高级生物化学蛋白质结构与功能PPT课件.pptx

1、蛋白质的结构与功能第1章蛋白质是细胞组分中含量最丰富、功能最多 的生物大分子，占人体干重的45%。一个细胞可 能含上万种蛋白质，每种蛋白质发挥不同的功 能。各种蛋白质功能的多样性是由其复杂的分子 结构决定的。只有在深入了解蛋白质结构的基础 上才能真正了解蛋白质的功能。2第一节 组成蛋白质的氨基酸3蛋白质由氨基酸（amino acid,AA)组成。自然界的氨基酸有300余种.由基因编码的氨基酸仅有20种。AA侧链（1）AA结构通式：（2）除甘氨酸（Gly）外，均属LAA.COO-H+NH3CR20种基本氨基酸结构的共同特征 是:立体构型：两种构型互为对映体；一种构型必须有共价键断裂才能形成另一种

2、构型。*组成蛋白质的-氨基酸多是L-构型。D-构型氨基酸：主要存在于某些抗生素和个别植物的生物碱 5中。天然pr中的AA通常为L-型；6根据2O种基本氨基酸的R基（侧链）不同，可分为:非极性疏水AA7种不解离的极性AA（或极性中性AA)8种解离的极性AA酸性AA2种 碱性AA3种71非极性疏水AA 7种：AA的R基是脂肪烃或芳香烃;烃链越长疏水性越大 存。在部位：常因相互疏水作用而处于球状蛋白内部 或生物膜的跨膜双脂层中。8甘氨酸glycineGlyG5.97丙氨酸alanineAlaA6.00缬氨酸valineValV5.96亮氨酸leucineLeuL5.986.02异亮氨酸isoleuc

3、ineIleI苯丙氨酸 phenylalanine PheF5.48脯氨酸prolineProP6.301.非极性疏水性氨基酸2.不解离的极性AA8种AA的R侧链是带有极性的羟基、巯基或酰胺基 团，故有亲水性，但不解离.色氨酸tryptophanTryW5.89丝氨酸serineSerS5.68tyrosineTryY5.66cysteineCysC5.07methionineMetM5.74天冬酰胺asparagine AsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonine酪氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸ThrT5.602.极性中性氨基酸3解离的极性AA5种AA的R侧链可

4、解离而带负电荷，又称酸性AA，有2种;AA的R侧链可解离而带正电荷，又称碱性AA，有3种。存在部位：蛋白质分子的表面，与环境中水分子形成 氢键。天冬氨酸aspartic acidAspD2.97谷氨酸glutamic acidGluE3.22赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸带正电荷的碱性AA残基常与带负电荷的酸的 性A残A基形成盐键。幻灯片 89脯氨酸:（亚氨基酸）几个特殊的氨基酸由于其氨基与侧链C原子结合成环，具有固定的构型，在 蛋白质肽链中有很强的链形成一个转角而改变主链方向，同时

5、由于环的存在而具有空间障碍，对蛋白质二级结构形 成有破坏性作用，但仍能出现在这些结构的末端或弯曲部 位，因而常暴露于分子表面。几个特殊的氨基酸胱 氨 酸巯基易形成带有二硫键的胱氨酸，在蛋白质的构 象形成中具有重要意义。同时巯基还能与金属离 子结合，埋藏在分子内部，开成motif结构。半胱氨酸胱氨酸2个 Cys与维化，与氨基酸的氨基氮原子之间形成的稳定共价键不同，二硫 容易被还原而断裂，断裂后可再次氧化重新形成二硫键因，而是可以动态变化的化学键。二硫键是参与一级结构也是形成高级结构的重要化学键，对蛋白质折叠和高级结构的形成持十分重要。烫发和发型保持，主要原理是操纵 毛发角蛋白二硫键的还原和再氧

6、即二硫键的断开和重新键合。（COO-)一酸性AA（共2种）特点：除C上有一个羧基外，它们的R基上都还具有 个羧基.碱性AA（共3种）特点：R基都含有碱性基 团。胍 基咪 唑 基酸性及碱性AA不仅带电荷，且极性较强。在蛋白质分子 中，常出现在分子表面，与环境中的水分子结全而使 蛋白质具有亲水性质，尤其是碱性氨基酸的侧链较长柔，性较大，在介质中摆动，可增强其溶解度，同时也易 作为多种酶的催化对象。以上20种由基因编码的AA称为编码氨基酸。19在蛋白质分子中还有非编码氨基酸是在蛋白质生物合成后经乙酰化、磷酸化、羟基化或甲基 化等修饰形成的。如：广泛存在于Pr中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的磷酸化，在细

