蛋白质结构与功能课件.pptx

1、LOGO高级生物化学高级生物化学蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能冯明菊407205117024营养与食品卫生学LOGO蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成1第二节第二节 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构2第三节 蛋白质的空间结构1第四节 蛋白质结构与功能的关系234LOGO蛋白质（蛋白质（protein）是由许多是由许多氨基酸氨基酸通过通过肽键肽键相连相连 形成的高分子含氮化合物。形成的高分子含氮化合物。v 蛋白质蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式组合成的是由一条或多条多肽链以特殊方式组合成的生物大分子。生物大分子。v 蛋白质与多肽并无严格的

2、界线，通常是将分子量在蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在60006000道尔顿道尔顿(Dalton,d)Dalton,d)以上的多肽称为蛋白质。以上的多肽称为蛋白质。v 蛋白质分子量变化范围很大蛋白质分子量变化范围很大,从大约从大约60006000到到100100万万道尔顿甚至更大。道尔顿甚至更大。1.1.蛋白质的定义蛋白质的定义第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成LOGO(1 1)蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高

3、：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的人体干重的4545，某些组织含量更高，例如脾、，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达肺及横纹肌等高达8080。2.2.蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性LOGO(2 2)蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）代谢调节作用代谢调节作用免疫保护作用免疫保护作用物质的转运和存储物质的转运和存储运动与支持作用运动与支持作用参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递(3)氧化供能氧化供能LOGO3.3.蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成组成蛋白质的元素:主要有C、H、

4、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%LOGO(1)(1)蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位-氨基酸氨基酸 组成蛋白质的氨基酸除组成蛋白质的氨基酸除脯氨酸脯氨酸外，其余均属于外，其余均属于-氨基酸。氨基酸。-氨基酸根据其光学活性具有不同的构型氨基酸根据其光学活性具有不同的构型4.4.

5、组成蛋白质的氨基酸组成蛋白质的氨基酸 COOH COOH H2NCH HCNH2 R R L-L-氨基酸氨基酸 D-D-氨基酸氨基酸(2)(2)组成人体蛋白质的组成人体蛋白质的2020种氨基酸均属于种氨基酸均属于L-L-氨基氨基酸酸（甘氨酸除外），称为编码氨基酸。（甘氨酸除外），称为编码氨基酸。LOGORC+NH3COO-HL-L-氨基酸的通式氨基酸的通式LOGO根据根据侧链结构侧链结构和和理化性质理化性质的不同，将氨基酸分的不同，将氨基酸分为以下几类为以下几类非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸LOG

6、O(一一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸LOGO(二二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸LOGO(三三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸LOGO(四四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸LOGO(五五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸LOGO(一一)氨基酸具有两性解离的性质氨基酸具有两性解离的性质两性解离及等电点两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质，其解离程度取

7、决于所处氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)在某一在某一pH的溶液中，的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值值称为称为该氨基酸的该氨基酸的等电点等电点。5.氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质LOGO(1)氨基酸通过肽键连接而形成肽氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)肽键肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的-羧基羧基与另一个与另一个氨基酸的氨基

8、酸的-氨基氨基脱水缩合而形成的化学键。脱水缩合而形成的化学键。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽三肽 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽多肽(polypeptide)。肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。6.6.蛋白质中氨基酸的连接蛋白质中氨基酸的连接LOGO多肽链多肽链(polypeptide chai

9、n)(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。多肽链有两端：多肽链有两端：N N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端 ;C C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端C末端末端N末端末端LOGO定义定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-N-端至端至C-C-端的端的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。蛋白质的一级结构包括组成蛋白质的多肽链蛋白质的一级结构包括组成蛋白质的多肽链 数目，多肽链的氨基酸序列，以及多肽链内数目，多肽链的氨基

10、酸序列，以及多肽链内 或链间二硫键的数目和位置或链间二硫键的数目和位置主要的化学键主要的化学键:肽键肽键，有些蛋白质还包括，有些蛋白质还包括二硫键。二硫键。二硫键（二硫键（disulfide bonddisulfide bond）：）：由肽链中相应部由肽链中相应部 位上位上两个半胱氨酸残基的侧链脱氢形成两个半胱氨酸残基的侧链脱氢形成。v 一级结构一级结构是蛋白质空间是蛋白质空间结构结构和生物学和生物学功能功能的基础的基础。不是决不是决定蛋白质空间构象的定蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素。第二节第二节 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构LOGO蛋白质一级结构测定的步骤（1）蛋白质样品的预处理；（2

