研究生入学考试动物生物化学蛋白质结构与功能.pptx

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1、 蛋白质在生命活动中的重要作用蛋白质在生命活动中的重要作用 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 多肽、蛋白质结构与功能的关系多肽、蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的物理化学性质和分离与鉴定蛋白质的物理化学性质和分离与鉴定本章主要内容本章主要内容第1页/共45页第一节第一节 蛋白质在生命活动中的作用蛋白质在生命活动中的作用一、蛋白质的生理作用一、蛋白质的生理作用 1 1、催化作用、催化作用 2 2、运输作用、运输作用 3 3、运动作用、运动作用 4 4、机械支持作用、机械支持作用 5 5、代谢调节、代谢调节 6 6、防御抑制、防御抑制 7 7、能量转换、能量转换 8

2、 8、基因表达与调控、基因表达与调控 9 9、维持组织的生长、更新和修补、维持组织的生长、更新和修补 第2页/共45页二、蛋白质的分类二、蛋白质的分类（一）按形状分（一）按形状分 纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：长轴是短轴的长轴是短轴的1010倍以上，多为结构倍以上，多为结构蛋白。如结缔组织中的胶原蛋白蛋白。如结缔组织中的胶原蛋白 球状蛋白质：球状蛋白质：近似球形或椭圆形，多数可溶于水，近似球形或椭圆形，多数可溶于水，许多具有生理活性的蛋白如酶、转运蛋白、蛋白类激素许多具有生理活性的蛋白如酶、转运蛋白、蛋白类激素及免疫球蛋白等。及免疫球蛋白等。（二）按结构和功能分（二）按结构和功能分 简单蛋白（简

3、单蛋白（simple proteinsimple protein）:仅有蛋白质组成的仅有蛋白质组成的结构结构 简单的蛋白质简单的蛋白质 结合蛋白（结合蛋白（conjugated proteinconjugated protein）:在蛋白质分子在蛋白质分子中除了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，中除了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，才能保证蛋白质的正常生物活性的蛋白质才能保证蛋白质的正常生物活性的蛋白质第3页/共45页分类分类溶解度溶解度实例实例可溶可溶不溶或沉淀不溶或沉淀清蛋白清蛋白(albumins)水、稀盐、稀酸、水、稀盐、稀酸、稀碱稀碱饱和硫酸铵饱和硫酸铵血清清蛋白、

4、卵清蛋白血清清蛋白、卵清蛋白球蛋白球蛋白（globulins）稀盐、稀酸、稀碱稀盐、稀酸、稀碱水、水、1/2饱和硫酸铵饱和硫酸铵血清清蛋白、溶菌酶血清清蛋白、溶菌酶谷蛋白谷蛋白(glutelins)稀酸、稀碱稀酸、稀碱水、稀盐水、稀盐麦谷蛋白麦谷蛋白醇溶蛋白醇溶蛋白(prolamines)70%90%乙醇乙醇水水小麦醇溶谷蛋白小麦醇溶谷蛋白组蛋白组蛋白(histones)水、稀酸水、稀酸氨水氨水富含富含Arg、Lys的碱性蛋白，与的碱性蛋白，与DNA结合结合精蛋白精蛋白(protamines)水、稀酸水、稀酸氨水氨水富含富含Arg、Lys，缺少，缺少Trp、Tyr，如鱼精蛋白，如鱼精蛋白硬蛋白

5、硬蛋白(scleroproteins)水、稀盐、稀酸、水、稀盐、稀酸、稀碱稀碱角蛋白、胶原蛋白角蛋白、胶原蛋白简单蛋白质简单蛋白质第4页/共45页分分 类类辅辅 基基实实 例例核蛋白类核蛋白类DNADNA或或RNARNA病毒、脱氧核糖蛋白病毒、脱氧核糖蛋白糖蛋白类糖蛋白类糖类糖类免疫球蛋白、血型糖蛋白免疫球蛋白、血型糖蛋白脂蛋白类脂蛋白类脂类脂类血细胞凝集素血细胞凝集素磷蛋白类磷蛋白类磷酸基磷酸基乳酪蛋白乳酪蛋白黄素蛋白黄素蛋白类类黄素腺嘌呤二核苷酸或黄素单核黄素腺嘌呤二核苷酸或黄素单核苷酸苷酸氨基酸氧化酶、琥珀酶脱氨酸氨基酸氧化酶、琥珀酶脱氨酸色蛋白类色蛋白类血红素或叶绿素血红素或叶绿素血红

