生物化學蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

生物化學課件蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月1.構(gòu)型和構(gòu)象構(gòu)型(configuration)：立體異構(gòu)體分子中取代原子或者基團的取向。這種排列的改變會牽涉到共價鍵的形成和破壞，但與氫鍵無關(guān)。例如氨基酸的D-和L-型。構(gòu)象(conformation)：取代基團單鍵旋轉(zhuǎn)時形成的不同的立體結(jié)構(gòu)，這種空間位置的改變會牽涉到氫鍵的形成和破壞，但共價鍵不被破壞。

第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)aa順序α-螺旋多肽鏈寡聚蛋白

（單體蛋白或亞基）

第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)指蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的排列順序。蛋白質(zhì)的化學結(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。二硫鍵（disulfidebond）：由肽鏈中相應(yīng)部位上兩個半胱氨酸殘基的側(cè)鏈脫氫形成。

第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月鏈間二硫鍵鏈內(nèi)二硫鍵我國1965年在世界上第一個用化學方法人工合成這種牛胰島素。第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月牛胰核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）蛋白質(zhì)樣品的預處理；（2）測定每條多肽鏈的氨基酸組成；（3）測定多肽鏈的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，并測定它們的序列；（6）從有重疊結(jié)構(gòu)的各個肽的序列中推斷出蛋白質(zhì)中全部氨基酸順序。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)測定的步驟第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）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-端逐個的向里水解）、肼解法第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月肼解法多肽與肼在無水條件下加熱，C-端氨基酸即從肽鏈上解離出來，其余的氨基酸則變成肼化物；肼化物能夠與苯甲醛縮合成不溶于水的物質(zhì)而與C-端氨基酸分離。第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、多肽鏈折疊的空間限制

肽鍵帶有雙鍵的性質(zhì)，主鏈上1/3的鍵不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵中的四個原子和它相臨的兩個α—C原子都處于一個平面上（酰胺平面）。第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

多肽鏈＝通過可旋轉(zhuǎn)的α-碳原子連接的酰胺平面鏈

第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月二個肽平面旋轉(zhuǎn)時受到α—C原子上側(cè)鏈R基空間位阻的影響。

第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(SecondaryStructure)是指蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊和盤繞方式。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-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲等。第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）-螺旋(-helix)

——最常見多肽鏈中的各個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Aa殘基；兩個Aa之間的距離為0.15nm；Aa殘基側(cè)鏈伸向外側(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。第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第五個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月-螺旋有左旋和右旋兩種，右旋比左旋更加穩(wěn)定，因此也更常見。第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月影響-helix不穩(wěn)定的因素：a.

多肽鏈中連續(xù)存在帶相同電荷的氨基酸；b.多肽鏈中有Pro時，則α－h(huán)elix中斷，產(chǎn)生一個“結(jié)節(jié)”；c.

R基團太大，造成空間阻礙作用。第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）β－折疊(β－pleatedsheet)兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的；肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，R基團處于折疊平面的兩側(cè)。第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月平行式反平行式第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月β－折疊中的氫鍵與α-螺旋中的氫鍵有何不同？第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）β－轉(zhuǎn)角（β－turn）或β－迴

轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（β－reverseturn）多肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180°的回折，這個回折角就是β－轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)；它由四個Aa殘基組成;回折處的第一個Aa殘基的-C=O

和第四個Aa殘基的–N-H

之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)。第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）無規(guī)卷曲（nonregularcoil）

或自由回轉(zhuǎn)（randomcoil)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。第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月β－轉(zhuǎn)角β－折疊－螺旋無規(guī)卷曲第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月4.超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)：是指若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體。通常有βαβ，βββ，αα，ββ。第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月βαβααβ×β第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)域（domain）

：是在超二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進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)。

第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月βαβ由4個βαβ組成的α/β桶結(jié)構(gòu)域α/β桶結(jié)構(gòu)域：丙酮酸激酶小的蛋白質(zhì)分子只有一個結(jié)構(gòu)域

√結(jié)構(gòu)域＝三級結(jié)構(gòu)大的蛋白質(zhì)分子有數(shù)個結(jié)構(gòu)域第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月丙酮酸激酶己糖激酶前清蛋白肌紅蛋白免疫球蛋白第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月5.三級結(jié)構(gòu)（TertiaryStructure）在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈不同區(qū)段的側(cè)鏈基團相互作用，進一步盤繞、折疊形成的的空間結(jié)構(gòu)。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。第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月肌紅蛋白第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月輔基血紅素結(jié)構(gòu)圖第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月多肽鏈疏水鍵氫鍵二硫鍵離子鍵CH2OH

