高级生物化学课件_蛋白质结构与功能

蛋白蛋白质的的结构与功能构与功能第第1章章1编辑版ppt蛋白质的结构与功能第1章1编辑版ppt2 蛋蛋白白质是是细胞胞组分分中中含含量量最最丰丰富富、功功能能最最多多的的生生物物大大分分子子，占占人人体体干干重重的的45%45%。一一个个细胞胞可可能能含含上万种蛋白上万种蛋白质，每种蛋白，每种蛋白质发挥不同的功能。不同的功能。各各种种蛋蛋白白质功功能能的的多多样性性是是由由其其复复杂的的分分子子结构构决决定定的的。只只有有在在深深入入了了解解蛋蛋白白质结构构的的基基础上才能真正了解蛋白上才能真正了解蛋白质的功能。的功能。2编辑版ppt2 蛋白质是细胞组分中含量最丰富、功能最多的生物大分子，3第一第一节组成蛋白成蛋白质的氨基酸的氨基酸 蛋白蛋白质由氨基酸（由氨基酸（amino acid,AA)amino acid,AA)组成。成。自然界的氨基酸有自然界的氨基酸有300300余种余种.由基因由基因编码的氨基酸的氨基酸仅有有2020种。种。3编辑版ppt3 第一节 组成蛋白质的氨基酸3编辑版pptAA侧链（1 1）AAAA结构通式构通式：（2 2）除甘氨酸（除甘氨酸（GlyGly）外，）外，均属均属L LAA.AA.COO-H CNH3+R2020种基本氨基酸种基本氨基酸结构的共同特征是构的共同特征是:4编辑版pptAA侧链（1）AA结构通式：（2）除甘氨酸（Gly）外，5立体构型：立体构型：两种构型互两种构型互为对映体；映体；一种构型必一种构型必须有共价有共价键断裂断裂才能形成另一种构型。才能形成另一种构型。*组成蛋白成蛋白质的的-氨基酸多是氨基酸多是L-L-构型构型。D-D-构型构型氨基酸：主要存在于某些抗生素和个氨基酸：主要存在于某些抗生素和个别植物的生物碱中。植物的生物碱中。5编辑版ppt5立体构型：5编辑版ppt6n天然天然prpr中的中的AAAA通常通常为L-L-型；型；6编辑版ppt6天然pr中的AA通常为L-型；6编辑版ppt7根据根据2O2O种基本氨基酸的种基本氨基酸的R R基（基（侧链）不同，可分）不同，可分为:非极性疏水非极性疏水AA AA 7 7种种 不解离的极性不解离的极性AAAA（或极性中性（或极性中性AA)AA)8 8种种 解离的极性解离的极性AAAA 酸性酸性AA 2种种 碱性碱性AA 3种种7编辑版ppt7根据2O种基本氨基酸的R基（侧链）不同，可分为:酸性AA81 1非极性疏水非极性疏水AAAA 7 7种：种：AAAA的的R R基是基是脂肪脂肪烃或或芳香芳香烃;烃链越越长疏水性越大。疏水性越大。存在部位：常因相互疏水作用而存在部位：常因相互疏水作用而处于于球状蛋白内部球状蛋白内部或或生物膜的生物膜的跨膜双脂跨膜双脂层中中。8编辑版ppt81非极性疏水AA 7种：8编辑版ppt甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸9编辑版ppt甘氨酸 glycine Gly 2.不解离的极性不解离的极性AA 8种种 AA的的R侧链是是带有有极性的极性的羟基基、巯基基或或酰胺胺基基团，故有，故有亲水性，但不解离水性，但不解离.10编辑版ppt2.不解离的极性AA 8种10编辑版ppt色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬天冬酰胺胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨谷氨酰胺胺 glutamine Gln Q 5.65苏氨酸氨酸 threonine Thr T 5.602.极性中性氨基酸极性中性氨基酸11编辑版ppt色氨酸 tryptophan Try 3解离的极性解离的极性AA 5种种 AA的的R侧链可解离而可解离而带负电荷，又称酸性荷，又称酸性AA，有，有2种种;AA的的R侧链可解离而可解离而带正正电荷，又称碱性荷，又称碱性AA，有，有3种。种。存在部位：蛋白存在部位：蛋白质分子的表面，与分子的表面，与环境中水分子形成境中水分子形成 氢键。12编辑版ppt3解离的极性AA 5种12编辑版ppt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赖氨酸氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸氨酸 histidine His H 7.593.酸性氨基酸酸性氨基酸4.碱性氨基酸碱性氨基酸带正正电荷的碱性荷的碱性AA残基残基常与常与带负电荷的酸性荷的酸性AA的残基的残基形成形成盐键。幻灯片幻灯片 8913编辑版ppt天冬氨酸 aspartic acid Asp n脯氨酸脯氨酸:（亚氨基酸）氨基酸）几个特殊的氨基酸几个特殊的氨基酸由于其氨基与侧链C原子结合成环，具有固定的构型，在蛋白质肽链中有很强的链形成一个转角而改变主链方向，同时由于环的存在而具有空间障碍，对蛋白质二级结构形成有破坏性作用，但仍能出现在这些结构的末端或弯曲部位，因而常暴露于分子表面。