7、胞信号传递系统中起重要作用;胶原中的羟脯氨酸和羟赖氨酸;钙调素中的三甲基赖氨酸;凝血酶原中谷氨酸的-羧化;某些蛋白质N-端氨基酸的乙酰化或C-端氨基酸的酰胺化；更多的蛋白质中AA的糖基化或脂质化，使其亲水或疏水性增 大。第二节稳定蛋白质构象的作用力20任何一个蛋白质分子，在其天然状态或活性形 式下，都具有独特而稳定的构象。构象是蛋白质分子在结构上的一个最显著的特 征。构象*（Conformation）:又称之为三维结构、立体结构，空间结构或高级结 构等.是指分子内各原子或基团之间的相互立体关 系。构象的改变，是由于单键的旋转而产生的，它 不需有共价键的变化，仅涉及到氢键等次级键的改 变。构型（

8、configuration）是指光学活性不对称的一 种特定的立体结构.例如氨基酸从 D型L型，共价键的变化。21维持和稳定蛋白质分子构象的作用力有：氢键疏水作用力 范德华力 离子键二硫键 配位键22一、氢键23X一HY氢原子与电负性的原子X共价结合时，共用的 电子对强烈地偏向X的一边，使氢原子带有部分正电 荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子Y结合形，成的XHY型的键。氢键有两种不同的含义：第一种是指X一HY的整个结构，氢键的键长就是 指从X到Y之间的距离。第二种是指H.Y之间的结合力。氢键的键能就是 指打开H.Y的结合所需要的能量。由于距离短，氢键之间的吸引力强，介于共价键与范 德华力之

9、间。24氢键有两个重要特征：（1）具有方向性：当氢供体X-H与氢受体Y之间的夹 角接近180时,X-H与Y的相互作用最强.X一HY（2）具有饱和性：X-H只能和一个Y原子相结合氢键作用：对于维持蛋白质分子的二、三、四级结构 的完整性以及功能反应的灵活性，具有十分重要的意 义。不仅在肽链之间形成，在侧链之间或侧链与肽 键之间也可生成。25二、疏水作用力26疏水作用力(疏水键)：是指非极性基团即疏水 基团为了避开水相而群集在一起的集合力。在蛋白质分子中，含有许多疏水基团，这些 基团有一种自然的趋势，即避开水相，相互集合，藏于蛋白质分子的内部。作用：AA顺序上相隔较远的残基间的疏水作用力，对维持和稳

10、定蛋白质分子的构象具有重要影响。三、范德华力27在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一 种较弱的作用力。即原子中带正电荷的核与另一原子带 负电荷的电子层之间的静电引力。包括两种类型的相互作用：一种是吸引作用（范德华引力），另一种是排斥作用（范德华斥力）。范德华引力有3种表现形式：(1)取向力:极性基团之间，偶极与偶极的相互吸引;(2)诱导力:极性基团的偶极与非极性基团的诱导偶极之 间的相互吸引;(3)色散力:非极性基团瞬时偶极之间的相互吸引。其共同的特点是:28引力随作用基团之间距离的增大而迅速减小，但两个作用基团只互相吸引并不相碰。因为当它们靠得很近时，电子云之间会发生排斥，从而产生范德

11、华斥力。因此，上述两个基团之间的作用距离是由范德华引 力和范德华斥力的平衡来决定的，这种距离称为范 德华力间距。迄今所测得的蛋白质构象都显示出蛋白质分 子内的基团是紧密堆积的。这表明。在蛋白质分 子内无疑存在着范德华力。作用：对维持和稳定蛋白质的三、四级结构具有 一定的贡献。Van der Waals 力在维持蛋白质的构象中虽有一 定的作用，但可能非常有限。29四、离子键(盐键、盐桥或静电作用力)30是由带相反电荷的两个基团间的静电吸引所形成的在蛋白质分子中，通常有带正电荷的基团和带负电 荷的基团:带正电荷的基团-N-末端的-NH+33肽链中赖氨酸残基的NH+精氨酸残基的胍基；带负电荷的基团-

