分子生物學(xué)-7 .蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能

1蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能2

生命活動--物質(zhì)運動最復(fù)雜、最高級形式物質(zhì)基礎(chǔ)小分子--糖、脂、氨基酸、核苷酸大分子

--蛋白質(zhì)、核酸

(生命體的特征)蛋白質(zhì)各組織、器官的組分參與各種生理功能(在生命活動中的重要功能)

3第一節(jié)蛋白質(zhì)在生命活動中的重要功能

一、蛋白質(zhì)--生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)

1.普遍存在:

病毒,細(xì)菌、動植物

2.含量最多:

人體干重45%

3.種類最多:

大腸桿菌(5千)

細(xì)胞(千-萬)、人(10萬)

4.承擔(dān)幾乎所有及復(fù)雜的功能4二、蛋白質(zhì)的生理功能

1.催化:

酶

(碳酸酐酶，DNA聚合酶)2.調(diào)節(jié):

激素(胰島素)3.保護和支持:

膠原蛋白,角蛋白,彈性蛋白

4.運輸:

Hb,載脂蛋白,運鐵蛋白

5.儲存和營養(yǎng):

肌紅蛋白,鐵蛋白,

酪蛋白,白蛋白

6.收縮和運動:

肌動球蛋白57.防御:

免疫球蛋白

8.識別:

受體(糖蛋白,質(zhì)膜,胞內(nèi))9.信息傳遞:

G蛋白(跨膜信號傳遞)10.基因調(diào)控:

組蛋白,非組蛋白

11.凝血:

(抗)凝血因子

12.其它:

緩沖,滲透壓,促分裂/分化,

調(diào)節(jié)細(xì)胞周期,臨床診斷6一、蛋白質(zhì)的元素組成1.主要元素：C、H、O、N、S

稀有元素：P、Fe、Zn、Mn、Cu、I等第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成72.特點：N含量恒定；平均16%

1克N=6.25克蛋白質(zhì)

應(yīng)用：凱氏定氮法測蛋白質(zhì)含量二、蛋白質(zhì)的分子組成

氨基酸--蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子:

(buildingblockmolecule)

L-α氨基酸(aminoacid,aa)8CHCOOH

NH2

R(α-羧基)(α-氨基）（側(cè)鏈）L-α氨基酸CHO

HOCHCH2OHL-甘油醛9組成蛋白質(zhì)的氨基酸--20種

(自然界300多)

受遺傳密碼控制，無種族,個體差異

結(jié)構(gòu)特點：

*除Gly(甘)外，均為L-α氨基酸*Pro(脯)為亞氨基酸(p8,表2-3)*R基團差別--aa分類的基礎(chǔ)10(一)氨基酸的分類：

1.根據(jù)R基團分類：

脂肪族(15種)

支鏈--ArgThrValLeuILe

直鏈--AspAsnGluGlnLys

芳香族(2種)：TyrPhe

雜環(huán)族(3種)：HisProTrp

SerCysGlyAlaMet11咪唑基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR苯環(huán)12*結(jié)構(gòu)特點(20種aa的R基團)：1.苯環(huán):Phe2.酚羥基:Tyr3.吲哚環(huán):Trp4.羥基:SerThr5.硫:CysMet6.胍基:Arg7.咪唑基:His

R基團大小,形狀,極性空間結(jié)構(gòu)和功能影響13咪唑基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR苯環(huán)胍基142.根據(jù)酸堿性分類:

中性氨基酸:

1個–COOH、1個-NH2(中性極性、中性非極性)

酸性氨基酸:2個–COOH、

1個-NH2

Asp,Glu

堿性氨基酸:

1個–COOH、2個堿性基團

(氨基、胍基、咪唑基)

Lys,Arg,

His

15咪唑基胍基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR16

3.醫(yī)學(xué)營養(yǎng)學(xué)分類:

營養(yǎng)非必需氨基酸(12種)

(Lys,Trp,Phe,Met,Leu,Ile,Val,Thr)

