绪论蛋白质结构与功能本科.pptx

第一章第一章 绪绪 论论2013级本科各专业第1页/共154页第2页/共154页第3页/共154页绪绪 论论生物化学的概念生物化学的概念生物化学的发展简史生物化学的发展简史生物化学的研究内容生物化学的研究内容生物化学与医学生物化学与医学生物化学的学习方法生物化学的学习方法第4页/共154页一、生物化学的概念什么是生物化学？什么是生物化学？生物生物有生命现象的物体有生命现象的物体 （新陈代谢、遗传（新陈代谢、遗传与繁殖等）与繁殖等）化学化学研究物质的组成、研究物质的组成、结构、性质、功能、结构、性质、功能、变化规律变化规律第5页/共154页什么是生物化学？什么是生物化学？生物化学（biochemistry）是研究生命化学的科学，它在分子水平上探讨生命现象的本质，即研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节，以及遗传信息传递的分子基础与调控规律。第6页/共154页 生生物物化化学学（Biochemistry）是是生生命命的的化化学学，研研究究生生物物体体（动动物物、植植物物、微微生生物物及人类及人类）的）的化学组成、化学反应及其变化规律化学组成、化学反应及其变化规律的科学，的科学，从从分分子子角角度度用用化化学学语语言言来来揭揭示示生生命命现现象象的本质的本质。人为什么要吃饭、要呼吸？什么食物有营养？抗生素为什么能抑制细菌？遗传的本质是什么？为什么不吃肥肉也会胖？生老病死的机制？第7页/共154页生生物物化化学学是是从从分分子子水水平平上上探探讨讨生生命命的的本本质质，即即研研究究生生物物体体的的分分子子结构与功能结构与功能、物质代谢与调节物质代谢与调节、及其、及其遗传信息传递的分子基础和调控规律遗传信息传递的分子基础和调控规律。生生物物化化学学已已成成为为生生命命科科学学的的共共同同语语言言，也是生命科学的也是生命科学的领头学科。领头学科。研研究究方方法法化化学学、物物理理、遗遗传传学学、细细胞胞生生物物学学、生生理理学学、免免疫疫学学、生生物信息学等物信息学等第8页/共154页二、生物化学研究的内容二、生物化学研究的内容第一部分第一部分 生物分子结构与功能生物分子结构与功能 人体是有生物人体是有生物分子按一定的布局和严格的规律组合而成。主要分子按一定的布局和严格的规律组合而成。主要研究生物大分子的组成、结构、功能及结构与功研究生物大分子的组成、结构、功能及结构与功能的关系（结构是功能的基础，功能是结构的体能的关系（结构是功能的基础，功能是结构的体现）现）第二部分第二部分 物质代谢、能量代谢及代谢调节物质代谢、能量代谢及代谢调节 生生物体的基本特征是新陈代谢，代谢停止，生命告物体的基本特征是新陈代谢，代谢停止，生命告终。终。第三部分第三部分 基因信息传递及调控基因信息传递及调控 基因信息传递基因信息传递不但与遗传、变异、生长、分化密切相关，也与不但与遗传、变异、生长、分化密切相关，也与遗传性疾病、恶性肿瘤、代谢异常性疾病、免疫遗传性疾病、恶性肿瘤、代谢异常性疾病、免疫缺陷性疾病、心血管疾病等发病机制有关。缺陷性疾病、心血管疾病等发病机制有关。第9页/共154页三、生物化学发展简史第一阶段第一阶段 静态生物化学阶段静态生物化学阶段 （18世纪中叶到世纪中叶到19世纪末）世纪末）也称叙述生物化学阶段。也称叙述生物化学阶段。v主要研究生物体的化学组成。主要研究生物体的化学组成。v糖类、脂类、氨基酸糖类、脂类、氨基酸研究比较彻底，发现了研究比较彻底，发现了核酸核酸；v酶学酶学研究得到了初步成果；研究得到了初步成果；v主要停留于对生物体化学主要停留于对生物体化学组成组成的研究。的研究。第10页/共154页第二阶段第二阶段 动态生物化学阶段动态生物化学阶段 （20世纪初世纪初1953年）年）v在在营营养养学学、内内分分泌泌学学、酶酶学学、物物质质代代谢谢等等方方面面取取得了很大进展；得了很大进展；v人人类类必必需需氨氨基基酸酸、必必需需脂脂肪肪酸酸、维维生生素素、多多种种激激素被发现；素被发现；v酶酶学学的的研研究究继继续续深深入入，进进一一步步证证明明酶酶的的化化学学本本质质是蛋白质是蛋白质；生物化学进入了蓬勃发展阶段。生物化学进入了蓬勃发展阶段。第11页/共154页v同位素示踪技术的发展，并应用于物质代谢的同位素示踪技术的发展，并应用于物质代谢的研究；研究；v糖糖代代谢谢途途径径、脂脂肪肪酸酸-氧氧化化、三三羧羧酸酸循循环环、尿尿素合成途径等基本确定。素合成途径等基本确定。这这这这个个个个阶阶阶阶段段段段，基基基基本本本本上上上上阐阐阐阐明明明明了了了了酶酶酶酶的的的的化化化化学学学学本本本本质质质质以及与能量代谢有关的物质代谢途径。以及与能量代谢有关的物质代谢途径。以及与能量代谢有关的物质代谢途径。以及与能量代谢有关的物质代谢途径。确定生物体的代谢途径：确定生物体的代谢途径：第12页/共154页第三阶段第三阶段 分子生物学阶段分子生物学阶段 （1953年至今）年至今）詹姆斯詹姆斯沃森（沃森（James D.Watson）1953年年 Watson（美）与（美）与 Crick（英）提出（英）提出DNA分子分子的双螺旋结构模型，的双螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。年共获诺贝尔奖。