6、蛋白、叶绿素蛋白血红蛋白、叶绿素蛋白金属蛋白金属蛋白金属离子，如金属离子，如:Fe:Fe、MoMo、CuCu、ZnZn等等固氮酶、铁氧还蛋白固氮酶、铁氧还蛋白结合蛋白结合蛋白第5页/共45页第二节第二节 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的基本结构单位和其它组分二、蛋白质的基本结构单位和其它组分三、氨基酸三、氨基酸 （一）氨基酸的基本结构和构型（一）氨基酸的基本结构和构型 （二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类 （三）稀有氨基酸（三）稀有氨基酸 （四）非蛋白质的氨基酸（四）非蛋白质的氨基酸 （五）氨基酸的主要理化性质（五）氨基酸的主要理化性质第6页

7、/共45页一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成所有蛋白质均含有所有蛋白质均含有 C:50-55%C:50-55%H:6.1-7.0%H:6.1-7.0%O:23%O:23%N:16%N:16%某些蛋白质含有某些蛋白质含有：S:0-3%S:0-3%P P个别蛋白质含有个别蛋白质含有：Zn,Fe,Cu Zn,Fe,Cu 等金属元素等金属元素第7页/共45页二、构成蛋白质的基本结构单位二、构成蛋白质的基本结构单位 -氨基酸（氨基酸（Amino Acid）（一）氨基酸的基本结构和构型（一）氨基酸的基本结构和构型 存在自然界氨基酸有存在自然界氨基酸有300种，组成动物体氨基酸有种，组成动物体氨基酸有

8、20种种 1、均为、均为-氨基酸（除脯氨酸）氨基酸（除脯氨酸）2、均为、均为L-氨基酸（除甘氨酸）氨基酸（除甘氨酸）L-氨基酸通式第8页/共45页（二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类按按R R侧链极性和电荷不同，分为四大类侧链极性和电荷不同，分为四大类 不带电荷极性氨基酸不带电荷极性氨基酸 ：Gly,Ser,Thr,Gly,Ser,Thr,Cys,Thr,Asn,GlnCys,Thr,Asn,Gln 带负电荷极性氨基酸带负电荷极性氨基酸 ：Asp,GluAsp,Glu 带正电荷极性氨基酸带正电荷极性氨基酸 ：His,Arg,LysHis,Arg,Lys 非极性氨基酸非极性氨基酸：Ala,Val

9、,Leu,Ile,Ala,Val,Leu,Ile,Pro,Phe,Trp,MetPro,Phe,Trp,Met（三）稀有氨基酸（三）稀有氨基酸第9页/共45页（2）组成蛋白质的）组成蛋白质的20种种氨基酸氨基酸第10页/共45页（四）氨基酸的主要理化性质（四）氨基酸的主要理化性质1 1 氨基酸的光吸收特征氨基酸的光吸收特征各种氨基酸在可见区都没有光吸各种氨基酸在可见区都没有光吸收收在紫外光区在紫外光区 最大吸收波长分别最大吸收波长分别色氨酸色氨酸 Trp、279酪氨酸酪氨酸 Tyr、278苯丙氨酸苯丙氨酸 phe、259nm第11页/共45页2.2.氨基酸的两性解离与等电点氨基酸的两性解离与等

10、电点氨基酸是两性电解质：氨基酸是两性电解质：氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化在两性离子中，氨基是以质子化(-NH(-NH3 3+)形式存在，羧基是形式存在，羧基是以离解状态以离解状态(-COO(-COO-)存在。存在。氨基酸是两性电解质氨基酸是两性电解质。氨基酸的等电点氨基酸的等电点（Isoelectric point,PI）：氨基酸所带净电荷氨基酸所带净电荷为零时溶液的为零时溶液的pHpH值值第12页/共45页第13页/共45页第

11、三节第三节 蛋白质的化学结构蛋白质的化学结构 一、肽键和肽一、肽键和肽 二、蛋白质的一级结构二、蛋白质的一级结构 三、蛋白质的高级结构三、蛋白质的高级结构 （一）肽单位（酰胺平面）（一）肽单位（酰胺平面）（二）非共价键（非共价相互作用力）（二）非共价键（非共价相互作用力）（三）二级结构（三）二级结构 （四）超二级结构（四）超二级结构 （五）结构域（五）结构域 （六）三级结构（六）三级结构 （七）四级结构（七）四级结构 第14页/共45页一、肽键（一、肽键（peptide bond）和肽）和肽（peptide）肽键肽键：蛋白质分子中，由前一个氨基酸的蛋白质分子中，由前一个氨基酸的-COOH和后一