11、）测定每条多肽链的氨基酸组成；（3）测定多肽链的N-末端和C-末端；（4）应用两种或两种以上不同的水解方法将所要测定的蛋 白质断裂，各自得到一系列大小不同的肽段；（5）分离提纯所产生的肽，并测定它们的序列；（6）从有重叠结构的各个肽的序列中推断出蛋白质中全部氨基酸顺序。分析多肽链的分析多肽链的N-N-末端和末端和C-C-末端末端;N-端氨基酸分析法：DNFB法、Edman法、氨肽酶法（肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的向里水解）C-端氨基酸分析法：羧肽酶法（肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的向里水解）、肼解法LOGO一一.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构v它只涉及肽链主链的构象及链内或

12、链间形成的氢键。v主要有:第三节 蛋白质的空间结构定义定义:蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象不涉及氨基酸残基侧链的构象主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 -螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)LOGO(一一)蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构肽键平面：肽键平面：参与肽键的参与肽键的6 6个原子个原子C C 1 1、C C、O O、N N、H H、

13、C C 2 2位于同一平面，位于同一平面，称为肽键平面或称为肽键平面或肽单元。肽单元。C C 1 1和和C C 2 2在平面上所处的在平面上所处的位置为反式构型位置为反式构型。LOGO（1 1）-螺旋螺旋(-helix)helix)多肽链中的各个肽平面围绕同一多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为周，沿轴上升的距离即螺距为0.540.54nm,nm,含含3.63.6个个aaaa残基残基；两个；两个aaaa之之间的距离为间的距离为0.150.15nmnm；aaaa残基残基侧链侧链R R基团伸向外侧基团伸向外侧，相，相邻的螺圈

14、之间形成链内氢键；邻的螺圈之间形成链内氢键；天然蛋白质的天然蛋白质的-螺旋通常都是螺旋通常都是右右手手-螺旋。螺旋。螺旋稳定因素螺旋稳定因素:每个肽链的每个肽链的C=O,C=O,与第与第4 4个氨基酸残基的个氨基酸残基的N-HN-H形成形成氢键氢键。-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构螺旋结构是常见的蛋白质二级结构LOGO影响影响-helixhelix稳定的因素：稳定的因素：vR R基团电荷基团电荷影响影响螺旋的形成：螺旋的形成：酸碱性氨基酸集中的区域，同性相斥，不利螺旋。v R R基团大小基团大小影响影响螺旋的形成：螺旋的形成：（Phe、Try、Ile）集中的区域，不利螺旋。Gly，Pro不能形

15、成典型的螺旋。折叠的氨基酸R基团较小。LOGO（2 2）折叠折叠(pleated sheet)pleated sheet)v两条或多条几乎完全伸展的肽链通过链间的氢键交联两条或多条几乎完全伸展的肽链通过链间的氢键交联而形成的；而形成的；v肽链的主链呈锯齿状折叠构象，肽链的主链呈锯齿状折叠构象，R R基团处于基团处于折叠平面折叠平面的两侧。的两侧。-折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽链形成片层结构LOGO结构特点：结构特点：折纸状结构折纸状结构：以：以C为转折点，为转折点，R基团在折纸状结构基团在折纸状结构的上下方。的上下方。稳定因素稳定因素：两条肽链或一条肽链两段之间的两条肽链或一条肽链两段之

16、间的C=O 与与N-H 形成形成氢键氢键。两段肽链走向：两段肽链走向：平行：平行：N端到端到C端同方向，肽链间距端同方向，肽链间距0.65nm；反平行反平行:N端到端到C端不同方向端不同方向,肽链间距肽链间距0.70nm。蛋白质的二级结构主要以蛋白质的二级结构主要以螺旋和螺旋和 -折叠折叠为主，许为主，许多蛋白质既有多蛋白质既有螺旋又有螺旋又有 -折叠折叠。LOGO（3 3）转角转角（turnturn）v多肽链经常出现多肽链经常出现180180的回折，这个回折角就是的回折，这个回折角就是转角结转角结构构结构特点：结构特点：4个氨基酸残基组成，第个氨基酸残基组成，第1个残基的个残基的C=0 与第

