生物化學(xué)第01章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能(12仁濟(jì)護(hù)本)課件

1、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(jī)化合物。蛋白質(zhì)存在于所有的生物細(xì)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(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。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(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2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能

2、3. 氧化供能總特點(diǎn)：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) 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) 6.251001/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸 存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸（甘氨酸除外）。（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基

3、酸堿性氨基酸（二）氨基酸的分類1.非極性脂肪族氨基酸2.極性中性氨基酸4.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-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2. 氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3.氨基酸與茚三酮反應(yīng)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。由于此吸

4、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。三、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式肽鍵(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。（一） 肽鍵和多肽鏈+H2O肽鍵肽鍵的形成甘氨酸甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽鏈的兩個(gè)末端氨基酸殘基肽鍵氨基末端羧基末端肽(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：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

5、導(dǎo)過程中起信號(hào)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)什么是？ 多肽鏈中從NC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、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)的闡明具有重要意義：一級(jí)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(duì)空間位置，不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象 。(關(guān)鍵詞:主鏈、肽段、局部)什么是？二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵氫鍵二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本單位肽單元二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)肽單元(peptide unit) 的說明：C

6、1和C2為反式(trans)構(gòu)型,O和H也是反式構(gòu)型。肽鍵鍵長(zhǎng)0.132nm0.149 nm0.127 nm C與羰基Co和N相連的單鍵能自由旋轉(zhuǎn)，角度為 、 ,該旋轉(zhuǎn)角度決定了相鄰2肽單元的相對(duì)空間位置。部分雙鍵性質(zhì),不能自由旋轉(zhuǎn)。C1、C、O、N、H、C2 6個(gè)原子在同一平面,稱為肽鍵平面。（一）肽鍵平面 相鄰2肽單元（肽鍵平面）的相對(duì)空間位置C1OHNCo酰胺平面-1酰胺平面-2OHNCoC3C2RH -螺旋 ( -helix) -折疊 (-pleated sheet) -轉(zhuǎn)角 (-turn) 無規(guī)卷曲 (random coil) （二）蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)外觀：右手螺

7、旋（順）。-螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：1.-螺旋 ( -helix ) 螺距：3.6個(gè)氨基酸、0.54nm。維持因素：氫鍵。R基團(tuán)的位置：螺旋外側(cè)， R基團(tuán)影響-螺旋的形成。肽段折紙狀、鋸齒狀，相對(duì)伸展。-折疊結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：2.-折疊 ( -pleated sheet )幾個(gè)肽段順向平行、反向平行0.70nm。維持因素：氫鍵。R基團(tuán)的位置：鋸齒的上下方。4個(gè)氨基酸殘基第二個(gè)常為脯氨酸 180回折 氫鍵維持 -轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：4.無規(guī)卷曲：3.-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)。（三）模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)有規(guī)則的二級(jí)結(jié)

8、構(gòu)組合，被稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)組合形式有3種：， 。 超二級(jí)結(jié)構(gòu)二個(gè)或三個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)空間上靠近特殊的構(gòu)象特殊的功能 模體(motif)定義舉例模體是具有特殊功能的超二級(jí)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、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)（一）三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置30k 40k 20k 75k60k35k 30kH2N-COOHAH2N-COOHB肝素纖維蛋白肌動(dòng)蛋白細(xì)胞膠原蛋白纖維蛋白肝素纖維蛋白纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域 舉例結(jié)構(gòu)域：三級(jí)結(jié)構(gòu)中、分割成折疊較為緊密的區(qū)域，各行使其功能。（

9、二）結(jié)構(gòu)域是三級(jí)結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)四級(jí)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用關(guān)系四級(jí)結(jié)構(gòu)中每條具有完整三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈離子鍵、氫鍵不包括共價(jià)鍵四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)由2個(gè)亞基組成的蛋白質(zhì)四級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)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離氫結(jié)構(gòu)域亞基蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次比較蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系The Relation of Structure and Funct

10、ion of Protein第三節(jié)一、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)（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)（二）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)與功能胰島素氨基酸殘基序號(hào)A5A6A10B30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla（三）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)HbS 肽鏈HbA 肽 鏈N-val his leu thr pro val glu C(

11、146) 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)空間結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系（一）肌紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系（二）血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系第一個(gè)氧分子與Fe2+結(jié)合 Fe2+半徑變小，進(jìn)入卟啉平面牽動(dòng)F8組aa殘基牽動(dòng)其它亞基Hb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(fù)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(gè)概念：蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。旱鞍踪|(zhì)的折疊錯(cuò)誤構(gòu)象改變 影響功能導(dǎo)致疾病。發(fā)病機(jī)理：蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相

12、互聚集，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)象改變與疾病第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Protein一、蛋白質(zhì)的兩性電離性質(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(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。 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(shì)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)。蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)( isoelectric point, pI)二、蛋白

13、質(zhì)的膠體性質(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(dá)1100nm，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)的變性與復(fù)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(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。 變性的本質(zhì):破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。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)

14、用舉例: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) 。在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)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(shí)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(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。 蛋白質(zhì)沉淀蛋白質(zhì)的凝固作用(protein coagulation)四、蛋白質(zhì)的吸收和呈色反應(yīng)由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長(zhǎng)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(cè)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