高級(jí)生物化學(xué),蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,馮明菊 407205117024 營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué),蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成,1,第二節(jié) 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),2,第三節(jié) 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),1,第四節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,2,3,4,蛋白質(zhì)（protein）是由許多氨基酸通過(guò)肽鍵相連 形成的高分子含氮化合物。 蛋白質(zhì)是由一條或多條多肽鏈以特殊方式組合成的生物大分子。 蛋白質(zhì)與多肽并無(wú)嚴(yán)格的界線，通常是將分子量在6000道爾頓(Dalton, d)以上的多肽稱為蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)分子量變化范圍很大, 從大約6000到100萬(wàn)道爾頓甚至更大。,1. 蛋白質(zhì)的定義,第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成,(1)蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分 分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)部分都含有蛋白質(zhì)。 含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80。,2.蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性,(2)蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能 作為生物催化劑（酶） 代謝調(diào)節(jié)作用 免疫保護(hù)作用 物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ) 運(yùn)動(dòng)與支持作用 參與細(xì)胞間信息傳遞 (3) 氧化供能,3.蛋白質(zhì)的分子組成,組成蛋白質(zhì)的元素: 主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有碘 。 蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn) 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(cè)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) 6.25100,1/16%,(1)蛋白質(zhì)的基本組成單位-氨基酸 組成蛋白質(zhì)的氨基酸除脯氨酸外，其余均屬于-氨基酸。 -氨基酸根據(jù)其光學(xué)活性具有不同的構(gòu)型,4.組成蛋白質(zhì)的氨基酸,COOH COOH H2NCH HCNH2 R R L-氨基酸 D-氨基酸,(2)組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸均屬于L-氨基酸（甘氨酸除外），稱為編碼氨基酸。,R,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,L-氨基酸的通式,根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的不同，將氨基酸分為以下幾類,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,(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(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸,(四)側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)的氨基酸是酸性氨基酸,(五)側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)的氨基酸屬于堿性氨基酸,(一)氨基酸具有兩性解離的性質(zhì) 兩性解離及等電點(diǎn) 氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。 等電點(diǎn)(isoelectric point, pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)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)。,5. 氨基酸的理化性質(zhì),(1)氨基酸通過(guò)肽鍵連接而形成肽 (peptide) 肽鍵(peptide bond)是由一個(gè)氨基酸的-羧基與另一個(gè)氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。 兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽 由十個(gè)以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。 肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。,6.蛋白質(zhì)中氨基酸的連接,多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。 多肽鏈有兩端： N 末端：多肽鏈中有游離-氨基的一端 ; C 末端：多肽鏈中有游離-羧基的一端,C末端,N末端,定義:蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)包括組成蛋白質(zhì)的多肽鏈 數(shù)目，多肽鏈的氨基酸序列，以及多肽鏈內(nèi) 或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置 主要的化學(xué)鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。 二硫鍵（disulfide bond）：由肽鏈中相應(yīng)部 位上兩個(gè)半胱氨酸殘基的側(cè)鏈脫氫形成。 一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。,第二節(jié) 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的步驟,（1）蛋白質(zhì)樣品的預(yù)處理； （2）測(cè)定每條多肽鏈的氨基酸組成； （3）測(cè)定多肽鏈的N-末端和C-末端； （4）應(yīng)用兩種或兩種以上不同的水解方法將所要測(cè)定的蛋 白質(zhì)斷裂，各自得到一系列大小不同的肽段； （5）分離提純所產(chǎn)生的肽，并測(cè)定它們的序列； （6）從有重疊結(jié)構(gòu)的各個(gè)肽的序列中推斷出蛋白質(zhì)中全部氨基酸順序。 分析多肽鏈的N-末端和C-末端; N-端氨基酸分析法：DNFB法、Edman法、氨肽酶法（肽鏈外切酶，它能從多肽鏈的N-端逐個(gè)的向里水解） C-端氨基酸分析法：羧肽酶法（肽鏈外切酶，它能從多肽鏈的C-端逐個(gè)的向里水解）、肼解法,一.蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。 主要有:,第三節(jié) 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),定義: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(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象 主要的化學(xué)鍵：氫鍵,-螺旋 ( -helix) -折疊 (-pleated sheet) -轉(zhuǎn)角 (-turn) 無(wú)規(guī)卷曲 (random coil),(一)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),肽鍵平面：參與肽鍵的6個(gè)原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，稱為肽鍵平面或肽單元。 C1和C2在平面上所處的位置為反式構(gòu)型。,（1）-螺旋(-helix),多肽鏈中的各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個(gè)aa殘基；兩個(gè)aa之間的距離為0.15nm； aa殘基側(cè)鏈R基團(tuán)伸向外側(cè)，相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵； 天然蛋白質(zhì)的-螺旋通常都是右手-螺旋。 螺旋穩(wěn)定因素: 每個(gè)肽鏈的C=O, 與第4個(gè)氨基酸殘基的N-H形成氫鍵。,-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),影響-helix穩(wěn)定的因素：,R基團(tuán)電荷影響螺旋的形成： 酸堿性氨基酸集中的區(qū)域，同性相斥，不利螺旋。 