17、与第4个残个残基的基的N-H形成氢键形成氢键,形成形成一个不很稳定的环状结一个不很稳定的环状结第二个残基常为第二个残基常为Pro.Pro.(4)无规卷曲：无规卷曲：没有一定规律的松散的肽链结构，通常酶的活性中心常处在这一构象区域里。LOGO(二)超二级结构和结构域v 超二级结构超二级结构(super secondary structure)super secondary structure)：是指若干相邻的二级是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。上能辨认的二级结构组合体。v 常见的超二级

18、结构：常见的超二级结构：、模体模体(motif)(motif)：作用的超二级结构。作用的超二级结构。蛋白质分蛋白质分具有具有特殊功能特殊功能子中，子中，2 2个或个或3 3个具有二级结构的肽段，个具有二级结构的肽段，相互接近形成一个特殊的空间结构，相互接近形成一个特殊的空间结构，并发挥专一的并发挥专一的功能功能 。模体常见的形式模体常见的形式 -螺旋螺旋-转角（或环）转角（或环）-螺旋模体螺旋模体 链链-转角转角-链模体链模体 链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角-链模体链模体LOGOv 结构域（结构域（domaindomain）：是在超二级结构基础上进一：是在超二级结构基础上进一步卷曲折叠成紧

19、密的近似球状的结构，在空间上彼步卷曲折叠成紧密的近似球状的结构，在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。此分隔，各自具有部分生物功能的结构。结构域结构域 小的蛋白质分子只有一个小的蛋白质分子只有一个 结构域结构域结构域三级结构结构域三级结构 大的蛋白质分子有数个结大的蛋白质分子有数个结 构域构域LOGO(三三)蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构（Tertiary StructureTertiary Structure）v在二级结构基础上，肽链不同区段的侧链基团相在二级结构基础上，肽链不同区段的侧链基团相互作用，进一步盘绕、折叠形成的的空间结构。互作用，进一步盘绕、折叠形成的的空间结构。v定

20、义定义:整条肽链中整条肽链中全部氨基酸残基全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。链中所有原子在三维空间的排布位置。v 包括主链和侧链原子。包括主链和侧链原子。v 具有功能作用的完整蛋白质分子。具有功能作用的完整蛋白质分子。v维系这种特定结构的力主要有维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离氢键、疏水键、离子键、范德华力和二硫键、配位键等子键、范德华力和二硫键、配位键等。LOGO多肽链多肽链疏水键疏水键氢键氢键二硫键二硫键离子键离子键CHCH2 2OHOH CHCH2 2OHOH范德华力范德华力维持三级结构的作用力维持三级结构的作用力LOGO(

21、四四)蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（Quaternary StructureQuaternary Structure）v由两条或两条以上具有三级结构的肽链聚合而成的特定由两条或两条以上具有三级结构的肽链聚合而成的特定构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构；构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构；v其中具有独立三级结构的一条肽链叫亚基（其中具有独立三级结构的一条肽链叫亚基（subunit)subunit)，无生物功能；亚基之间的结合主要是无生物功能；亚基之间的结合主要是氢键和离子键氢键和离子键。v由几个亚基聚集而成的蛋白质常常称为由几个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白。寡聚蛋白。v均一四级结构：

22、相同亚基组成。均一四级结构：相同亚基组成。同聚体同聚体v非均一四级结构：不相同亚基组成。非均一四级结构：不相同亚基组成。异聚体异聚体LOGO 4 4个亚基缔合而成个亚基缔合而成 2 2种亚基（种亚基（、）亚基呈球形亚基呈球形 亚基间靠次级键连接亚基间靠次级键连接 亚基两两相同，亚基两两相同，分别分别 为为1 1、2 2、1 1、2 每个亚基都含有一个每个亚基都含有一个 血红素辅基血红素辅基血红蛋白的四级结构LOGO第四节第四节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系（1 1）蛋白质的一级结构与功能的关系）蛋白质的一级结构与功能的关系1.蛋白质一级结构蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础是

