《生物化學》課件第1章 蛋白質(zhì)化學2

1、第二節(jié) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)肽單位肽鍵1. 肽鍵的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 肽鍵(peptide bond)：一個氨基酸的羧基與另一氨基酸的氨基縮水而成的酰胺鍵稱為肽鍵。（CONH）肽平面(peptide unit)：由肽鍵中的四個原子和與之相鄰的兩個碳原子共同構(gòu)成的剛性平面。（CCONHC）多肽鏈結(jié)構(gòu)示意圖 肽基的C、O和N原子間的共振相互作用共振產(chǎn)生的重要結(jié)果：限制繞肽鍵的自由旋轉(zhuǎn)，肽鍵具有雙鍵性質(zhì) 形成酰胺平面 產(chǎn)生鍵的平均化 肽鍵呈反式構(gòu)型共振雜化體P45 酰胺平面 2、肽的分類和命名3、生物活性肽谷胱甘肽：動植物細胞重要的三肽，神經(jīng)肽：腦啡肽、內(nèi)啡肽、強啡肽、P物質(zhì)、肽類激素：催產(chǎn)素、加壓素等其他：生長因

2、子；短桿菌S；甜味肽等 谷胱甘肽 谷胱甘肽（glutathione，GSH）：-SH極易氧化，在體內(nèi)參與氧化還原過程，為某些氧化還原酶的輔因子;或保護巰基酶;或防止過氧化物積累,與生物體的抗生物和非生物脅迫能力有關(guān)。促甲狀腺素 釋放因子（TRH） 短桿菌肽S抗菌素：環(huán)10肽蛋白酶只水解L氨基酸形成的 -肽鍵。L-Orn為L-鳥氨酰三肽-天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯（甜味劑）CH2NH2 CH C NH CH C OOCH2COOHO CH3一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)多肽鏈中氨基酸的排列順序，包括二硫鍵的位置稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primary structure) 這是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)，它決定蛋白質(zhì)高級

3、結(jié)構(gòu)和生物功能的信息。 一級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)的多肽鏈中氨基酸的排列順序；主要靠肽鍵維系。二四級結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，或空間構(gòu)象；主要靠次級鍵維系，尤其是疏水鍵。一級結(jié)構(gòu)體現(xiàn)生物信息：20n .多樣性一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)及生物活性的基礎(chǔ).特異性一級結(jié)構(gòu)的連接鍵：肽鍵（主要）、二硫鍵 蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)形式：多肽鏈 (NHCHCONHCHCO)多肽鏈的方向性：從N末端指向C末端。R基團間的相互作用及穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維構(gòu)象的作用力a.鹽鍵 b.氫鍵 c.疏水鍵 d.范德華力 e.二硫鍵多肽鏈 a.氫鍵：由一個極性很強的X-H基上的氫原子，與另一個電負性強的原子Y（O、N、F等）相互形成的一種吸引力，本質(zhì)上

4、屬于弱的靜電吸引作用。蛋白質(zhì)多肽鏈間和鏈內(nèi)能形成氫鍵，對于維持蛋白質(zhì)二、三、四級結(jié)構(gòu)，保持穩(wěn)定起重要作用。b.鹽鍵 ：正負離子之間的靜電作用，蛋白質(zhì)分子中可解離的基團羧基、氨基、胍基、咪唑基等通過正負電荷的靜電吸引形成離子鍵。c.疏水鍵 ：蛋白質(zhì)分子中疏水性氨基酸（如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等）側(cè)鏈避開水相而相互聚集作用。主要存在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部，對蛋白質(zhì)構(gòu)象及穩(wěn)定起重要作用。d.范德華力 ：分子間的吸引力。 以上為非共價鍵統(tǒng)稱次級鍵。 e.二硫鍵：共價鍵 二、二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈骨架中原子的局部空間排列，不涉及側(cè)鏈的構(gòu)象，也就是該肽段主鏈骨架原子的相對空間位置，主要有-