14编辑版ppt脯氨酸:（亚氨基酸）几个特殊的氨基酸由于其氨基与侧链C原子结几个特殊的氨基酸几个特殊的氨基酸半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸胱氨酸2 2个个个个CysCys胱胱氨氨酸酸n巯基易形成带有二硫键的胱氨酸，在蛋白质的构象形成中具有重要意义。同时巯基还能与金属离子结合，埋藏在分子内部，开成motif结构。15编辑版ppt几个特殊的氨基酸半胱氨酸 与氨基酸的氨基氮原子之与氨基酸的氨基氮原子之间形成的形成的稳定共价定共价键不同，二硫不同，二硫容易被容易被还原而断裂，断裂后可再次氧化重新形成二硫原而断裂，断裂后可再次氧化重新形成二硫键，因而是可以因而是可以动态变化的化学化的化学键。二硫二硫键是参与一是参与一级结构也是形成高构也是形成高级结构的重要化学构的重要化学键，对蛋白蛋白质折叠和高折叠和高级结构的形成与构的形成与维持十分重要。持十分重要。烫发和和发型保持，主要原理是操型保持，主要原理是操纵毛毛发角蛋白二硫角蛋白二硫键的的还原和再氧化，原和再氧化，即二硫即二硫键的断开和重新的断开和重新键合合。16编辑版ppt16编辑版ppt酸性酸性AAAA（共（共2 2种）特点：种）特点：除除C C上有一个上有一个羧基（基（COOCOO-)外，它外，它们的的R R基上都基上都还具有一具有一个个羧基基.碱性碱性AA（共（共3种）种）特点：特点：R R基都含有碱性基基都含有碱性基团。胍胍基基咪咪唑基基17编辑版ppt酸性AA（共2种）特点：碱性AA（共3种）特点：胍基咪唑基酸性及碱性AA不仅带电荷，且极性较强。在蛋白质分子中，常出现在分子表面，与环境中的水分子结全而使蛋白质具有亲水性质，尤其是碱性氨基酸的侧链较长，柔性较大，在介质中摆动，可增强其溶解度，同时也易作为多种酶的催化对象。18编辑版ppt酸性及碱性AA不仅带电荷，且极性较强。在蛋白质分子中，常出现19以上以上2020种由基因种由基因编码的的AAAA称称为编码氨基酸氨基酸。在蛋白在蛋白质分子中分子中还有有非非编码氨基酸氨基酸是是在在蛋蛋白白质生生物物合合成成后后经乙乙酰化化、磷磷酸酸化化、羟基基化化或或甲甲基化基化等修等修饰形成的。如：形成的。如：l 广广泛泛存存在在于于PrPr中中的的丝氨氨酸酸、苏氨氨酸酸或或酪酪氨氨酸酸的的磷磷酸酸化化，在在细 胞信号胞信号传递系系统中起重要作用中起重要作用;l 胶原中的胶原中的羟脯氨酸和脯氨酸和羟赖氨酸氨酸;l 钙调素中的三甲基素中的三甲基赖氨酸氨酸;l 凝血凝血酶原中谷氨酸的原中谷氨酸的-羧化化;l 某些蛋白某些蛋白质N-N-端氨基酸的乙端氨基酸的乙酰化或化或C-C-端氨基酸的端氨基酸的酰胺化；胺化；l 更多的蛋白更多的蛋白质中中AAAA的糖基化或脂的糖基化或脂质化，使其化，使其亲水或疏水性增大。水或疏水性增大。19编辑版ppt19以上20种由基因编码的AA称为编码氨基酸。19编辑版pp20第二第二节 稳定蛋白定蛋白质构象的作用力构象的作用力 任何一个蛋白任何一个蛋白质分子，在其天然状分子，在其天然状态或活性形或活性形式下，都具有独特而式下，都具有独特而稳定的构象。定的构象。构象构象是蛋白是蛋白质分子在分子在结构上的一个最构上的一个最显著的特著的特征。征。20编辑版ppt20第二节 稳定蛋白质构象的作用力 21 构象构象*（ConformationConformation）:又称之又称之为三三维结构、立体构、立体结构，空构，空间结构或高构或高级结构等构等.是指分子内各原子或基是指分子内各原子或基团之之间的相互立体关的相互立体关系。构象的改系。构象的改变，是由于，是由于单键的旋的旋转而而产生的，生的，它它不需有共价不需有共价键的的变化化，仅涉及到涉及到氢键等次等次级键的改的改变。构型构型（configurationconfiguration）是指光学活性不）是指光学活性不对称的一称的一种特定的立体种特定的立体结构构.例如氨基酸从例如氨基酸从 D D型型 L L型，型，共价共价键的的变化。化。21编辑版ppt21 21编辑版ppt22维持和持和稳定蛋白定蛋白质分子构象的作用力有：分子构象的作用力有：氢键 疏水作用力疏水作用力 范德范德华力力 离子离子键 二硫二硫键 配位配位键22编辑版ppt22 维持和稳定蛋白质分子构象的作用力有：223一、一、氢键 X一一HY 氢原子原子与与电负性的原子性的原子X共价共价结合合时，共用的，共用的电子子对强烈地偏向烈地偏向X的一的一边，使，使氢原子原子带有部分正有部分正电荷，能再与另一个荷，能再与另一个电负性高而半径性高而半径较小的原子小的原子Y结合，合，形成的形成的XH Y型的型的键。23编辑版ppt23一、氢键 X一HY23编辑版ppt24氢键有两种不同的含有两种不同的含义：第一种是指第一种是指X X一一H HY Y的整个的整个结构，构，氢键的的键长就是就是 指从指从X X到到Y Y之之间的距离。的距离。第二种是指第二种是指H.YH.Y之之间的的结合力。合力。氢键的的键能能就是就是 指打开指打开H H.Y Y的的结合所需要的能量。合所需要的能量。