生物化学第01章蛋白质的结构与功能临床5年制第7版.ppt

1、第一篇：生物大分子的结构与功能,生物大分子：由某些基本结构单位按一定顺序和连接方式所形成的多聚体。 蛋白质：氨基酸 核酸：核苷酸 酶：（蛋白质） 糖复合物：单糖,蛋白质的结构与功能,第一章,Structure and Function of Protein,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：占人体干重的45， 某些组织，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重要组成成分(结构蛋白),Protein derives from Greek protos，meaning “first” or “foremost”.,1）作

2、为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要的生物学功能(功能蛋白),3. 氧化供能,病例：老年痴呆症 蛋白质结构变化引起疾病,记忆力明显减退，经常忘记刚刚说过的话或做过的事，对于熟悉的人或物品，不能回忆其名称。 语言不流畅，经常间断，与人交流困难。 睡眠欠佳，表情淡漠，反应迟钝。,里根,撒切尔,什么是蛋白质?,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。,蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein,第一节,组成蛋白质的元素：

3、,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 。,蛋白质分子组成：,蛋白质的含氮量平均为16。,体内含氮物质以蛋白质为主，测定生物样品含氮量，可根据以下公式推算蛋白质大致含量：,100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%,蛋白质元素组成的特点：,三氯氢胺事件,一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于 L-氨基酸,自然界中氨基酸300余种， 人体蛋白质氨基酸20种，均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,COOH COOH H2NCH HCNH2 R R L-氨基酸 D-氨基酸,C,+,N,H,3

4、,C,O,O,-,H,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,二、氨基酸根据 侧链结构和理化性质进行分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于 非极性脂肪族氨基酸,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是 极性中性氨基酸 (-OH、-SH、N2H）,半胱氨酸,胱氨酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是 芳香族氨基酸,Tyr,Trp,(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,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸是 碱性氨基酸,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质,两性解离及等电点,氨基

5、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值称为该氨基酸的等电点。,（一）氨基酸具有两性解离的性质,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,pH=pI,pHpI,pHpI,兼性离子A0,阳离子A+,阴离子A-,K1=A0H+/A+ K2=A- H+/A0,K1,K2,A+ A0+H+,A0 A-+H+,pI=(pK1+pK2)/2,（二）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 280 nm 附近。,大多数蛋白质

6、含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,肽键(peptide bond)：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酰氨键。,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide),O O NH2-CH-COH HN CH-C OH R1 R2,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,蛋白质肽：氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,二肽：两分子氨基酸残基缩合形成 三肽：三分子氨基酸残基缩合形成， 寡肽：十个以内氨基酸相连，(oligopeptide) 多肽：由更多的氨基酸相

7、连，(polypeptide) 蛋白质：51个氨基酸 氨基酸残基 (residue): 肽链中的氨基酸分子; 因为氨基酸脱水缩合使基团不全。,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,多肽链 (polypeptide chain)： 许多氨基酸通过肽键连接形成的链状结构。,主链结构: 氨基酸残基通过肽键连接而成的结构。 侧链结构：氨基酸残基 R基团结构。,氨基末端（N 末端）：多肽链中有自由氨基的一端 羧基末端（C 末端）：多肽链中有自由羧基的一端 多肽链方向性：从氨基末端走向羧基末端,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH

8、-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),GSH功能： GSH的巯基具有还原性：保护蛋白质或酶分子的巯基免遭氧化，维持蛋白质或酶活性状态。 GSH还原H2O2 GSH与致癌剂或药物结合,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein,第二节,蛋白质的分子结构： 蛋白质分子各原子的空间排布和相互关系。 蛋白质分子量大，呈多肽链，折叠成一定形状

9、，具有空间结构。 空间结构不同，功能不一样。,一级结构：氨基酸的排列顺序，线性结构。 二级结构：主链原子的空间排布。 三级结构：主链和侧链原子的空间排布。 一条多肽链所有原子的空间排布。 四级结构：多条肽链之间原子的空间排布。,O O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-C- R 1 R2 R3 Rn,1951年Linus Pauling等提出蛋白质螺旋结构 1952年丹麦科学家(Linderstrom-Lang)建议：,定义: 蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。,一、氨基酸的排列顺序决定 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。

10、,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。细胞环境因素影响蛋白质分子空间构象。,蛋白质数据库,Genebank： NCBI网站： National Center for Biotechnology Information /,二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 二级结构(secondary structure),蛋白质分子中某一段肽链的主链空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置。 不涉及氨基酸残基侧链的构象 。,主要的化学键：氢键,定义:,主链骨架原子：N-H、C、C=O重复排列。,O O O

