蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及功能

1、 第三部分 蛋白質(zhì)的組成及分子結(jié)構(gòu)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)胞間信息傳遞蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能蛋白質(zhì)的分類1. 根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分，可分為： 單純蛋白質(zhì) 不含有非蛋白質(zhì)部分，水解后的最終產(chǎn)物只有氨基酸。 結(jié)合蛋白質(zhì) 由單純蛋白和輔基 (無機(jī)離子或有機(jī)化合物) 結(jié)合而成的蛋白質(zhì)。2. 根據(jù)蛋白質(zhì)形狀，可分為： 纖維狀蛋白質(zhì) 球狀蛋白質(zhì)分分 類類輔輔 基基舉舉 例例 脂蛋白脂蛋白脂類脂類血漿脂蛋白血漿脂蛋白 (VLDL、LDL、HDL等等) 糖蛋白糖蛋白糖基或糖鏈糖基或糖鏈膠原蛋白、纖連蛋白等膠原蛋白、纖連蛋白

2、等 核蛋白核蛋白核酸核酸核糖體核糖體 磷蛋白磷蛋白磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)酪蛋白酪蛋白 (casein) 血紅素蛋白血紅素蛋白血紅素血紅素 (鐵卟啉鐵卟啉)血紅蛋白、細(xì)胞色素血紅蛋白、細(xì)胞色素 c 黃素蛋白黃素蛋白黃素核苷酸黃素核苷酸 (FAD、FMN)琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶 金屬蛋白金屬蛋白鐵鐵鐵蛋白鐵蛋白鋅鋅乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶鈣鈣鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白錳錳丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶銅銅細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合蛋白質(zhì)及其輔基 第一節(jié)蛋白質(zhì)的基本組成單位及其連接方式一、蛋白質(zhì)的基本組成單位 氨基酸(一) 氨基酸的結(jié)構(gòu)與分類C 的基本結(jié)構(gòu) COOHH2N RCHR 基團(tuán) -碳原子 (C )1. 結(jié)構(gòu)

3、(1) 與羧基相鄰的 -碳原子上都有一個氨基，因而稱為 -氨基酸；生物體內(nèi)構(gòu)成蛋白質(zhì)的 20 種氨基酸均為 -氨基酸。L-構(gòu)型D-構(gòu)型(2) 除甘氨酸外，其他氨基酸分子中的 -碳原子為不對稱碳原子，使氨基酸具有旋光性。每一種氨基酸具有 D-型和 L-型兩種立體異構(gòu)體。天然蛋白質(zhì)中氨基酸都為 L-型。2. 分類(1) 按 R 基團(tuán)在中性溶液中的極性和解離狀態(tài)分類：非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸(2) 中性氨基酸按 R 基團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同分為：脂肪族氨基酸含硫氨基酸芳香族氨基酸亞氨基酸羥基氨基酸酰胺類氨基酸 甘氨酸甘氨酸GlycineGlyG 丙氨酸丙氨酸AlanineAlaA

4、纈氨酸纈氨酸ValineValV 亮氨酸亮氨酸LeucineLeuL 異亮氨酸異亮氨酸IsoleucineIleI 苯丙氨酸苯丙氨酸PhenylalaninePheF脯氨酸脯氨酸ProlineProP 半胱氨酸半胱氨酸CysteineCysC 絲氨酸絲氨酸SerineSerS色氨酸色氨酸TryptophanTrpW 酪氨酸酪氨酸TyrosineTyrY甲硫氨酸甲硫氨酸 MethionineMetM蘇氨酸蘇氨酸ThreonineThrT 谷氨酰胺谷氨酰胺GlutamineGlnQ天冬酰胺天冬酰胺AsparagineAsnN 賴氨酸賴氨酸LysineLysK 精氨酸精氨酸ArginineArgR組

5、氨酸組氨酸HistidineHisH 天冬氨酸天冬氨酸Aspartic AcidAspD 谷氨酸谷氨酸Glutamic acidGluE (二) 氨基酸的理化性質(zhì)1. 氨基酸的兩性解離 (amphoteric dissociation) 與等電點(diǎn) (isoelectric point) 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。此時溶液的 pH 值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。2. 氨基酸的紫外吸收和呈色反應(yīng)色氨酸與酪氨酸在接近 280 nm

