蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

第一節(jié)生物化學(xué)發(fā)展簡史一、敘述生物化學(xué)階段（18世紀(jì)中－19世紀(jì)末）研究生物體的化學(xué)組成二、動態(tài)生物化學(xué)階段（20世紀(jì)初期－末）營養(yǎng)學(xué)、內(nèi)分泌、酶學(xué)、物質(zhì)代謝三、分子生物化學(xué)階段（20世紀(jì)末－）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)、DNA克隆、基因組學(xué)及其他組學(xué)的研究

當(dāng)前第1頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)第二節(jié)生物化學(xué)研究的主要內(nèi)容當(dāng)前第2頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)１．生物分子的結(jié)構(gòu)與功能當(dāng)前第3頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)2．物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)當(dāng)前第4頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)3.基因信息傳遞及其調(diào)控當(dāng)前第5頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)第一篇生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能授課教師：盛健當(dāng)前第6頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)第一章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能當(dāng)前第7頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物。當(dāng)前第8頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)二、蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性1.是生物體重要組成成分分布廣含量高2.具有重要的生物學(xué)功能1）作為生物催化劑（酶）2）代謝調(diào)節(jié)作用3）免疫保護(hù)作用4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲5）運(yùn)動與支持作用6）參與細(xì)胞間信息傳遞3.氧化供能當(dāng)前第9頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)當(dāng)前第10頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)組成元素主要有C、H、O、N和S

少量磷、硒、鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘。當(dāng)前第11頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%元素組成的特點(diǎn)當(dāng)前第12頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)一、氨基酸(aminoacid)（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)20種L-α-氨基酸（甘氨酸除外）當(dāng)前第13頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H當(dāng)前第14頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)氨基酸的旋光異構(gòu)當(dāng)前第15頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸的分類當(dāng)前第16頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)(一)非極性脂肪族氨基酸當(dāng)前第17頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)(二)極性中性氨基酸當(dāng)前第18頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)(三)芳香族氨基酸當(dāng)前第19頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)(四)酸性氨基酸(五)堿性氨基酸目錄當(dāng)前第20頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)特殊氨基酸脯氨酸（亞氨基酸）當(dāng)前第21頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)

半胱氨酸

+胱氨酸二硫鍵-HH當(dāng)前第22頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)三、氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點(diǎn)等電點(diǎn)(pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。當(dāng)前第23頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子當(dāng)前第24頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。當(dāng)前第25頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)3.氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍(lán)紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。當(dāng)前第26頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)四、肽肽鍵(peptidebond)

（一）肽(peptide)*由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。當(dāng)前第27頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵當(dāng)前第28頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)肽氨基酸殘基(residue)寡肽(oligopeptide)多肽(polypeptide)*由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。*肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全。當(dāng)前第29頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈的兩端*許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。多肽鏈(polypeptidechain)

當(dāng)前第30頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)N末端C末端牛核糖核酸酶當(dāng)前第31頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（二）生物活性肽谷胱甘肽(γ-GSH)當(dāng)前第32頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換當(dāng)前第33頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)神經(jīng)肽多肽類激素及神經(jīng)肽當(dāng)前第34頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)當(dāng)前第35頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)高級結(jié)構(gòu)（空間構(gòu)象）當(dāng)前第36頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)定義蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵肽鍵、二硫鍵

當(dāng)前第37頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。當(dāng)前第38頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。定義

主要的化學(xué)鍵：氫鍵

當(dāng)前第39頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（一）肽單元(peptideunit)參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，構(gòu)成肽單元。當(dāng)前第40頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)肽鍵有部分雙鍵性質(zhì)1）肽鍵比一般C-N鍵短，且不能自由旋轉(zhuǎn)2）肽鍵原子及相鄰的a碳原子組成肽平面3）相鄰的a碳原子呈反式構(gòu)型當(dāng)前第41頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)

（二）蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)當(dāng)前第42頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)1、-螺旋當(dāng)前第43頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)當(dāng)前第44頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)-螺旋特征是：