由由于于距距离离短短，氢键之之间的的吸吸引引力力强，介介于于共共价价键与与范范德德华力之力之间。24编辑版ppt24氢键有两种不同的含义：24编辑版ppt25 氢键有两个重要特征有两个重要特征：（1 1）具有方向性具有方向性：当：当氢供体供体X-HX-H与与氢受体受体Y Y之之间的的夹角接近角接近180180时,X-H,X-H与与Y Y的相互作用最的相互作用最强.X一一HY（2 2）具有具有饱和性和性：X-HX-H只能和一个只能和一个Y Y原子相原子相结合合氢键作用作用：对于于维持蛋白持蛋白质分子的二、三、四分子的二、三、四级结构构的完整性以及功能反的完整性以及功能反应的灵活性，具有十分重要的意的灵活性，具有十分重要的意义。不不仅在在肽链之之间形成，在形成，在侧链之之间或或侧链与与肽键之之间也可生成。也可生成。25编辑版ppt25氢键有两个重要特征：25编辑版ppt26二、疏水作用力二、疏水作用力 疏水作用力疏水作用力(疏水疏水键)：是指是指非极性基非极性基团即疏水即疏水基基团为了避开水相而群集在一起的集合力。了避开水相而群集在一起的集合力。在蛋白在蛋白质分子中，含有分子中，含有许多疏水基多疏水基团，这些些基基团有一种自然的有一种自然的趋势，即避开水相，相互集合，即避开水相，相互集合，藏于蛋白藏于蛋白质分子的内部。分子的内部。作用：作用：AAAA顺序上相隔序上相隔较远的残基的残基间的疏水作用力，的疏水作用力，对维持和持和稳定蛋白定蛋白质分子的构象具有重要影响。分子的构象具有重要影响。26编辑版ppt26 二、疏水作用力26编辑版ppt27 三、范德三、范德华力力 在物在物质的聚集状的聚集状态中，分子与分子之中，分子与分子之间存在着一存在着一种种较弱的作用力。即原子中弱的作用力。即原子中带正正电荷的核与另一原子荷的核与另一原子带负电荷的荷的电子子层之之间的静的静电引力。引力。包括两种包括两种类型的相互作用：型的相互作用：一种是一种是吸引作用吸引作用（范德范德华引力）引力），另一种是，另一种是排斥作排斥作 用用（范德范德华斥力）斥力）。范德范德华引力引力有有3种表种表现形式：形式：(1)取向力取向力:极性基极性基团之之间，偶极与偶极的相互吸引，偶极与偶极的相互吸引;(2)诱导力力:极性基极性基团的偶极与非极性基的偶极与非极性基团的的诱导偶极之偶极之间的相互吸引的相互吸引;(3)色散力色散力:非极性基非极性基团瞬瞬时偶极之偶极之间的相互吸引。的相互吸引。27编辑版ppt27 三、范德华力范德华引力有3种表现形式：27编辑版p28其共同的特点是其共同的特点是:引力随作用基引力随作用基团之之间距离的增大而迅速减小，距离的增大而迅速减小，但两个作用基但两个作用基团只互相吸引并不相碰。只互相吸引并不相碰。因因为当它当它们靠得很近靠得很近时，电子云之子云之间会会发生排斥，生排斥，从而从而产生范德生范德华斥力。斥力。因此，上述两个基因此，上述两个基团之之间的作用距离是由范德的作用距离是由范德华引力引力和范德和范德华斥力的平衡来决定的，斥力的平衡来决定的，这种距离称种距离称为范德范德华力力间距。距。28编辑版ppt28其共同的特点是:28编辑版ppt29 迄今所迄今所测得的蛋白得的蛋白质构象都构象都显示出蛋白示出蛋白质分分子内的基子内的基团是是紧密堆密堆积的。的。这表明。在蛋白表明。在蛋白质分分子内无疑存在着范德子内无疑存在着范德华力。力。作用：作用：对维持和持和稳定蛋白定蛋白质的三、四的三、四级结构具有构具有 一定的一定的贡献。献。Van der Waals Van der Waals 力在力在维持蛋白持蛋白质的构象中的构象中虽有一有一定的作用，但可能非常有限。定的作用，但可能非常有限。29编辑版ppt29 迄今所测得的蛋白质构象都显示出蛋白质分子内的基团30四、离子四、离子键(盐键、盐桥或静或静电作用力作用力)是由是由带相反相反电荷的两个基荷的两个基团间的的静静电吸引吸引所形成的所形成的 在蛋白在蛋白质分子中，通常有分子中，通常有带正正电荷的基荷的基团和和带负电荷的基荷的基团:带正正电荷的基荷的基团-N-N-末端的末端的-NH-NH3 3+肽链中中赖氨酸残基的氨酸残基的NHNH3 3+精氨酸残基的胍基；精氨酸残基的胍基；带负电荷的基荷的基团-C C一末端的一末端的-COO-COO 肽链中天冬氨酸残基的中天冬氨酸残基的-COO-COO-谷氨酸残基的谷氨酸残基的COOCOO30编辑版ppt30四、离子键(盐键、盐桥或静电作用力)30编辑版ppt31在蛋白在蛋白质空空间结构与构与环境都适宜的情况下，上述基境都适宜的情况下，上述基团中有一部分是相互接近而形成离子中有一部分是相互接近而形成离子键的。的。高高浓度的度的盐、过高或高或过低的低的pHpH值，可以破坏蛋白，可以破坏蛋白质构象中的离子构象中的离子键-蛋白蛋白质变性的主要原因性的主要原因31编辑版ppt3131编辑版ppt32五、配位五、配位键配位配位共价共价键简称称“配位配位键”是指两原子的成是指两原子的成键电子全子全部由一个原子提供所形成的共价部由一个原子提供所形成的共价键。