11、 O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-C-OH R R R R,键长： CN：0.149 C=N：0.127 肽键：0.132 肽键具有部分双键性质,O O CC NC CC = N+ C H H,（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上,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，此一平面称之。,肽单元：肽键平面的6个原子构成的单元结构称之。 C1和C2在平面上所处的位置为反式构型。,H O R2 H H O R4 H H NH2CC = NCC = N CC = NCC = N CCOOH R1 H H O R3 H H O R5,-螺旋

12、( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil),蛋白质二级结构的主要形式：,肽单元平面通过C旋转或折叠形成的主链结构。,维系二级结构的主要化学键： 氢键,（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 多肽链肽键平面通过C旋转，形成一种螺旋的结构。,结构特点:,右手螺旋，R基团伸向螺旋的外侧。 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。 旋转一圈: 3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm。 两性特点：每隔34个aa有1个极性或非极性aa，肽链具有亲水性或疏水性。,（三）-折叠使多肽链形成片层结构,-

13、折叠：多肽链肽键平面通过C折叠， 形成一种伸展形的折纸状结构。,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。,-转角：肽链1800回折，回折角形成的结构。,4、无规卷曲：没有确定规律性的部分肽链结构。,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。 第二个残基常为Pro.,（

14、四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在,（五）模体是具有特殊功能的超二级结构,超二级结构：2个或3个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近、相互作用形成有规则的二级结构组合，称为超二级结构。 常见的超二级结构： 、 ,-Loop,模体(motif)： 具有特殊功能作用的超二级结构。 蛋白质分子中，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 。,-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,模体常见的形式,钙结合蛋白的模体 （螺旋-环-螺旋） 在环(无规卷曲)中亲水侧链的氧原子通过氢键与Ca2+结合。,钙结合蛋白中结合钙离子

15、的模体,锌指结构,锌指结构 1个螺旋， 2个反平行-折叠 组成形似手指的结构。 N-末端1对Cys， C-末端1对His， 容纳结合一个Zn2+。 螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，与DNA结合。,（六）氨基酸残基侧链对二级结构形成的影响,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。,三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构,疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。 以疏水键为主要作用，不牢固，易被破坏。

16、,主要的化学键:,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。,定义:,（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,肌红蛋白 (Mb),Mb的结构特点： 153个氨基酸残基组成球状单链蛋白分子。 8个螺旋占75%，间隔无规卷曲。 含1个血红素辅基,（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区,结构域：蛋白质分子折叠形成的、相对致密的、具有一定功能作用的局部区域，称为结构域。 结构域是蛋白质的活性部位，是蛋白质局部肽链所有原子排布。,磷酸甘油醛脱氢酶的NAD+结合结构域和催化结构域,纤连蛋白分子的结

17、构域,分子伴侣(chaperone)：能为其它蛋白质分子提供合适 环境，使之折叠成具有天然构象蛋白质的分子。 本质：热休克蛋白、伴侣分子、核质蛋白。,作用： 分子伴侣能与未折叠肽段疏水部分可逆反复结合，使肽链正确折叠。 分子伴侣能与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。 分子伴侣能使二硫键形成正确的配对。,（三）分子伴侣参与蛋白质折叠,亚基之间的结合主要是氢键和离子键。,四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构,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，称为蛋白质的四级结构。,蛋白质的亚基 (subunit)：含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每条具有完整三级

18、结构的多肽链，称为亚基,血红蛋白的四级结构,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,血红蛋白的一、二、三、四级结构,一级结构：氨基酸的排列顺序，线性结构。 二级结构：局部主链原子的空间排布。 （螺旋、折叠、转角、无规） 超二级结构：几个二级结构的组合 模体：具有功能作用的超二级结构 结构域：局部主链和侧链原子的空间排布 三级结构：主链和侧链所有原子的空间排布。 一条多肽链所有原子的空间排布。 四级结构：多条肽链之间原子的空间排布。,蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein,第三

19、节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、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,（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,根据蛋白质结构与功能关系分类： 序列相似、结构相似（结构域、模体）、功能相似,根据同源蛋白质序列相似程度分类 同源蛋白：来自同一祖先（功能相似）的蛋白 质，氨基酸序列相似程度25%。,蛋白质的分类,根据蛋白质组成成分:,根据蛋白质形状:,（三）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。,（四）重要蛋白质的

20、氨基酸序列改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血 glu: GTA val:GAA,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,二、蛋白质空间结构与功能的关系,1、蛋白质功能需要完整的空间结构。 单亚基蛋白质(单聚体): 结构域没有完整的功能。 多亚基蛋白质(寡聚体): 三级结构没有完整功能。 2、空间结构改变（变构）, 功能改变。 3、空间结构破坏（变性）, 功能丧失。,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）