弗朗西斯弗朗西斯克里克（克里克（Francis H.Crick）第13页/共154页v19581958年，年，CrickCrick提出提出“中心法则中心法则”v1966年，年，Nirenberg&Khorana 破译了遗传密码破译了遗传密码v1973年年，Berg、Cohen等等建建立立了了DNA重重组组技技术术；促促进进对对基基因因表表达达调调控控机机制制的的研研究究，使使基基因因操操作作无无所所不不能能，获获得多种基因工程产品，推动了医药工业和农业的发展。得多种基因工程产品，推动了医药工业和农业的发展。v1990年，人类基因组研究计划启动；年，人类基因组研究计划启动；v2001 Venter（美）等报道完成了人类基因组草图测序。（美）等报道完成了人类基因组草图测序。v中心法则、遗传密码、复制机制中心法则、遗传密码、复制机制第14页/共154页四、生物化学与医学生物化学是生物学和医学各学科之间的共生物化学是生物学和医学各学科之间的共同语言，是联系各学科的桥梁，同语言，是联系各学科的桥梁，交叉学科交叉学科。生物化学有力地推动医学各学科的发展生物化学有力地推动医学各学科的发展 利用生化理论和技术，在疾病发生发展、诊断、预防、治疗方面取得了很大进利用生化理论和技术，在疾病发生发展、诊断、预防、治疗方面取得了很大进步。步。吸取各科之长，生物化学更具生命力吸取各科之长，生物化学更具生命力第16页/共154页五、生物化学的学习方法生物化学是医学生的必修课生物化学是医学生的必修课 学习生物化学，不仅能掌握关于生命学习生物化学，不仅能掌握关于生命现象本质的基本知识，还为学习其他医现象本质的基本知识，还为学习其他医学课程打下扎实的基础。学课程打下扎实的基础。一定要把生物化学学好！一定要把生物化学学好！第17页/共154页在理解的基础把握知识框架，抓住主线。在理解的基础把握知识框架，抓住主线。关注重点、善于比较、联系、总结。关注重点、善于比较、联系、总结。要要舍舍得得花花时时间间，适适当当做做些些习习题题巩巩固固学学过过的的知识。知识。重视重视实验课，理论联系实际。实验课，理论联系实际。生物化学课程特点：生物化学课程特点：学习方法：学习方法：第18页/共154页本书概要本书概要生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能物质代谢及其调节物质代谢及其调节分子生物学基础分子生物学基础专题篇专题篇蛋白质、核酸、酶蛋白质、核酸、酶糖代谢、脂类代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核苷糖代谢、脂类代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核苷酸代谢等酸代谢等复制、转录、翻译、基因表达调控、基因组、重复制、转录、翻译、基因表达调控、基因组、重组组DNA细胞信号转导、癌基因、细胞信号转导、癌基因、血液生化、肝生化血液生化、肝生化、维、维生素与微量元素、生素与微量元素、常用分子生物学技术常用分子生物学技术等等第19页/共154页参考文献 1.王镜岩等，生物化学 第三版，北京：高等教育出版社 2.张乃蘅等，生物化学，第二版，北京：北京医科大学出版社3.徐晓利等，医用生物化学，北京：人民卫生出版社4.药利波等，医学分子生物学，第二版，北京：人民卫生出版社5.Meisenberg G et al.Principles of Medical Biochemistry,St.Louis:Mosby Inc,19986.Berg JM et al.Biochemistry.5th ed.New Yok:W.H.Freeman and Company,2002第20页/共154页蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第第 一一 章章Structure and Function of Protein授课人：王俐授课人：王俐(教授教授)E-mail：3029127 生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室第21页/共154页主要内容概述蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质与分离纯化蛋白质的结构分析第22页/共154页概概 述述第23页/共154页蛋白质（protein）是是由由许许多多氨氨基基酸酸(amino acids)通通过过肽肽键键(peptide bond)相相连连形形成成的的高高分分子子含含氮氮化化合合物物,是生命的物质基础。Whats Protein?第24页/共154页二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物蛋白质是生物 体重要组成成分体重要组成成分分分布布广广：所所有有器器官官、组组织织都都含含有有蛋蛋白白质质；细细胞的各个部分都含有蛋白质。胞的各个部分都含有蛋白质。含含量量高高：蛋蛋白白质质是是细细胞胞内内最最丰丰富富的的有有机机分分子子，占占人人体体干干重重的的45，某某些些组组织织含含量量更更高高，例例如如脾脾、肺及横纹肌等高达肺及横纹肌等高达80。“没有蛋白质就没有生命没有蛋白质就没有生命”第25页/共154页2、蛋白质的生物学功能、蛋白质的生物学功能 催化功能催化功能 酶酶 运输功能运输功能 血红蛋白血红蛋白 运动功能运动功能 肌球蛋白和肌动蛋白肌球蛋白和肌动蛋白 防御功能防御功能 免疫球蛋白免疫球蛋白 调节功能调节功能 代谢调控、基因表达调控代谢调控、基因表达调控 信息传递功能信息传递功能 激素激素 机械支持与保护功能机械支持与保护功能 肌腱、韧带、头发、肌腱、韧带、头发、指甲、皮肤等指甲、皮肤等血液凝固血液凝固 供能供能 第26页/共154页蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 组组 成成The Molecular Component of Protein第第 一一 节节第27页/共154页一、蛋白质的元素组成主要有主要有C、H、O、N和和S。