其中，提供所有成其中，提供所有成键电子的称子的称“配位体配位体（简称配体）称配体）”、提供空、提供空轨道接道接纳电子的称子的称“受体受体”。32编辑版ppt32五、配位键32编辑版ppt金属离子与蛋白金属离子与蛋白质的的连接一般通接一般通过配位配位键:如如铁氧氧还原蛋白、原蛋白、细胞色素胞色素C等等-含有含有铁离子离子 胰胰岛素等素等-含有含有锌离子。离子。金属离子通金属离子通过配位配位键参与参与维持和持和稳定蛋白定蛋白质的三、的三、四四级结构。构。若用螯合若用螯合剂从蛋白从蛋白质中除去金属离子中除去金属离子则:1.蛋白蛋白质分子便解离成分子便解离成亚基基,导致生物活性致生物活性丧失失 2.或者是三或者是三级结构遭到局部破坏构遭到局部破坏33编辑版ppt金属离子与蛋白质的连接一般通过配位键:33编辑版ppt34 5.5.二硫二硫键（-S-S-S-S-）是是两个硫原子之两个硫原子之间所形成的共价所形成的共价键。作用作用:它可以把不同的它可以把不同的肽链、或同一条、或同一条肽链的不同部的不同部 分分连接起来，接起来，对维持和持和稳定蛋白定蛋白质的构象具有的构象具有 重要作用重要作用.在某些蛋白在某些蛋白质中，二硫中，二硫键一旦遭到破坏，一旦遭到破坏，则蛋白蛋白质 的生物活性立即的生物活性立即丧失。失。若二硫若二硫键的数目多，的数目多，则蛋白蛋白质分子抗拒外界分子抗拒外界变性因性因 素的能力也素的能力也强，蛋白，蛋白质三三级结构的构的稳定性也高定性也高(角蛋白角蛋白)34编辑版ppt34 34编辑版ppt二硫二硫键的种的种类有多种有多种35编辑版ppt二硫键的种类有多种35编辑版ppt36综上上:氢键、疏水作用力、范德、疏水作用力、范德华力和离子力和离子键这四种四种次次级键 -是是维持和持和稳定蛋白定蛋白质分子构象的主要作用力。分子构象的主要作用力。二硫二硫键和配位和配位键这两种两种共价共价键 -参与参与维持和持和稳定蛋白定蛋白质的三的三级或四或四级结构。构。36编辑版ppt36综上:36编辑版ppt37例：胰例：胰岛素素胰胰脏中胰中胰岛-细胞分泌的一种蛋白胞分泌的一种蛋白质激素。激素。功能功能：降低血糖。降低血糖。结构构：A链：21aa；B链：30aa；链间有两有两对二硫二硫键；在在A链内内aa6和和aa11间以二硫以二硫键连成小成小环。如：牛胰如：牛胰岛素素37编辑版ppt37例：胰岛素胰脏中胰岛-细胞分泌的一种蛋白质激素。37编1965.9.1738编辑版ppt1965.9.1738编辑版ppt39 第三第三节 蛋白蛋白质分子的分子的结构构39编辑版ppt39 39编辑版ppt40一、肽(peptide)（一）（一）肽（peptide)peptide)：AA通通过肽键连接形成的化合物叫接形成的化合物叫肽；两分子两分子AAAA缩合形成二合形成二肽，三分子，三分子AAAA缩合合则形成三形成三肽40编辑版ppt40一、肽(peptide)（一）肽（pept+-HOH甘氨甘氨酰甘氨酸甘氨酸肽键肽键：一一个个AA的的-COOH-COOH与与另另一一个个AA的的-NHNH2 2脱水脱水缩合而形成的化学合而形成的化学键.41编辑版ppt+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键肽键：一个AA的-COOH与另一42寡寡肽（oligopeptide)：2020个以下氨基酸个以下氨基酸组成。成。多多肽（polypeptide)：20-5020-50个氨基酸形成个氨基酸形成.蛋白蛋白质(protein)：5050个以上氨基酸个以上氨基酸组成。成。肽链中的氨基酸已非完整分子，称中的氨基酸已非完整分子，称氨基酸氨基酸残基残基(animoacidresidue)。42编辑版ppt42寡肽（oligopeptide)：20个以下氨基酸组成肽的命名：某氨基的命名：某氨基酰某氨基某氨基酰.某氨基酸某氨基酸.N N末端末端(氨基末端氨基末端)，常写在左端；，常写在左端；C C末端末端(羧基末端基末端)，常写在右端，常写在右端.肽的的简写：写：Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu或或SGYAL Ser Gly Tyr Ala Leu 43编辑版ppt 肽的命名：某氨基酰某氨基酰.某氨基酸.44 肽单位和二面角位和二面角多多肽链的基本的基本结构构:肽单位位44编辑版ppt44 44编辑版ppt45肽单位空位空间结构特征构特征:1.1.肽单位是位是刚性平面性平面结构。构。肽单位上位上 的六个原子都的六个原子都处于同一平面上。于同一平面上。2 2肽键具有局部双具有局部双键性性质，不能自由旋，不能自由旋转。3.3.在在肽单位上，两个位上，两个C C是反式构型。是反式构型。45编辑版ppt4545编辑版ppt46二面角二面角肽键中的CN键具有部分双键的特征，不能自由旋转，其结果使肽键处在一个刚性的平面上，此平面被称为肽键平面(酰胺平面)。两个肽键平面之间的-碳原子，可以作为一个旋转点形成二面角(dihedral angle)。二面角的变化，决定着多肽主键在三维空间的排布方式，是形成不同蛋白质构象的基础。