R基團(tuán)大小影響螺旋的形成： （Phe、Try、Ile）集中的區(qū)域，不利螺旋。Gly， Pro不能形成典型的螺旋。 折疊的氨基酸R基團(tuán)較小。,（2）折疊(pleated sheet),兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈通過(guò)鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的； 肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，R基團(tuán)處于折疊平面的兩側(cè)。,-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 折紙狀結(jié)構(gòu)：以C為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，R基團(tuán)在折紙狀結(jié)構(gòu)的上下方。 穩(wěn)定因素： 兩條肽鏈或一條肽鏈兩段之間的C=O 與N-H 形成氫鍵。 兩段肽鏈走向： 平行：N端到C端同方向，肽鏈間距0.65nm； 反平行: N端到C端不同方向, 肽鏈間距0.70nm。 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要以螺旋和 -折疊為主，許多蛋白質(zhì)既有螺旋又有 -折疊。,（3）轉(zhuǎn)角（turn）,多肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180的回折，這個(gè)回折角就是轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 4個(gè)氨基酸殘基組成，第1個(gè)殘基的C=0 與第4個(gè)殘基的N-H形成氫鍵,形成一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié) 第二個(gè)殘基常為Pro.,(4)無(wú)規(guī)卷曲：沒有一定規(guī)律的松散的肽鏈結(jié)構(gòu)，通常酶的活性中心常處在這一構(gòu)象區(qū)域里。,(二)超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域,超二級(jí)結(jié)構(gòu)(super secondary structure)： 是指若干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體。 常見的超二級(jí)結(jié)構(gòu)： 、 ,模體(motif)：作用的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。 蛋白質(zhì)分具有特殊功能子中，2個(gè)或3個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，相互接近形成一個(gè)特殊的空間結(jié)構(gòu)，并發(fā)揮專一的功能 。 模體常見的形式 -螺旋-轉(zhuǎn)角（或環(huán)）-螺旋模體 鏈-轉(zhuǎn)角-鏈模體 鏈-轉(zhuǎn)角-螺旋-轉(zhuǎn)角-鏈模體,結(jié)構(gòu)域（domain） ：是在超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步卷曲折疊成緊密的近似球狀的結(jié)構(gòu)，在空間上彼此分隔，各自具有部分生物功能的結(jié)構(gòu)。,結(jié)構(gòu)域,小的蛋白質(zhì)分子只有一個(gè) 結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域三級(jí)結(jié)構(gòu) 大的蛋白質(zhì)分子有數(shù)個(gè)結(jié) 構(gòu)域,(三)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)（Tertiary Structure）,在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈不同區(qū)段的側(cè)鏈基團(tuán)相互作用，進(jìn)一步盤繞、折疊形成的的空間結(jié)構(gòu)。 定義: 整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。 包括主鏈和側(cè)鏈原子。 具有功能作用的完整蛋白質(zhì)分子。 維系這種特定結(jié)構(gòu)的力主要有氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力和二硫鍵、配位鍵等。,多肽鏈,疏水鍵,氫鍵,二硫鍵,離子鍵,CH2OH,CH2OH,范德華力,維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力,(四) 蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)（Quaternary Structure）,由兩條或兩條以上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈聚合而成的特定構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子叫蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)； 其中具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的一條肽鏈叫亞基（subunit)，無(wú)生物功能；亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。 由幾個(gè)亞基聚集而成的蛋白質(zhì)常常稱為寡聚蛋白。,均一四級(jí)結(jié)構(gòu)：相同亞基組成。同聚體 非均一四級(jí)結(jié)構(gòu)：不相同亞基組成。異聚體,4個(gè)亞基締合而成 2種亞基（、） 亞基呈球形 亞基間靠次級(jí)鍵連接 亞基兩兩相同，分別 為1 、2、1、2 每個(gè)亞基都含有一個(gè) 血紅素輔基,血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu),第四節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,（1）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,1.蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ),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(wú)活性,牛核糖核酸酶的一級(jí)結(jié)構(gòu),2.氨基酸序列提供重要的生物化學(xué)信息 細(xì)胞色素(cytochrome C)， 比較一級(jí)結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。 3.同種蛋白質(zhì)中氨基酸順序的個(gè)體差異（分子病） 血紅蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)變化引起鐮刀型貧血病 4. 一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能 如:同源蛋白質(zhì),（2）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)構(gòu)象并不是固定不變的，有些蛋白質(zhì)表現(xiàn)其生物功能時(shí)，構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變了整個(gè)分子的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為別構(gòu)（變構(gòu)）現(xiàn)象。 別構(gòu)蛋白各部位之間的影響是通過(guò)構(gòu)象變化傳遞的，這種構(gòu)象變化可以從一個(gè)亞基傳到另一個(gè)亞基，引起協(xié)同的相互作用。 以血紅蛋白的載O2為例,環(huán)境氧低時(shí) Hb 迅速釋放氧分子,動(dòng)脈,環(huán)境氧高時(shí) Hb 快速吸收氧分子,(R) 松弛態(tài),(T) 緊張態(tài),靜脈,釋放氧分子后 Hb 變回 T 態(tài),血中氧分子的運(yùn)送：,肌紅蛋白（Mb） /血紅蛋白（Hb）,血紅素結(jié)構(gòu): 鐵卟啉化合物 4個(gè)吡咯環(huán)、 4個(gè)甲炔基、 2個(gè)丙酸基與aa連接 Fe2+ 6個(gè)配位鍵： 4N、組aa、O2,（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似,肌紅蛋白（Mb） 一條肽鏈，含1個(gè)血紅素，可結(jié)合1個(gè)O2,血紅蛋白（Hb） 4個(gè)亞基，亞基結(jié)構(gòu)與Mb相似 含4個(gè)血紅素，各結(jié)合4個(gè)O2 亞基之間8對(duì)鹽鍵。,氧合Hb（Mb）：與O2結(jié)合后的Hb （Mb） 百分飽和度：氧Hb(Mb)占總Hb(Mb)的百分?jǐn)?shù)。 氧解離曲線：氧分壓與氧百分飽和度的關(guān)系曲線。,血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧的功能,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,Mb: 呈直角雙曲線 MB易與O2結(jié)合 Hb: 呈S狀曲線 O2分壓低時(shí)：Hb不易與O2結(jié)