5、螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、-凸起角和無規(guī)則卷曲。多肽鏈 (NHCHCONHCHCO) 維持二級結(jié)構(gòu)的力量為氫鍵。 1、-螺旋(-helix)纖維狀蛋白、球狀蛋白中均存在，是蛋白質(zhì)中最常見、最典型的二級結(jié)構(gòu)類型。 -螺旋特征右手螺旋：3.6個AA/圈，螺距0.54nm；氫鍵維系：鏈內(nèi)氫鍵（從N-末端出發(fā)，AA1中C=O AA4 N-H的形成），平行長軸；所有氨基酸殘基R側(cè)鏈伸出螺旋 -螺旋形成因素：與組成和排列順序直接相關(guān)。 -螺旋多態(tài)性：多數(shù)為右手（較穩(wěn)定），亦有少數(shù)左手螺旋存在（不穩(wěn)定）；存在尺寸不同的螺旋。 脯氨酸會導致-螺旋中斷. 2、-折疊(-pleated sheet)-折疊：兩條或多條

6、伸展的多肽鏈（或一條多肽鏈的若干肽段）側(cè)向集聚，通過相鄰肽鏈主鏈上的N-H與C=O之間有規(guī)則的氫鍵，形成鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)。 -折疊特征：多肽鏈充分伸展，肽平面折疊成鋸齒狀；側(cè)鏈交錯位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方；氫鍵維系：氫鍵的方向垂直長軸；可有順平行片層和反平行片層結(jié)構(gòu)；是蛋白質(zhì)常見的二級結(jié)構(gòu)。類別：平行折疊（肽鏈N端在同側(cè)） 反平行折疊（肽鏈N端在不同側(cè)，穩(wěn)定，纖維蛋白主要形式）重復周期:肽鏈同側(cè)兩個相鄰的同一基團之間的距離 平行折疊0.65nm;反平行折疊0.7nm; 3、轉(zhuǎn)角（-turn，-彎曲、回折或發(fā)夾結(jié)構(gòu)） 轉(zhuǎn)角特征：由多肽鏈上4個連續(xù)的氨基酸殘基組成，主鏈骨架以1800回折 ，第一個氨基

7、酸殘基C=O與第四個氨基酸殘基的N-H之間形成氫鍵。由于轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)使多肽鏈走向發(fā)生改變。甘氨酸殘基側(cè)鏈為氫原子,適于充當多肽鏈大幅度轉(zhuǎn)向的成員,脯氨酸殘基的環(huán)狀側(cè)鏈的固定取向有利于多肽鏈轉(zhuǎn)角的形成.在球狀蛋白中存在的一種二級結(jié)構(gòu)。約占球狀蛋白質(zhì)全部殘基的1/4,多位于蛋白質(zhì)分子表面 。4、自由回轉(zhuǎn)（無規(guī)則卷曲）無規(guī)則卷曲細胞色素C的三級結(jié)構(gòu) 無規(guī)則卷曲特征 :蛋白質(zhì)分子中那些沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象;有利于多肽鏈形成靈活的具有特異生物學活性的球狀構(gòu)象（卷曲對環(huán)境極為敏感）.球狀蛋白質(zhì)分子含有大量無規(guī)則卷曲。 影響二級結(jié)構(gòu)形成的因素 5、纖維狀蛋白質(zhì)（纖維狀或細棒狀） -角蛋白（ - 螺旋的典

8、型實例） 包括皮膚及皮膚的衍生物：發(fā)、毛、鱗、羽、甲、蹄、角、爪、啄等。*毛發(fā)橫切面和毛發(fā)-角蛋白的結(jié)構(gòu) 原纖維-螺旋角質(zhì)層（鱗狀細胞） 微纖維 微纖維 大纖維 永久性卷發(fā)（燙發(fā)）-生物化學工程 相鄰分子的-螺旋是由它們的半胱氨酸殘基間的二硫鍵交聯(lián)起來。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由這些二硫鍵保證的，二硫鍵數(shù)目越大，纖維的剛性越強。 -角蛋白伸縮性很好，一根毛發(fā)纖維濕熱時可以拉長到原來的二倍，此時-螺旋被撐開，各圈間的氫鍵被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)象（ 角蛋白）。 當張力去除后，單靠氫鍵不能使纖維恢復到原來的狀態(tài)。 由二硫鍵構(gòu)成的交聯(lián)鍵形成-螺旋構(gòu)象是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎(chǔ)。 頭發(fā)卷成一定形狀，涂上還原劑（含有巰基的化

