分子細胞與組織教學課件3生物大分子蛋白質的化學特性結構與功能

1、生物大分子蛋白質的化學特性、結構與功能,第三章,M.D. & Ph.D 生物化學與分子細胞生物學系,主要內容,蛋白質的空間結構 蛋白質空間結構和功能的關系 蛋白質的重要理化性質,4 Levels of Protein Structure,蛋白質的空間結構,第一節(jié),一、蛋白質的二級結構,主要的化學鍵：氫鍵,所謂肽鏈主鏈骨架原子即N（氨基氮）、 C（-碳原子）和Co（羰基碳）3個原子依次重復排列。,蛋白質二級結構,（一）-螺旋,G蛋白偶聯(lián)受體,萊納斯卡爾鮑林,萊納斯卡爾鮑林（Linus Carl Pauling，1901.2.28-1994.8.19.），美國著名化學家、量子化學和結構生物學的先驅

2、者之一。1954年因在化學鍵方面的工作取得諾貝爾化學獎，1962年因反對核彈在地面測試的行動獲得諾貝爾和平獎。,鮑林在生物大分子領域最初的工作是對血紅蛋白結構的確定。鮑林首先將x-射線衍射晶體結構測試的方法引入到蛋白質結構測定中來。結合血紅蛋白的晶體衍射圖譜，鮑林提出蛋白質中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的，這就是最早的 螺旋結構模型。有科學史學者認為沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結構模型就是受到了鮑林的影響。1951年鮑林結合他在血紅蛋白進行的實驗研究，以及對肽鏈和肽平面化學結構的理論研究，提出了螺旋和折疊是蛋白質二級結構的基本構建單元的理論。這一理論成為20世紀生物化學若干基本理論之一，影響

3、深遠。,肌紅蛋白的三維空間結構,（三）-折疊,（三）-轉角和無規(guī)卷曲在蛋白質分子中普遍存在,-轉角,無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結構。,（四）,（五）超二級結構和模體,在許多蛋白質分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結構組合，被稱為超二級結構。,二級結構組合形式有3種：， 。,二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，稱為模體(motif) 。,模體是具有特殊功能的超二級結構。,鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體,鋅指結構,-螺旋-轉角（或環(huán)）-螺旋模體 鏈-轉角-鏈模體 鏈-轉角-螺旋-轉角-鏈模體,模體常

4、見的形式,二、蛋白質的三級結構,整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。,定義:,（一）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置,Water-Soluble Globular Proteins,肌紅蛋白 (Mb),結構域是三級結構層次上的獨立功能區(qū),分子量較大的蛋白質?？烧郫B成多個結構較為緊密且穩(wěn)定的區(qū)域，并各行其功能，稱為結構域 (domain) 。,大多數(shù)結構域含有序列上連續(xù)的100至200個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結構域的蛋白質常分解出獨立的結構域，而各結構域的構象可以基本不改變，并保持其功能。 超二級結構則不具備這種特點。

5、 因此，結構域也可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，有較為獨立的三維空間結構。,蛋白質的多肽鏈須折疊成正確的空間構象,分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。,分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。,分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。,分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。,亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵。,三、蛋白質的四級結構,蛋白質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，稱為蛋白質的四級結構。,許多功能性蛋白質

6、分子含有2條或2條以上多肽鏈。每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基 (subunit)。,Quaternary Structure,血紅蛋白(hemoglobin，Hb),四、維系蛋白質空間結構的非共價鍵,二級結構：氫鍵 三級結構：疏水鍵 四級結構：鹽鍵,五、二硫鍵,蛋白質結構與功能的關系,第二節(jié),（一）一級結構是空間構象的基礎,一、蛋白質分子一級結構和功能的關系,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、 -巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,（二）一級結構相似的蛋白質具有相似的高級結構與功能,一級結構相似的多肽或蛋白質，其空間構象以及功能也相似。, 氨基酸殘基序號 胰島素