營養(yǎng)必需氨基酸

(8種)*氨基酸營養(yǎng)學(xué)分類的臨床應(yīng)用17

4.特殊氨基酸(非編碼aa,AUG--Met)

-羧基谷氨酸--Glu羧化

(凝血因子)

胱氨酸--2分子Cys氧化

羥脯氨酸--Pro羥化

羥賴氨酸--Lys羥化(膠原分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定)膠原蛋白1819

(二)氨基酸理化性質(zhì)

1.兩性電離和等電點(pI)

*

兩性電離:

羧基和氨基均能在水溶液中電離(+/-)R–CH–

COOH(COO-)

NH2(NH3+)20

R-CH-COO-

R-CH-COO-R-CH-COOHpH=pI

pH<pIpH>pIH+H+0H-0H-NH2NH3+NH3+*等電點(isoelectricpoint,pI):

分子呈電中性狀態(tài)時溶液的pH值21*兩性電離性質(zhì)和氨基酸分離(離子交換)：

pH<pI氨基酸(+)

pH>pI氨基酸(-)

222.紫外吸收

芳香族aa(Tyr、Phe、Trp)--共軛雙鍵

吸收峰：波長260-280nm應(yīng)用：蛋白質(zhì)定性、定量23124H2N-CH-COOH+HN-CH-COOHR1HR2H2N-CH-C-N-CH-COOH+H2OR1HOR2αα肽鍵3.脫水成肽反應(yīng)(加熱,酶,肽鍵)25第三節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

一、肽鍵與肽

1.肽鍵(peptidebond)

連接兩個氨基酸的酰胺鍵蛋白質(zhì)分子中主要共價鍵,性質(zhì)穩(wěn)定26CHCOOH

NH2

R1COOHCHH2NR2NH2CHR1OCNHCHCOOHR2肽鍵272.肽鍵特點：

單鍵形式，部分雙鍵性質(zhì)

難以旋轉(zhuǎn),

有剛性肽鍵平面28

由肽鍵兩端的6個原子組成（C=O、N-H

相鄰氨基酸的R基團呈反式構(gòu)型

圖2-2形成肽鍵復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)及兩個Cα),空間位置在一個平面上

3.肽鍵平面

29*Cα-N，Cα-C之間鍵能自由旋轉(zhuǎn)*肽鍵—

難以旋轉(zhuǎn)230

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO31

(1)*氨基酸通過肽鍵相連的化合物*蛋白質(zhì)水解不完全的產(chǎn)物(2)氨基酸殘基(aminoacidresidues)(3)開鏈肽:N末端(左,H),自N端編號

C末端(右,OH)

環(huán)肽：(4)多肽(>10肽)、寡肽(<10肽)、

4.肽32CHCOOH

NH2

R1COOHCHH2NR2NH2CHR1OCNHCHCOOHR2肽鍵肽N-(H)羧基端C-(OH)氨基端33

5.重要生理功能/結(jié)構(gòu)特殊的肽

(1)GSH

(RBC中,保護膜結(jié)構(gòu),還原酶蛋白)

(p11)

(2)TRH(促甲狀腺素釋放激素)(p11)

6.多肽與蛋白質(zhì)區(qū)別

(1)氨基酸殘基數(shù)(多肽<50,蛋白質(zhì)>100)

(2)空間結(jié)構(gòu)(蛋白質(zhì)嚴(yán)密,穩(wěn)定)

34GluCysGlyαγγ35TRHαNCGluHisPro焦谷氨酸36甲狀腺激素分泌的調(diào)節(jié)

下丘腦

腺垂體甲狀腺

靶細(xì)胞++TRHTSH甲狀腺激素37

二、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)及其規(guī)律性大分子(原子氨基酸多肽鏈)●四個結(jié)構(gòu)層次(一四級結(jié)構(gòu))

*

空間結(jié)構(gòu)（二、三、四級結(jié)構(gòu)）

*超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

(二和三級之間)(表2-5)38(一)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)

1.定義：多肽鏈中氨基酸序列

●

維系鍵--肽鍵、(二硫鍵)

