蛋白质结构与功能

第二讲蛋白质的结构和功能（一）按预期的结构和功能基因修饰或基因合成定向改造蛋白质设计、构建新型蛋白质结构与功能关系三维结构基础符合需要性能优良功能强大蛋白质工程天然蛋白质新型蛋白质蓝图没有蛋白质就没有生命新陈代谢、生长繁殖（生老病死）造福人类第一节蛋白质组成和基本结构•蛋白质：α-氨基酸按一定顺序以肽键链接形成的、具有一定空间结构、执行生物功能的高分子化合物或生物大分子。天然20种L型α-氨基酸是生命活动的重要的物质基础。•功能：结构与支架，运动，防御和保护，催化，调节，运输，信息传递等•蛋白质类别（性状、结构和溶解度）纤维状蛋白质：胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝蛋白、血纤蛋白等球状蛋白质：大多数蛋白膜蛋白质：跨膜蛋白、膜内蛋白、锚定蛋白等•蛋白质多样性：组成、多层次结构和结构单元、空间结构（复杂性和多样性）•结构多样性是功能多样性基础揭示蛋白质机构和功能关系蛋白质的应用纺织：洗涤酶制剂：蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶过氧化物酶食品：（焙烤酶制剂，增加面包体积改善面团性质和瓤结构）酿酒：饲料：造纸：医药：农业：聚γ-谷基酸：生物可降解塑料和水凝胶、防冻剂、絮凝剂、重金属吸附剂、饲料添加剂、骨质疏松预防药物、医用生物粘合剂、酶固定剂聚天冬氨酸：冷却水处理系统的水垢处理剂、环境温和的去垢剂、金属抗腐蚀剂、矿浆液化剂、皮革鞣制剂、化妆品添加剂。人工合成，已经大规模生产元素比例（%）C50~55H6~7O19~24N13~19（16）S0~4P、Fe、Zn、Cu、B、Mn、Co、Mo*样品中蛋白质含量估算=样品中含氮量×6.25一、蛋白质的分子组成1、蛋白质元素组成2、蛋白质的基本单位—α-氨基酸氨基酸构成蛋白质分子的基本化学单位常见20种L-α-AACOOHCHH2NR氨基酸机构通式1、氨基酸：天然氨基酸（蛋白质）、非天然氨基酸2、组成蛋白质氨基酸20种氨基酸名称及简写符号（三字母和单字母）3、基本结构非极性中性氨基酸：R基团不带电荷或极性极微弱疏水性甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。极性中性氨基酸：R基团极性亲水，但不解离或极弱解离丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天门冬酰胺。（羟基和酰胺基）酸性氨基酸：R基团极性且解离，在中性溶液中酸性，带负电荷，亲水性强。天门冬氨酸、谷氨酸。（羧基）碱性氨基酸：R基团极性解离，在中性溶液中显碱性，带正电荷，亲水性强。组氨酸、赖氨酸、精氨酸。（氨基或亚氨基）分类（按R侧链结构）丙氨酸Ala蛋氨酸Met脯氨酸Pro缬氨酸Val亮氨酸Leu异亮氨酸Ile苯丙氨酸Phe甘氨酸Gly色氨酸Trp丝氨酸Ser组氨酸His半胱氨酸Cys苏氨酸Thr天冬酰胺Asn谷胺酰胺Gln酪氨酸Tyr天冬氨酸Asp谷氨酸Glu赖氨酸Lys精氨酸Arg20种氨基酸（复习），要求记忆三字符缩写构型构型一个分子中原子的特定空间排布当一种构型改变为另一种构型时必须有共价键的断链和重新形成；不同构型分子间除镜面对称外不能以任何方式重合L-型D-型构象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当一种构象转变为另一种构象时不要求有共价键的断链和重新形成构象氨基酸的立体异构氨基酸的光吸收构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。酪氨酸max＝275nm，275=1.4x103;苯丙氨酸max＝257nm，257=2.0x102;色氨酸max＝280nm，280=5.6x103;二、肽和多肽链1.肽键/酰胺键2.寡肽：12-203.多肽：大于204.多肽链的构型(反式tran/顺式cis）5.多肽链的构象（C-N扭角Φ,C-C扭角Ψ）6.序列读法：左→右，N→C，氨基端→羧基端肽单位和多肽链氨基酸多肽链肽键一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经过缩合反应形成的共价键蛋白质通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。H2NCHCOOHR1+H2NCHCOOHR2NCHCOOHR2HH2NCHCR1O肽键二肽多肽的结构由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。氨基酸残基：氨基酸连接成多肽时，由氨基酸的主链和侧链组成的一个基本单位。（氨基酸在形成肽键以后保留的部分）组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。多肽链第一个氨基酸具有自由的—NH2,称为氨端或N端主链（肽键连接部分）最末一个氨基酸具有自由的-COOH,称为羧端或C端多肽链CCNCCNCCNCCNCCH2CHCH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C-端肽键氨基酸顺序：在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列的顺序。末端：通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln肽键-1肽键-2特点：氮原子的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。组成肽键的原子处于同一平面。肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。在大多数情况下，以反式结构存在。CONCN+O-CNCOHC肽键-3肽键具有局部双键性质，具有反式和顺式两种构型肽键平面—二级结构的基础肽单元呈刚性平面（肽键平面）由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构。在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。