12、个氨基酸的和后一个氨基酸的-NH2脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白质结构中的主价键。质结构中的主价键。肽肽：由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽）由肽键形成的化合物（二肽、三肽、寡肽）第15页/共45页多肽多肽（polypeptide）和多肽链和多肽链（polypeptide chain）在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为为氨基酸顺序氨基酸顺序在多肽链的一端含有一个游离的在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基，称为氨基端或氨基端或N-端端；在另一端含有一个游离的在另一端含有一个游离的-羧基

13、，称为羧基，称为羧基端或羧基端或C-端。端。多肽链上不完整的氨基酸，称为多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基氨基酸残基第16页/共45页二、蛋白质的一级结构二、蛋白质的一级结构（一）蛋白质的一级结构（一）蛋白质的一级结构（protein primary structure）蛋白质多肽链氨基酸的组成和排列顺序。又称蛋白质蛋白质多肽链氨基酸的组成和排列顺序。又称蛋白质的初级结构。的初级结构。（二）一级结构的表示（二）一级结构的表示氨基酸的顺序是从氨基酸的顺序是从N-N-端的氨基酸残基开始，以端的氨基酸残基开始，以C-C-端氨基酸残基为终点的端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：排列顺

14、序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-GlnSer-Val-Tyr-Asp-Gln第17页/共45页胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构第18页/共45页第四节第四节 蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次肽单位平面结构和二面角肽单位平面结构和二面角维持蛋白质分子构象的化学键维持蛋白质分子构象的化学键二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域结构域三级结构三级结构四级结构四级结构第19页/共45页一、蛋白质结构的层次一、蛋白质结构的层次结构极其复杂，具有明显的结构层次层次结构极其复杂，具有明显的结构层次层次 一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序）一级结构（

15、多肽链上的氨基酸排列顺序）二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构）二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构）超二级结构（二级结构单位的集合体）超二级结构（二级结构单位的集合体）结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域）结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域）三级结构（整个多肽链上所有原子的空间排布）三级结构（整个多肽链上所有原子的空间排布）四级结构（由球状亚基或分子缔和而成的集合体）四级结构（由球状亚基或分子缔和而成的集合体）第20页/共45页二、二、肽单位平面结构和二面角肽单位平面结构和二面角（一）肽单位平面结构的特征（一）肽单位平面结构的特征肽单位（肽单位（peptide unit）:肽链主链

16、上的重复结构。肽链主链上的重复结构。如如C-CO-NH-C，称为肽单位或肽单元。，称为肽单位或肽单元。第21页/共45页肽平面（肽平面（peptide plane）:肽链主链的肽键肽链主链的肽键C-N具有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连具有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽平面。平面称为肽平面。第22页/共45页（二）两面角（二）两面角（dihedral angle）在多肽链里，在多肽链里，CC碳原子刚好位于互相连接的两碳原子刚好位于互相连接的两个肽平面的交线上。个肽平面的交线上。CC碳原子上的碳原

17、子上的C-NC-N和和C-CC-C都是都是单键，可以绕键轴旋转，其中以单键，可以绕键轴旋转，其中以C-NC-N旋转的角度称为旋转的角度称为，而以，而以C-CC-C旋转的角度称为旋转的角度称为，这就是，这就是-碳原子上碳原子上的一对二面角。的一对二面角。第23页/共45页三、维持蛋白质分子构象的化学键三、维持蛋白质分子构象的化学键氢键（氢键（b b）离子键）离子键(a)(a)疏水作用力疏水作用力(c)(c)范德华引力范德华引力(d)(d)配位键、二硫键配位键、二硫键(e)(e)蛋白质分子构象主要靠非共价键维持蛋白质分子构象主要靠非共价键维持第24页/共45页四四 二级结构二级结构（seconda