有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量磷磷或金属元素或金属元素铁、铁、铜、锌、锰、钴、钼铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘。第28页/共154页 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由由于于体体内内的的含含氮氮物物质质以以蛋蛋白白质质为为主主，因因此此，只只要要测测定定生生物物样样品品中中的的含含氮氮量量，就就可可以以根根据据以以下公式推算出蛋白质的大致含量：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%蛋白质元素组成的特点第29页/共154页二、氨基酸（amino acidamino acid）组成蛋白质的基本单位存存在在自自然然界界中中的的氨氨基基酸酸有有300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸有有20种种，且且均均属属 L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。第30页/共154页H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式R（一）氨基酸的结构通式（一）氨基酸的结构通式第31页/共154页-氨基酸的立体异构体氨基酸的立体异构体第32页/共154页非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸(水溶性小于水溶性小于极性中性氨极性中性氨基酸基酸)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(苯基的疏水性较强苯基的疏水性较强)酸性氨基酸酸性氨基酸(侧链含羧基侧链含羧基)碱性氨基酸碱性氨基酸(侧链含侧链含氨基、胍基、咪唑基氨基、胍基、咪唑基)（二）氨基酸（二）氨基酸可根据侧链结构和理化性可根据侧链结构和理化性质进行分类质进行分类第33页/共154页(一一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸氨基酸第34页/共154页(二二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸中性氨基酸第35页/共154页(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第36页/共154页天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.59(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸目目 录录第37页/共154页（三）特殊氨基酸（三）特殊氨基酸1.1.基本氨基酸基本氨基酸除除2020种基本氨基酸外，机体还有多种特殊氨基酸，种基本氨基酸外，机体还有多种特殊氨基酸，发挥不同的功能。发挥不同的功能。硒半胱氨酸硒半胱氨酸和和吡咯赖氨酸吡咯赖氨酸 此两种氨基酸是近年此两种氨基酸是近年发现的机体内组成蛋白质的第发现的机体内组成蛋白质的第2121种和第种和第2222种基本种基本氨基酸。即氨基酸。即19861986年发现了第年发现了第2121种硒半胱氨酸，种硒半胱氨酸，20022002年发现了第年发现了第2222种吡咯赖氨酸种吡咯赖氨酸.但目前发现这两但目前发现这两种氨基酸存在的范围有限，有关其分类、理化性种氨基酸存在的范围有限，有关其分类、理化性质、合成方式等尚待进一步研究确定。质、合成方式等尚待进一步研究确定。第38页/共154页（三）特殊氨基酸甘氨酸：甘氨酸：R R基为基为H H。脯氨酸：脯氨酸：亚氨基酸，氨基含有一个氢原子，亚氨基酸，氨基含有一个氢原子，形成肽键后无氢原子而引起折叠。形成肽键后无氢原子而引起折叠。含羟基氨基酸：含羟基氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸。丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸。含硫氨基酸：含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）。半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）。半胱氨酸：半胱氨酸：含含-SH-SH，具有还原性，两个，具有还原性，两个-SH-SH靠近，靠近，失去氢原子，形成胱氨酸。失去氢原子，形成胱氨酸。第39页/共154页几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）第40页/共154页 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH第41页/共154页（三）特殊氨基酸（三）特殊氨基酸2.2.