6、 波長處有吸收峰，且與其含量呈正比，可用于蛋白質(zhì)的定量分析。三種芳香族氨基酸的紫外吸收光譜茚三酮反應(yīng) (Ninhydrin reaction)OOOHOHR CH COOHNH2OOHOH+ RCHO + NH3 + CO2茚三酮 氨基酸 茚三酮 醛 (還原型) OOHOH+ NH3OOOON 茚三酮 藍(lán)色或紫色化合物(還原型) 2藍(lán)紫色化合物的最大吸收峰在 570 nm 處，茚三酮反應(yīng)為氨基酸定量分析方法。二、氨基酸在蛋白質(zhì)中的連接方式 肽鍵肽鍵是由一個氨基酸的 -羧基與另一個氨基酸的 -氨基脫水縮合形成的化學(xué)鍵 肽鏈的書寫：一般從 N 端向 C 端書寫，N 端在左側(cè)，C 端在右側(cè)。兩個半胱

7、氨酸的 -SH 基脫氫生成二硫鍵 (-S-S-)第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)或空間構(gòu)象一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu) 一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(一) 蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的概念 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中，從 N 端到 C 端的氨基酸排列順序。 形成一級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵：肽鍵 胰島素的一級結(jié)構(gòu)： A 鏈由 21 個氨基酸殘基組成，B 鏈由 30 個氨基酸殘基組成，A 鏈含一個鏈內(nèi)二硫鍵， A 鏈與 B 鏈之間有二個二硫鍵胰島素由 A、B 兩條多肽鏈組成，A 有一個鏈內(nèi)二硫鍵，A 與 B 之間有兩個鏈間二硫鍵。由于兩條鏈之間由共價鍵相連接，所以胰島素沒有四級結(jié)構(gòu)。人胰島素的一級結(jié)構(gòu)(二) 多肽鏈的氨

8、基酸序列分析1. Edman 降解法分析多肽鏈的N 端氨基酸序列 2. 質(zhì)譜法分析多肽鏈的氨基酸序列用蛋白水解酶水解多肽鏈成小片段；測定小片段的序列；拼出完整的多肽鏈序列。 Edman 降解法PITC 二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)(一) 蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu) (secondary structure) 指蛋白質(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，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。維系二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵：氫鍵二級結(jié)構(gòu)的主要形式： -螺旋 ( -helix) -折疊 ( -pleated sheet) -轉(zhuǎn)角 ( -turn) 無規(guī)卷曲 (random coil) -螺旋 (右

9、手螺旋) -折疊 (順向平行) -折疊 (反向平行) -轉(zhuǎn)角：多肽鏈中肽段出現(xiàn) 180 回折時的結(jié)構(gòu)。 -轉(zhuǎn)角多由 4 個氨基酸殘基組成，第 1 個氨基酸的羰基氧與第 4 個氨基酸殘基的氨基氫形成氫鍵。無規(guī)卷曲： 沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。 反向平行 -折疊無規(guī)卷曲限制性內(nèi)切酶 BamHI 中的二級結(jié)構(gòu)模體 (motif) 在許多蛋白質(zhì)的分子中，二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段相互靠近，形成具有特定功能的空間構(gòu)象；或者僅是一個具有特定功能的很短的肽段。 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體：存在于 DNA 結(jié)合蛋白中 鋅指模體：存在于 DNA 結(jié)合蛋白中 精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸 (RGD)：是蛋白質(zhì)與蛋白

10、質(zhì)之間相互結(jié)合的靶點(diǎn)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋 (HTH) 模體 由 2 個 -螺旋和 1 個 -轉(zhuǎn)角構(gòu)成，其中 -螺旋結(jié)合于 DNA 分子的深溝中。鋅指 (Zinc finger) 模體 Zn 原子與兩對半胱氨酸 (或一對半胱氨酸，一對組氨酸) 殘基的側(cè)鏈相結(jié)合，形成手指狀結(jié)構(gòu)。1 個 -螺旋2 個反向平行的 -折疊鋅指結(jié)構(gòu)鑲嵌于 DNA 雙螺旋的大溝類固醇激素受體的結(jié)構(gòu)(二) 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu) (tertiary structure) 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，即多肽鏈中所有原子 (包括主鏈和側(cè)鏈) 在三維空間的排布位置。 穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵： 氫鍵 離子鍵 (鹽