46编辑版ppt46二面角肽键中的CN键具有部分双键的特征，不能自由旋转，47高级结构,又称空间构象一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白蛋白质的分子的分子结构包括：构包括：丹麦科学家Linderstrom-Lang 二、蛋白二、蛋白质的的结构构47编辑版ppt47高级结构,又称空间构象一级结构蛋白质的分子结构包括：丹麦48 uPr Pr 的一的一级结构构:Pr Pr中中N-N-端到端到C-C-端的端的AAAA排列排列顺序序.维系的系的键:肽键，二硫，二硫键 一一级结构决定高构决定高级结构构 一一级结构是蛋白构是蛋白质空空间构象和特异生物学功能的基构象和特异生物学功能的基础.但一但一级结构并不是决定蛋白构并不是决定蛋白质空空间构象的唯一因素构象的唯一因素.uPr Pr 的高的高级结构构:二二级 三三级 四四级结构构48编辑版ppt48 48编辑版ppt49(一一)二二级结构及其基本构及其基本类型型1.1.二二级结构构:是指多是指多肽链主主链骨架骨架中的若干中的若干肽段所形段所形成的有成的有规则的空的空间排布（如排布（如-螺旋、螺旋、-折叠和折叠和-转角角)或无或无规则的空的空间排布（如无排布（如无规则卷曲）。卷曲）。主主要要包包括括:主主链原原子子局局部部的的空空间排排布布，不不涉涉及及侧链的的构构象以及与其他象以及与其他肽段的关系。段的关系。维系的主要化学系的主要化学键：H H 键49编辑版ppt4949编辑版ppt502.2.二二级结构的基本构的基本类型型:-螺旋螺旋 -折叠折叠 -转角角 无无规卷曲卷曲50编辑版ppt502.二级结构的基本类型:50编辑版ppt51-螺旋螺旋(-helix)：（1 1）主主链形成右手螺旋或左手螺旋形成右手螺旋或左手螺旋（2 2）每圈螺旋占每圈螺旋占3.63.6个个AAAA残基，残基，螺距螺距0.54nm;0.54nm;（3 3）螺旋中氨基酸残基的螺旋中氨基酸残基的侧链伸向伸向 外外侧；（4 4）相相邻螺圈之螺圈之间形成形成链内内氢键，取向与中心取向与中心轴平行。平行。氢键:是由是由肽键上的上的N-HN-H上的上的氢和第四和第四 个个肽键的的C=OC=O上的氧之上的氧之间形成的。形成的。化学化学键：氢键51编辑版ppt5151编辑版ppt52编辑版ppt52编辑版ppta螺旋的稳定性最好，各种氨基酸都有折叠成a螺旋的倾向。53编辑版ppta螺旋的稳定性最好，各种氨基酸都有折叠成a螺旋的倾向。53编（1）多多肽链在在一一空空间平平面面内内伸伸展展，各各肽链平平面面间折折叠叠成成锯齿状状结构构.（2）AA残基的残基的侧链R基交替分布在片基交替分布在片层上下上下.（3）肽链按按层排排列列，靠靠链间氢键维持持其其结构构的的稳定定性性，-折折叠叠结构构的的氢键是是由由相相邻肽链主主链上上的的NH上上的的氢和和CO上的氧上的氧间形成的形成的.链间氢键方向与方向与链方向垂直方向垂直（4）-折折叠叠可可由由一一条条多多肽链折折返返而而成成，或或由由两两条条以以上上多多肽链顺向或逆向平行排列而成向或逆向平行排列而成.-折叠折叠(-pleated sheet)：-片片层、-结构构平行式平行式反平行式反平行式54编辑版ppt（1）多肽链在一空间平面内伸展，各肽链平面间折叠成锯齿状结构55平行与反平行平行与反平行平行指的是两条肽链走向相同；反平行则指走向相反。-折叠折叠是某些是某些纤维状蛋白状蛋白质的基本构象，也普遍存的基本构象，也普遍存在于在于球状蛋白球状蛋白质中。中。-折叠的蛋白折叠的蛋白质稳定性定性较差。差。55编辑版ppt55平行与反平行55编辑版ppt-转角角(-turn)（-弯曲、弯曲、-发夹结构）构）发生于生于肽链进行行180180回折回折时的的转角上角上.通常有四个通常有四个AA残基残基组成，第一个残基的成，第一个残基的羰基基O与与第四个氨基第四个氨基H形成形成氢键。第。第二个残基常二个残基常为Pro（Gly、Asp、Asn、Trp）此此结构广泛存在球状蛋白中，球蛋白的构广泛存在球状蛋白中，球蛋白的紧密球密球形在于形在于肽链走向的多次逆走向的多次逆转，主要是通，主要是通过-转角角实现的的。主要在各种二。主要在各种二级结构之构之间起起连接作接作用。用。56编辑版ppt-转角(-turn)（-弯曲、-发夹结构）57无无规卷曲卷曲(random coil)多多肽链骨架上的骨架上的肽段在空段在空间上的不上的不规则排布，排布，无明确无明确规律性。律性。通常通常酶蛋白的功能部位在此。蛋白的功能部位在此。在一般的球蛋白分子中，含有在一般的球蛋白分子中，含有大量的无大量的无规则卷曲，它使蛋白卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。从整体上形成球状构象。57编辑版ppt5757编辑版ppt58编辑版ppt58编辑版ppt59在不同的蛋白在不同的蛋白质中，二中，二级结构的分布和作用却很不构的分布和作用却很不一一样:纤维蛋白蛋白-二二级结构就是其分子的基本构就是其分子的基本结构，并在构，并在 基本的方面决定了分子的性能基本的方面决定了分子的性能。