9、合物）并加熱，破壞二硫鍵、氫鍵, -角蛋白的螺旋結(jié)構(gòu)伸展成構(gòu)象; 去除還原劑，涂氧化劑使相鄰多肽鏈的半胱氨酸殘基對之間建立新的二硫鍵。 洗滌并冷卻頭發(fā)，恢復-螺旋構(gòu)象(-角蛋白的側(cè)鏈R基團一般比較大,不適于構(gòu)象狀態(tài))。頭發(fā)將以新的形式卷曲，新的二硫交聯(lián)鍵的形成使頭發(fā)纖維-螺旋束發(fā)生扭曲。 絲心蛋白（fibroin）- -角蛋白 蠶絲和蜘蛛絲等 絲心蛋白具有抗張強度高，質(zhì)地柔軟的特性，但不能拉伸（絲心蛋白肽鏈已經(jīng)處于相當伸展狀態(tài)）。 絲心蛋白是典型的反平行折疊片,以平行的方式堆積成多層結(jié)構(gòu).。 鏈間主要以氫鍵連接，層間靠范德華力維系-絲具柔軟性。 羽毛、皮膚、爪、啄、鱗片中發(fā)現(xiàn)類似絲心蛋白的-角

10、蛋白，但有改變。一級結(jié)構(gòu)顯示，主要由小側(cè)鏈的甘氨酸(Gly)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)組成。甘氨酸位于折疊片一側(cè)，絲氨酸、丙氨酸在平面的另一側(cè)。重復距離:0.7nm。 A.堆積的-折疊片的三維結(jié)構(gòu)絲心蛋白(fibroin)結(jié)構(gòu) B.交替層中的Ala(或Ser)殘基和Gly殘基側(cè)鏈(H原子)的連鎖 思考題： 羊毛衫等羊毛制品在熱水中洗變長，然后在電干燥器內(nèi)干燥又收縮，絲制品進行同樣處理，卻不收縮。如何解釋這兩種現(xiàn)象？ 膠原蛋白（膠原collagen）-三股螺旋 種類：腱、骨、軟骨、牙、皮、血管等。 腱抗張強度20-30kg/mm2，相當12號冷鋼拉絲的拉力。骨折、腱、軟骨損傷都涉及膠原

11、蛋白基質(zhì)的撕裂或伸張過度。 膠原螺旋(左手螺旋)比-螺旋要伸展得多 ，每個殘基沿螺旋軸升高0.29nm, -螺旋0.15nm. 多肽鏈序列由Gly-x-y重復組成,x、y是Gly(甘氨酸)以外的任何氨基酸。 原膠原蛋白分子中的 單鏈（左手螺旋） 一股原膠原蛋白分子膠原纖維原膠原蛋白的頭膠原纖維(collagen fibril)中原膠原蛋白分子的排列右手超螺旋纜 三、超二級結(jié)構(gòu)、域結(jié)構(gòu)1、超二級結(jié)構(gòu)( supersecondary structure )（1）超二級結(jié)構(gòu)：在許多蛋白質(zhì)中，有兩個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象。 它們可直接作為三級結(jié)構(gòu)的“建筑塊”或

12、域結(jié)構(gòu)的組成單位，是蛋白質(zhì)發(fā)揮特定功能的基礎(chǔ)。超二級結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)的組織層次上高于二級結(jié)構(gòu)，但沒有完整的結(jié)構(gòu)域。（2）超二級結(jié)構(gòu)類型 Rossman（ ）希臘圖案拓撲結(jié)構(gòu)超螺旋曲折= 反平行+ 轉(zhuǎn)角 2、結(jié)構(gòu)域（domain，域結(jié)構(gòu)）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)上形成三級結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體。100-200個氨基酸殘基組成，較大的蛋白質(zhì)由二個或更多相對獨立的結(jié)構(gòu)域締合成三級結(jié)構(gòu)，小的蛋白質(zhì)分子或亞基蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域；結(jié)構(gòu)域與分子整體以共價鍵相連；具有相對獨立的空間構(gòu)象和生物學功能；同一蛋白質(zhì)中的結(jié)構(gòu)域可以相同或不同，不同蛋白質(zhì)中的結(jié)構(gòu)域也可能相同或不同。 結(jié)構(gòu)