一級結(jié)構(gòu)--蛋白質(zhì)基本結(jié)構(gòu)

(不同一級結(jié)構(gòu)不同蛋白質(zhì))39一級結(jié)構(gòu)測定方法:氨基酸序列分析儀(p12,圖2-3)40*新發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)鑒定:全部/部分一級結(jié)構(gòu)例：牛胰島素,牛核糖核酸酶,載脂蛋白B100*病理性蛋白質(zhì)鑒定:HbA

HbS

一級結(jié)構(gòu)--鑒別不同蛋白質(zhì)最基本,最重要的標(biāo)志41●一級結(jié)構(gòu)

--空間結(jié)構(gòu)和生理功能的基礎(chǔ)

影響圖2-4，2-5(p14)(124aa)2.一級結(jié)構(gòu)舉例:牛胰島素,牛核糖核酸酶*R大小、性質(zhì)空間結(jié)構(gòu)*一級結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)生理功能42咪唑基吲哚環(huán)HH2N

C

COOHR苯環(huán)胍基43

(二)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondstructure)

1.定義：多肽鏈中相鄰aa殘基形成的局部空間結(jié)構(gòu)，

其主鏈原子(C=O,N-H,Cα)的局部空間排布

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO44

α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角、π-螺旋、隨意卷曲

2.形式：*氫鍵維系(周期性出現(xiàn)的、有規(guī)則的、二級結(jié)構(gòu)單元)453.α螺旋(α-helix)基本特點:

圖2--7a.肽鏈骨架--肽鍵上C、N及aa殘基上Cα，

順時針(NC),

右手螺旋

b.3.6aa/螺旋,

螺距0.54nm

c.氫鍵的形成--上下兩個相鄰α螺旋之間

(aa1)C=O---H-N(aa5)(圖2-7)46

NH2CHR1CNCHCOOHR2ααHO47NC48氫鍵NC氫鍵49d.氫鍵--與螺旋縱軸平行(3個/相鄰螺旋)(α螺旋的主要穩(wěn)定因素)

e.側(cè)鏈基團(R)位置--螺旋外

(不參與螺旋組成,但影響螺旋形成與穩(wěn)定)

f.α螺旋--穩(wěn)定的蛋白質(zhì)空間構(gòu)象

(也是最穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu))

g.在不同蛋白質(zhì)中所占比例不同(角蛋白,小分子)(ppt12)50

4.β-折疊或β-片層(pleatedsheetstructure)

比較伸展的肽鏈空間結(jié)構(gòu)

基本特征:

a.肽鍵平面之間成鋸齒狀(110度)b.氫鍵維系

圖2-9b圖2-9a51

大多數(shù)球蛋白:含α螺旋和β-折疊952

a.“U”型結(jié)構(gòu)(肽鏈1800回折)

b.氫鍵:(aa1)C=O---H-N(aa4)

(結(jié)構(gòu)較α螺旋緊密)

c.位于球蛋白分子表面

5.β-轉(zhuǎn)角(β-turn)(是蛋白質(zhì)活性的主要結(jié)構(gòu)部位)53546.π-螺旋(π-helix)a.左手螺旋，4.4個aa殘基/螺旋b.氫鍵維系c.多見于膠原蛋白

三股左手螺旋右手超螺旋膠原纖維盤繞縮合5511567.隨意卷曲(randomcoil)(1)各不相同,無共同規(guī)律的空間結(jié)構(gòu),

是蛋白質(zhì)中一系列無序構(gòu)象的總稱

(屬蛋白質(zhì)分子的特征性二級結(jié)構(gòu))(2)普遍存在于天然蛋白質(zhì)中57氫鍵NC58

關(guān)于一級和二級結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)/其它空間結(jié)構(gòu)不同的R基團對α螺旋，折疊形成時的影響:決定R：相同(-/+)相斥α螺旋穩(wěn)定性R:

大側(cè)鏈(空間位阻大)隨意卷曲R:

膠原蛋白(空間位阻小)三股超螺旋(甘,脯,羥脯)59(三)蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