CH2OH范德華力維持三級結(jié)構(gòu)的作用力第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.四級結(jié)構(gòu)（QuaternaryStructure）由兩條或兩條以上具有三級結(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)的四級結(jié)構(gòu)；其中具有獨立三級結(jié)構(gòu)的一條肽鏈叫亞基（subunit)，無生物功能；由幾個亞基聚集而成的蛋白質(zhì)常常稱為寡聚蛋白。第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

4個亞基締合而成

2種亞基（α、β）

亞基呈球形

亞基間靠次級鍵連接亞基兩兩相同，分別為α1、α2、β1、β2每個亞基都含有一個血紅素輔基血紅蛋白第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月氨基酸序列大不相同，但結(jié)構(gòu)（三級）相似，功能也相似（載氧）結(jié)構(gòu)決定功能第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力

一級結(jié)構(gòu)：肽鍵、二硫鍵（都屬于共價鍵）二級結(jié)構(gòu)：氫鍵（主鏈上—C=O—和N—H之間形成）三、四級結(jié)構(gòu)：次級鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力、配位鍵）

第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月7.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系a.同源蛋白質(zhì)中氨基酸順序的種屬差異同源蛋白質(zhì)（homologousprotein）：指不同的有機體中實現(xiàn)同一功能的蛋白質(zhì)。例如：胰島素和細胞色素C（1）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月b.同種蛋白質(zhì)中氨基酸順序的個體差異（分子?。┭t蛋白的一級結(jié)構(gòu)變化引起鐮刀型貧血病正常細胞鐮刀形細胞

血液中大量出現(xiàn)鐮刀型紅細胞，患者因此缺氧窒息；

它是最早認識的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時就夭折,活過童年的壽命也不長，它是由于遺傳基因突變導致血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的突變。第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月正常型β鏈---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys--HbA谷氨酸

鐮刀型β鏈

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---

HbS

纈氨酸谷A（極性）

纈A（非極性）(了解)由于纈氨酸上的非極性基團與相鄰非極性基團間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀，整個蛋白質(zhì)由球狀變?yōu)殓牭缎?，與氧結(jié)合功能喪失，導致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲瘧疾。第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變了整個分子的性質(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構(gòu)象變化傳遞的，這種構(gòu)象變化可以從一個亞基傳到另一個亞基，引起協(xié)同的相互作用。以血紅蛋白的載O2為例第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月血中氧分子的運送：任何一個亞基接受氧分子后，會增進其它亞基吸附氧分子的能力肌紅蛋白氧分子環(huán)境氧低時Hb

迅速釋放氧分子動脈環(huán)境氧高時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)肌肉肺血紅蛋白第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月六、蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)蛋白質(zhì)由氨基酸組成，和氨基酸一樣，是兩性電解質(zhì)?？山怆x的基團有：①肽鏈末端的α-氨基和α-羧基；②側(cè)鏈基團1.蛋白質(zhì)的兩性電離和等電點第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)在某一pH時所帶的凈電荷為零，在電場中既不向陽極，也不向陰極移動，這一pH稱為蛋白質(zhì)的等電點（pI)。蛋白質(zhì)帶電的多少，帶電的符號與溶液的pH值有關(guān)。第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月等電點與等離子點中性鹽的存在常導致蛋白質(zhì)的等電點發(fā)生明顯的改變實際測得的等電點與介質(zhì)的離子組成有關(guān)在不含任何鹽的純水中測得的等電點稱為蛋白質(zhì)的等離子點，是蛋白質(zhì)的特征常數(shù)第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月pI時，蛋白質(zhì)的溶解度、粘度、滲透壓、導電能力及膨脹性最小。pI的應(yīng)用：①溶解度最小——分離提純蛋白質(zhì)（沉淀法）

②帶電性質(zhì)——分離鑒定蛋白質(zhì)（電泳法）第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)是高分子化合物，在水溶液中形成的顆粒具有膠體溶液的特征如布朗運動、丁達爾現(xiàn)象、電泳現(xiàn)象,不能透過半透膜,并具有吸附能力。由于蛋白質(zhì)不能透過半透膜，因此可用羊皮紙、玻璃紙等將非蛋白的小分子雜質(zhì)除去（透析法）。第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