23、高级结构与功能的基础 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性牛核糖核酸酶的一级结构牛核糖核酸酶的一级结构LOGO2.2.氨基酸序列提供重要的生物化学信息氨基酸序列提供重要的生物化学信息细胞色素细胞色素(cytochrome C)，比较一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。比较一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。3.3.同种蛋白质中氨基酸顺序的个体差异（分子病）同种蛋白质中氨基酸顺序的个体差异（分子病）血红蛋白的一级结构变化引起镰刀型贫血病血红蛋白的一级结构变化引起镰刀型贫血病 4

24、.一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能如如:同源蛋白质同源蛋白质LOGO（2 2）蛋白质构象与功能的关系）蛋白质构象与功能的关系v蛋白质构象并不是固定不变的，有些蛋白质表现其生物功能时，构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象称为别构（变构）现象。v别构蛋白各部位之间的影响是通过构象变化传递的，这种构象变化可以从一个亚基传到另一个亚基，引起协同的相互作用。v以血红蛋白的载以血红蛋白的载O O2 2为例为例LOGO环境氧低时HbHb 迅速释放氧分子动脉环境氧高时HbHb 快速吸收氧分子(R)R)松弛态松弛态(T)T)紧张态紧张态静脉释放

25、氧分子后Hb Hb 变回 T T 态肌肉肌肉肺肺血中氧分子的运送：LOGOn肌红蛋白（肌红蛋白（MbMb）/血红蛋白（血红蛋白（HbHb）血红素结构血红素结构:铁卟啉化合物铁卟啉化合物 4个吡咯环、个吡咯环、4个甲炔基、个甲炔基、2个丙酸基与个丙酸基与aa连接连接Fe2+6个配位键：个配位键：4N、组、组aa、O2（一）（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似LOGO 肌红蛋白（肌红蛋白（Mb）一条肽链，含一条肽链，含1个血红素，个血红素，可结合可结合1个个O2血红蛋白（血红蛋白（Hb）4个亚基，亚基结构与个亚基，亚基结构与Mb相相似似含含4个血红素，各结合个血红素，

26、各结合4个个O2亚基之间亚基之间8对盐键对盐键。LOGO氧合氧合Hb（Mb）：）：与与O2结结合后的合后的Hb（Mb）百分饱和度：百分饱和度：氧氧Hb(Mb)占总占总Hb(Mb)的百分数。的百分数。氧解离曲线：氧解离曲线：氧分压与氧氧分压与氧百分饱和度的关系曲线。百分饱和度的关系曲线。血红蛋白的构象变化与结合氧的功能血红蛋白的构象变化与结合氧的功能 LOGO肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线Mb:呈直角双曲线呈直角双曲线 MB易与易与O2结合结合 Hb:呈呈S状曲线状曲线 O2分压低时：分压低时：Hb不易与不易与O2结合；结合；O2分压升高：逐渐分压升

27、高：逐渐增强结合力。增强结合力。LOGO紧密型（紧密型（T态）态）：盐键连接，亚基紧密结合，盐键连接，亚基紧密结合，O2亲合力低。亲合力低。松弛型（松弛型（R态）：态）：盐键断裂，亚基松弛结合，盐键断裂，亚基松弛结合，O2亲合力高。亲合力高。（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合亚基之间亚基之间8对盐键对盐键，使，使Hb形成形成2种空间结构。种空间结构。LOGO 缺缺O2 时，时，Hb呈呈T态；态；O2升高与升高与亚基结合，盐键断裂；亚基结合，盐键断裂；Hb由由T态转变为态转变为R态；态；R态态Hb与与O2亲合力提高。亲合力提高。LOGOO2血红素与血红素与O2结合结合；铁原子半径变小，进铁原子半径变小，进入卟啉环小孔中；入卟啉环小孔中；肽链位置变动肽链位置变动,影响亚影响亚基的构象；基的构象；盐键断裂，盐键断裂，T态转变态转变为为R态；态；亚基结合亚基结合O2能力增强。能力增强。