第一章-蛋白质结构基础

第一章蛋白质结构基础蛋白质Protein第一节前言1、元素的组成：C、H、O、N、S等，N的含量一般为16%凯氏定氮法测定蛋白质的含量：蛋白质含量=蛋白氮×6.25一、蛋白质的组成单位——氨基酸三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。俗称蜜胺、蛋白精化学结构R-CH(NH2)-COOH含有氨基的羧酸R代表氨基酸之间相异的部分，叫R基，又称为侧链。酪氨酸分子2、组成单位——氨基酸A、除脯氨酸外，其他均具有如下结构通式。COOHCHH2NR-氨基酸可变部分不变部分脯氨酸的侧链R-基与主链N原子共价结合，形成一个环状的亚氨基酸。CH2CH2CH2CHCOO-NH2+B、除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原子或手性中心，具有旋光性；C、除了甘氨酸外，其余具有光学异构体,从蛋白质水解得到的α--氨基酸均为L--型氨基酸CH2OHHHOHCOCCOCHHCH2OHOHCH3HH3N+-OOCCCCOHCH3O-NH3+L-甘油醛D-甘油醛L-丙氨酸D-丙氨酸沿H-Cα键观察，R-N-CO为顺时针方向为L型分子D、氨基酸的优势构象构象（conformation）是组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布。一种构象转变为另一种构象，不会有共价键的断裂与形成。“交错构象”（staggedconformation）是能量上最有利的排布。二、非蛋白质氨基酸（不是组成蛋白质的氨基酸）这些氨基酸不参与蛋白质的组成，大都是α—氨基酸的衍生，但有些是β、γ或δ—氨基酸；目前认为有些非蛋白质氨基酸是某些代谢过程的中间产物或重要代谢物的前体。如：瓜氨酸和鸟氨酸——精氨酸前体刀豆氨酸和5—羟基色氨酸——杀虫杀菌。多巴胺——神经递质氨基酸的旋光性除甘氨酸外，都具有旋光性。酪氨酸（Tyr、278nm）、色氨酸(Trp、279)和苯丙氨酸(Phe、259)能够吸收紫外光——共轭双键氨基酸的光吸收三、氨基酸的理化性质紫外吸收在中性pH值下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在280nm，而苯丙氨酸的在260nm处。大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中280nm吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。芳香族氨基酸的紫外吸收第二节肽（peptide)肽键(酰胺键)二肽1.成肽反应缩合H2NCR1HCOHOHNHCCOOHR2H+H2ONHCCOOHR2HH2NCR1HCO-肽键2、肽键3、氨基酸残基：肽链中的氨基酸由于参加肽链的形成，损失了α—NH2上的H和α—COOH上的—OH，称为氨基酸残基，——HN—CH—CO——R氨基酸之间脱水后形成的键为肽键，也为酰胺键一是肽链中的肽键—CO—NH—带有双键的性质。使主链上1/3的键不能旋转（链上1/3是C—N键）；二是还有很多R侧链，影响程度受R侧链基团的性质（大小、亲水性、电荷相吸和排斥）等。不是任意二面角（φ，ψ）所决定的肽链构象都是立体化学所允许的为研究方便，分四层次探讨一级结构二级结构三级结构四级结构第三节蛋白质的结构蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。12--20氨基酸残基的肽链称为寡肽＞20氨基酸残基的称为多肽一、一级结构（线性结构）蛋白质的一级结构(primarystructure)指它的蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序首N端（“H”）末C端（“OH”）其中的氨基酸称氨基酸残基—NH—CO—)R蛋白质的一级结构(Primarystructure)包括:多肽链的氨基酸顺序和数目，以及多肽链内或链间二硫键(disulfidebond)的数目和位置。两个半胱氨酸氧化可生成胱氨酸二硫键：由肽链中相应部位上两个半胱氨酸残基脱氢连接而成的+二硫键H2半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SCHNH2COOHCH2S由A（21个AA，11种），B（30AA，16种）组成，并通过Cys连结两对-S-S-；A链第6和11的Cys通过-S-S-连接成链内小环；我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。维持蛋白质一级结构的作用力是:答案：肽键、二硫键（都属于共价键）二、蛋白质的空间结构也叫三维构象，高级结构或立体结构定义：指蛋白质分子中所有原子在三维空间排列分布和肽链的走向。又称为蛋白质的构象。（一）二级结构(secondarystructure)蛋白质多肽链本身的折叠与盘绕方式,包括:α—螺旋、β—折叠片、β—转角、自由回转等。(a)理想的右α螺旋；(b)右α螺旋；(c)左α螺旋。天然蛋白质大部分为右手螺旋；1.α-螺旋(α-helix)O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—R氢键:由同一条肽链内每3个氨基酸残基的两个肽键衍生而来，即每个氨基酸残基的N－H与前面每隔3个氨基酸残基的C=O形成的。稳定α-螺旋的因素α-螺旋具有极性：所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向α-螺旋的中心没有空腔-helix不稳定的因素：R基团带同种电荷：pH=7时，多聚Lys或多聚Glu；R基团较大时造成空间位阻，如Ile；多肽链中有Pro或HO-Pro，α—helix中断，产生‘结节’kink它改变多肽链的方向，并终止螺旋。2.β-折叠(β-pleatedsheet)β-折叠是多肽链的折叠形式,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;肽链的主链呈锯齿状折叠构象;平行肽链间以氢键从侧面连接的构象。平行式反平行式3.β转角(β-turn)作用力——同样是肽键衍生来的氢键但由于只有这一个氢键，只形成β—转角结构。O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。α螺旋β折叠片β转角自由回转龙虾肽酶4.自由回转——没有一定规律的松散的肽链结构作用力弱维持蛋白质二级结构的作用力是？