第一章.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

1、授授課課教教師師: 傅傅 強(qiáng)強(qiáng) 副副教教授授四四川川大大學(xué)學(xué)華華西西基基礎(chǔ)礎(chǔ)醫(yī)醫(yī)學(xué)學(xué)與與法法醫(yī)醫(yī)學(xué)學(xué)院院生生物物化化學(xué)學(xué)與與分分子子生生物物學(xué)學(xué)教教研研室室第第 一一 篇篇生生 物物 大大 分分 子子 的的 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 與與 功功 能能PartPart II. StructureStructure & functionfunction ofof biologicbiologic macromoleculesmacromoleculesProteinProtein: structuralstructural molecule,molecule, functionalfunctional mole

2、culemoleculeNucleicNucleic acidacid: geneticgenetic materialmaterialEnzymeEnzyme: biocatalystbiocatalyst第第一一章章 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與功功能能ChapterChapter 11. StructureStructure & functionfunction ofof proteinprotein55 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)是是組組成成生生物物體體最最基基本本的的成成分分55 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的分分子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分成成不不同同的的四四個(gè)個(gè)層層次次55 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的種種類類和和功功能能具具有有

3、多多樣樣性性55 不不同同蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的功功能能取取決決于于其其組組成成和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的差差異異第第一一節(jié)節(jié). 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的分分子子組組成成SectionSection 11. MolecularMolecular composecompose ofof proteinprotein55 組組成成蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的元元素素主主要要有有C,C, H,H, O,O, N,N, S,S, 某某些些蛋蛋白白還還含含有有 P,P, Fe,Fe, Cu,Cu, Zn,Zn, MnMn, Co,Co, MoMo 等等元元素素其其中中, NN含含量量恒恒定定, 平平均均為為1616 % 55 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)

4、的的基基本本組組成成單單位位是是氨氨基基酸酸一一、氨氨 基基 酸酸(amino(amino acid)acid)(一一)、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)zz 組組成成蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的2020種種氨氨基基酸酸均均為為-氨氨基基酸酸zz 通通常常處處于于電電離離狀狀態(tài)態(tài)zz 構(gòu)構(gòu)型型均均為為L(zhǎng)L-型型(二二)、 氨氨基基酸酸的的分分類類根根據(jù)據(jù)側(cè)側(cè)鏈鏈 RR 在在水水溶溶液液中中的的性性質(zhì)質(zhì)可可分分為為：11. 非非極極性性疏疏水水性性氨氨基基酸酸: 側(cè)側(cè)鏈鏈為為鏈鏈烴烴22. 極極性性的的中中性性氨氨基基酸酸：側(cè)側(cè)鏈鏈含含有有OO、NN或或SS原原子子組組成成的的非非電電離離極極性性基基團(tuán)團(tuán)，如如羥羥基基、巰巰基基、

5、酰酰胺胺基基等等33. 酸酸性性氨氨基基酸酸: Asp,Asp, GluGlu44. 堿堿性性氨氨基基酸酸: LysLys, Arg,Arg, HisHis 兩兩種種特特殊殊氨氨基基酸酸AA. 脯脯氨氨酸酸(Pro):(Pro): 亞亞氨氨基基酸酸BB. 半半胱胱氨氨酸酸(CysCys):): 常常以以胱胱氨氨酸酸形形式式存存在在(三三)、 氨氨基基酸酸的的理理化化性性質(zhì)質(zhì)11. 兩兩性性電電離離及及等等電電點(diǎn)點(diǎn)zz 氨氨基基酸酸可可結(jié)結(jié)合合或或解解離離質(zhì)質(zhì)子子，進(jìn)進(jìn)行行兩兩性性解解離離 zz 解解離離方方式式取取決決于于其其所所處處的的酸酸堿堿度度zz 使使某某一一氨氨基基酸酸呈呈電電中中性