哺乳哺乳动物的物的角蛋白角蛋白:二二级结构主要是构主要是-螺旋螺旋。丝和昆虫和昆虫纤维，其二，其二级结构主要是构主要是-折叠折叠。胶原蛋白胶原蛋白，三股螺旋三股螺旋是它的基本是它的基本结构。构。球蛋白球蛋白-二二级结构是分子构是分子三三维折叠折叠的基本要素，的基本要素，对分子的骨架形成具有重要作用。分子的骨架形成具有重要作用。59编辑版ppt59在不同的蛋白质中，二级结构的分布和作用却很不59编辑版p60、蛋白、蛋白质的超二的超二级结构和构和结构域构域超二超二级结构构(supersecondary structure(supersecondary structure）*：由相由相邻的几个二的几个二级结构相互作用形成有构相互作用形成有规则的的组合体。合体。是特殊的序列或是特殊的序列或结构的基本构的基本组成成单元，又称元，又称基序基序或或模序模序（motif)*.motif)*.可可进一步一步组建成建成结构域。构域。超二超二级结构构包括：包括：、组合。合。60编辑版ppt60、蛋白质的超二级结构和结构域60编辑版ppt61编辑版ppt61编辑版ppt钙结合蛋白中结合钙离子的模序锌指结构62编辑版ppt钙结合蛋白中结合钙离子的模序锌指结构62编辑版ppt63蛋白蛋白质的的结构域构域*（DomainDomain）：在超二在超二级结构的基构的基础上上进一步一步组合折叠形成半独立合折叠形成半独立较紧密的球状密的球状结构，具有构，具有简单的生物学功能。的生物学功能。1.1.与蛋白与蛋白质分子整体以分子整体以共价共价键相相连，一般，一般难以分离，以分离，这是与是与亚基的区基的区别.2.2.结构域之构域之间有裂隙，是有裂隙，是 结合位点或活性位点。合位点或活性位点。3.3.大的蛋白大的蛋白质可有多个可有多个结 构域。构域。纤连蛋白分子的蛋白分子的结构域构域63编辑版ppt63蛋白质的结构域*（Domain）：纤连蛋白分子的结构64结构域的特点构域的特点：1.1.各个各个结构域有不同的构域有不同的组成，有些有一定的成，有些有一定的规律，有律，有 些无。些无。2.2.一个一个PrPr分子内的分子内的结构域，可以十分相似，也可完全构域，可以十分相似，也可完全 不同。不同。3.3.结构域大小一般构域大小一般为100-200100-200残基（少残基（少40 40 多多400400）4.4.结构域构域连接，有的只靠一段接，有的只靠一段肽段，有的是靠接触面。段，有的是靠接触面。64编辑版ppt64结构域的特点：64编辑版ppt65结构域构域(domain)(domain)：65编辑版ppt65结构域(domain)：65编辑版ppt66 结构域有两个重要的功能构域有两个重要的功能*：第一，像第一，像亚基那基那样，能作，能作为一个一个模式模式模式模式结结构构构构来有效地参与来有效地参与 蛋白蛋白质分子的装配。分子的装配。独立独立结构域的存在可以把蛋白构域的存在可以把蛋白质肽链的折叠、的折叠、盘 曲曲过程程简化化为个个别的的简单步步骤。这对于分子量很大的蛋白于分子量很大的蛋白质来来说更更显得特得特别重要。重要。第二，第二，结构域能构域能够活活动。对底物的底物的结合、合、变构控制以及构控制以及 巨大巨大结构的装配具有决定作用。构的装配具有决定作用。66编辑版ppt66 66编辑版ppt67编辑版ppt67编辑版ppt68(二二)蛋白蛋白质分子的三分子的三级结构构三三级结构：是指一条多构：是指一条多肽链在二在二级结构、超二构、超二级结构和构和 结构域的基构域的基础上上进一步一步盘曲或折叠，形成包曲或折叠，形成包 括括主、主、侧链在内在内的的专一性空一性空间排布。排布。即整条即整条肽链的三的三维结构。构。维系的化学系的化学键：次：次级键(疏水作用、疏水作用、氢键、离子、离子键、范、范德德华力）力）有些有些prpr只有三只有三级结构。构。68编辑版ppt68(二)蛋白质分子的三级结构68编辑版ppt69单链蛋白蛋白质-是分子本身的特征性立体是分子本身的特征性立体结构；构；多多链蛋白蛋白质-是各是各组成成链（亚基）的主基）的主链和和侧链的空的空间 排布排布 重要的生命活重要的生命活动都与蛋白都与蛋白质的三的三级结构直接相关并构直接相关并且且对三三级结构有构有严格的要求。格的要求。三三级结构是蛋白构是蛋白质构象中的一个至关重要的等构象中的一个至关重要的等级或或层次，从整体看，它次，从整体看，它实际包含着除包含着除亚基基缔合以外的蛋白合以外的蛋白质分子分子结构的全部内容。构的全部内容。69编辑版ppt69单链蛋白质-是分子本身的特征性立体结构；69编辑版pp70蛋白蛋白质分子三分子三级结构的基本特征（以球状构的基本特征（以球状PrPr为例）例）（1 1）在蛋白）在蛋白质分子中，一条多分子中，一条多肽链往往是通往往是通过一部分一部分-螺旋、螺旋、一部分一部分-折叠、一部分折叠、一部分-转角和一部分无角和一部分无规则卷曲形成卷曲形成 紧密的球状密的球状结构构（2 2）在蛋白）在蛋白质分子中，分子中，大多数非极性大多数非极性侧链总是埋在分子的内部，形成疏水核；是埋在分子的内部，形成疏水核；大多数极性大多数极性侧链总是暴露在分子的表面上，极性基是暴露在分子的表面上，极性基团的种的种类、数目与排布决定了蛋白数目与排布决定了蛋白质的功能。