7、A5 A6 A10 A30 人 Thr Ser Ile Thr 豬 Thr Ser Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala 兔 Thr Gly Ile Ser 牛 Ala Gly Val Ala 羊 Ala Ser Val Ala 馬 Thr Ser Ile Ala ,（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息,一些廣泛存在于生物界的蛋白質如細胞色素(cytochrome C)，比較它們的一級結構，可以幫助了解物種進化間的關系。,（四）重要蛋白質的氨基酸序列改變可引起疾病,例：鐮刀形紅細胞貧血,這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。,肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基,血

8、紅素結構,二、蛋白質分子空間結構和功能的關系,（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似,肌紅蛋白(myoglobin，Mb),肌紅蛋白是一個只有三級結構的單鏈蛋白質，有8段-螺旋結構。 血紅素分子中的兩個丙酸側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結合，所以血紅素輔基與蛋白質部分穩(wěn)定結合。,血紅蛋白(hemoglobin，Hb),血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結構，每個亞基可結合1個血紅素并攜帶1分子氧。 Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結合而形成親水的球狀蛋白。,脫氧Hb亞基間和亞基內的鹽鍵,Hb與Mb一樣能可逆地與O2結

9、合， Hb與O2結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。,（二）血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基與氧結合,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,協(xié)同效應(cooperativity),一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。 如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應 (positive cooperativity) 如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應 (negative cooperativity),血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。,別構效應(a

10、llosteric effect),蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為別構效應。,（三）蛋白質構象改變可引起疾病,蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。,蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。,這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。,瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。 正常的PrP富含-螺旋，稱為PrP

11、c。 PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為-折疊的PrPsc，從而致病。,瘋牛病中的蛋白質構象改變,第三節(jié),蛋白質的重要理化性質,一、大分子親水膠體性質,蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1100nm，為膠粒范圍之內。,顆粒表面電荷 水化膜,蛋白質膠體穩(wěn)定的因素:,水化膜,帶負電荷的蛋白質,溶液中蛋白質的聚沉,二、兩性解離與等電點,蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。,當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液

12、的pH稱為蛋白質的等電點。,蛋白質的等電點( isoelectric point, pI),三、紫外吸收特征與蛋白質定量分析,由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的A280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。,蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。,蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解程度。,應用蛋白質呈色反應可測定蛋白質溶液含量,茚三酮反應(ninhydrin reaction),雙縮脲反應(biuret reaction),四、蛋白質的變性,

13、在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。,蛋白質的變性(denaturation),造成變性的因素: 如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。,應用舉例: 臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。 此外, 防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。,若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation) 。,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、 -巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,在一定

14、條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。 變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發(fā)生沉淀，但并不變性。,蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。,蛋白質沉淀,蛋白質的凝固作用(protein coagulation),SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質分子量的測定。 等電聚焦電泳，通過蛋白質等電點的差異而分離蛋白質的電泳方法。 雙向凝膠電泳是蛋白質組學研究的重要技術。,幾種重要的蛋白質電泳:,一、掌握 1. 蛋白質的結構與功能： 1) 二級結構的概念和各種二級結構基本單元的特征 2) 三級結構的概念及特點 3) 模體和結構域的概念 4) 四級結構、亞基概念與特點 5) 別構效應的概念 6) 蛋白質結構中的非共價鍵和共價鍵組成特點 2. 蛋白質結構和功能的關系 1) 蛋白質一級結構與功能的關系，分子病的概念 2) 蛋白質空間結構、結構與功能間的關系 3. 蛋白質的理化性質 1) 蛋白質的兩性解離與等電點 2) 蛋白質的紫外吸收特征與定量分析 3) 蛋白質變性的概念及實際應用,二、熟悉 1. 超二級結構的概念 2. 蛋白質構象病的概念 三、了解 1. 蛋白質的大分子親水膠體性質,2015-2016學年第一學期分