①為右手螺旋(氨基酸側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè))；②每螺旋圈包含3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm；③氫鍵穩(wěn)固α—螺旋結(jié)構(gòu)，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行。當(dāng)前第45頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)2、-折疊當(dāng)前第46頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)-折疊的特征：①較伸展，呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)，氨基酸殘基側(cè)鏈交替地位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方；②兩條以上肽鏈結(jié)構(gòu)可平行排列，走向可相同，也可相反；③肽鏈間的氫鍵穩(wěn)固其結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第47頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)3、β—轉(zhuǎn)角

常發(fā)生于肽鏈進(jìn)行180°回折時(shí)的轉(zhuǎn)角上。4、無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。

由4個氨基酸殘基組成，氫鍵維系穩(wěn)定當(dāng)前第48頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（三）模體(motif)在許多蛋白質(zhì)分子中，二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構(gòu)象。在許多蛋白質(zhì)分子中，二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合。二級結(jié)構(gòu)組合形式有：αα，βαβ，ββ。超二級結(jié)構(gòu)模體---是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)當(dāng)前第49頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)

當(dāng)前第50頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)當(dāng)前第51頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的化學(xué)鍵整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子的空間排布。（一）定義當(dāng)前第52頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)當(dāng)前第53頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)肌紅蛋白(Mb)N端

C端當(dāng)前第54頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域

（二）結(jié)構(gòu)域(domain)大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構(gòu)域。當(dāng)前第55頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（三）分子伴侶通過提供一個保護(hù)環(huán)境從而幫助新生多肽鏈正確折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。

作用機(jī)制：與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開；誘導(dǎo)錯誤聚集的肽段解聚；誘導(dǎo)二硫鍵的形成。

當(dāng)前第56頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)伴侶蛋白在蛋白質(zhì)折疊中的作用當(dāng)前第57頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)主要的化學(xué)鍵：疏水作用、氫鍵和離子鍵四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)含有二條或多條多肽鏈的蛋白質(zhì)分子中，每一條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。蛋白質(zhì)的亞基蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)當(dāng)前第58頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)

當(dāng)前第59頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)當(dāng)前第60頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)纖連蛋白分子當(dāng)前第61頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是它的氨基酸序列蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是由氫鍵導(dǎo)致的肽鏈卷曲與折疊Primary

structureSecondary

structure當(dāng)前第62頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈自然形成的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是亞基的空間排列Polypeptide

(singlesubunit

oftransthyretin)Transthyretin,withfour

identicalpolypeptidesubunitsTertiary

structureQuaternary

structure當(dāng)前第63頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)五、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)---多為結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)---多為具生理活性的蛋白質(zhì)當(dāng)前第64頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)六、蛋白質(zhì)組學(xué)（一）蛋白質(zhì)組學(xué)基本概念蛋白質(zhì)組是指一種細(xì)胞或一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)，即“一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)”。當(dāng)前第65頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（二）蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)平臺蛋白質(zhì)組學(xué)是高通量，高效率的研究:雙向電泳分離樣品蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)點(diǎn)的定位、切取蛋白質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)譜分析（三）蛋白質(zhì)組學(xué)研究的科學(xué)意義當(dāng)前第66頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第三節(jié)當(dāng)前第67頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵當(dāng)前第68頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性當(dāng)前第69頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能胰島素氨基酸殘基序號A5A6A10B30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla當(dāng)前第70頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（三）氨基酸序列提供重要的生物化學(xué)信息當(dāng)前第71頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·····C(146)

由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。當(dāng)前第72頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的功能依賴于特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似當(dāng)前第73頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)肌紅蛋白(Mb)當(dāng)前第74頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)血紅蛋白(Hb)當(dāng)前第75頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。正協(xié)同效應(yīng)負(fù)協(xié)同效應(yīng)

當(dāng)前第76頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)當(dāng)前第77頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為變構(gòu)效應(yīng)。當(dāng)前第78頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，影響其功能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致疾病發(fā)生。包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。當(dāng)前第79頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)瘋牛病是由朊病毒蛋白引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變當(dāng)前第80頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)當(dāng)前第81頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)一、蛋白質(zhì)的兩性電離蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(pI)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。當(dāng)前第82頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)分子量自1萬至100萬，直徑可達(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。*蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜當(dāng)前第83頁\共有92頁\編于星期六\11點(diǎn)+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用