(supersecondarystructureanddomain

)

1.超二級結(jié)構(gòu):

多肽鏈上二級結(jié)構(gòu)單元有規(guī)律地聚集圖2-12形成αα，βββ，βαβ等結(jié)構(gòu)601261

2.結(jié)構(gòu)域:在蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中:

超二級結(jié)構(gòu)進(jìn)一步

形成一明顯區(qū)域集結(jié)*是蛋白質(zhì)分子中一個功能單位(功能域)圖2-13*40-400氨基酸組成*由DNA鏈上基因的不同外顯子編碼62輔酶/底物1363外顯子內(nèi)含子5’3’3’64例:膜受體--膜外(N),膜內(nèi),胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(C)

結(jié)構(gòu)域重要性:

*蛋白質(zhì)的功能單位，二級與三級結(jié)構(gòu)之間的重要中間層次

*結(jié)構(gòu)相對較小，容易研究

(親水a(chǎn)a)(疏水a(chǎn)a)(親水a(chǎn)a)(圖)6566(四)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)

中所有氨基酸殘基形成的全部空間結(jié)構(gòu)

二級，超二級盤曲,折疊不同形狀蛋白分子圖2-14a整條多肽鏈(包括相距甚遠(yuǎn)的主鏈及其側(cè)鏈)(一級甚遠(yuǎn),空間很近)1.定義：67682.特點：

*三級結(jié)構(gòu)可以是球、橢圓、棒、纖維狀等

*可形成親水表面和疏水內(nèi)核

*表面也可形成“溝”“穴”(結(jié)合輔助因子)

肌紅蛋白-血紅素(Fe2+)

酶-底物

抗原-抗體

(空間結(jié)構(gòu)鑲嵌,互補)(圖)(圖)69輔酶/底物13703.肌紅蛋白(球狀,一條鏈,153aa,8段)

4.重要性一級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)生物活性

三級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子最顯著特征之一(穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu))圖2-1471*α螺旋:A-H,轉(zhuǎn)角/隨意卷曲:AB,CD(8段)72(五)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quaternarystucture)1.定義：

2.亞基(subunit):

四級結(jié)構(gòu)中，每個各具獨立的三級結(jié)構(gòu)

定方式排列形成最高層次的分子空間構(gòu)象幾個各具獨立的三級結(jié)構(gòu)相互集結(jié)，以特

73

特點：*

亞基單獨存在無活性

*分子量大/具調(diào)節(jié)功能蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)

(蛋白質(zhì)并非都具四級結(jié)構(gòu))三級結(jié)構(gòu)生物活性

*亞基間以次級鍵相連(鹽鍵為主)74*

大多形成親水表面，疏水內(nèi)核*

亞基偶數(shù),、、摧化,調(diào)節(jié)(酶,PKA,p324)

*免疫球蛋白(二硫鍵,四條鏈)胰島素(二硫鍵，二條鏈)不屬四級結(jié)構(gòu)圖2-18(圖)(圖)75

例:Hb

圖2-18α×2，141個aa×2，146個aa

亞基(血紅素-Fe2+)

八個鹽鍵,眾多氫鍵

876

催化底物蛋白磷酸化(PKA)177778

空間結(jié)構(gòu)測定方法:

X射線蛋白質(zhì)晶體衍射

衍射圖(X光片)（3D）X-線衍射,圓二色性79(六)維系蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的次級鍵一級結(jié)構(gòu)---共價鍵(肽鍵、二硫鍵)

空間結(jié)構(gòu)---次級鍵、二硫鍵

次級鍵

---鍵能較低，穩(wěn)定性差的化學(xué)鍵，包括：氫鍵(二級)、疏水鍵(三級)、鹽鍵(四級)Vanderwaals引力

圖2-19801981(七)二硫鍵(disulfidebond)*共價鍵,部分蛋白質(zhì)中*(一/二條多肽鏈上)兩分子Cys氧化脫氫生成

*作用:

加固由次級鍵維系的空間結(jié)構(gòu)，

進(jìn)一步穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象和生理功能

胰島素-3對核糖核酸酶-4對(圖2-4,5,p14)

