生物化學(xué)課件-蛋白質(zhì)

第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,一、概述二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸解)三、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系五、蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)、分離純化與鑒定,了解蛋白質(zhì)的元素組成；掌握蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位氨基酸的基本結(jié)構(gòu)；了解氨基酸的分類；了解稀有氨基酸和非蛋白質(zhì)氨基酸；掌握氨基酸的各種理化性質(zhì)；掌握肽鍵、肽鏈和蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的概念，同時(shí)了解蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的表示方法；掌握二肽及多肽的形成過程；了解蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的測定方法。,思考題,1.蛋白質(zhì)分為哪些類型？各行使何種功能？2.自然界存在的氨基酸種類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)？3.肽鍵有何特點(diǎn)？對蛋白質(zhì)構(gòu)象的形成有何影響？4.何謂蛋白質(zhì)的一、二、三、四級結(jié)構(gòu)？維系蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力有哪些？5.何謂蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域？6.試述蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。7.何謂蛋白質(zhì)的變性作用與復(fù)性作用？,一、概述,（一）蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義和元素組成（二）蛋白質(zhì)的分類,（一）蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義和元素組成,1.蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義（1）蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的多樣性酶的催化功能、控制生長和分化、代謝調(diào)節(jié)功能、運(yùn)動功能、運(yùn)輸作用、免疫保護(hù)作用、接受和傳遞信息、貯存營養(yǎng)功能、結(jié)構(gòu)支持作用。（2）蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的復(fù)雜性某一功能的發(fā)揮往往受到多種因素的影響與調(diào)節(jié)。,2.蛋白質(zhì)的元素組成,一般含有：碳（5055）、氮（1518）、氧（2023）、氫（68）、硫（04）。在某些蛋白質(zhì)中，還含有一些微量元素如：磷、鐵、銅、鉬、碘、鋅等。蛋白質(zhì)元素組成的一個(gè)特點(diǎn)：各種蛋白質(zhì)的氮含量比較恒定，平均值為16左右。用凱氏定氮法測定氮的含量，計(jì)算蛋白質(zhì)的含量（由氮的含量乘以6.25）出來。,（二）蛋白質(zhì)的分類,1.按蛋白質(zhì)的構(gòu)象分類2.按蛋白質(zhì)的功能分類3.按蛋白質(zhì)的組成和溶解性分類,1.按蛋白質(zhì)的構(gòu)象分類,分為球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)。,球狀蛋白質(zhì)（globularprotein）血紅蛋白、肌紅蛋白等。,纖維狀蛋白質(zhì)（fibroueprotein）膠原蛋白、彈性蛋白、角蛋白、絲心蛋白等。,催化蛋白（酶）調(diào)節(jié)蛋白結(jié)構(gòu)蛋白運(yùn)輸?shù)鞍踪A藏蛋白運(yùn)動蛋白防御蛋白電子傳遞蛋白,2.按蛋白質(zhì)的功能分類,3.按蛋白質(zhì)的組成和溶解性分類,單純蛋白質(zhì)（simpleprotein）結(jié)合蛋白質(zhì)（complexprotein）,二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸,（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)（二）氨基酸的分類（三）氨基酸的性質(zhì),（一）氨基酸的結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式,側(cè)鏈,脯氨酸,亞氨基,（二）氨基酸的分類,1.編碼氨基酸2.非編碼氨基酸3.非蛋白質(zhì)氨基酸,1.編碼氨基酸,第21種氨基酸硒代半胱氨酸,2.非編碼氨基酸,沒有相應(yīng)的三聯(lián)體遺傳密碼。由編碼氨基酸經(jīng)羥基化、甲基化、磷酸化等修飾形成的衍生物。例如：膠原蛋白和彈性蛋白中的4-羥脯氨酸、5-羥賴氨酸等。,3.非蛋白質(zhì)氨基酸,在生物體內(nèi)，還發(fā)現(xiàn)150多種不參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸。這些非蛋白質(zhì)氨基酸多是重要的代謝物前體或代謝中間產(chǎn)物。,1.氨基酸的兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸是兩性電解質(zhì)（ampholyte）,（三）氨基酸的性質(zhì),氨基酸兩性解離,R,COOH,C,H,NH,2,R,COO,C,H,NH,3,+,-,中性分子形式,兩性離子形式,R,COOH,C,H,NH,3,R,COO-,C,H,NH,3,+,R,COO-,C,H,NH,2,+,OH-,H+,對某種氨基酸來講，當(dāng)溶液在某一特定的pH時(shí)，氨基酸所帶凈電荷為零（即正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)相等），在電場中，既不向正極移動，也不向負(fù)極移動。