具有特殊的生理功能，常称为活性肽。如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。天然存在的重要多肽第三讲：蛋白质的结构与功能的关系（二）内容提要一级结构二级结构三级结构四级结构结构—功能蛋白质的结构及其功能重点掌握：•超二级结构•结构域•三级结构I蛋白质的结构层次一级结构：二级结构：α-螺旋，β-折叠，回折，环肽链，无规则卷曲超二级结构（膜体）：α-αβ-ββ-α-β,β-α-β-α-β结构域：三级结构：四级结构：OHNH亮丝苏半半谷异甘2氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序.组成蛋白质的20种氨基酸，按遗传密码编码的顺序，通过肽键连接起来的多肽链。一、蛋白质一级结构核糖核酸酶的氨基酸排列顺序一级结构的重要性决定高级结构决定生物学活性二、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构：指多肽链主链构象（主链的排列方式）；多肽链本身折叠或盘曲所形成的局部空间构象；多肽链主链中各原子（不涉及侧链和其它部分）在局部的空间排布。一段连续的肽单位---氢键—排列成的具有周期性结构的构象。蛋白质二级结构主要作用力——氢键种类：α-螺旋、β-折叠、β转角和无规则卷曲等基本组件：α一螺旋、β-折叠、β转角1、二级结构的基础—肽键平面肽单元呈刚性平面（肽键平面）由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构。2、蛋白质空间构象的作用力氢键：二级结构的主要作用力范德华力疏水作用库仑力（静电引力）二硫键：稳定构象，多在β转角附近形成3、二级结构的基本形式（1）-螺旋（-helix）蛋白质基本结构-螺旋肽平面键长、键角一定；肽键的原子排列呈反式构型；相邻的肽平面构成两面角；多肽链中各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。（C=O:H-N）蛋白质分子多为右手-螺旋。另外：310螺旋（α-helix的末端）和π螺旋（一圈4.4aa,不稳定，很少存在）-螺旋（2）β-折叠（β-sheet）蛋白质基本组件，5-10个氨基酸残基组成β-片层/β-折叠：肽链中一种比较伸展、呈锯齿状的肽链结构，β单链间通过氢键形成的层状结构。伸展性较差。β单链构象伸展，单链原子间没有相互作用，稳定性较差，靠链间的氢键。平行β-折叠：1.同一走向-规则的-β链→疏水侧链分布在折叠片平面的两侧2.主要分布球状或纤维状蛋白反平行β-折叠：1.相反走向-规则的→β链→疏水侧链分布在折叠片平面的一侧2.主要分布：如纤维状蛋白MOREATTENTION？实际蛋白质结构中的β-折叠不都是平直层面，而是一种扭转层面。Why？平行和反平行β-折叠（3）回折-reverseturnβ-转角（β-turn）是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构。主链骨架本身180°回折；由4个氨基酸残基构成；构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系，构象稳定。分两种型（I型和II型）γ-转角（γ-turn）外形与β-转角类似，但折叠更紧密，通常由三个残基组成。较少见。I型II型O—R2和R3反式O—R2和R3顺式β-凸起：反平行β-片层中的一种不规则情况；在一股β链中有一额外氨基酸残基，产生凸起；肽链方向发生一定变化。常常位于活性中心详见教材p19图2-10β-凸起Ω环（Ω-loop）：β-转角的延伸，多肽链也呈180°回折，但回折部分较长，通常由6-16个残基构成。呈Ω环型。柔性很强，如活性中心的打开和关闭（4）无规则卷曲：指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。也称卷曲：无规则、不重复的明确而稳定的结构，受侧链影响，但能运动，酶的活性部位和其它功能。三种主要二级结构示意图三、超二级结构定义：相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用形成规则排列的组合体，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中。也称模体（motif）。意义：肽链折叠和结构预测种类：基本的超二级结构类型（3类）αα：转录因子-亮氨酸拉链（识别DNA?参与基因表达调控）；纤维状蛋白主要结构元件结合力：（平行和反平行）非极性结合成疏水内核ββ：羧肽酶,β-发夹活性中心结构；平行平行/反平行。βαβ:反向平行的β折叠与α-螺旋，或相互平行垂直的α-螺旋。如：Zn指结构，具有识别作用。Zn2+与2个Cys和2个His配位结合，三种基本的超二级结构模型二级结构和超二级结构二级结构与超二级结构的关系下面认识一下超二级结构A:ααB:βαβC:βαβαβ(Rossman折叠）D:ββ（β发卡结构）E:ββββ（β曲折）F:βββββ（希腊钥匙拓扑）αα—螺旋组合由两段α-螺旋通过环连接形成的结构。如：λ噬菌体的λ衰减子，识别DNA，与DNA的大沟结合。在钙结合蛋白家族、DNA结合蛋白、转录因子中的模体结构。癌基因蛋白——亮氨酸拉链结构也属于这一类型钙调素中的EF手型模体转录因子MyoD的螺旋-环-螺旋模体DNA结合蛋白中的同源异型模体癌基因蛋白Fos中的亮氨酸拉链模体识别DNA，参与基因表达调控，与癌基因表达调控有关常出现于真核生物DNA结合蛋白的C-端，可识别DNA，参与基因表达调控，往往与癌基因表达调控功能有关。主要代表：酵母转录激活因子GCN4，癌蛋白Jun，Fos，Myc，增强子结合蛋白C/EBP等。其一级结构C末端，亮氨酸有规律地每隔7个氨基酸出现一次。两组平行走向的带亮氨酸的α-螺旋靠疏水作用形成对称二聚体时，每条肽链上的亮氨酸残基，刚好互相交错排列，形成“拉链”。在“拉链”式的蛋白质分子中，亮氨酸以外带电荷的氨基酸形式同DNA结合。当来自同一个或不同多肽链的两个α-螺旋的疏水面(常常含有亮氨酸残基)相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链.亮氨酸拉链(leu