11、鍵) Van der Waals 力 疏水作用 有些蛋白質(zhì)的二硫鍵也是維系其三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。次級鍵 (非共價鍵 ) 氫鍵的結(jié)合力較弱，受溫度、離子強(qiáng)度與 pH 的影響。 鹽鍵是帶電基團(tuán)的相互吸引，受離子強(qiáng)度與 pH 的影響。 Van der Waals 力是原子間的相互吸引力。 疏水作用是非極性側(cè)鏈之間排斥水而相互聚集的吸引作用。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域 (domain) 具有二級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，特別是長的多肽鏈在形成三級結(jié)構(gòu)時，可能組合成數(shù)個相互連續(xù)而又相對獨(dú)立的疏密不等的區(qū)域，各行使其功能，這些區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)域。Src 蛋白的三個結(jié)構(gòu)域SH2 和 SH3 分別識別、結(jié)合蛋白質(zhì)的相關(guān)結(jié)構(gòu)。(三)

12、 蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu) (quaternary structure) 許多蛋白質(zhì)含有兩條以上具有獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈，這些多肽鏈通過非共價鍵相互連接形成的多聚體結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。每條具有獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈則稱為此蛋白質(zhì)的亞基 (subunit)。 氫鍵 離子鍵 (鹽鍵) Van der Waals 力 疏水作用 穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵血紅素成人血紅蛋白由 2 條 鏈和 2 條 鏈組成，每一亞基含一個血紅素分子。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)(四) 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的確定X 射線晶體分析 (X-ray crystallography)核磁共振光譜分析 (nuclear magnetic resonance

13、 spectroscopy)蛋白質(zhì)結(jié)晶三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1. 蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)及功能的改變。 鐮刀型貧血的致病機(jī)理來來 源源 氨基酸殘基的差異部分氨基酸殘基的差異部分A8A9A10B30人人ThrSerIleThr豬豬ThrSerIleAla狗狗ThrSerIleAla兔兔ThrSerIleSer牛牛AlaSerValAla羊羊AlaGlyValAla馬馬ThrGlyIleAla抹香鯨抹香鯨ThrSerIle Ala2. 一級結(jié)構(gòu)差別很大的蛋白質(zhì)可能有相似的空間結(jié)構(gòu) 八種不同來源的胰島素分子中存在氨基酸組成的差異，但不影響胰島素的生物活性。第三節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及其提

14、取、純化原理(一) 蛋白質(zhì)的兩性解離 在一定 pH 條件下，蛋白質(zhì)所帶的正、負(fù)電荷相等，凈電荷為零，蛋白質(zhì)成為兼性離子，此時溶液的 pH 稱為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。一、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)帶正電荷蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷(二) 蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì) 蛋白質(zhì)的分子量為 10 - 1000 kD，分子直徑為 1 - 100 nm，屬膠體顆粒。 蛋白質(zhì)是親水膠體，球狀蛋白質(zhì)分子的親水基團(tuán)位于分子的表面，與水結(jié)合，形成包繞分子表面的水化膜。 蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素：水化膜膠體顆粒表面的電荷(三) 蛋白質(zhì)的變性與沉淀1. 蛋白質(zhì)的變性 (denaturation) 在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象被破壞，

15、從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。變性的本質(zhì)： 破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。 變性的因素： 加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等 天然狀態(tài)，有活性加入尿素、 -巰基乙醇去除尿素、 -巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(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) 。2. 蛋白質(zhì)沉淀 (precipitation) 蛋白質(zhì)從溶液中析出的現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)沉淀。 若去除蛋白質(zhì)的水化膜和中和其電荷，蛋白質(zhì)便發(fā)生沉淀。 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。3.

