生物化学蛋白质的二级结构.ppt

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1、定义定义蛋白质的一级结构指多肽链中蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的氨基酸的排列顺序排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的化学键主要的化学键肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。蛋白质的二级结构肽平面肽键的特殊性质肽键有部分双键性质肽键有部分双键性质肽键由于肽键由于共振共振而具有而具有部分双键部分双键性质，因此，性质，因此，1)肽键比一般肽键比一般C-N键键短短，且不能自由旋转，且不能自由旋转2)肽键原子及相邻的肽键原子及相邻的 碳原子组成碳原子组成肽平面肽平面3)相邻的相邻的 碳原子呈碳原子呈反式反式构型构型肽键比一般肽键比一般肽键比一般肽键比一般C-

2、NC-N键短键短键短键短肽键为一平面肽键为一平面肽键为一平面肽键为一平面相邻的相邻的相邻的相邻的 碳原子呈反式构型碳原子呈反式构型碳原子呈反式构型碳原子呈反式构型参参参参与与与与肽肽肽肽键键键键的的的的6 6个个个个原原原原子子子子C C 1 1、C C、OO、N N、HH、C C 2 2位位位位于于于于同同同同一一一一平平平平面面面面，C C 1 1和和和和C C 2 2在在在在平平平平面面面面上上上上所所所所处处处处的的的的位位位位置置置置为为为为反反反反式式式式(trans)(trans)构构构构型型型型，此此此此同同同同一一一一平平平平面面面面上上上上的的的的6 6个个个个原原原原子子

3、子子构构构构成成成成了了了了所所所所谓谓谓谓的的的的肽肽肽肽平面平面平面平面 。由于空间位阻，由于空间位阻，此构象不能存在此构象不能存在。蛋白质的二级结构概念：蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链的的局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间位置间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象，并不涉及氨基酸残基侧链的构象.蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋螺旋螺旋 (-helix)-helix)-折叠折叠折叠折叠 (-pleated sheet)-pleated sheet)-转角转角转角转角 (-turn)-turn)无规

4、卷曲无规卷曲无规卷曲无规卷曲 (random coil)(random coil)（一）（一）-螺旋螺旋1951年提出年提出 -螺旋结构模型螺旋结构模型背景知识肽键具有部分双键性质。充分意识到氢键在蛋白质结构中的重要作用。X-射线晶体学研究表明组成头发和豪猪刺的蛋白质的空间结构里存在重复结构。特特征征：1 1、每每隔隔个个AAAA残残基基螺螺旋旋上上升升一一圈，螺距圈，螺距0.54nm;0.54nm;2、螺螺旋旋体体中中所所有有氨氨基基酸酸残残基基R侧侧链链都都伸伸向向外外侧侧，链链内内氢氢键键几几乎乎都都平平行行于螺旋轴于螺旋轴;3、每每个个氨氨基基酸酸残残基基的的N-H与与前前面面第第四四

5、个个氨氨基基酸酸残残基基的的C=0形形成成氢氢键键，肽肽链链上上所所有有的的肽肽键键都参与氢键的形成。都参与氢键的形成。C(NHCCO)3 NOHHR13 (ns)氨基酸序列对-螺旋结构结构的影响（二）（二）-折叠折叠两种-折叠方式反平行：反平行：肽链的肽链的N端不处于端不处于同一端，同一端，氢键与肽氢键与肽链走向垂链走向垂直。如：直。如：丝心蛋白。丝心蛋白。平行：所有肽平行：所有肽链的链的N端处于端处于同一端，氢键同一端，氢键不与肽链走向不与肽链走向垂直。如：垂直。如：-角蛋白。角蛋白。（三）（三）-转角转角特特征征：多多肽肽链链中中氨氨基基酸酸残残基基n n的的羰羰基基上上的的氧氧与与残残

6、基基（n+3n+3）的的氮氮原原上上的的氢氢之之间间形形成成氢氢键键，肽肽键键回回折折1801800 0。（四）无规则卷曲（四）无规则卷曲蛋白质的超二级结构 在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即相邻的二级结构单元（即螺旋、螺旋、折叠片和折叠片和转转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。件单元，称超二级结构。结构域结构域多肽链在超二级结构基础上进一步多肽链在超二级结

7、构基础上进一步绕曲折叠而成的相对独立的三维实绕曲折叠而成的相对独立的三维实体称结构域。体称结构域。甘油醛3-P脱氢酶结构域蛋白质的三级结构整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。抹香鲸肌红蛋白（抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构）的三级结构分子中多肽主链由分子中多肽主链由长短不等的长短不等的8段段直直的的螺旋螺旋组成组成最大的螺旋含最大的螺旋含23个个残基残基最短的最短的7个残基，个残基，分子中几乎分子中几乎80%的的氨基酸残基都处于氨基酸残基都处于螺旋区螺旋区中。中。拐弯是由拐弯是由18个残个残基组成的无规则卷基组成的无规则卷曲。曲。核糖核酸