6、性的的pHpH稱稱為為該該氨氨基基酸酸等等電電點(diǎn)點(diǎn)(isoelectric(isoelectric point,point, pIpI)22. 紫紫外外吸吸收收性性質(zhì)質(zhì)zz 芳芳香香族族氨氨基基酸酸(含含苯苯環(huán)環(huán))均均對(duì)對(duì)紫紫外外光光有有特特定定吸吸收收，最最大大吸吸收收波波長(zhǎng)長(zhǎng)為為280nm280nmzz 用用于于快快速速測(cè)測(cè)定定蛋蛋白白的的含含量量33. 茚茚三三酮酮反反應(yīng)應(yīng)zz 是是鑒鑒定定氨氨基基酸酸(蛋蛋白白質(zhì)質(zhì))的的特特殊殊顏顏色色反反應(yīng)應(yīng) zz 可可用用于于氨氨基基酸酸(蛋蛋白白質(zhì)質(zhì))的的定定量量分分析析二二、肽肽(peptide)(peptide)(一一)、肽肽11. 肽肽鍵鍵

7、(peptide(peptide bond)bond)zz 氨氨基基酸酸與與氨氨基基酸酸之之間間的的連連接接方方式式22. 肽肽鏈鏈(polypeptide(polypeptide chain)chain)由由若若干干氨氨基基酸酸通通過過肽肽鍵鍵首首尾尾相相連連而而成成的的鏈鏈狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) zz 主主鏈鏈: 由由肽肽鍵鍵原原子子及及相相鄰鄰的的CC所所構(gòu)構(gòu)成成的的長(zhǎng)長(zhǎng)鏈鏈骨骨架架 zz 側(cè)側(cè)鏈鏈: 各各氨氨基基酸酸側(cè)側(cè)鏈鏈zz 殘殘基基(residue):(residue): 組組成成肽肽鏈鏈的的氨氨基基酸酸已已不不完完整整33. 多多肽肽與與蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)zz 均均是是氨氨基基酸酸組組成成的的

8、多多肽肽鏈鏈zz 人人為為地地將將肽肽鏈鏈較較短短的的稱稱為為多多肽肽，而而把把肽肽鏈鏈較較長(zhǎng)長(zhǎng)的的稱稱為為蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)44. 肽肽鏈鏈的的方方向向性性NN-末末端端(N(N-terminal)terminal) 和和 CC-末末端端(C(C-terminal)terminal)書書寫寫方方向向通通常常為為: NN-端端在在左左, CC-端端在在右右(二二)、生生物物活活性性肽肽11. 谷谷胱胱甘甘肽肽(glutathione,(glutathione, GSH)GSH)zzzz結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點(diǎn)點(diǎn)功功能能特特性性: -SHSH的的還還原原性性和和嗜嗜核核性性, 主主要要作作為為體體內(nèi)內(nèi)的的氧氧化

9、化保保護(hù)護(hù)劑劑和和解解毒毒劑劑22. 多多肽肽類類激激素素與與神神經(jīng)經(jīng)肽肽zz 下下丘丘腦腦-垂垂體體-腎腎上上腺腺皮皮質(zhì)質(zhì)軸軸的的多多種種激激素素 zz 神神經(jīng)經(jīng)肽肽三三、蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的分分類類(classification(classification ofof proteins)proteins)11. 根根據(jù)據(jù)組組成成成成分分zz 單單純純蛋蛋白白zz 結(jié)結(jié)合合蛋蛋白白: 其其中中非非蛋蛋白白成成分分稱稱為為輔輔基基, 可可以以是是金金屬屬離離子子、色色素素、寡寡糖糖、脂脂類類、磷磷酸酸或或核核酸酸等等22. 根根據(jù)據(jù)形形狀狀zz 纖纖維維蛋蛋白白: 長(zhǎng)長(zhǎng)軸軸/短短軸軸 1010,

10、呈呈纖纖維維狀狀, 多多數(shù)數(shù)不不溶溶于于水水, 為為結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)蛋蛋白白zz 球球狀狀蛋蛋白白: 長(zhǎng)長(zhǎng)軸軸/短短軸軸 1010, 多多聚聚體體zz 亞亞基基有有自自己己獨(dú)獨(dú)立立的的一一、二二、三三級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，但但無無完完整整的的功功能能 zz 亞亞基基可可以以相相同同均均一一四四級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)亞亞基基亦亦可可不不相相同同非非均均一一四四級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)33. 主主要要維維系系力力：疏疏水水作作用用第第三三節(jié)節(jié). 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與功功能能的的關(guān)關(guān)系系SectionSection 33. RelationshipsRelationships betweenbetween structurestru

