蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

1、第一章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,protein Pro, Pr, P,蛋白質(zhì)是生物體的基本組成成分之一，幾乎參與了生命活動的所有過程。,含量：約占固體成分的近1/2（45%） 種類：一個真核細胞達數(shù)千種，每一種 均有其特定的結(jié)構(gòu)與功能,分布廣,第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成,,碳、氫、氧、氮 、硫 （ C、H、O、N、S ） 以及磷、 鐵、 銅、 鋅、 碘、 硒,一，元素組成:,,蛋

2、白質(zhì)平均含氮量（N%）：16%,,∴ 蛋白質(zhì)含量=含氮克數(shù)×6.25（凱氏定氮法）,氨基酸的通式,一，基本組成單位——氨基酸 (amino acid, AA),參與編碼蛋白質(zhì)的基本氨基酸，只有20種。,1.  20種AA中除Pro外，與羧基相連的α-碳原子上都有一個氨基，因而稱α-氨基酸。2.    不同的α-AA，其R側(cè)鏈不同。氨基酸R側(cè)鏈對蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)有重要影響。3

3、.   除Gly的R側(cè)鏈為H原子外，其他AA的α-碳原子都是不對稱碳原子，可形成不同的構(gòu)型，因而具有旋光性。,氨基酸的分類,按側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)可分為： 非極性、疏水性氨基酸 極性、中性氨基酸 酸性氨基酸 堿性氨基酸,甘氨酸 glycine Gly G

4、 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,纈氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,異亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine

5、 Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,,支鏈氨基酸,,亞氨基酸,芳香族氨基酸,,,吡咯烷環(huán)--雜環(huán)氨基酸,色氨酸 tryptophan Trp W 5.89,絲氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine

6、 Tyr Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,蘇氨酸 threonine

7、 Thr T 5.60,2. 極性中性氨基酸,,含酰胺基氨基酸,,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,芳香族氨基酸,,,吲哚環(huán)--雜環(huán)氨基酸,羥基氨基酸,含硫氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,賴氨酸

8、 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,組氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 堿性氨基酸,εδγβ,,δ-胍基,,咪唑基—雜環(huán)氨基酸,δγβ,γβ,1968年美國Dudrick，在研究人體營養(yǎng)學工作中，利用結(jié)晶氨基酸配

9、出了氨基酸輸液，挽救了很多病人的生命。因此氨基酸營養(yǎng)輸液是繼“疫苗”、“維生素”、“抗生素”之后，被譽為二十世紀醫(yī)療史上的四個里程碑。,我國氨基酸類藥物的發(fā)展1953年藥典，1960年藥典都為0；1977年藥典為4種；1985年藥典為3種；1990年藥典為5種；1995年藥典為12種；1998年增補版藥典為26種；2000年藥典原料藥22種，制劑4種。,氨基酸的理化性質(zhì),1. 兩性解離及等電點,在某一溶液中，氨基酸解離成陽

10、離子和陰離子的趨勢及程度相等，呈電中性，此時該溶液的pH值即為該氨基酸的等電點 (isoelectric point，pI )。,含有共軛雙鍵的芳香族氨基酸 Trp, Tyr 的最大吸收峰在280nm波長附近。,2. 紫外吸收性質(zhì),該藍紫色化合物在570nm波長處有最大吸收，可用于氨基酸的定量分析。,3. 茚三酮反應(yīng),藍紫色化合物,三、 肽與肽鍵 (peptide and peptide bond),二肽,,,寡肽；多肽; 蛋白質(zhì)。,肽

11、鍵,,,氨基酸殘基 (residue),,,四、生物活性肽 (bioactive peptide),谷胱甘肽 （glutathione, GSH）多肽類激素 如催產(chǎn)素、加壓素、血管緊張素、促腎上腺皮質(zhì)激素、促甲狀腺素釋放激素、促性腺激素釋放激素等神經(jīng)肽（neuropeptide） 如腦啡肽、 β-內(nèi)啡肽、強啡肽、孤啡肽、P物質(zhì)、神經(jīng)肽Y等,第二節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)是氨基酸通過肽鍵相連形成的具

12、有三維結(jié)構(gòu)的生物大分子。一般將蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)分為四個層次來學習。,Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primary structure),蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)就是蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序。主要化學鍵是肽鍵，有的還包含二硫鍵。,,,二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondary structure),蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽單元，各自沿

13、一定的軸盤旋或折疊，并以氫鍵為主要次級鍵而形成的有規(guī)則或無規(guī)則的構(gòu)象，如α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲等。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)一般不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。,二級結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)單位——肽單元（peptide unit）二級結(jié)構(gòu)的主要化學鍵 ——氫鍵 (hydrogen bond),① 多個肽平面通過Cα的旋轉(zhuǎn)，相互之間緊密盤曲成穩(wěn)固的右手螺旋。,α-helix,② 主鏈螺旋上升，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，螺距0.54