12、C一末端的-COO肽链中天冬氨酸残基的-COO-谷氨酸残基的COO在蛋白质空间结构与环境都适宜的情况下，上述基团 中有一部分是相互接近而形成离子键的。高浓度的盐、过高或过低的pH值，可以破坏蛋白质 构象中的离子键-蛋白质变性的主要原因31五、配位键配位共价键简称“配位键”是指两原子的成键电子全 部由一个原子提供所形成的共价键。其中，提供所有成键电子的称“配位体（简称配 体）”、提供空轨道接纳电子的称“受体”。32金属离子与蛋白质的连接一般通过配位键:如铁氧还原蛋白、细胞色素C等-含有铁离子 胰岛素等-含有锌离子。金属离子通过配位键参与维持和稳定蛋白质的三、四级结构。若用螯合剂从蛋白质中除去金属

13、离子则:1.蛋白质分子便解离成亚基,导致生物活性丧失2.或者是三级结构遭到局部破坏345.二硫键（-S-S-）是两个硫原子之间所形成的共价键。作用:它可以把不同的肽链、或同一条肽链的不同部 分连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有 重要作用.在某些蛋白质中，二硫键一旦遭到破坏，则蛋白质 的生物活性立即丧失。若二硫键的数目多，则蛋白质分子抗拒外界变性因 素的能力也强，蛋白质三级结构的稳定性也高(角蛋白)二硫键的种类有多 种综上:氢键、疏水作用力、范德华力和离子键这四种次级键-是维持和稳定蛋白质分子构象的主要作用力。二硫键和配位键这两种共价键-参与维持和稳定蛋白质的三级或四级结构。36例：胰岛素胰

14、脏中胰岛-细胞分泌的一种蛋白质激素。功能降低血糖。结构A链：21aa；B链：30aa；链间有两对二硫键；在A链内aa6和aa11间以二硫键连成小环。如：牛胰岛素371965.9.17第三节蛋白质分子的结构39一、肽(peptide)40（一）肽（peptide)：AA通过肽键连接形成的化合物叫肽；两分子AA缩合形成二肽，三分子AA缩合则形成三肽甘氨酰甘氨 酸+肽键-HOH肽键：一个AA的-COOH与另一个AA的-NH2脱水缩合而形成的化学键.42寡肽（oligopeptide)：20个以下氨基酸组成。多肽（polypeptide)：20-50个氨基酸形成.蛋白质(protein)：50个以上氨

15、基酸组成。肽链中的氨基酸已非完整分子，称氨基酸 残基(animo acid residue)。肽的命名：某氨基酰某氨基酰.某氨基酸.肽的简写：Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu或SGYALN末端(氨基末端)，常写在左端；C末端(羧基末端)，常写在右端.SerGlyTyrAlaLeu肽单位和二面角多肽链的基本结构:肽单位44肽单位空间结构特征:。1.肽单位是刚性平面结构。肽单位上 的六个原子都处于同一平面上。2.肽键具有局部双键性质，不能自由旋转3.在肽单位上，两个C是反式构型。45二面角肽键中的CN键具有部分双 键的特征，不能自由旋转，其 结果使肽键处在一个刚性的平 面上，此平面被称为肽键

16、平面(酰胺平面)。两个肽键平面之 间的-碳原子，可以作为一旋 个转点形成二面角(dihedralangle)。二面角的变化，决定着多肽主键在三维空间的排布 方式，是形成不同蛋白质构象 的基础。46高级结构,又称 空间构象47二级结构 三级结构 四级结构蛋白质的分子结构包括：丹麦科学家Linderstrom-Lang一级结构二、蛋白质的结构48Pr 的一级结构:Pr中N-端到C-端的AA排列顺序.维系的键:肽键，二硫键一级结构决定高级结构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础.但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素.Pr 的高级结构:二级三级四级结构(一)二级结构及其基本类型491.二级结构:是指多肽链主链骨架中的若干肽段所形 成的有规则的空间排布（如-螺旋、-折叠和-转 角)或无规则的空间排布（如无规则卷曲）。主要包括:主链原子局部的空间排布，不涉及侧链的构 象以及与其他肽段的关系。维系的主要化学键：H 键2.二级结构的基本类型:50-螺旋-折叠-转角 无规卷曲-螺旋(-helix)：四的。511主链形成右手螺旋或左手螺旋2每圈螺旋占3.6个AA残基，螺距0.54nm;3