的功能。70编辑版ppt70蛋白质分子三级结构的基本特征（以球状Pr为例）70编辑版71（3 3）在蛋白）在蛋白质分子的表面，有一个内陷的空穴（裂隙、凹槽、分子的表面，有一个内陷的空穴（裂隙、凹槽、袋）袋）-疏水区，能疏水区，能够容容纳一个或两个小分子配体一个或两个小分子配体,或大分或大分 子配体的一部分。子配体的一部分。酶分子分子-此空穴正好容此空穴正好容纳一个或两个小分子底物，或大分子一个或两个小分子底物，或大分子 底物的一部分，即底物的一部分，即酶分子的活性部位。分子的活性部位。如：如：肌肌红蛋白蛋白 血血红蛋白蛋白 此空穴正好容此空穴正好容纳一个血一个血红素分子。素分子。细胞色素胞色素C C 71编辑版ppt7171编辑版ppt72编辑版ppt72编辑版ppt73（三）蛋白（三）蛋白质的四的四级结构构亚基基：在体内有：在体内有许多多PrPr分子含有两条或多条多分子含有两条或多条多肽链，每一条，每一条 多多肽链都都有其完整的三有其完整的三级结构构，称，称为PrPr的的亚基基 （subunitsubunit）。）。亚基之基之间呈特定的三呈特定的三维空空间排布，并以排布，并以次次级键 相相连接。接。四四级结构构：蛋白：蛋白质分子中各个分子中各个亚基的空基的空间排布及排布及亚基接触部基接触部 位的布局和相互作用位的布局和相互作用.维系的力系的力：次：次级键(氢键、离子、离子键、疏水作用和范得、疏水作用和范得华力）力）73编辑版ppt73（三）蛋白质的四级结构亚基：在体内有许多Pr分子含有两条74亚基是独立的基是独立的结构构单位，但不是独立的功能位，但不是独立的功能单位。位。亚基基单独存在独存在时无完整的生物学功能无完整的生物学功能.只有只有缔合成完合成完整的四整的四级结构才具有生物活性。构才具有生物活性。血血红蛋白蛋白:2:2个个亚基和基和2 2个个亚基基74编辑版ppt74血红蛋白:2个亚基和2个亚基74编辑版ppt75寡聚蛋白寡聚蛋白-多个多个亚基基组成的蛋白成的蛋白质。寡聚蛋白的四寡聚蛋白的四级结构构对其生物学功能具有重要作用。其生物学功能具有重要作用。亚基：可以是相同的，也可以是不同的。基：可以是相同的，也可以是不同的。亚基数目从基数目从2 2个到几十，几百个不等。通常个到几十，几百个不等。通常亚基用基用字母表示。如：字母表示。如：血血红蛋白蛋白-2-2、2 2四聚体四聚体 烟草花叶病毒的外壳蛋白烟草花叶病毒的外壳蛋白-2130-2130个相同的个相同的亚基基组成成75编辑版ppt75寡聚蛋白-多个亚基组成的蛋白质。75编辑版ppt7676编辑版ppt7676编辑版ppt77蛋白蛋白质的四种的四种结构构层次次暨南大学医学院莫宏波motifdomain77编辑版ppt77蛋白质的四种结构层次暨南大学医学院莫宏波motifdom78 第三第三节 蛋白蛋白质分子分子结构与功能的关系构与功能的关系 一、蛋白一、蛋白质的一的一级结构与功能的关系构与功能的关系1.1.一一级结构决定高构决定高级结构（构（AnfinsenAnfinsen经典典实验)78编辑版ppt78 第三节 蛋白质分子结构与功能的关系 78编辑版pp79 2.2.一一级结构与功能的关系构与功能的关系（1）一般而言，一）一般而言，一级结构相似的多构相似的多肽或蛋白或蛋白质，其，其空空间构象以及功能也相似。构象以及功能也相似。蛋白蛋白质具不同的一具不同的一级结构和空构和空间结构，因此各具不同的功能。构，因此各具不同的功能。（2 2）一）一级结构改构改变（或氨基酸的改（或氨基酸的改变）对功能的影响功能的影响：蛋白蛋白质分子中非关分子中非关键部位一些氨基酸残基的改部位一些氨基酸残基的改变或缺失，并或缺失，并不会影响蛋白不会影响蛋白质分子的生物活性；分子的生物活性；另一方面，蛋白另一方面，蛋白质分子关分子关键活性部位氨基酸残基的改活性部位氨基酸残基的改变，会，会影响其功能，甚至造成疾病。影响其功能，甚至造成疾病。79编辑版ppt79 2.一级结构与功能的关系79编辑版ppt80例如例如1.1.人、猪、牛的胰人、猪、牛的胰岛素素A A链中中8 8、9 9、1111位位 氨基酸残基不同氨基酸残基不同 存在种族差异存在种族差异，但但这并不并不B B链中中3030位位 影响其降低血糖影响其降低血糖浓度的共同生理功能度的共同生理功能2.2.人群中不同个体人群中不同个体间同一种蛋白同一种蛋白质也会有氨基酸的不同或也会有氨基酸的不同或差异，但差异，但这也不影响他也不影响他们在不同个体中担在不同个体中担负着相同的生理着相同的生理功能。功能。3.3.