18、ry structure）指指多多肽肽链链主主链链在在一一级级结结构构的的基基础础上上进进一一步步的的盘盘旋旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键氢键。二级结构的主要形式二级结构的主要形式 -螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、转角、-转角、无规卷曲转角、无规卷曲第25页/共45页1、-螺旋（螺旋（-helix)肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状，称为肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状，称为-螺螺旋。旋。第26页/共45页典型的典型的-螺旋的结构是螺旋的结构是：1）外观似棒状，肽链的主链绕）外观似棒状，肽链的主链绕C相继相继旋转一定角度，形

19、成紧密的螺旋，侧旋转一定角度，形成紧密的螺旋，侧链伸向外侧链伸向外侧2）每）每3.6个氨基酸残基上升一圈，每个个氨基酸残基上升一圈，每个氨基酸残基绕轴旋转氨基酸残基绕轴旋转1000，每圈使轴，每圈使轴上升上升0.54nm(0.15nm/氨基酸残基氨基酸残基)。这种典型的这种典型的-螺旋简写为螺旋简写为3.613。3）每一个氨基酸残基上的亚氨基氢）每一个氨基酸残基上的亚氨基氢（N-H）与前面第四个氨基酸残基上）与前面第四个氨基酸残基上的羰基氧的羰基氧(C=O)之间形成链内氢键。之间形成链内氢键。在氢键封闭的环内，有在氢键封闭的环内，有13个原子个原子-CO-N-C-C-3-NH-。4）大多数天然

20、蛋白质都是右手）大多数天然蛋白质都是右手-螺旋螺旋第27页/共45页2、-折叠（折叠（-sheet）多肽链中一段较伸展的周期性折叠的锯齿形的主链构象多肽链中一段较伸展的周期性折叠的锯齿形的主链构象-折叠有两种类型折叠有两种类型:即平行结构和反平行结构即平行结构和反平行结构.平行结构平行结构反平行结构反平行结构.第28页/共45页3、-转角转角(-turn)又又称称为为-回回折折、-弯弯曲曲或或发发卡卡结结构构是是多多肽肽链链1801800 0回回折折处处的的特特殊殊结结构构。在在-转转角角中中弯弯曲曲的的第第一一个个氨氨基基酸酸残残基基的的C=OC=O和和第第四四个个氨氨基基酸酸残残基基的的N

21、-HN-H之间形成一个氢键。之间形成一个氢键。第29页/共45页无规卷曲（无规卷曲（random coilrandom coil）指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。它指蛋白质的肽链中没有确定规律性的那部分肽段构象。它的结构比较松散。这种结构和的结构比较松散。这种结构和-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角比较起转角比较起来是不规则的，但对于一些蛋白质分子来讲，特定的无规卷曲构来是不规则的，但对于一些蛋白质分子来讲，特定的无规卷曲构象是不能被破坏的，否则就失去活性。象是不能被破坏的，否则就失去活性。-转角（转角（-turn angle-turn angle）也也存存在在于于蛋蛋白白质质

22、180180回回折折处处，是是由由3 3个个连连续续的的氨氨基基酸酸残残基基组组成成，第第一一个个和和第第三三个个残残基基之之间间形形成成两两个个氢氢键键以以维持其结构的稳定维持其结构的稳定第30页/共45页五、超二级结构五、超二级结构（super secondary structuresuper secondary structure）球状蛋白质分子中的一级结构顺序上相邻的二级球状蛋白质分子中的一级结构顺序上相邻的二级结构常常在三维折叠中相互靠近，彼此作用，在局部区结构常常在三维折叠中相互靠近，彼此作用，在局部区域形成规则的二级结构的聚合体。域形成规则的二级结构的聚合体。常见的超二级结构类型

23、常见的超二级结构类型第31页/共45页六、结构域六、结构域（domain）在较大的蛋白质分子里，多肽链的三维折叠常常形成两个或多个松散连接在较大的蛋白质分子里，多肽链的三维折叠常常形成两个或多个松散连接的近似球状的三维实体。这些实体就称为结构域。的近似球状的三维实体。这些实体就称为结构域。丙酮酸激酶的一个结构域丙酮酸激酶的一个结构域第32页/共45页七、三级结构七、三级结构蛋白质的三级结构（蛋白质的三级结构（tertiary structure）指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球