二硫鍵斷裂空間結(jié)構(gòu)破壞

(圖)8283氨基酸序列(一級結(jié)構(gòu))蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)功能密切相關(guān)基礎(chǔ)(一)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)：一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第四節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系圖2-23842385

核糖核酸酶8M尿素巰基乙醇空間結(jié)構(gòu)破壞生物活性喪失空間結(jié)構(gòu)恢復(fù)

生物活性恢復(fù)(一級結(jié)構(gòu)仍存在)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)圖2-23空間結(jié)構(gòu)是生物活性的關(guān)鍵86(二)蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

結(jié)構(gòu)相(不)同，功能相(不)同

結(jié)構(gòu)相似，功能相似*人、豬、牛、羊胰島素

相似

--2條鏈,aa數(shù)目,二硫鍵位置

差別--個別氨基酸87非關(guān)鍵部位aa殘基差異，不影響生物活性*不同個體同一蛋白的氨基酸亦有差異#

甘氨酸丙氨酸#

脂肪族芳香族88

正常人Hb(HbA)：β鏈,N端,Glu(aa6)

鐮狀Hb（HbS）:β鏈,N端,Val(aa6)

HbS攜氧能力,缺氧鐮刀狀，脆性，溶血關(guān)鍵部位aa殘基改變功能改變(分子病)*關(guān)鍵部位氨基酸改變：89

結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一蛋白質(zhì)最重要的特征結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)功能是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)90一級結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的復(fù)雜性

不同生物體：生理功能相同的蛋白質(zhì)

一級結(jié)構(gòu)可以相似，也可相差很大例：細(xì)菌和小鼠DNA聚合酶91

3’5’5’3’

外切酶聚合酶NC5’3’外切酶

真核細(xì)胞DNA聚合酶

五種:DNA聚合酶αDNA聚合酶δ和PCNADNA聚合酶γDNA聚合酶β、ε合成隨從鏈合成前導(dǎo)鏈合成線粒體DNADNA修復(fù)大腸桿菌DNA聚合酶92(三)空間結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系1、特定構(gòu)象特定性質(zhì)特定功能螺旋

--穩(wěn)定,堅韌,彈性

--角蛋白(指甲,毛發(fā))三股超螺旋

--穩(wěn)定,抗張力--膠原蛋白(肌腱,韌帶)-片層

--可伸展

--絲心蛋白(蠶絲)

親水側(cè)

—

組成離子通道

疏水側(cè)

—

固定于質(zhì)膜上α螺旋

—(π螺旋)

(膜通道蛋白)圖2-20932094Mb和Hb:(空間結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的典型例證)結(jié)構(gòu)：Mb–

三級結(jié)構(gòu)，單鏈

Hb–

四級結(jié)構(gòu)，4亞基(α2,2)

*Mb與Hb亞基相似均能可逆與O2結(jié)合*Mb(三級),

Hb(四級)

結(jié)合特性上差異結(jié)構(gòu)相似功能相同，結(jié)構(gòu)差異功能不同Mb-直角雙曲線,Hb-S狀曲線圖2-1695169697

2.構(gòu)象改變功能改變(別構(gòu))

蛋白質(zhì)構(gòu)象、活性、功能改變*別構(gòu)作用(allostericeffect)

結(jié)合生理小分子—

某一亞基(四級結(jié)構(gòu))改變亞基間接觸/排列(松/緊)98

亞基間的鹽鍵斷裂構(gòu)象輕微改變（緊密T型松弛R型）

其它亞基結(jié)合O2

(正協(xié)同效應(yīng))一亞基結(jié)合O2(α2β2+血紅素)舉例：HbA協(xié)同效應(yīng)：配體與一亞基結(jié)合后能影響四級結(jié)構(gòu)中另一亞基與配體結(jié)合99100101意義：生物體環(huán)境變化調(diào)整蛋白質(zhì)活性執(zhí)行其生理功能102第五節(jié)蛋白質(zhì)的分類一、化學(xué)組