【生物化學(xué)】第01章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能（09醫(yī)本）

1、蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,第1章,Structure and Function of Protein,什么是蛋白質(zhì)?,蛋白質(zhì)(protein)是由氨基酸構(gòu)成的具有特定空間結(jié)構(gòu)的、并具有一定生物功能的大分子有機化合物。蛋白質(zhì)存在于所有的生物細胞中，是構(gòu)成生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。,蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性,分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細胞內(nèi)最豐富的有機分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，

2、例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。,1. 蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分,作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲運動與支持作用參與細胞間信息傳遞,2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能,3. 氧化供能,總特點：普遍存在、含量高、種類繁多、功能多樣,蛋白質(zhì)的分子組成The Molecular Component of Protein,第一節(jié),組成蛋白質(zhì)的元素,主要有C、H、O、N和 S。 有些蛋白質(zhì)含有少量磷

3、或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘 。,,各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。,由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：,100克樣品中蛋白質(zhì)的含量 (g %)= 每克樣品含氮克數(shù)× 6.25×100,1/16%,蛋白質(zhì)元素組成的特點,,一、組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸均屬于L-?-氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余種

4、，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬 L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。,,,C,,+,N,H,3,,,,,,,,,C,O,O,-,,H,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、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進行分類,(一)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸,(二)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸,(三)側(cè)鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸,(四)側(cè)鏈含負性解離基團的氨基酸是酸

5、性氨基酸,,(五)側(cè)鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸,,少數(shù)的蛋白質(zhì)還存在一些上述20種基本氨基酸外的氨基酸: 如羥脯氨酸、羥賴氨酸、胱氨酸、四碘甲腺原氨酸（甲狀腺素）非蛋白質(zhì)氨基酸：如β-丙氨酸、D-苯丙氨酸、同型半胱氨酸、瓜氨酸、 鳥氨酸等,幾種特殊氨基酸,? 半胱氨酸,胱氨酸,,pH=pI,pH>pI,pH<pI,兼性離子,,兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。,三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性

6、質(zhì),（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì),（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì),芳香族氨基酸的紫外吸收,,（三）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍紫色化合物,氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。,四、蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成的多肽鏈,肽鍵(peptide bond)是由一個氨基酸的?-羧基與另一個氨基酸的?-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵

7、。,（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽 (peptide),,+,,,肽鍵的形成,甘氨酸,甘氨酸,甘氨酰甘氨酸,…,肽鏈的兩個末端,肽鍵,,,肽(peptide)肽鍵( peptide bond)寡肽(oligopeptide)多肽(polypeptide)多肽鏈( polypeptide chanin ）氨基酸殘基(residue)肽鏈兩端,一組概念：,人體內(nèi)具有特殊生物活性的肽類，如：,谷胱甘肽（glutathione，G

8、SH）,谷胱甘肽的結(jié)構(gòu),谷胱甘肽參加的反應(yīng)及功能,（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽,,寡肽、多肽類激素,神經(jīng)肽中有一些是多肽,促甲狀腺素釋放激素、催產(chǎn)素、加壓素等,在神經(jīng)傳導(dǎo)過程中起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用,蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)The Molecular Structure of Protein,第二節(jié),蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:,一級結(jié)構(gòu)(primary structure)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)三級結(jié)構(gòu)(tertia

9、ry structure)四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure),例：,什么是？,多肽鏈中從N→C端氨基酸的排列順序。,主要的化學(xué)鍵—,肽鍵,有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵,一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),,,一級結(jié)構(gòu)的闡明具有重要意義：,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)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。,蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，不涉及氨基酸殘基

10、側(cè)鏈的構(gòu)象 。,(關(guān)鍵詞:主鏈、肽段、局部),什么是？,二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵—,氫鍵,二級結(jié)構(gòu)的基本單位—,肽單元,二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu),,二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)—肽單元(peptide unit) 的說明：,C?1和C?2為反式(trans)構(gòu)型,O和H也是反式構(gòu)型。,肽鍵鍵長0.132nm,＜0.149 nm,0.127 nm ＜,Cα與羰基Co和N相連的單鍵能自由旋轉(zhuǎn)，角度為ψ 、 ? ,該旋轉(zhuǎn)角度決定了相鄰2肽單元

11、的相對空間位置。,C?1、C、O、N、H、C?2 6個原子在同一平面,稱為肽鍵平面。,（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上,相鄰2肽單元（肽鍵平面）的相對空間位置,酰胺平面-1,酰胺平面-2,?-螺旋 (? -helix) ?-折疊 (?-pleated sheet) ?-轉(zhuǎn)角 (?-turn) 無規(guī)卷曲 (random coil),（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu),,,①外觀：右手螺旋（順）。