8、酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心白质的活性中心 大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；而极性侧链在分子表面，形成亲水面。而极性侧链在分子表面，形成亲水面。蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。球状蛋白的三级的结构特征球状蛋白的三级的结构特征亚基之间的结合力主要是疏水相互作用。亚基之间的结合力主要是疏水相互作用。亚基之间的结合力主要是疏水相互作用。亚基之间的结合力主要是疏水相互

9、作用。蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的蛋白质的蛋白质的蛋白质的四级四级四级四级结构结构结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，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，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有

10、完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的质的质的质的亚基亚基亚基亚基 (subunit)(subunit)。血血红红蛋蛋白白的的四四级级结结构构 总结总结从一级结构到四级结构从一级结构到四级结构血红蛋白血红蛋白血红蛋白血红蛋白蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠曲与折叠曲与折叠曲与折叠PrimaryPrimarystructu

11、restructureSecondarySecondarystructurestructure蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构结构结构结构蛋白质的四级结构是亚基的空间排列蛋白质的四级结构是亚基的空间排列蛋白质的四级结构是亚基的空间排列蛋白质的四级结构是亚基的空间排列PolypeptidePolypeptide(single subunit(single subunitof transthyretin)of transthyretin)Transthyretin,with

12、fourTransthyretin,with fouridentical polypeptide subunitsidentical polypeptide subunitsTertiaryTertiarystructurestructureQuaternaryQuaternarystructurestructure蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein（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

13、核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 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，无活性当用当用透析透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原大部分活性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他的方法改变分子中二硫键的配对来状态。若用其他的方法改变分子中二硫键的配对方式，酶完全丧失活性。这个方式，酶完全丧失活性。这个实验表明，蛋白质的实验表明，蛋白质的一级结构决定它的空间结构，而特定的空间结构是一级结构决定它

14、的空间结构，而特定的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证。蛋白质具有生物活性的保证。镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病正常的红细胞（左图）与镰刀状红细胞（右图）的区别正常的红细胞（左图）与镰刀状红细胞（右图）的区别正常与异常的差异正常与异常的差异N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146)这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。一个残基的改变为什么会一个残基的改变为什么会带来如此大的变化呢？带来如此大的变

15、化呢？血红蛋白单个（血红蛋白单个（2个）氨基酸的改变影响功能：个）氨基酸的改变影响功能：l Hb S链第六位谷氨酸突变为缬氨酸。链第六位谷氨酸突变为缬氨酸。l 谷氨酸：亲水、带负电荷；缬氨酸：疏水、不带电谷氨酸：亲水、带负电荷；缬氨酸：疏水、不带电l Hb S分子表面分子表面多了一个疏水侧链多了一个疏水侧链l Hb S分子三维分子三维结构发生改变结构发生改变镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的l 由于伸出由于伸出Hb S分子表面的分子表面的缬氨酸侧链创造了一个缬氨酸侧链创造了一个“粘粘性性”的突起，因而一个的突起，因而一个Hb S分子的分子的“粘性粘

16、性”突起可以与突起可以与另一个另一个Hb S分子的互补口袋分子的互补口袋通过疏水作用结合，最终导通过疏水作用结合，最终导致致Hb S分子的聚集沉淀。分子的聚集沉淀。（脱氧（脱氧HB S）镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的l 由于伸出由于伸出Hb S分子表面的分子表面的缬氨酸侧链创造了一个缬氨酸侧链创造了一个“粘粘性性”的突起，因而一个的突起，因而一个Hb S分子的分子的“粘性粘性”突起可以与突起可以与另一个另一个Hb S分子的互补口袋分子的互补口袋通过疏水作用结合，最终导通过疏水作用结合，最终导致致Hb S分子的聚集沉淀。分子的聚集沉淀。（脱氧（脱

17、氧HB S）镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的蛋白质空间结构与功能的关系肌红蛋白血红素辅基血红素辅基His93自然状态下，二价铁极易被氧化为三价铁，自然状态下，二价铁极易被氧化为三价铁，为什么在肌红蛋白血红素辅基中的二价铁为什么在肌红蛋白血红素辅基中的二价铁和氧结合后却没变成三价铁？和氧结合后却没变成三价铁？自然状态下，血红素辅基和自然状态下，血红素辅基和CO的结合能力的结合能力是其和是其和O2结合的结合的20000倍，但是在肌红蛋白倍，但是在肌红蛋白中却只有中却只有200倍，为什么？倍，为什么？肌红蛋白肌红蛋白(Mb)的氧解离曲线的氧解离曲线血红