11、ctureandand functionsfunctions ofof proteinprotein一一、蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與功功能能的的關(guān)關(guān)系系(primary(primary structurestructure & function)function)(一一). 一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是空空間間結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)zz 一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)一一旦旦確確定定，就就決決定定了了其其空空間間結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的排排布布 zz 但但一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)并并不不是是決決定定空空間間結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的唯唯一一因因素素(二二). 一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與功功能能的的關(guān)關(guān)系系11.不不同同的的一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)決決定定不不

12、同同的的生生理理功功能能22. 一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中中只只有有少少數(shù)數(shù)氨氨基基酸酸殘殘基基與與功功能能直直接接相相關(guān)關(guān), 即即功功能能基基團(tuán)團(tuán), 或或稱稱關(guān)關(guān)鍵鍵部部位位(key(key - part)part)zz 關(guān)關(guān)鍵鍵部部位位相相同同，則則功功能能可可能能相相同同或或相相似似。如如Insulin,Insulin, CytCyt cc zz 關(guān)關(guān)鍵鍵部部位位不不同同，即即便便是是一一個(gè)個(gè)氨氨基基酸酸殘殘基基的的改改變變，也也可可導(dǎo)導(dǎo)致致功功能能的的完完全全改改變變或或喪喪失失. 如如鐮鐮刀刀型型血血紅紅蛋蛋白白33. 非非功功能能基基團(tuán)團(tuán)對(duì)對(duì)維維持持功功能能基基團(tuán)團(tuán)的的構(gòu)構(gòu)象象有有重重要要

13、作作用用DifferencesDifferences inin aminoamino acidsacids sequencesequence ofof insulininsulin fromfrom humanhuman andand ananimalsimals.InsulinInsulinA8A8A9A9A10A10B30B30humanhumanThrThrSerSerIleIleThrThrpigpigThrThrSerSerIleIleAlaAladogdogThrThrSerSerIleIleAlaAlarabbitrabbitThrThrSerSerIleIleSerSercow

14、cowAlaAlaSerSerValValAlaAlagoatgoatAlaAlaGlyGlyValValAlaAlahorsehorseThrThrGlyGlyIleIleAlaAla二二、蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)空空間間結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與功功能能的的關(guān)關(guān)系系(conformation(conformation & function)function)55 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的空空間間結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與生生理理功功能能密密切切相相關(guān)關(guān)55 以以肌肌紅紅蛋蛋白白和和血血紅紅蛋蛋白白為為例例(一一). 肌肌紅紅蛋蛋白白與與血血紅紅蛋蛋白白的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)11. 肌肌紅紅蛋蛋白白(myoglobin,(myoglobin, Mb

15、)Mb) zz 含含153153個(gè)個(gè)氨氨基基酸酸殘殘基基的的單單鏈鏈蛋蛋白白和和一一個(gè)個(gè)血血紅紅素素(heme)(heme)輔輔基基zz 空空間間結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)上上主主要要為為88段段-螺螺旋旋折折疊疊為為球球狀狀, hemeheme位位于于分分子子內(nèi)內(nèi)部部的的袋袋形形空空穴穴中中22. 血血紅紅蛋蛋白白(hemoglobin,(hemoglobin, HbHb)zz 由由44個(gè)個(gè)亞亞基基組組成成，分分別別為為22個(gè)個(gè)-亞亞基基和和22個(gè)個(gè)-亞亞基基zz 每每個(gè)個(gè)亞亞基基的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與MbMb極極相相似似zz 44個(gè)個(gè)亞亞基基共共同同圍圍繞繞成成緊緊密密的的球球形形，亞亞基基之之間間以以疏疏水水作