非基本氨基酸非基本氨基酸除上述直接由除上述直接由遗传密码编码的遗传密码编码的基本氨基酸外，机体还有多种非基本氨基酸，主要是蛋白基本氨基酸外，机体还有多种非基本氨基酸，主要是蛋白质分子中的氨基酸衍生物，如羟脯氨酸、羟基谷氨酸、羧基谷氨酸、磷酸丝氨酸、乙酰赖氨酸等，这些氨质分子中的氨基酸衍生物，如羟脯氨酸、羟基谷氨酸、羧基谷氨酸、磷酸丝氨酸、乙酰赖氨酸等，这些氨基酸一般是基酸一般是肽链合成后肽链合成后通过对基本氨基酸残基通过对基本氨基酸残基专一修饰专一修饰而成。而成。第42页/共154页 （四）氨基酸的理化性质（四）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程取决于所处氨基酸是两性电解质，其解离程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)在在某某一一pH的的溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼性离子，呈电中性。此时溶液的兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。第43页/共154页 两性解离及等电点的本质：两性解离及等电点的本质：氨基酸分子是一种两性电解质，既可以在酸性溶液中结合氨基酸分子是一种两性电解质，既可以在酸性溶液中结合H而带正电荷（而带正电荷（-NH2 H-NH3），也可在碱性溶液中失去），也可在碱性溶液中失去H带负电荷。（带负电荷。（-COOH -COO）。）。氨基酸的解离方式取决于溶液的酸碱度和自身的等电点。氨基酸的解离方式取决于溶液的酸碱度和自身的等电点。第44页/共154页pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子第45页/共154页含含有有共共轭轭双双键键的的色色氨氨酸酸、酪酪氨氨酸酸、苯苯丙丙氨氨酸酸对对紫紫外外光光有有较较强强的的光光吸吸收收。其其吸吸收收峰峰在在280nm280nm左左右右，以以色氨酸色氨酸吸收最强。吸收最强。大多数蛋白质含有大多数蛋白质含有色氨酸和酪氨酸色氨酸和酪氨酸残基，可利用残基，可利用此性质采用紫外分光光度法测定蛋白质的含量。此性质采用紫外分光光度法测定蛋白质的含量。2紫外吸收性质：紫外吸收性质：第46页/共154页3茚三酮反应：还原茚三酮还原茚三酮蓝紫色蓝紫色氨基酸与茚三酮反应，最终产生氨基酸与茚三酮反应，最终产生蓝紫色蓝紫色化合化合物，其最大吸收峰在物，其最大吸收峰在570nm570nm。可利用此性质测。可利用此性质测定氨基酸的含量。定氨基酸的含量。第47页/共154页三、肽键、肽和多肽链*肽肽键键(peptide bond)是是由由一一个个氨氨基基酸酸的的-羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的-氨氨基基脱脱水缩合而形成的化学键。水缩合而形成的化学键。（一）（一）肽键肽键(peptide bond)及氨基酸的成肽反应及氨基酸的成肽反应第48页/共154页+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键第49页/共154页*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨基酸缩合则，三分子氨基酸缩合则形成形成三肽三肽*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团残缺，称肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团残缺，称为为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。*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多肽肽(polypeptide)。（二）（二）肽肽(peptide)第50页/共154页肽肽链链中中的的氨氨基基酸酸分分子子因因为为脱脱水水缩缩合合而而基基团团残残缺，被称为缺，被称为氨基酸残基。氨基酸残基。多肽链有两个末端（特殊氨基酸残基）：多肽链有两个末端（特殊氨基酸残基）：氨基端：多肽链中有氨基端：多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端 羧基端：多肽链中有羧基端：多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端多肽链的表示方法：从氨基端开始到羧基端多肽链的表示方法：从氨基端开始到羧基端H2N-GIVEQCCTSICSLYQLENYCN-COOH第51页/共154页N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶第52页/共154页（三）（三）几种生物活性肽几种生物活性肽 1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)第54页/共154页 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH第55页/共154页参与氧化还原反应：保护巯基酶的活性，使其活性基团-SH维持还原状态；解毒作用：嗜核特性与与外源的嗜电子毒物或药物结合，阻断这些毒物与DNA、RNA或蛋白质的结合，消除其毒性作用；维持红细胞膜的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。