12、,?-螺旋結(jié)構(gòu)要點：,?-螺旋 ( ? -helix ),②螺距：3.6個氨基酸、0.54nm。,③維持因素：氫鍵。,④R基團的位置：螺旋外側(cè)， R基團影響?-螺旋的形成。,,①肽段折紙狀、鋸齒狀，相對伸展。,?-折疊結(jié)構(gòu)要點：,?-折疊 ( ?-pleated sheet ),②幾個肽段順向平行、反向平行0.70nm。,③維持因素：氫鍵。,④R基團的位置：鋸齒的上下方。,,4個氨基酸殘基第二個常為脯氨酸 180?回折

13、 氫鍵維持,?-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)要點：,無規(guī)卷曲：,?-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲,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(jié)構(gòu)。,,（五）模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu),在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)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，被稱為超二級結(jié)構(gòu)。,二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：αα，βαβ，ββ 。,超二級結(jié)構(gòu),,二個或三個二級結(jié)構(gòu)空間上靠近特殊的構(gòu)象特殊的功能,,模體(motif),定義,舉例,模體是具

14、有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。,,（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈對二級結(jié)構(gòu)形成的影響,蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈（如電荷、大小、形狀）適合形成?-螺旋或β-折疊，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。,疏水鍵、離子鍵、氫鍵、Van der Waals力等。,整條肽鏈全部氨基酸所有原子,,什么是？,主要的化學(xué)鍵：,,三維空間的位置排布,三、在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多肽鏈進一步折疊形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu),（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部

15、氨基酸殘基的相對空間位置,,,30k 40k 20k 75k,60k,35k 30k,肝素纖維蛋白肌動蛋白,細胞,膠原蛋白,纖維蛋白,肝素,纖維蛋白,結(jié)構(gòu)域：,三級結(jié)構(gòu)中、分割成折疊較為緊密的區(qū)域，各行使其功能。,（三）分子伴侶(chaperon),（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū),,四級結(jié)構(gòu)—,亞基 (subunit)—,維持因素—,各亞基的空間排布亞基間相互作

16、用關(guān)系,四級結(jié)構(gòu)中每條具有完整三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈,離子鍵、氫鍵不包括共價鍵,四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu),,,由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。,血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu),一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu),定義,肽鍵,氨基酸殘基,基本單位,主要鍵,備注,模體,肽單元,整條肽鏈,亞基,氫鍵,疏離氫Van,

17、離氫,結(jié)構(gòu)域,亞基,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次比較,五、蛋白質(zhì)的分類,根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:,根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:,六、蛋白質(zhì)組學(xué),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系The Relation of Structure and Function of Protein,第三節(jié),一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ),（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ),,（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,（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

18、質(zhì)如細胞色素(cytochrome C)，比較它們的一級結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進化間的關(guān)系。,,（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病,例：鐮刀形紅細胞貧血,這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。,,二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu),（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似,（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合,第一個氧分子與Fe2+結(jié)合,Fe2+半徑變小，進入卟啉平面,,牽動F8組aa殘基,牽動其它亞基←,Hb

19、由T型變R型←,,第二亞基結(jié)合氧的速度↑,第三亞基結(jié)合氧的速度↑↑,第四亞基結(jié)合氧的速度↑↑↑,,,Hb結(jié)合氧的過程：,,變構(gòu)效應(yīng)(allosteric effect):,正協(xié)同效應(yīng)負協(xié)同效應(yīng),蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變引起其功能的變化。,變構(gòu)效應(yīng)劑/配體協(xié)同效應(yīng)(cooperativity),幾個概念：,蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。旱鞍踪|(zhì)的折疊錯誤→構(gòu)象改變 →影響功能→導(dǎo)致疾病。,發(fā)病機理：蛋白質(zhì)錯誤折疊相互聚

20、集，形成抗蛋白 水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性。,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。,（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病,第四節(jié),蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì),蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶

21、液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。,蛋白質(zhì)的等電點( isoelectric point, pI),,二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì),蛋白質(zhì)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1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。,顆粒表面電荷水化膜,蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:,三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而

22、引起變性,在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。,蛋白質(zhì)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 。,,臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。此外, 防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。,應(yīng)用舉例:,,若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋

23、白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性(renaturation) 。,在一定條件下，蛋白疏水側(cè)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(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。,蛋白質(zhì)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(zhì)沉淀,蛋白質(zhì)的凝固作用(protein coagulation),四、蛋白質(zhì)在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰,由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的

24、酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。,蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。,蛋白質(zhì)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(yīng)稱為雙縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。,五、應(yīng)用蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)可測定蛋白質(zhì)溶液含量,茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction),雙縮脲反應(yīng)(biuret reaction),第五節(jié),

25、蛋白質(zhì)的分離純化與結(jié)構(gòu)分析The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein,一、透析及超濾法可去除蛋白質(zhì)溶液中的小分子化合物,二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀 是常用的蛋白質(zhì)沉淀方法,三、利用荷電性質(zhì)可用電泳法將蛋白質(zhì)分離,四、應(yīng)用相分配或親和原理可將蛋白質(zhì)進行層析分離,五、利用蛋白質(zhì)顆粒沉降行為不同可進行超速離心分離,氨基酸序列的測定,根據(jù)核