①蛋白質(zhì)顆粒表面帶有很多極性基團，形成水膜（水化層）；②同種蛋白質(zhì)帶有同種電荷，相互排斥。蛋白質(zhì)膠體溶液比較穩(wěn)定的原因是：第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.蛋白質(zhì)的沉淀作用

蛋白質(zhì)在水中形成了穩(wěn)定的膠體，如果加入適當?shù)脑噭?，破壞了蛋白質(zhì)的水膜（水化層）或中和了蛋白質(zhì)的電荷，則蛋白質(zhì)膠體溶液就不穩(wěn)定而出現(xiàn)沉淀。第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)的沉淀作用分類：可逆沉淀：在沉淀過程中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都沒有發(fā)生變化，在適當?shù)臈l件下，可以重新溶解形成溶液。不可逆沉淀：在沉淀過程中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都發(fā)生了變化，沉淀不可能再重新溶解于水第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月①加入中性鹽若在蛋白質(zhì)溶液中加入少量的中性鹽，則蛋白質(zhì)的溶解度會增加，這種現(xiàn)象叫鹽溶。

分子在其pI時，容易互相吸引，聚合沉淀；加入鹽離子會破壞這些吸引力，使分子散開，溶入水中。3.蛋白質(zhì)的沉淀作用第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月若在蛋白質(zhì)溶液中加入大量的中性鹽，使蛋白質(zhì)沉淀析出的現(xiàn)象叫鹽析。（用于分離純化蛋白質(zhì)）蛋白質(zhì)分子表面的疏水區(qū)域，聚集了許多水分子，當鹽濃度高時，這些水分子被鹽抽出，暴露出的疏水區(qū)域相互結(jié)合，形成沉淀。第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月②加入有機溶劑向蛋白質(zhì)溶液中加入有機溶劑（如甲醇、乙醇、丙酮）會使蛋白質(zhì)沉淀，原因是：

——這些有機溶劑與水的親和力大于蛋白質(zhì)，破壞了蛋白質(zhì)周圍的水膜；

——有機溶劑的介電常數(shù)比水小，導致溶液的極性減小，增加了蛋白質(zhì)之間的靜電吸引力，從而聚集沉淀。第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月③加入重金屬如HgCl2

、AgNO3

、Pb(Ac)2、FeCl3等與蛋白質(zhì)中帶負電荷的基團形成難溶鹽④加入生物堿和某些酸類如：秋水仙堿，茶堿如：鞣酸、單寧酸、苦味酸、三氯醋酸與蛋白質(zhì)中帶正電荷的基團形成難溶鹽第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月哪些沉淀為可逆沉淀？哪些沉淀為不可逆沉淀（變性沉淀）第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月4.蛋白質(zhì)的變性和復性天然蛋白質(zhì)受到理化因素的影響，分子內(nèi)部嚴格的空間結(jié)構(gòu)受到破壞，從而引起蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學性質(zhì)發(fā)生改變，但并不導致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的破壞，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性作用。

第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)變性的因素有：①物理因素——加熱（70－100℃）、劇烈振蕩或攪拌、紫外線、X射線、超聲波②化學因素——強酸、強堿、尿素、胍、去污劑、甲醛、重金屬鹽、三氯醋酸、磷鎢酸、苦味酸、濃乙醇第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)變性的本質(zhì)是：①維持蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的次級鍵被破壞；②蛋白質(zhì)分子從有序卷曲結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o序松散結(jié)構(gòu)；③一級結(jié)構(gòu)沒有變化，分子量和分子組成不變。第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月變性蛋白的特征：①生物活性喪失（最主要）；②理化性質(zhì)改變——溶解度下降，易沉淀、結(jié)晶能力喪失、粘度增加、擴散速度下降等;③生化性質(zhì)改變——肽鏈松散、反應(yīng)基團增加、易被蛋白酶水解。第59頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月變性條件若不過于激烈，一旦條件去除，則變性蛋白恢復原來的構(gòu)象，這種現(xiàn)象叫作變性蛋白的復性作用(renaturation)。隨變性時間的增加、變性條件的加劇及變性程度的加深，復性的可能性逐漸降低核糖核酸酶A第60頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月①沉淀的蛋白質(zhì)不一定變性，如鹽析作用②變性的蛋白質(zhì)也不一定沉淀，如牛奶加