谷胱甘肽的生理功能：谷胱甘肽的生理功能：第56页/共154页GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+第57页/共154页2.多肽类激素：多肽类激素：体内许多激素属寡肽或体内许多激素属寡肽或多肽多肽体内常见的一些肽类激素如催产素、加压素；抗生素肽类如短杆菌肽S、短杆菌肽A、缬氨霉素、博来霉素等。此外，通过重组DNA技术还可得到肽类药物、疫苗等。第58页/共154页 神经肽神经肽(neuropeptide)(neuropeptide)：神经传导过：神经传导过程中起信号转导作用。如：脑啡肽、内程中起信号转导作用。如：脑啡肽、内啡肽、强啡肽、孤啡肽等，与中枢神经啡肽、强啡肽、孤啡肽等，与中枢神经产生痛觉抑制有关。产生痛觉抑制有关。3 3.神经肽神经肽第59页/共154页小小 结结 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成 前言前言蛋白质的定义、重要性蛋白质的定义、重要性 元素组成、分子组成元素组成、分子组成(20(20种基本氨基酸种基本氨基酸)、理化性质理化性质(两性解离、两性解离、pIpI、紫外吸收、茚三酮反应、紫外吸收、茚三酮反应)肽键、生物活性肽、分类肽键、生物活性肽、分类 第62页/共154页蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 结结 构构The Molecular Structure of Protein 第第 二二 节节第63页/共154页蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括 一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)高级结构高级结构第64页/共154页第三节第三节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构基本结构基本结构空间结构空间结构一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构（19521952年年年年Linderstrom-LangLinderstrom-Lang建议将蛋白质结构分为建议将蛋白质结构分为建议将蛋白质结构分为建议将蛋白质结构分为4 4个层次）个层次）个层次）个层次）第65页/共154页一、蛋白质分子的一级结构一、蛋白质分子的一级结构定义：蛋白质分子中从氨基端至羧基端的氨基酸排列顺序主要化学键：肽键、部分二硫键意义：是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。一级结构变化会引起空间结构和生物学功能的改变一级结构变化会引起空间结构和生物学功能的改变第66页/共154页一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。功能的基础。目目 录录第67页/共154页定义：指蛋白质多肽链在一级结构基础上折叠、定义：指蛋白质多肽链在一级结构基础上折叠、盘曲成特定的空间结构。盘曲成特定的空间结构。蛋白质特定的空间构象是生物学功能的基础蛋白质特定的空间构象是生物学功能的基础二、蛋白质分子的空间结构二、蛋白质分子的空间结构第68页/共154页蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构定义：蛋白质分子中定义：蛋白质分子中某一段肽链某一段肽链的局部结的局部结构，即该段肽链构，即该段肽链主链骨架原子主链骨架原子的相对空间的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构的形式二级结构的形式 螺旋、螺旋、折叠、折叠、转角、无规卷曲转角、无规卷曲主要的化学键主要的化学键 氢键氢键第69页/共154页（一）（一）肽单元肽单元肽单元肽单元参参与与肽肽键键的的4个个原原子子（C、O、N、H）与与相相邻邻的的 C 1、C 2位位于于同同一一刚刚性性平平面面，构构成成了了一一个个肽肽单元单元(peptide unit)。第71页/共154页肽单元的特点肽键（-CO-NH-）中的四个原子和与之相邻的两个-碳原子（C）位于同一刚性平面，构成一个肽单元。肽键上-NH-的H与-C=O上的O，它们的方向几乎总是相反。肽单元中的C-N不能自由旋转，它们有部分双键的性质。第72页/共154页肽单元肽单元参参与与肽肽键键的的6个个原原子子C 1、C、O、N、H、C 2位位于于同同一一平平面面，C 1和和C 2在在平平面面上上所所处处的的位位置置为为反反式式(trans)构构型型，此此同同一一平平面面上上的的6个个原原子子构构成成了了所所谓谓的的肽单元肽单元(peptide unit)。第73页/共154页第74页/共154页 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -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)第75页/共154页（二）（二）-螺旋螺旋目目 录录第76页/共154页-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象。