21、 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：氧合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结合； O2分压升高：逐渐增强结合力。,紧密型（T态）： 盐键连接，亚基紧密结合，O2亲合力低。 松弛型（R态）： 盐键断裂，亚基松弛结合，

22、O2亲合力高。,（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合,亚基之间8对盐键，使Hb形成2种空间结构。,缺O2 时，Hb呈T态； O2升高与亚基结合，盐键断裂； Hb由T态转变为R态； R态Hb与O2亲合力提高。,血红素与O2结合； 铁原子半径变小，进入卟啉环小孔中； 肽链位置变动,影响亚基的构象； 盐键断裂，T态转变为R态； 亚基结合O2能力增强。,协同效应(cooperativity),一个多聚体蛋白质的一个亚基与配体结合，能影响此多聚体的另一个亚基与配体结合，这种现象称为协同效应。 如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协

23、同效应 (negative cooperativity),Hb的第一个亚基与O2结合，促进第二个亚基与O2结合。,别构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构（构象）的改变伴随其功能的变化，称为别构效应（变构效应）。,Hb的第一个亚基与O2结合，引起Hb的空间结构改变，从T态变构为R态，O2结合力改变。,（三）蛋白质构象改变可引起疾病,蛋白质构象疾病： 蛋白质构象发生改变，影响蛋白质功能，所导致的疾病，称之。 蛋白质的折叠发生错误，一级结构不变。,人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、 亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,蛋白质构象改变导致疾病的机制： 蛋白质错误折叠后相互聚集， 聚集蛋白抵

24、抗蛋白水解酶， 产生淀粉样纤维沉淀，而致病。 病理改变：蛋白质淀粉样纤维沉淀,疯牛病：由朊病毒蛋白(prion protein, PrP) 引起的一组人和动物神经退行性病变。 朊病毒蛋白的分型： 正常细胞型PrP：PrPc 异常致病型PrP：PrPsc 朊病毒蛋白的特点： 同一基因编码，氨基酸顺序和共价修饰相同。 PrPc：螺旋构成、 蛋白酶敏感型 PrPsc：折叠构成、抗蛋白酶消化型。,疯牛病中的蛋白质构象改变,在某种未知蛋白质的作用下， PrPc转变成为-折叠的PrPsc，从而致病。,以外源或新生的PrPsc为模板，使PrPc转变为PrPsc。 PrPsc经蛋白酶消化后剩下的核心部分分子量

25、约2730KD(PrP2730)仍具感染性。,第四节,蛋白质的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白质两性电离的性质,蛋白质的等电点( isoelectric point, pI),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。,当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。,PHPI,利用电荷性质差异进行蛋白质分离,蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场

26、中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳(elctrophoresis) 。,二、蛋白质胶体性质,蛋白质分子量1万至100万之间，分子的直径1100nm，为胶粒范围之内。,蛋白质胶体稳定的因素: 水化膜：表面极性基团吸附H2O分子。 颗粒表面电荷：静电斥力，使蛋白质颗粒不易聚集。,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,蛋白质沉淀：蛋白质胶体性质破坏，或疏水基团暴露，使蛋白质分子聚集，而从溶液中析出的现象。 使蛋白质沉淀的因素： 中和电荷：pH=pI 破坏水化膜：脱水剂 破坏空间结构：蛋白质变性 结构改变，疏水基团暴露。,在物理和化学因素作用下，蛋白质特定空间

27、构象被破坏，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学活性的丧失。,蛋白质变性(denaturation),三、蛋白质空间结构破坏而引起变性,引起变性的因素：加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等,变性的本质：破坏非共价键和二硫键， 不改变蛋白质的一级结构。,变性的结果： 理化性质改变：溶解度降低，粘度提高。 生物学功能丧失，称为失活。,应用举例: 使蛋白质变性：临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 防止蛋白质变性：有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为

28、复性 。,蛋白质的复性(renaturation),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,变性的蛋白质易于沉淀： 疏水侧链暴露，水化膜破坏， 调节pH，蛋白质容易从溶液中沉淀。 沉淀的蛋白质并不都变性。,蛋白质变性与沉淀,四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应

29、可用来检测蛋白质水解程度。,五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量,茚三酮反应(ninhydrin reaction),双缩脲反应(biuret reaction),六、蛋白质组学,（一）蛋白质组学基本概念,蛋白质组（proteome): 是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一个基因组所表达的全套蛋白质”。 蛋白表达谱 蛋白质翻译后修饰谱,（二）蛋白质组学研究技术平台,蛋白质组学是高通量，高效率的研究:,双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点的定位、切取 蛋白质点的质谱分析,（三）蛋白质组学研究的科学意义,反映蛋白质的表达和功能全貌。 比较蛋白质组学，寻找疾病特异性蛋白质分子。,第五节,蛋白质的分离纯化与结构分析 The Separation and Purificatio