若是分若是分类上从脂肪族上从脂肪族换成了芳香族氨基酸，即蛋白成了芳香族氨基酸，即蛋白质之之间的免疫原性就差异的免疫原性就差异较大，由大，由这些蛋白些蛋白质组成的人体成的人体组织、器官，在器官，在临床上床上进行移植行移植时，就更，就更产生排异反生排异反应.80编辑版ppt80例如80编辑版ppt例：例：镰刀形刀形红细胞胞贫血血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS肽链HbA肽链N-val his leu thr pro val glu C(146)81编辑版ppt例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu 82镰刀型刀型贫血病血血病血红蛋白蛋白仅一一级结构中：构中：6Glu换成成6Val由此引起三由此引起三级结构多一疏水构多一疏水键，四，四级结构构发生生线性性缔合，合，导致致红细胞胞发生溶血。生溶血。82编辑版ppt82镰刀型贫血病血红蛋白仅一级结构中：82编辑版ppt83二、空二、空间结构与功能的关系构与功能的关系当蛋白当蛋白质构象构象发生改生改变时会引起蛋白会引起蛋白质功能的改功能的改变或或丧失。失。例如例如:酶在某些因素如高温、紫外在某些因素如高温、紫外线照射等作用下，空照射等作用下，空间结构受破坏而一构受破坏而一级结构没改构没改变，但，但酶分子的催化功能分子的催化功能丧失。失。有些蛋白有些蛋白质在表在表现其生物学活性其生物学活性时，其构象，其构象发生改生改变，从而改从而改变了整个分子的性了整个分子的性质，这种种现象称象称为别构构现象象。83编辑版ppt83二、空间结构与功能的关系83编辑版ppt正常成人正常成人HbHb有有4 4个个亚基基（22、2 2）每个每个亚基基结合合1 1个能携个能携带氧的氧的血血红素素血血红素分子中素分子中4 4个吡咯个吡咯环构成构成卟啉啉结构构，环的中心是的中心是FeFe2+2+FeFe2+2+共有共有 6 6个配位个配位键:l4 4个与血个与血红素中素中4 4个吡个吡咯氮原子咯氮原子结合合;ll l个与个与Hb Hb 或或亚基基中中1 1个个组氨酸残基氨酸残基 (称近称近位位组氨酸）氨酸）侧链上的咪上的咪唑基基团相相结合合;l空着的空着的1 1个配位个配位键可与可与O O2 2可逆地可逆地结合，氧分合，氧分压较高的高的环境中与境中与O O2 2 结合合,氧分氧分压较低的低的环境中境中释放出放出O O2 2 。84编辑版ppt正常成人Hb有4个亚基（2、2）Fe2+共有 6个配位85当当 Hb Hb 未未结合合O O2 2时，其，其处于一种于一种结构构紧密型（密型（T T型）状型）状态，这时它与它与 O O2 2 的的亲和力小，与和力小，与 O O2 2 结合速度慢合速度慢。但只要但只要 Hb Hb 第一个第一个亚基与基与 O O2 2 结合后，其构象合后，其构象发生改生改变￥，与，与 O O2 2 结合力增合力增强，随着第二第三个，随着第二第三个亚基与基与 O O2 2 结合后，合后，连接于接于亚基之基之间的离子的离子键逐个断裂，引起逐个断裂，引起 Hb Hb 由由紧密型（密型（T T型）型）构象逐步构象逐步变成松弛型（成松弛型（R R型），型），导致致 Hb Hb 与与 O O2 2 的的亲和力和力逐步增逐步增强，很快达到与，很快达到与O O2 2饱和。和。可可见蛋白蛋白质的构象与功能有密切关系的构象与功能有密切关系85编辑版ppt8585编辑版ppt86 别构效构效应（allosteric effectallosteric effect）寡聚蛋白寡聚蛋白质的一个的一个亚基和配体基和配体结合后构象合后构象发生了改生了改变，这种构象的种构象的变化化传递可影响其他可影响其他亚基的构象，基的构象，进而改而改变了分子的生物学活性。了分子的生物学活性。协同作用同作用-各各亚基之基之间的相互作用的相互作用 是通是通过亚基基间构象改构象改变的的传递作用作用产生的。生的。若若亚基基结合的配体相同，合的配体相同，为同种同种协同效同效应，如配，如配体不同体不同则为异种异种协同效同效应 正正协同效同效应：1 1个个亚基和配体基和配体结合，使其它合，使其它亚 基与配体的基与配体的结合更容易了合更容易了 负协同效同效应：-更困更困难了。了。86编辑版ppt8686编辑版ppt87编辑版ppt87编辑版ppt88编辑版ppt88编辑版ppt蛋白蛋白质构象改构象改变与疾病：与疾病：若蛋白若蛋白质的折叠的折叠发生生错误，尽管其一，尽管其一级结构不构不变，但蛋白，但蛋白质的构象的构象发生改生改变，仍可影响其功，仍可影响其功能，能，严重重时可可导致疾病，称致疾病，称蛋白构象疾病蛋白构象疾病。如。如疯牛病，老年痴呆症等。牛病，老年痴呆症等。89编辑版ppt蛋白质构象改变与疾病：89编辑版ppt90蛋白蛋白质的的结构与功能之构与功能之间的关系主要表的关系主要表现在在两方面：两方面：1.1.蛋白蛋白质的高的高级结构是由一构是由一级结构氨基酸构氨基酸顺序决定序决定的。的。2.2.蛋白蛋白质的高的高级结构是蛋白构是蛋白质分子分子发挥其生物功能其生物功能的重要保的重要保证。90编辑版ppt90蛋白质的结构与功能之间的关系主要表现在两方面：90编辑版思考题：以PKA为例，论述蛋白质结构与功能的关系？91编辑版ppt思考题：91编辑版ppt