螺旋以氢键维系，即第一个肽平面羰基上的氧与第四个肽平面亚氨基上的氢形成氢键，氢键的方向与与螺旋轴基本平行。多为右手螺旋。螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm。-螺旋的结构特征螺旋的结构特征第77页/共154页（三）（三）-折叠折叠第78页/共154页-折叠（-pleated sheet）反反平平行行第79页/共154页-折叠的顺平行式与反平行式排列折叠的顺平行式与反平行式排列0.70nm0.65nm第80页/共154页多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状结构，侧链R R基交错位于锯齿状结构的上下方。两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，它们之间靠肽键羰基氧和亚氨基氢形成链间氢键维系，氢键的方向与-折叠的长轴垂直。若两条肽链走向相同即均从N N端指向C C端，称顺向平行折叠；平行链的间距为0.65nm0.65nm。反之，若两条肽链走向相反，即一条从N N端指向C C端，另一条从C C端指向N N端，称反向平行折叠，链的间距平行链的间距为0.70nm0.70nm。-折叠的结构特征折叠的结构特征第81页/共154页（四）（四）-转角转角-转角转角第82页/共154页 -转角（-turn）是一种非重复二级结构第83页/共154页-转角（-turn）是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：主链骨架本身以大约180回折;回折部分通常由四个氨基酸残基构成；脯氨酸和甘氨酸经常在转角中存在 构象依靠第一残基的-CO基的O与第四残基-NH基的H之间形成氢键来维系。-转角的结构特征转角的结构特征第84页/共154页 无规卷曲 是另一种非重复二级结构无规卷曲无规卷曲是用来描述是用来描述没有确定规律性没有确定规律性的那的那部分肽链结构。部分肽链结构。在球蛋白中，含有在球蛋白中，含有大量的不规则的卷曲大量的不规则的卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。第85页/共154页核糖核酸酶分子中的二级结构核糖核酸酶分子中的二级结构-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲第86页/共154页超二级结构、结构域、模体 超二级结构：蛋白质分子中两个或两个以上的二级结构单元在空间上接近形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构。形式：、等模体是具有特定功能的超二级结构。如亮氨酸拉链和锌指结构。第87页/共154页（五）模体（五）模体是具有特殊功能的超二级结构是具有特殊功能的超二级结构 二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，并具有特殊功能的超二级结构称为构象，并具有特殊功能的超二级结构称为模体模体(motif)(motif)。第88页/共154页钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构-螺旋螺旋-转角（或转角（或环）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n模体常见的形式模体常见的形式第89页/共154页（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋螺旋或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。第90页/共154页三、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指一条多肽链中所有原子的空间排布（包含主链和侧链），也就是一条多肽链的完整三维结构。主要的化学键 二硫键、氢键、离子键、疏水键、范德华力等通常亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部。第91页/共154页目目 录录第92页/共154页 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端第93页/共154页纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 （二）结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域行使其功能，称为结构域(domain)。它是三级它是三级结构层次上的局部折叠。结构层次上的局部折叠。第94页/共154页结构域结构域随着对蛋白质空间结构研究的深入，在二级结构和三随着对蛋白质空间结构研究的深入，在二级结构和三级结构之间还可以进一步细分为超二级结构和结构域。级结构之间还可以进一步细分为超二级结构和结构域。例如：例如：3-磷酸甘油醛脱氢酶，含两个亚基，每个亚磷酸甘油醛脱氢酶，含两个亚基，每个亚基有两个结构域，分别是基有两个结构域，分别是NAD+结合结构域和底物结结合结构域和底物结合结构域。合结构域。