這時(shí)，溶液的pH稱為該氨基酸的等電點(diǎn)(isoelectricpoint)，用pI表示。兩性解離物質(zhì)所帶靜電荷為零時(shí)溶液的pH。,氨基酸的等電點(diǎn),（1）不同氨基酸，由于R基團(tuán)結(jié)構(gòu)的不同，有不同的等電點(diǎn)。在一定實(shí)驗(yàn)條件下，等電點(diǎn)是氨基酸的特征常數(shù)。（2）當(dāng)氨基酸處于等電點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，其溶解度最小，容易發(fā)生沉淀。利用這一特性，可以從各種氨基酸的混合物溶液中，分離制取某種氨基酸。,氨基酸等電點(diǎn)的作用,（1）氨基酸的構(gòu)型除甘氨酸以外，其余20種氨基酸的C都是不對稱碳原子（手性）。,2.氨基酸的光學(xué)活性與吸收光譜,甘氨酸的結(jié)構(gòu)式,參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收；在紫外光區(qū)只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波長()分別為280nm、275nm、257nm；是利用紫外分光光度計(jì)，在280nm波長處，測定蛋白質(zhì)濃度的基礎(chǔ)。,（2）吸收光譜,三、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),（一）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（二）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次,一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）；二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）；超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）；結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）；三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）；四級結(jié)構(gòu)（quarternarystructure）,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次,（一）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),概念：多肽鏈上各種氨基酸殘基的排列順序，即氨基酸序列稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）。,（51Aa，5733u）,1.肽和肽鍵,肽由氨基酸構(gòu)成的線形聚合物稱為肽（peptide）。二個(gè)氨基酸分子縮合而成的肽，稱為二肽（dipeptide）。,肽鍵（peptidebone）多肽鏈（polypeptidechain）,肽鍵氮氧原子共振產(chǎn)生：（1）部分雙鍵性質(zhì)；（2）多肽主鏈酰胺平面；（3）C處于順式或反式構(gòu)型；（4）二面角；（5）偶極性（N末端，C末端）。,氨基酸殘基（aminoacidresidue）,H,OH,蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的表示法,中文氨基酸殘基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸三字母符號表示法：TyrGlyGlyPheMet單字母符號表示法：YGGFM,谷胱甘肽腦啡肽（5肽）短桿菌肽S（10肽）肽類激素,3.天然活性肽,（二）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)指的是蛋白質(zhì)分子中全部原子和基團(tuán)相互間的立體關(guān)系，包括全部原子和基團(tuán)的排列、分布及肽鏈的走向。又稱為蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象，可分為二級、超二級、結(jié)構(gòu)域、三級和四級結(jié)構(gòu)。,1.蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)2.蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域3.蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)4.蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)5.穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次,1.基本知識,（1）構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型（configuration）構(gòu)象（conformation）1969年，IUPAC（2）蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)原理肽單位與二面角將多肽鏈的基本結(jié)構(gòu)中，-C-CO-NH-C-這一主鏈骨架的重復(fù)單位叫肽單位（Pauling和Corey在1951年根據(jù)X-射線衍射結(jié)果，提出蛋白質(zhì)肽單位平面原則3）。