14、nm。肽平面和螺旋長軸平行。,α-helix,③ 相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中羰基氧 (C＝O)和亞氨基氫(NH)形成許多鏈內(nèi)氫鍵，即每一個氨基酸殘基中的亞氨基氫和前面相隔三個殘基的羰基氧之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α-螺旋的主要化學鍵。,α-helix,④ 肽鏈中氨基酸殘基側(cè)鏈R基，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷均會影響α-螺旋的形成。,α-helix,①是肽鏈相當伸展的結(jié)構(gòu)，肽平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽平面間呈110°角。

15、　?、谝揽績蓷l肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的羰基氧與亞氨基氫形成氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。也就是說，氫鍵是穩(wěn)定β-折疊的主要化學鍵。,β-pleated sheet,③兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從N端到C端是同方向的，后者是反方向的。β-折疊結(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行還可以相互交替。平行的β-折疊結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β-折疊結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。,④氨基酸殘基的側(cè)鏈R基分布在片層的上

16、方或下方。,β–turn,蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是β-轉(zhuǎn)角(β-turn)或稱β-折角(β-bend)。β-轉(zhuǎn)角中，第一個氨基酸殘基的羰基氧與第四個殘基的亞氨基氫形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。,氫鍵,random coil,無規(guī)卷曲泛指那些不能被歸入明確的二級結(jié)構(gòu)如折疊或螺旋的多肽區(qū)段。實際上這些區(qū)段大多數(shù)既不是卷曲，也不是完全無規(guī)的。這些“無規(guī)卷曲”也像其它二級結(jié)構(gòu)那樣是明確而穩(wěn)定的結(jié)

17、構(gòu)，但是它們受氨基酸殘基側(cè)鏈R基相互作用的影響很大。這類有序的非重復性結(jié)構(gòu)經(jīng)常構(gòu)成酶活性部位和其它蛋白質(zhì)特異的功能部位。,,模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu),在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)。,二級結(jié)構(gòu)組合形式主要有3種：αα，βαβ，ββ 。,許多蛋白質(zhì)分子中可以有二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間位置上相互接近，形成特殊的空間結(jié)構(gòu)，稱其為“模體”

18、（motif）。,模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu),三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure),蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,由于氨基酸殘基側(cè)鏈R基的相互作用進一步盤曲或折迭而形成的特定構(gòu)象。也就是整條多肽鏈中所有原子或基團在三維空間的排布位置。,肌紅蛋白 (myoglobin, Mb)一條長為153個氨基酸的多肽鏈和一個血紅素輔基組成。共有8段??-螺旋結(jié)構(gòu)(A-H）功能: 儲存O2,蛋白質(zhì)三

19、級結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定主要靠次級鍵，包括氫鍵、鹽鍵、疏水鍵以及范德華力等。此外， 某些蛋白質(zhì)中二硫鍵也起著重要的作用。,二硫鍵,,,結(jié)構(gòu)域(domain):大分子蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，各自折疊得較為緊密，并且行使各自的功能。,,四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternary structure）,亞基(subunit)：由一條多肽鏈纏繞形成的具有獨立三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。,血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)示意圖,主要穩(wěn)定因素： 氫

20、鍵、離子鍵,由兩個或兩個以上亞基之間彼此以非共價鍵相互作用形成的更為復雜的空間構(gòu)象，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。,,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),按組成成分： 單純蛋白（僅含氨基酸） 結(jié)合蛋白（單純蛋白+輔基） 按形狀分： 球蛋白 纖維蛋白,,五、蛋白質(zhì)的分類,,,第三節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)一級結(jié)

21、構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，進而決定蛋白質(zhì)的生物學功能。,2. 相似的一級結(jié)構(gòu)有相同或相似的生物學功能,,B30,B30,B30,鐮刀狀紅細胞性貧血:β亞基N端的第6位氨基酸殘基發(fā)生了改變，Glu→Val,這種變異來源于基因上遺傳信息的突變。,正常 DNA ……TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ……ACA CCC GAA GAA AA

22、A HbA N端 Ser Pro Glu Glu Lys,異常 DNA ……TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ……ACA CCC GUA GAA AAA HbS N端 Ser Pro Val Glu Lys,,分子病：蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導致的疾病,3. 一級結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的改變影響其生物

23、學活性,,鐮刀型紅細胞,正常紅細胞,二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,肌紅蛋白（myoglobin,Mb）單體，153AA,血紅蛋白（hemoglobin , Hb）四聚體， α2β2 (α2γ2, α2ε2)α: 141AA, β(γ,ε): 146AA,Mb與Hb氧合曲線的比較,◆氧飽和度= ×100% ◆Mb與氧氣有著高度親和力，其曲線為雙曲線?！?與Mb相比， Hb

24、與氧氣的親和力較低。其曲線為S形曲線，表明Hb中各個亞基與氧氣的親和力不一致。 Hb中第一個亞基與氧氣結(jié)合后，將促進后續(xù)亞基與氧氣的結(jié)合。這是由Hb的變構(gòu)效應(yīng)導致的。其作用在于使Hb能夠更有效地運輸氧氣。,,MbO2,MbO2+Mb,,~1 mmHg,三，蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病,蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。,蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導致疾病的機理：有些蛋白

