生物化學蛋白質的二級結構

生物化學蛋白質的二級結構第1頁/共77頁蛋白質的二級結構第2頁/共77頁肽平面肽鍵的特殊性質第3頁/共77頁肽鍵有部分雙鍵性質肽鍵由于共振而具有部分雙鍵性質，因此，肽鍵比一般C-N鍵短，且不能自由旋轉肽鍵原子及相鄰的a碳原子組成肽平面相鄰的a碳原子呈反式構型第4頁/共77頁肽鍵比一般C-N鍵短肽鍵為一平面相鄰的a碳原子呈反式構型第5頁/共77頁參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽平面

。第6頁/共77頁第7頁/共77頁由于空間位阻，此構象不能存在。第8頁/共77頁蛋白質的二級結構概念：蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，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鏈的構象.第9頁/共77頁

蛋白質二級結構的主要形式

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

第10頁/共77頁（一）-螺旋1951年提出

-螺旋結構模型第11頁/共77頁背景知識肽鍵具有部分雙鍵性質。充分意識到氫鍵在蛋白質結構中的重要作用。X-射線晶體學研究表明組成頭發(fā)和豪豬刺的蛋白質的空間結構里存在重復結構。第12頁/共77頁第13頁/共77頁第14頁/共77頁第15頁/共77頁特征：1、每隔3.6個AA殘基螺旋上升一圈，螺距0.54nm;2、螺旋體中所有氨基酸殘基R側鏈都伸向外側，鏈內氫鍵幾乎都平行于螺旋軸;3、每個氨基酸殘基的>N-H與前面第四個氨基酸殘基的>C=0形成氫鍵，肽鏈上所有的肽鍵都參與氫鍵的形成。第16頁/共77頁—C—(NH—C—CO)3N—OHHR3.613(ns)第17頁/共77頁第18頁/共77頁氨基酸序列對

-螺旋結構結構的影響第19頁/共77頁（二）-折疊第20頁/共77頁兩種-折疊方式反平行：肽鏈的N端不處于同一端，氫鍵與肽鏈走向垂直。如：絲心蛋白。第21頁/共77頁平行：所有肽鏈的N端處于同一端，氫鍵不與肽鏈走向垂直。如：β-角蛋白。第22頁/共77頁第23頁/共77頁（三）-轉角特征：多肽鏈中氨基酸殘基n的羰基上的氧與殘基（n+3）的氮原上的氫之間形成氫鍵，肽鍵回折1800。

第24頁/共77頁第25頁/共77頁（四）無規(guī)則卷曲第26頁/共77頁蛋白質的超二級結構

在蛋白質分子中，特別是球狀蛋白質中，由若干相鄰的二級結構單元（即α—螺旋、β—折疊片和β—轉角等）彼此相互作用組合在一起，，形成有規(guī)則、在空間上能辨認的二級結構組合體，充當三級結構的構件單元，稱超二級結構。第27頁/共77頁第28頁/共77頁第29頁/共77頁結構域多肽鏈在超二級結構基礎上進一步繞曲折疊而成的相對獨立的三維實體稱結構域。第30頁/共77頁甘油醛3-P脫氫酶結構域第31頁/共77頁第32頁/共77頁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。第33頁/共77頁抹香鯨肌紅蛋白（Myoglobin）的三級結構分子中多肽主鏈由長短不等的8段直的α螺旋組成最大的螺旋含23個殘基最短的7個殘基，分子中幾乎80%的氨基酸殘基都處于α螺旋區(qū)中。拐彎是由1—8個殘基組成的無規(guī)則卷曲。第34頁/共77頁核糖核酸酶三級結構示意圖

N

His12CHis119Lys41第35頁/共77頁分子表面往往有一個內陷的空隙，它常常是蛋白質的活性中心

大多數非極性側鏈埋在分子內部，形成疏水核；而極性側鏈在分子表面，形成親水面。蛋白質的三級結構具有明顯的折疊層次。球狀蛋白的三級的結構特征第36頁/共77頁亞基之間的結合力主要是疏水相互作用。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。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基

(subunit)。第37頁/共77頁血紅蛋白的四級結構

第38頁/共77頁第39頁/共77頁總結第40頁/共77頁從一級結構到四級結構血紅蛋白第41頁/共77頁蛋白質的一級結構是它的氨基酸序列蛋白質的二級結構是由氫鍵導致的肽鏈卷曲與折疊Primary

structureSecondary

structure第42頁/共77頁蛋白質的三級結構是多肽鏈自然形成的三維結構蛋白質的四級結構是亞基的空間排列Polypeptide

(singlesubunit

oftransthyretin)Transthyretin,withfour

identicalpolypeptidesubunitsTertiary

structureQuaternary

structure第43頁/共77頁蛋白質結構與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第44頁/共77頁（一）一級結構是空間構象的基礎一、蛋白質一級結構與功能的關系牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵第45頁/共77頁