,肽單位平面結(jié)構(gòu),肽單位立體結(jié)構(gòu),二面角（dihedralangle）,肽平面1圍繞C2N1單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用表示；肽平面2也可以圍繞C2C2單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用表示。(右為正,左為負(fù)),N1,C2,C2,多肽鏈主鏈骨架的構(gòu)象是由每個(gè)C的成對二面角（，）所決定的。非鍵合原子間的最小接觸距離在相鄰的兩個(gè)肽單位的構(gòu)象中，非鍵合原子間的接近有無障礙，是否符合標(biāo)準(zhǔn)接觸距離，即能量是否達(dá)到最低，也是肽鏈構(gòu)象能否穩(wěn)定存在的重要立體化學(xué)原則。,2.二級結(jié)構(gòu),概念指多肽鏈主鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，某些肽段借助氫鍵進(jìn)一步盤旋或折疊，從而形成有規(guī)律的構(gòu)象。主要類型-螺旋、-折疊片、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲。,（1）-螺旋,即每個(gè)氨基酸殘基（n）的CO與另一個(gè)氨基酸殘基（n+4）的NH形成氫鍵。,Pauling和Corey于1951年提出蛋白質(zhì)的-螺旋（-helix）結(jié)構(gòu)模型。,羊毛等纖維狀蛋白質(zhì)中，球狀蛋白中也廣泛存在。它是蛋白質(zhì)主鏈的一種典型結(jié)構(gòu)形式.,每隔3.6個(gè)氨基酸殘基，螺旋上升一圈，每圈間距0.54nm.氫鍵環(huán)內(nèi)包括13個(gè)主鏈原子，因此稱這種螺旋為3.613螺旋。,電子顯微鏡下的人體頭發(fā),（2）-折疊,（a）Antiparallel,-折疊：伸展的多肽鏈靠氫鍵聯(lián)結(jié)而成的鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)，存在于纖維蛋白，球狀蛋白也有。又稱為-折疊片（-pleatedsheet）。,反平行式較為穩(wěn)定，例如在絲心蛋白中存在穩(wěn)定的反平行折疊。,（3）-轉(zhuǎn)角,蛋白質(zhì)分子中連接不同結(jié)構(gòu)單位的180o轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)稱為-轉(zhuǎn)角（-turn）。由氨基酸殘基（n）的CO與另一個(gè)氨基酸殘基（n+3）的NH形成氫鍵。,（4）無規(guī)卷曲,沒有規(guī)律性的多肽主鏈骨架的構(gòu)象，就是無規(guī)卷曲（randomcoil，、角度不定）；球蛋白分子中，往往含有較多的無規(guī)卷曲；無規(guī)卷曲往往有利于多肽鏈形成靈活的、具有特異生物活性的構(gòu)象。,（1）超二級結(jié)構(gòu)相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元（主要是螺旋和折疊）組合在一起，形成有規(guī)則的、空間上能夠辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)的組合體，充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）。,3.超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域,常見的組合形式：、,（2）結(jié)構(gòu)域,多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步卷曲折疊成為相對獨(dú)立、近似球形的三維實(shí)體稱為結(jié)構(gòu)域（structuredomain），是三級結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)。,結(jié)構(gòu)域之間常常只有一段肽鏈相連，形成所謂“鉸鏈區(qū)”（hingeregion），使結(jié)構(gòu)域容易發(fā)生相對運(yùn)動。結(jié)構(gòu)域之間的這種柔性（flexibility）有利于如酶和抗體活性的發(fā)揮。,4.三級結(jié)構(gòu),多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上，主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象相互作用，進(jìn)一步盤曲折疊形成特定的球狀分子結(jié)構(gòu)，稱作三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）。三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子的空間排布。,肌紅蛋白myoglobin,5.四級結(jié)構(gòu),由兩條或兩條以上具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈聚合而成的特定三維結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quarter-narystruc-ture）。涉及亞基的種類、數(shù)目和亞基的空間排布，包括亞基間的接觸位點(diǎn)和相互作用關(guān)系，但不包括亞基本身的構(gòu)象。,-亞基（subunit）,血紅蛋白hemoglobin,-亞基,血紅素（haem）,煙草花葉病毒（TMV）示意圖,由2130個(gè)相同亞基構(gòu)成的螺旋對稱性柱形蛋白質(zhì)外殼，緊密排列于一含有6390個(gè)核苷酸的單鏈RNA分子周圍。解離的TMV外殼亞基和RNA，在合適的條件下能自裝配成完整的TMV。,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次,5.穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力,四、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,（一）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系,1.