25、質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣沉淀的病理改變。,這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥（阿爾茲海默?。⒑嗤ｎD舞蹈病、瘋牛病等。,蛋白質(zhì)折疊病,瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的具有傳染性、遺傳性的神經(jīng)退行性病變。 正常PrP水溶性強、對蛋白酶敏感，含有多個α-螺旋，稱為PrPC。 PrPC通過某種機制可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrP(稱為Pr

26、PSC)。 PrPSC水溶性差、對蛋白酶耐受、熱穩(wěn)定、而且可以傳染給其他個體，并致使其他個體中正常的PrPC通過某種機制重新折疊成PrPSC。而PrPSC可以相互聚集，形成淀粉樣沉淀而致病。,瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變,蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的大分子化合物，其理化性質(zhì),一、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì),第四節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及其分離純化,一部分與氨基酸相似，如兩性電離及等電點、紫外吸收、呈色反應(yīng)等。,也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、膠體性質(zhì)、沉

27、淀、變性和凝固等。,蛋白質(zhì)的兩性電離及等電點,蛋白質(zhì)的等電點（pI）,在某一溶液中，蛋白質(zhì)所帶正負電荷相等，凈電荷為零時，此時該溶液的pH值即為該蛋白質(zhì)的等電點 (isoelectric point，pI )。,蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì),蛋白質(zhì)分子量頗大，可自一萬至百萬之巨，故其分子的大小已達到膠粒1～100nm范圍之內(nèi)。因此蛋白質(zhì)溶液具有膠體溶液的性質(zhì)。穩(wěn)定該親水膠體的因素是：,水化膜、顆粒表面電荷。,天然蛋白質(zhì)在某些物理或化學因素作用下，

28、其特定的空間結(jié)構(gòu)被破壞，從而導致理化性質(zhì)改變和生物學活性的喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性作用(denaturation)。變性主要是二硫鍵及非共價鍵的斷裂，并不涉及一級結(jié)構(gòu)氨基酸序列的改變。,蛋白質(zhì)的變性----吳憲最早提出,,溶解度降低、溶液的粘滯度增高、不容易結(jié)晶、易被酶消化。,蛋白質(zhì)的沉淀,蛋白質(zhì)變性后，疏水基團暴露，相互之間容易聚集而發(fā)生沉淀。值得注意的是，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。,引起蛋白質(zhì)變性的因素： 物理因素：

29、加熱、加壓、脫水、攪拌、振蕩、紫外線 照射、超聲波的作用等 化學因素：強酸、強堿、有機溶劑、尿素、重金屬鹽、 生物堿試劑、表面活性劑 (如SDS) 等,蛋白質(zhì)變性的應(yīng)用：利用：高溫、高壓滅菌利用：低溫保存酶、疫苗等，防止蛋白質(zhì)變性。,,變性并非是不可逆的變化，當變性程度較輕時，如去除變性因素，有的蛋白質(zhì)仍能恢復或部分恢復其原來的構(gòu)象及功能，變性的可逆變化稱為復性（ren

30、aturation）。,蛋白質(zhì)的吸收光譜及幾種呈色反應(yīng),蛋白質(zhì)的特征紫外吸收光波長—280nm （主要是Trp、Tyr的貢獻）,2. 呈色反應(yīng)——?？捎糜诘鞍踪|(zhì)定量,雙縮脲反應(yīng)(Biuret Reaction)兩個或兩個以上的肽鍵在堿性條件下與Cu2+反應(yīng)生成紫紅色物質(zhì)Folin-酚試劑反應(yīng)蛋白質(zhì)分子中的Tyr在堿性條件下與酚試劑生成藍色化合物茚三酮反應(yīng)蛋白質(zhì)分子中的游離氨基和羧基與茚三酮加熱生成藍紫色化合物,鹽析（s

31、alt precipitation）：中性鹽（硫酸銨等），分段鹽析有機試劑沉淀：乙醇、丙酮，低溫 免疫沉淀：抗原-抗體,電泳(electrophoresis) :pI分子量的大小,透析（dialysis）： 半透膜,層析（chromatography）：離子交換層析、親和層析、凝膠柱層析,離心、超速離心(ultracentrifugation)：沉降系數(shù)S,蛋白質(zhì)的分離和純化,鹽析,將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等中

32、性鹽加入蛋白質(zhì)溶液中，中和蛋白質(zhì)顆粒表面所帶的電荷，破壞其水化膜，導致蛋白質(zhì)在水溶液中的穩(wěn)定因素被去除而沉淀。,電泳,帶電荷的蛋白質(zhì)等質(zhì)點能夠在電場中向相反的方向泳動，稱為電泳。藉此可以使蛋白質(zhì)等得到分離。,透析技術(shù),層析chromatography 凝膠柱層析 離子交換層析 親和層析,超速離心,小結(jié),氨基酸的結(jié)構(gòu)通式氨基酸的分類氨基酸的連接方式蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)(1~4)、穩(wěn)定的作用鍵氨基酸和蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)