16、 蛋白質(zhì)的凝固作用 (protein coagulation) 蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。 (四) 蛋白質(zhì)的紫外吸收與呈色反應(yīng)1. 蛋白質(zhì)的紫外吸收 蛋白質(zhì)分子中的酪氨酸和色氨酸含有共軛雙鍵，在 280 nm 處有特征性吸收峰。2蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)雙縮脲反應(yīng) 酚試劑呈色反應(yīng) 考馬斯亮藍(lán)法 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì) 常用的純化方法常用的純化方法分子質(zhì)量與體積分子質(zhì)量與體積 離心離心 凝膠過濾凝膠過濾 透析、超濾透析、超濾電荷電荷 離子交換層析離子交換層析 電泳電泳 等電聚焦等電聚焦溶解度溶解度 調(diào)整調(diào)整 pH 調(diào)整離子強(qiáng)度調(diào)整離子強(qiáng)度 降低

17、介電常數(shù)降低介電常數(shù)特異結(jié)合部位特異結(jié)合部位 親和層析親和層析 親和洗脫親和洗脫其他性質(zhì)其他性質(zhì) 吸附層析吸附層析 液相層析液相層析 氣相層析氣相層析二、蛋白質(zhì)的提取與純化原理SDS-聚丙烯酰胺凝膠 (polyacrylamide gel electrophoresis, PAGE ) 電泳，常用于測定蛋白質(zhì)的分子量及其純度。樣品M樣品等電聚焦 (isoelectric focusing, IEF) 在 pH 呈梯度的電場中，不同等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)帶有不同的電荷并向相反電極方向泳動。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)遷移到與其等電點(diǎn)相同的 pH 時，該蛋白質(zhì)便因不帶電荷而停止泳動。 +(H2SO4)pH3pH10 +(H2

18、SO4)-(NaOH)pI 4.5 5.1 6.0 7.9 8.1 pH3pH10-(NaOH)雙向凝膠電泳 (2-D electrophoresis)雙向凝膠電泳是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要技術(shù)。蛋白質(zhì)組 (proteome) 一個組織或一個細(xì)胞中基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)，或在特定條件下，一個細(xì)胞內(nèi)所存在的所有蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué) (proteomics) 研究和闡述在不同條件下，蛋白質(zhì)組中全部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能，影響因素及其相互聯(lián)系。 分分 類類輔輔 基基舉舉 例例 脂蛋白脂蛋白脂類脂類血漿脂蛋白血漿脂蛋白 (VLDL、LDL、HDL等等) 糖蛋白糖蛋白糖基或糖鏈糖基或糖鏈膠原蛋白、纖連蛋白

19、等膠原蛋白、纖連蛋白等 核蛋白核蛋白核酸核酸核糖體核糖體 磷蛋白磷蛋白磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)酪蛋白酪蛋白 (casein) 血紅素蛋白血紅素蛋白血紅素血紅素 (鐵卟啉鐵卟啉)血紅蛋白、細(xì)胞色素血紅蛋白、細(xì)胞色素 c 黃素蛋白黃素蛋白黃素核苷酸黃素核苷酸 (FAD、FMN)琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶 金屬蛋白金屬蛋白鐵鐵鐵蛋白鐵蛋白鋅鋅乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶鈣鈣鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白錳錳丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶銅銅細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合蛋白質(zhì)及其輔基 甘氨酸甘氨酸GlycineGlyG 丙氨酸丙氨酸AlanineAlaA 纈氨酸纈氨酸ValineValV 亮氨酸亮氨酸LeucineLeuL 異亮氨酸異

20、亮氨酸IsoleucineIleI 苯丙氨酸苯丙氨酸PhenylalaninePheF脯氨酸脯氨酸ProlineProP 半胱氨酸半胱氨酸CysteineCysC 絲氨酸絲氨酸SerineSerS色氨酸色氨酸TryptophanTrpW 酪氨酸酪氨酸TyrosineTyrY甲硫氨酸甲硫氨酸 MethionineMetM蘇氨酸蘇氨酸ThreonineThrT 谷氨酰胺谷氨酰胺GlutamineGlnQ天冬酰胺天冬酰胺AsparagineAsnN 賴氨酸賴氨酸LysineLysK 精氨酸精氨酸ArginineArgR組氨酸組氨酸HistidineHisH 天冬氨酸天冬氨酸Aspartic AcidAspD 谷氨酸谷氨酸Glutamic acidGluE