一級結(jié)構(gòu)變異與生物進(jìn)化在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質(zhì)，稱為同功能蛋白質(zhì)。它們的氨基酸序列具有明顯的相似性，這種現(xiàn)象稱為序列同源，有明顯序列同源的蛋白質(zhì)，也稱同源蛋白質(zhì)。,（一）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,（1）同源蛋白質(zhì)完全相同的氨基酸殘基，稱不變殘基，它們決定了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能。（2）有相當(dāng)大變化的氨基酸殘基，稱為可變殘基，它們的差異體現(xiàn)了種屬特異性。因此，對不同生物來源的同功能蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究：可以幫助我們了解哪些氨基酸對其活性是重要的，哪些是不重要的；可為生物進(jìn)化提供新的可靠依據(jù)。,同源蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的種屬差異與保守性,2.一級結(jié)構(gòu)變異與分子病,（1）分子病基因突變Aa變異蛋白結(jié)構(gòu)和功能改變引起的遺傳病。（2）鐮刀型紅細(xì)胞貧血病由Hb分子亞基N末端序列的一級結(jié)構(gòu)改變引起Hb表面電荷和等電點(diǎn)變化，溶解度降低并出現(xiàn)不正常線形締合。,正常紅細(xì)胞和鐮刀狀紅細(xì)胞的掃描電鏡圖譜,？,一級結(jié)構(gòu)相似，可能會有相同的功能；一級結(jié)構(gòu)有差異，功能會不同。如OX與ADH:,3.多肽激素的一級結(jié)構(gòu)與功能,（ADH）,（OX）,不同生物（哺乳動物、鳥類、魚類）來源胰島素分子一級結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)組成的51個(gè)氨基酸殘基中，只有24個(gè)氨基酸殘基始終保持不變，為不同生物所共有，為維持高級結(jié)構(gòu)和生物活性所必需。,4.不同生物來源的胰島素一級結(jié)構(gòu)比較,5.一級結(jié)構(gòu)斷裂與功能激活,有些蛋白質(zhì)常以無活性的前體形式產(chǎn)生和貯存。在機(jī)體需要時(shí)，切去部分肽段之后，才變成有活性的蛋白質(zhì)。如參與蛋白質(zhì)消化的各種蛋白酶、參與血液凝固的凝血酶、凝血因子等。激活（activation）：使前體蛋白質(zhì)變成活性蛋白質(zhì)的過程，稱為激活。,（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系,1.變構(gòu)調(diào)節(jié)活性2.變性喪失活性,血紅蛋白,-亞基,-亞基（-subunit）,血紅素（haem）,血紅蛋白的變構(gòu)現(xiàn)象（變構(gòu)時(shí)的亞基移動）,血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線不同，前者是S形曲線，后者是雙曲線。-亞基可與氧結(jié)合，而-亞基由于存在空間位阻，幾乎不與氧結(jié)合。當(dāng)-亞基與氧結(jié)合后，發(fā)生三級結(jié)構(gòu)的變化，此變化使相鄰的-亞基發(fā)生三級結(jié)構(gòu)的變化，與氧結(jié)合使血紅蛋白結(jié)合氧的能力在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，從，而使曲線程S形。,氧飽和度（%）,（一）蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)（二）蛋白質(zhì)分離純化的原則與方法,五、蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)、分離純化與鑒定,1.蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點(diǎn)2.蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性3.蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng),（一）蛋白質(zhì)的重要性質(zhì),蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（isoelectricpoint）當(dāng)溶液在某個(gè)pH時(shí)，使蛋白質(zhì)分子所帶正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)恰好相等，即凈電荷為零，在直流電場中，既不向陽極移動，也不向陰極移動，此時(shí)溶液的pH就是該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)，用pI表示。兩性解離物質(zhì)所帶靜電荷為零時(shí)溶液的pH。,1.蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點(diǎn),（1）蛋白質(zhì)變性天然蛋白質(zhì)在變性因素作用之下，其一級結(jié)構(gòu)保持不變，但其高級結(jié)構(gòu)發(fā)生了異常的變化，即由天然態(tài)（折疊態(tài)）變成了變性態(tài)（伸展態(tài)），從而引起生物功能的喪失，物理、化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象被稱為變性（denaturation）。,2.蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性,引起變性因素：物理因素和化學(xué)因素。1.熱（60100）；2.pH；3.鹽；4.有機(jī)溶劑；5.尿素與鹽酸