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性第46頁/共77頁當用透析的方法除去變性劑和巰基乙醇后，發(fā)現酶大部分活性恢復，所有的二硫鍵準確無誤地恢復原來狀態(tài)。若用其他的方法改變分子中二硫鍵的配對方式，酶完全喪失活性。這個實驗表明，蛋白質的一級結構決定它的空間結構，而特定的空間結構是蛋白質具有生物活性的保證。第47頁/共77頁鐮刀狀細胞貧血病正常的紅細胞（左圖）與鐮刀狀紅細胞（右圖）的區(qū)別第48頁/共77頁正常與異常的差異N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。第49頁/共77頁一個殘基的改變?yōu)槭裁磿砣绱舜蟮淖兓?？?0頁/共77頁血紅蛋白單個（2個）氨基酸的改變影響功能：

HbSβ鏈第六位谷氨酸突變?yōu)槔i氨酸。谷氨酸：親水、帶負電荷；纈氨酸：疏水、不帶電

HbS分子表面多了一個疏水側鏈

HbS分子三維結構發(fā)生改變鐮刀狀細胞貧血病是血紅蛋白分子突變引起的第51頁/共77頁

由于伸出HbS分子表面的纈氨酸側鏈創(chuàng)造了一個“粘性”的突起，因而一個HbS分子的“粘性”突起可以與另一個HbS分子的互補口袋通過疏水作用結合，最終導致HbS分子的聚集沉淀。（脫氧HBS）鐮刀狀細胞貧血病是血紅蛋白分子突變引起的第52頁/共77頁

由于伸出HbS分子表面的纈氨酸側鏈創(chuàng)造了一個“粘性”的突起，因而一個HbS分子的“粘性”突起可以與另一個HbS分子的互補口袋通過疏水作用結合，最終導致HbS分子的聚集沉淀。（脫氧HBS）鐮刀狀細胞貧血病是血紅蛋白分子突變引起的第53頁/共77頁蛋白質空間結構與功能的關系肌紅蛋白第54頁/共77頁血紅素輔基His93第55頁/共77頁第56頁/共77頁自然狀態(tài)下，二價鐵極易被氧化為三價鐵，為什么在肌紅蛋白血紅素輔基中的二價鐵和氧結合后卻沒變成三價鐵？第57頁/共77頁自然狀態(tài)下，血紅素輔基和CO的結合能力是其和O2結合的20000倍，但是在肌紅蛋白中卻只有200倍，為什么？第58頁/共77頁第59頁/共77頁肌紅蛋白(Mb)的氧解離曲線第60頁/共77頁血紅蛋白T態(tài)和R態(tài)T態(tài)（tensestate）去氧血紅蛋白的主要構象

R態(tài)（relaxedstate）氧合血紅蛋白的主要構象第61頁/共77頁第62頁/共77頁第63頁/共77頁T態(tài)向R態(tài)轉變因素當亞鐵離子移動時，它同時拖動HisF8殘基，進一步導致蛋白質的構象發(fā)生改變。第64頁/共77頁*變構效應(allostericeffect)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象，稱為變構效應。像血紅蛋白這種具有變構效應的蛋白質稱為變構蛋白（allostericprotein）。

第65頁/共77頁變構效應(allostericeffect)變構效應：蛋白質與配體結合改變蛋白質的構象，進而改變蛋白質生物學活性的現象。第66頁/共77頁氧結合曲線肌肉第67頁/共77頁蛋白質的理化性質與分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein第68頁/共77頁（一）蛋白質的兩性電離一、理化性質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。*蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)當蛋白質溶液處于某一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，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。第69頁/共77頁（二）、蛋白質膠體的性質

蛋白質溶液有許多高分子溶液的性質，如：擴散慢、易沉降、粘度大、不能透過半透膜，在水溶液中可形成親水的膠體。

蛋白質膠體溶液的穩(wěn)定因素：水化膜、帶電荷。當破壞這兩個因素時，蛋白質中從溶液中析出而產生沉淀。第70頁/共77頁

（三）、蛋白質的變性作用(denaturation)1、蛋白質變性的概念：天然蛋白質受物理或化學因素的影響后，使其失去原有的生物活性，并伴隨著物理化學性質的改變，但并未導致其一級結構的變化，這種作用稱為蛋白質的變性。2、使蛋白質變性的因素（1）物理因素：高溫、高壓、射線等

（2）化學因素：強酸、強堿、重金屬鹽等第71頁/共77頁3、變性的本質：分子中各種次級鍵斷裂，使其空間構象從緊密有序的狀態(tài)變成松散無序的狀態(tài)，一級結構不破壞。4、蛋白質變性后的表現：（1）生物學活性消失

（2）理化性質改變：溶解度下降，粘度增加，紫外吸收增加，側鏈反應增強，對酶的作用敏感，易被水解。

第72頁/共77頁（四）蛋白質的紫外吸收光譜

蛋白質在遠紫外光區(qū)（200-230nm）有較大的吸收，在280nm有一特征吸收峰，可利用這一特性對蛋白質進行定性定量鑒定。蛋白質質量濃度/（mg/ml）=1.55A1cm-0.76A1cm280260測定范圍：0.1～0.5mg/