13、域概念的涵義（三種不同而又相互聯(lián)系）:獨立的結(jié)構(gòu)單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。 類型： -螺旋域、 -折疊域、 + 域、 / 域、無規(guī)則卷曲+-回折域；無規(guī)則卷曲+ -螺旋結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域運動： 結(jié)構(gòu)域本身都是緊密裝配的，結(jié)構(gòu)域之間通過松散的肽鍵形成牢固而又柔韌的連接，為域間較大幅度的相對運動提供了可能，這種結(jié)構(gòu)調(diào)整與其整體功能的行使密切相關(guān)。 /結(jié)構(gòu)域丙酮酸激酶結(jié)構(gòu)域4木瓜蛋白酶結(jié)構(gòu)域1無規(guī)則卷曲+ -螺旋結(jié)構(gòu)域無規(guī)則卷曲+-回折結(jié)構(gòu)域乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域1+結(jié)構(gòu)域3-P-甘油醛脫氫酶結(jié)構(gòu)域2木瓜蛋白酶結(jié)構(gòu)域2 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指在一條多肽鏈中所有原子的整體空間排布，包括主鏈和側(cè)鏈。三級

14、結(jié)構(gòu)的形成使得在序列中相隔較遠的氨基酸側(cè)鏈相互靠近。 四、三級結(jié)構(gòu)（ tertiary structure ） 三級結(jié)構(gòu)特征：含多種二級結(jié)構(gòu)單元(-螺旋和-折疊等) ；有明顯的折疊層次；是緊密的球狀或橢球狀實體功能區(qū)：表面或特定部位 (活性部位)；氨基酸位置由側(cè)鏈極性決定：非極性（內(nèi)）、極性（表面，少數(shù)內(nèi)部）、帶電（表面）次級鍵維系：疏水鍵、鹽鍵、氫鍵、范德華力、二硫鍵-折疊-轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲空穴-螺旋雞卵清溶菌酶8段長7-23個氨基酸殘基的-螺旋，之間拐角1-8個無規(guī)則卷曲，C-端5個殘基卷曲。使分子空間致密，分子表面的極性基團與水分子結(jié)合，成為水溶性蛋白質(zhì)，表面空洞使血紅素垂直伸入其中，通過

15、配位鍵與肽鍵中的組氨酸殘基結(jié)合（His93即His-F8），是單結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)。153血紅素垂直伸入其中，通過配位鍵與肽鍵中的組氨酸殘基結(jié)合（His93即His-F8）核糖核酸酶三級結(jié)構(gòu)示意圖 N His12CHis119Lys41賴124個氨基酸殘基，極性氨基酸殘基分布與表面，使蛋白質(zhì)具親水性；疏水氨基酸殘基集中分子內(nèi)，以疏水作用穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)，表面凹陷構(gòu)成酶活性中心。 五、四級結(jié)構(gòu)寡聚蛋白中 亞基的立體排布及相互作用。 亞基(subunit)：寡聚蛋白中的單條獨立的多肽鏈，具有獨立的一、二、三級結(jié)構(gòu)，單獨存在時一般無生物學活性。亞基本身都具有球狀三級結(jié)構(gòu)。亞基之間以非共價鍵聯(lián)系，包括疏水鍵（主要）、鹽鍵、氫鍵、范德華力亞基可以相同或不同對稱性是四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)最重要的性質(zhì)之一。 2 2亞基各自折疊卷曲形成三級結(jié)構(gòu)，通過表面次級鍵（鹽鍵和氫鍵）結(jié)合聯(lián)系，鑲嵌形成四聚體的功能單位。鏈 141個氨基酸， 鏈146個氨基酸，每個亞基含有一個血紅素輔基。血紅蛋白四級結(jié)構(gòu) 血紅蛋白和肌紅蛋白都是氧的載體，但血紅蛋白的四聚體彼此相互作用使其具有肌紅蛋白所不具有的功能，除運輸氧外，還能將廢物CO2運出肺部，還能與H+結(jié)合，維持生理pH。煙草花葉病毒外殼蛋白四級結(jié)構(gòu)的自我組裝多聚蛋白人免疫缺陷病毒（HIV-1）結(jié)構(gòu)的面圖剖單鏈RNA寄主蛋白質(zhì)被