氢键纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白4、自由回转(randomcoil)(二）超二级结构和结构域超二级结构(supersecondarystructure)：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，在空间上能辨认的二级结构组合体，通常有βαβ，βββ，αα，ββ。结构域(domain)：是在超二级结构基础上进一步绕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。（三）三级结构（Tertiarystructure)定义：多肽链上的所有原子，包括主链和残基的侧链，在三维空间上的分布疏水键对维持蛋白质的三级结构起着重要的意义举例：鲸的肌红蛋白肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构亚铁血红素肌红蛋白的三级结构整个分子只有一条肽链组成的蛋白质必须具备三级结构才有生物活性，多肽蛋白中的每条肽链若单独存在，纵使具有三级结构也无生物活性，只有整个分子具有完整四级才有生物活性。三级结构:(四)四级结构（Quatermarystructre)1、定义：由两条或两条以上的具有三级结构的多肽链聚合而成特定构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为亚基，由亚基构成的蛋白质为寡聚蛋白。2、四级结构的内容：•亚基的数目——4条•种类——2种•亚基的立体分布——球形•亚基的相互作用——次级键血红蛋白亚基单独没有生物功能四亚基两两相同，分别称为α1、α2、β1、β2。血红蛋白四级结构每条链都以非共价键与一个血红素辅基相连卟啉铁三、维系蛋白质的结构的作用力一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键）二级结构：氢键（主链上—C=O—和N—H之间形成）三、四级结构：二硫键、次级键（氢键疏水键、疏水键、离子键、范得华力、配位键）键能肽键二硫键离子键氢键疏水键范德华力90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质高级结构中主要的作用力,原因何在?数量巨大第四节蛋白质分子结构与功能关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系（一）同源蛋白质：指不同的有机体中实现同一功能的蛋白质例如：胰岛素和细胞色素C蛋白质的进化构建系统进化树真菌两栖类植物哺乳动物鸟类昆虫爬行类细胞色素C的进化系统树（二）一级结构的变化引起功能的变化血红蛋白的一级结构变化而引起镰刀型贫血病镰刀状贫血病—血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息正常细胞镰刀形细胞它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。正常型---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β链谷氨酸镰刀型---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β链缬氨酸谷氨酸（极性）缬氨酸（非极性）由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失，导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。肌红蛋白血红蛋白α血红蛋白β氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似结构决定功能二、空间结构与功能的关系：（一）蛋白质执行其生物功能需要相应空间结构例如：核糖核酸酶功能恢复功能丧失天然构象无规线团8N尿素、巯基乙醇氧化、透析天然构象无规线团天然构象（二）变构效应（别构效应）外因通过改变蛋白质构象引起蛋白质功能变化的现象。例如：以血红蛋白的载氧气过程说明蛋白质构象发生变化与功能的关系。定义：蛋白质在表达功能的过程中构象发生变化的现象血中氧分子的运送：(R)relaxedstate（氧合血红蛋白）(T)tensestate（脱氧血红蛋白构象）Myoglobin(肌血球素)(R)relaxedstate(T)tensestate血中氧分子的运送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle静脉动脉环境氧高时Hb快速吸收氧分子环境氧低时Hb迅速释放氧分子释放氧分子后Hb变回Tstate任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力（三）蛋白质的变性-功能丧失1.定义：天然蛋白质因受到物理和化学的因素影响，使蛋白质严格的空间结构受到破坏，（但不包括肽键的裂解），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，这种现象称为蛋白质变性作用。变性的蛋白质恢复其天然活性的现象称为复性。2.变性的本质二、三、四级空间结构被破坏，变性因素破坏了维持蛋白质空间结构的各种次级键以及二硫键。但一级结构完好（一级结构破坏-降解）溶解度下降，蛋白质的组成成分和分子量不变3.变性蛋白的特征（1）生物活性的丧失——最主要标志（2）理化性质的改变：溶解度下降，易沉淀结晶能力丧失渗透压力、和扩散速度降低粘度、旋光性负值上升，等电点上升（3）生化性质的改变人头发的电子显微镜照片与模型烫发过程：1、加还原剂（巯基乙醇）打开二硫键。2、加氧化剂（双氧水）重新生成错位二硫键。第五节多肽链的折叠问题蛋白质在体内形成的两个阶段：遗传密码介导的氨基酸多肽链的合成多肽链折叠为有特定功能的蛋白质多肽链合成中遗传信息的表达步骤蛋白质的去折叠或变性NativestatefoldedDenaturedstateunfoldedunfoldingrefolding变性过程的两种不同理论高度协同的、爆炸式的发生1、两态模型牛胰核糖核酸酶的变性2、序变模型orDNAreplicationDNATranscriptionReverseTranscriptionTranslationRNARNAreplicationPolypeptide“Secondtranslation”Protein(active)关于蛋白质折叠的密码绝