ； D -曲折； E. 回形拓扑结构,在二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。 形成意义： 动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更 具柔性,4.2 结构域（structure domain） （1）结构域的定义,卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域,-螺旋,-转角,-折叠,二硫键,结构域1,结构域2,（2）特点,A 结构域之间有一段肽链相连铰链区,B 各个结构域

11、可以相似或不相同,C 结构域一般为酶活性中心,五、 蛋白质的三级结构,多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、折叠片、转角等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。 实例：肌红蛋白 核糖核酸酶,(一)三级结构的定义,肌红蛋白三级结构,153个氨基酸残基,核糖核酸酶三级结构示意图,124个氨基酸残基,A,B,C,（二）蛋白质的三级的结构特怔,卵溶菌酶（egg lysozyme）的三级结构,蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。,具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶

12、中含有螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲四种二级结构,（三）维持三级结构的作用力,二硫键 共价键,疏水作用,非共价键（次级键）,氢键,离子键,范德华力,四级结构（quaternary structure）：由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称为亚基。 亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。,六、蛋白质的四级结构,（一）四级结构的定义,六、蛋白质的四级结构,实例：血红蛋白 血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚蛋白质。这四条链主要通过非共价键相互作用缔合在一起。血红蛋白分子上有四个氧的结合部位

13、，因为每条链上含有一个血红素辅基。 烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构,血红蛋白四级结构,141,146,烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装,(二) 维持四级结构的作用力,疏水作用 氢键 离子键 范德华力,多肽链的主链首先折叠成一系列二级结构（构象单元），相邻的构象单元随即组合成规则的超二级结构，若干超二级结构进一步盘旋产生结构域，两个或多个结构域形成具有独立三级结构的单位或亚基，最后，若干亚基组装成具有特定四级结构的寡聚体。,球状蛋白质三维结构的形成：,Summary,第五节 蛋白质的分子结构与功能的关系,一、 蛋白质一级结构与功能 二、 蛋白质高级构象与功能,蛋白质复杂的组成和结构是其多种

14、多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。,一级结构决定高级结构，也决定蛋白质的功能,1、蛋白质一级结构的种属差异与分子进化 实例：细胞色素 有些蛋白质存在于不同的生物体中，但具有相同的生物学功能，这些蛋白质被称为同功能蛋白质或同源蛋白质。 同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基对所有已研究过的物种来说都是相同的，因此称为不变残基 （ invariant residue ）； 但其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化，因而称为可变残基（ variable residue ）。

15、同源蛋白质中氨基酸序列的相似性称为顺序同源性。,一、 蛋白质一级结构与功能,不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基,35个不变的AA残基，是Cyt C 的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。,不同生物与人的Cytc的AA差异数目,生物 与人不同的AA数目 黑猩猩 0 恒河猴 1 兔 9 袋鼠 10 牛、猪、羊、狗 11 马 12 鸡、火鸡 13 响尾蛇 14 海龟 15 金枪鱼 21 角饺 23 小蝇 25 蛾 31 小麦 35 粗早链孢霉 43 酵母 44,2、蛋白质一级结构的变异与分子病 实例：血红蛋

16、白质异常病变镰刀型贫血病,由于基因突变导致蛋白质一级结构发生变异，使蛋白质的生物学功能减退或丧失，甚至造成生理功能的变化而引起的疾病，称分子病。,正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图,镰刀形红细胞,正常红细胞,-链N端氨基酸排列顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 Hb-A（正常人） Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys Hb-S（患 者） Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys,二、 蛋白质高级构象与功能,高级构象决定蛋白质的功能,1 、蛋白质高级构象破坏，功能丧失 实例：核糖核酸酶的变性与复性 2 、蛋白质在表现生物功能时，构象发生一定变化

17、（变构效应） 实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能,核糖核酸酶变性与复性作用,Native ribonuclease,Denative reduced ribonuclease,Native ribonuclease,变性,复性,别构效应：一些蛋白质由于受某些因素的影响，其一级结构不变而空间结构发生变化，导致其生物功能的改变，称为蛋白质的变构现象或别构现象。变构现象是蛋白质表现其生物功能的一种普遍而十分重要的现象，也是调节蛋白质生物功能的极为有效的方式。 一个亚基的变构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应。,血红蛋白输氧功能和构象变化,血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线,活动肌肉毛细血管

18、中的PO2,0 20 40 60 80 100,肺泡中的PO2,肌红蛋白,血红蛋白,氧分压,氧饱和度,13.33kPa,2.67kPa,第六节蛋白质的重要性质,一、 两性解离性质及等电点 二、 蛋白质胶体性质 三、 蛋白质的沉淀 四、 蛋白质的变性与复性 五、 蛋白质的紫外吸收特性 六、 蛋白质呈色反应,一、蛋白质两性解离性质和等电点,当蛋白质溶液在某一定pH值时，使某特定蛋白质分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该蛋白质的等电点 （isoelectric point，pI）。,由于不同蛋白质的氨基酸组成不同，所以都有其特定的等电点，在同

19、一pH 条件下所带净电荷不同。如果蛋白质中碱性氨基酸较多，则等电点偏碱，如果酸性氨基酸较多，等电点偏酸。酸碱氨基酸比例相近的蛋白质其等电点大多为中性偏酸，约在5.0左右。 由于各种蛋白质的等电点不同，所以在同一pH 溶液中带电荷不同，在电场中移动的方向和速度也各不相同，根据此原理就可利用电泳的方法将混合的各种蛋白质分离开。,二、蛋白质胶体性质,由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层，同时这些颗粒带有电荷，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体。,蛋

20、白质之所以能以稳定的胶体存在主要是由于： 蛋白质分子大小已达到胶体质点范围（颗粒直径在1100nm 之间），具有较大表面积。 蛋白质分子表面有许多极性基团，这些基团与水有高度亲和性，很容易吸附水分子。实验证明，每1g 蛋白质大约可结合0.30.5g 的水，从而使蛋白质颗粒外面形成一层水膜。 蛋白质分子在非等电状态时带有同性电荷，即在酸性溶液中带有正电荷，在碱性溶液中带有负电荷。由于同性电荷互相排斥，所以使蛋白质颗粒互相排斥，不会聚集沉淀。,蛋白质胶体性质的应用 透析法:利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析（dialysis）。,盐析法:在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现象称为盐析（salting out）。,另外，当在蛋白质溶液中加入中性盐的浓度较低时，蛋白质溶解度会增加，这种现象称为盐溶（salting in），这是由于蛋白质颗粒上吸附某种无机盐离子后，使蛋白质颗粒带同种电荷而相互排