18、蛋白T态和R态T态（tense state）去氧血红蛋白的主要构象 R态（relaxed state）氧合血红蛋白的主要构象T态向R态转变因素当亚铁离子移动时，它同时拖动当亚铁离子移动时，它同时拖动His F8残残基，进一步导致蛋白质的构象发生改变。基，进一步导致蛋白质的构象发生改变。*变构效应变构效应(allosteric effect)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为力的现象，称为变构效应变构效应。像血红蛋白这种具有变构效应的蛋白质称为像血红蛋白这种

19、具有变构效应的蛋白质称为变构蛋白变构蛋白（allosteric protein）。）。变构效应变构效应(allosteric effect)变变构构效效应应：蛋蛋白白质质与与配配体体结结合合改改变变蛋蛋白白质质的构象，进而改变蛋白质生物学活性的现象。的构象，进而改变蛋白质生物学活性的现象。氧结合曲线肌肉肌肉蛋白质的理化性质与分离纯化蛋白质的理化性质与分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein（一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的两性电离 一、理化性质一、理化性质 蛋蛋白白质

20、质分分子子除除两两端端的的氨氨基基和和羧羧基基可可解解离离外外，氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链中中某某些些基基团团，在在一一定定的的溶溶液液pHpH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的等电点蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)当当蛋蛋白白质质溶溶液液处处于于某某一一pH时时，蛋蛋白白质质解解离离成成正正、负负离离子子的的趋趋势势相相等等，即即成成为为兼兼性性离离子子，净净电电荷为零，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。（二）、蛋白质胶体的性质 蛋白质溶液有许多高分子溶液的性质，蛋白质溶

21、液有许多高分子溶液的性质，如：如：扩散慢、易沉降、扩散慢、易沉降、粘度大、不能透过半透膜，粘度大、不能透过半透膜，在水溶液中可形成亲水的胶体。在水溶液中可形成亲水的胶体。蛋白质胶体溶液的稳定因素：蛋白质胶体溶液的稳定因素：水化水化膜、带电荷。当破坏这两个因素时，蛋白质中膜、带电荷。当破坏这两个因素时，蛋白质中从溶液中析出而产生沉淀。从溶液中析出而产生沉淀。（三）、蛋白质的变性作用(denaturation)1 1、蛋白质变性的概念：、蛋白质变性的概念：天然蛋白质受物理或化学因素天然蛋白质受物理或化学因素的影响后，使其失去原有的生物活性，并伴随着物理化的影响后，使其失去原有的生物活性，并伴随着物

22、理化学性质的改变，但并未导致其一级结构的变化，这种作学性质的改变，但并未导致其一级结构的变化，这种作用称为蛋白质的变性。用称为蛋白质的变性。2 2、使蛋白质变性的因素、使蛋白质变性的因素（1 1）物理因素：高温、高压、射线等）物理因素：高温、高压、射线等 （2 2）化学因素：强酸、强碱、重金属盐等）化学因素：强酸、强碱、重金属盐等3 3、变性的本质：、变性的本质：分子中各种次级键断裂，使其空间构象从紧密有分子中各种次级键断裂，使其空间构象从紧密有 序的状态变成松散无序的状态，一级结构不破坏。序的状态变成松散无序的状态，一级结构不破坏。4 4、蛋白质变性后的表现：、蛋白质变性后的表现：（1 1）

23、生物学活性消失）生物学活性消失（2 2）理化性质改变：溶解度下降，粘度增加，紫外）理化性质改变：溶解度下降，粘度增加，紫外吸收增加，侧链反应增强，对酶的作用敏感，易被水吸收增加，侧链反应增强，对酶的作用敏感，易被水解。解。（四）蛋白质的紫外吸收光谱 蛋蛋白白质质在在远远紫紫外外光光区区（200-230nm200-230nm）有有较较大大的的吸吸收收，在在280nm280nm有有一一特特征征吸吸收收峰峰，可可利利用用这这一一特特性性对对蛋蛋白白质质进进行行定性定量鉴定。定性定量鉴定。蛋白质质量浓度蛋白质质量浓度/（mg/ml）=1.55A1cm -0.76A1cm280 260测定范围：测定范围：（五）蛋白质的呈色反应（五）蛋白质的呈色反应茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。三酮反应。双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。但是双缩脲不与二肽反应。程度。但是双缩脲不与二肽反应。蛋白质纯化与鉴定的常用方法层析层析91939495