第95页/共154页（三）分子伴侣（三）分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。*分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。使肽链正确折叠。*分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。后，再诱导其正确折叠。*分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。第96页/共154页四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白蛋白质的亚基（质的亚基（subunit）。蛋白质分子中各蛋白质分子中各亚基的空间排布亚基的空间排布及及接触部位接触部位的布局和相互作用的布局和相互作用，称为，称为蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构。亚基可相同，也可不同；单独一个亚基一般亚基可相同，也可不同；单独一个亚基一般没有生物活性。没有生物活性。化学键：非共价键（氢键、离子键）化学键：非共价键（氢键、离子键）第97页/共154页由由2个个亚亚基基组组成成的的蛋蛋白白质质四四级级结结构构中中，若若亚亚基基分分子子结结构构相相同同，称称之之为为同同二二聚聚体体(homodimer)，若若亚亚基基分分子结构不同，则称之为子结构不同，则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。血红蛋白的血红蛋白的四级结构四级结构第98页/共154页小小 结结 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构一级结构：肽键，二硫键一级结构：肽键，二硫键 二级结构：氢键二级结构：氢键肽单元和模体肽单元和模体 三级结构：疏水作用、离子键、氢键和范德华力三级结构：疏水作用、离子键、氢键和范德华力结构域、分子伴侣结构域、分子伴侣亚基亚基 四级结构：氢键和离子键，疏水键四级结构：氢键和离子键，疏水键 第99页/共154页第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 一级结构是高级结构与功能的基础一级结构是高级结构与功能的基础 蛋白质的功能依赖特定的空间结构蛋白质的功能依赖特定的空间结构第100页/共154页（一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键第101页/共154页一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构是空间结构的基础蛋白质一级结构是空间结构的基础核糖核酸酶的变性和复性核糖核酸酶的变性和复性（Anfinsen的实验）的实验）天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇第102页/共154页（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla第103页/共154页(三三)氨基酸序列提供重要的生物进化信息氨基酸序列提供重要的生物进化信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。了解物种进化间的关系。第104页/共154页（四）蛋白质重要的氨基酸序列发生改变可引起疾病（四）蛋白质重要的氨基酸序列发生改变可引起疾病镰状红细胞贫血镰状红细胞贫血第106页/共154页镰状红细胞贫血患者的血红蛋白（用患者的血红蛋白（用Hb-S 表示）与正常人的表示）与正常人的血红蛋白（血红蛋白（用用Hb-A 表示）相比，只有表示）相比，只有1个氨基个氨基酸的差异（酸的差异（-链的第六位）。链的第六位）。Hb-A缬缬-组组-亮亮-苏苏-脯脯-谷谷-谷谷-赖赖-Hb-S缬缬-组组-亮亮-苏苏-脯脯-缬缬-谷谷-赖赖-1 2 3 4 5 6 7 8 疏水性侧链的缬氨酸取代亲水性谷氨酸，亚基易于聚合，疏水性侧链的缬氨酸取代亲水性谷氨酸，亚基易于聚合，红细胞形态改变，较脆，易于破裂，导致贫血。这种由蛋白红细胞形态改变，较脆，易于破裂，导致贫血。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病分子病”。第107页/共154页二、蛋白质空间构象与功能的关系二、蛋白质空间构象与功能的关系蛋白质的功能依赖特定的空间构象。蛋白质的功能依赖特定的空间构象。血红蛋白、肌红蛋白、血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素均以血红素细胞色素均以血红素为辅基与氧可逆结合，为辅基与氧可逆结合，具有相似的构象变化。具有相似的构象变化。F8E7EE第108页/共154页 （1）153Aa；（2）含）含1个血红素；个血红素；（3）8个个螺旋螺旋 （占（占85）；）；肌红蛋白和血红蛋白具有相似的空间结构肌红蛋白和血红蛋白具有相似的空间结构二、蛋白质空间构象与功能的关系二、蛋白质空间构象与功能的关系肌红蛋白的三级结构：肌红蛋白的三级结构：第109页/共154页 成年人的血红蛋白（成年人的血红蛋白（Hb）是一个由）是一个由两个两个亚基亚基和和两个两个亚基亚基亚基组成的亚基组成的四聚体四聚体。每个。每个亚基是由亚基是由141个氨基酸残个氨基酸残基组成，而每个基组成，而每个亚基有亚基有146个