16、作用用和和鹽鹽鍵鍵維維持持穩(wěn)穩(wěn)定定(二二). 血血紅紅蛋蛋白白的的構(gòu)構(gòu)象象變變化化與與結(jié)結(jié)合合氧氧11. 結(jié)結(jié)合合氧氧特特性性(解解離離曲曲線線)zz HbHb與與OO22的的結(jié)結(jié)合合曲曲線線呈呈SS型型, 與與MbMb不不同同(直直角角雙雙曲曲線線)zz 44個(gè)個(gè)亞亞基基與與44個(gè)個(gè)OO22結(jié)結(jié)合合時(shí)時(shí)難難易易程程度度不不 同同 , 先先 難難 后后 易易 ( 平平 衡衡 常常 數(shù)數(shù) KK11KK22,K,K33KK44),), 具具有有正正協(xié)協(xié)同同效效應(yīng)應(yīng)(positive(positive cooperativity)cooperativity)22. 協(xié)協(xié)同同效效應(yīng)應(yīng)機(jī)機(jī)理理變變構(gòu)構(gòu)效

17、效應(yīng)應(yīng)(allosteric(allosteric effect)effect)(1)(1). 變變構(gòu)構(gòu)效效應(yīng)應(yīng)的的概概念念蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)與與效效應(yīng)應(yīng)劑劑結(jié)結(jié)合合后后引引起起蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的構(gòu)構(gòu)象象改改變變(進(jìn)進(jìn)而而引引起起生生物物活活性性改改變變)的的現(xiàn)現(xiàn)象象，稱稱為為變變構(gòu)構(gòu)效效應(yīng)應(yīng)。(2)(2). HbHb的的變變構(gòu)構(gòu)效效應(yīng)應(yīng)未未結(jié)結(jié)合合時(shí)時(shí)處處于于緊緊張張態(tài)態(tài)(T(T態(tài)態(tài))第第一一個(gè)個(gè)OO22結(jié)結(jié)合合血血紅紅素素后后 該該亞亞基基FF肽肽段段位位移移 兩兩個(gè)個(gè)-亞亞基基之之間間的的鹽鹽鍵鍵斷斷裂裂 亞亞基基間間結(jié)結(jié)合合松松弛弛 第第二二、第第三三亞亞基基更更易易結(jié)結(jié)合合OO22 三三個(gè)個(gè)

18、亞亞基基結(jié)結(jié)合合OO22以以后后，第第四四亞亞基基的的血血紅紅素素已已幾幾乎乎完完全全暴暴露露，極極易易結(jié)結(jié)合合OO22 整整個(gè)個(gè)血血紅紅蛋蛋白白完完全全處處于于松松弛弛態(tài)態(tài)(RR態(tài)態(tài))PostagePostage-stampstamp analogyanalogy ofof thetheoxygenationoxygenation ofof hemoglobinhemoglobin第第四四節(jié)節(jié). 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)理理化化性性質(zhì)質(zhì)及及其其分分離離純純化化SectionSection 44. PhysicochemicalPhysicochemical properties,properties,

19、separationseparation andand purificationpurification ofof proteinprotein一一、蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的理理化化性性質(zhì)質(zhì)(physicochemical(physicochemical properties)properties)(一一). 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的兩兩性性電電離離zz 氨氨基基酸酸兩兩性性電電離離的的結(jié)結(jié)果果zz 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的兩兩性性電電離離還還受受側(cè)側(cè)鏈鏈酸酸、堿堿性性基基團(tuán)團(tuán)電電離離的的影影響響(二二). 蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的膠膠體體性性質(zhì)質(zhì)zz 分分子子量量大大，在在水水溶溶液液中中分分子子顆顆粒粒達(dá)達(dá)1200nm1200nm zz 蛋蛋白白溶溶液液的的穩(wěn)穩(wěn)定定因因素素：形形成成水水化化膜膜；表表面面電電荷荷(三三).11.zzzzzz22.33.蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的變變性性、沉沉淀淀和和凝凝固固變變性性(denaturation)(denaturation)概概念念：是是指指某某些些理理化化