24、状结上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构构,或者说三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。或者说三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。维系三级结构的力有维系三级结构的力有 疏水作用力、氢键、范德华力、盐键疏水作用力、氢键、范德华力、盐键第33页/共45页八、四级结构八、四级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（quaternary structure）四四级级结结构构指指亚亚基基的的种种类类、数数目目及及各各个个亚亚基基在在寡寡聚聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。维系四级结构的力维系四级结构的力 疏水作用力、氢键、范德华力、盐键

25、（静电作用力）。疏水作用力、氢键、范德华力、盐键（静电作用力）。Hb（hemeglobin）的四级结构）的四级结构第34页/共45页第五节第五节 多肽、蛋白质结构与功能的关系多肽、蛋白质结构与功能的关系一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系-分子病分子病高级结构与功能的关系高级结构与功能的关系-变、复性理论变、复性理论 -变构理论变构理论第35页/共45页一、一级结构与功能的关系一、一级结构与功能的关系1 1、一级结构多肽链中个别氨基酸改变可能改变、一级结构多肽链中个别氨基酸改变可能改变功能功能Cys-Tyr-PhePhe-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly 加压素加压素SSCy

26、s-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly 催产素催产素SS2 2 2 2、关键肽端的改变导致功能改变、关键肽端的改变导致功能改变、关键肽端的改变导致功能改变、关键肽端的改变导致功能改变ACTH(促肾上腺皮质激素促肾上腺皮质激素)SYSMEHFRWGKPVGKKRRPVKVYPNGAEDELAEAFPLEF第36页/共45页3 3、一级结构反映物种的进化、一级结构反映物种的进化-分子进化分子进化细胞色素细胞色素C C的种属差异性（以人为标准）的种属差异性（以人为标准）物物 种种残基改残基改变数变数物物 种种残基改残基改变数变数黑猩猩黑猩猩0 0鸡、火鸡、火鸡鸡1313牛

27、羊猪牛羊猪1010昆虫昆虫2020马马1212酵母酵母4545第37页/共45页4 4 4 4、一级结构改变引起分子病、一级结构改变引起分子病、一级结构改变引起分子病、一级结构改变引起分子病 最早从分子水平证最早从分子水平证明的先天性遗传病明的先天性遗传病镰刀形红细胞贫血症。镰刀形红细胞贫血症。第38页/共45页二、高级结构与功能的关系二、高级结构与功能的关系蛋白质变性蛋白质变性（protein denaturation）物物理理的的和和化化学学的的因因素素使使天天然然蛋蛋白白质质失失去去原原有有的的理理化化性性质质和和生生物物学学活活性性的的作作用用。蛋蛋白白质质的的变变性性作作用用只只是是

28、三三维维构构象象的的改改变变，不不涉涉及及一一级级结结构构的的改改变变。包括包括可逆和不可逆变性。可逆和不可逆变性。变性蛋白的特征变性蛋白的特征：溶解度降低溶解度降低 黏度变化黏度变化 易被酶水解易被酶水解 凝固凝固 生物学活性丧失生物学活性丧失第39页/共45页牛胰牛胰牛胰牛胰RnaseRnaseRnaseRnase的可逆变性的可逆变性的可逆变性的可逆变性第40页/共45页蛋白质的复性蛋白质的复性（renaturation）变变性性了了的的蛋蛋白白质质在在一一定定的的条条件件下下可可以以重重键键其其天天然然构构象象，恢恢复复其其生生物物活性的现象。如牛胰活性的现象。如牛胰RNaseRNase

29、第41页/共45页二)蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能 变构作用变构作用（allosteric effect）是指对于多亚基的蛋白是指对于多亚基的蛋白质或酶，效应剂作用于某个亚基，引发其构象改变，质或酶，效应剂作用于某个亚基，引发其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，导致蛋白质或酶的生继而引起其他亚基构象的改变，导致蛋白质或酶的生物活性的变化。物活性的变化。这样的效应剂也称变构剂。这样的效应剂也称变构剂。血红蛋白中的血红蛋白中的4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改变，子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，改变了其他亚基与氧的结合这种变化在亚基之间传递，改变了其他亚基与氧的结合能力。能力。第42页/共45页氧合可以引发维系血红蛋白氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的个亚基的8对离子对离子键相继断开，从比较紧凑的键相继断开，从比较紧凑的T构象转变为比较构象转变为比较松弛的松弛的R构象构象第43页/共45页由两者的氧合动力学比较可见，血红蛋白输氧具有优势由两者的氧合动力学比较可见，血红蛋白输氧具有优势第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页