高级生物化学PPT课件-蛋白质结构与功能.ppt

,蛋白质的结构与功能,第1章,2,蛋白质是细胞组分中含量最丰富、功能最多的生物大分子，占人体干重的45%。一个细胞可能含上万种蛋白质，每种蛋白质发挥不同的功能。各种蛋白质功能的多样性是由其复杂的分子结构决定的。只有在深入了解蛋白质结构的基础上才能真正了解蛋白质的功能。,3,AA侧链,（1）AA结构通式：,（2）除甘氨酸（Gly）外，均属LAA.,COO-,H,C,NH3+,R,20种基本氨基酸结构的共同特征是:,5,立体构型：,两种构型互为对映体；一种构型必须有共价键断裂才能形成另一种构型。*组成蛋白质的-氨基酸多是L-构型。D-构型氨基酸：主要存在于某些抗生素和个别植物的生物碱中。,6,天然pr中的AA通常为L-型；,7,根据2O种基本氨基酸的R基（侧链）不同，可分为:非极性疏水AA 7种 不解离的极性AA（或极性中性AA)8种 解离的极性AA,酸性AA 2种 碱性AA 3种,8,1非极性疏水AA 7种：AA的R基是脂肪烃或芳香烃;烃链越长疏水性越大。存在部位：常因相互疏水作用而处于球状蛋白内部或生物膜的跨膜双脂层中。,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非极性疏水性氨基酸,2.不解离的极性AA 8种 AA的R侧链是带有极性的羟基、巯基或酰胺基团，故有亲水性，但不解离.,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2.极性中性氨基酸,3解离的极性AA 5种 AA的R侧链可解离而带负电荷，又称酸性AA，有2种;AA的R侧链可解离而带正电荷，又称碱性AA，有3种。存在部位：蛋白质分子的表面，与环境中水分子形成 氢键。,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,3.酸性氨基酸,4.碱性氨基酸,带正电荷的碱性AA残基常与带负电荷的酸性AA的残基形成盐键。幻灯片 89,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。,几个特殊的氨基酸,半胱氨酸 胱氨酸,2个Cys,胱氨酸,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。,与氨基酸的氨基氮原子之间形成的稳定共价键不同，二硫容易被还原而断裂，断裂后可再次氧化重新形成二硫键，因而是可以动态变化的化学键。二硫键是参与一级结构也是形成高级结构的重要化学键，对蛋白质折叠和高级结构的形成与维持十分重要。烫发和发型保持，主要原理是操纵毛发角蛋白二硫键的还原和再氧化，即二硫键的断开和重新键合。,酸性AA（共2种）特点：除C上有一个羧基（COO-)外，它们的R基上都还具有一个羧基.,碱性AA（共3种）特点：R基都含有碱性基团。,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。,19,以上20种由基因编码的AA称为编码氨基酸。在蛋白质分子中还有非编码氨基酸是在蛋白质生物合成后经乙酰化、磷酸化、羟基化或甲基化等修饰形成的。如：广泛存在于Pr中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的磷酸化，在细 胞信号传递系统中起重要作用;胶原中的羟脯氨酸和羟赖氨酸;钙调素中的三甲基赖氨酸;凝血酶原中谷氨酸的-羧化;某些蛋白质N-端氨基酸的乙酰化或C-端氨基酸的酰胺化；更多的蛋白质中AA的糖基化或脂质化，使其亲水或疏水性增大。,20,第二节 稳定蛋白质构象的作用力,任何一个蛋白质分子，在其天然状态或活性形式下，都具有独特而稳定的构象。构象是蛋白质分子在结构上的一个最显著的特征。,21,构象*（Conformation）:又称之为三维结构、立体结构，空间结构或高级结构等.是指分子内各原子或基团之间的相互立体关系。构象的改变，是由于单键的旋转而产生的，它不需有共价键的变化，仅涉及到氢键等次级键的改变。构型（configuration）是指光学活性不对称的一种特定的立体结构.例如氨基酸从 D型 L型，共价键的变化。,22,维持和稳定蛋白质分子构象的作用力有：氢键 疏水作用力 范德华力 离子键 二硫键 配位键,23,一、氢键 X一HY 氢原子与电负性的原子X共价结合时，共用的电子对强烈地偏向X的一边，使氢原子带有部分正电荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子Y结合，形成的XHY型的键。,24,氢键有两种不同的含义：第一种是指X一HY的整个结构，氢键的键长就是 指从X到Y之间的距离。第二种是指H.Y之间的结合力。氢键的键能就是 指打开H.Y的结合所需要的能量。由于距离短，氢键之间的吸引力强，介于共价键与范德华力之间。,25,氢键有两个重要特征：（1）具有方向性：当氢供体X-H与氢受体Y之间的夹角接近180时,X-H与Y的相互作用最强.X一HY（2）具有饱和性：X-H只能和一个Y原子相结合氢键作用：对于维持蛋白质分子的二、三、四级结构的完整性以及功能反应的灵活性，具有十分重要的意义。不仅在肽链之间形成，在侧链之间或侧链与肽键之间也可生成。,26,二、疏水作用力 疏水作用力(疏水键)：是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而群集在一起的集合力。在蛋白质分子中，含有许多疏水基团，这些基团有一种自然的趋势，即避开水相，相互集合，藏于蛋白质分子的内部。作用：AA顺序上相隔较远的残基间的疏水作用力，对维持和稳定蛋白质分子的构象具有重要影响。,27,三、范德华力 在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一种较弱的作用力。即原子中带正电荷的核与另一原子带负电荷的电子层之间的静电引力。包括两种类型的相互作用：一种是吸引作用（范德华引力），另一种是排斥作 用（范德华斥力）。,范德华引力有3种表现形式：(1)取向力:极性基团之间，偶极与偶极的相互吸引;(2)诱导力:极性基团的偶极与非极性基团的诱导偶极之间的相互吸引;(3)色散力:非极性基团瞬时偶极之间的相互吸引。,28,其共同的特点是:引力随作用基团之间距离的增大而迅速减小，但两个作用基团只互相吸引并不相碰。因为当它们靠得很近时，电子云之间会发生排斥，从而产生范德华斥力。因此，上述两个基团之间的作用距离是由范德华引力和范德华斥力的平衡来决定的，这种距离称为范德华力间距。,29,迄今所测得的蛋白质构象都显示出蛋白质分子内的基团是紧密堆积的。这表明。在蛋白质分子内无疑存在着范德华力。作用：对维持和稳定蛋白质的三、四级结构具有 一定的贡献。Van der Waals 力在维持蛋白质的构象中虽有一定的作用，但可能非常有限。,30,四、离子键(盐键、盐桥或静电作用力)是由带相反电荷的两个基团间的静电吸引所形成的 在蛋白质分子中，通常有带正电荷的基团和带负电荷的基团:带正电荷的基团-N-末端的-NH3+肽链中赖氨酸残基的NH3+精氨酸残基的胍基；带负电荷的基团-C一末端的-COO 肽链中天冬氨酸残基的-COO-谷氨酸残基的COO,31,在蛋白质空间结构与环境都适宜的情况下，上述基团中有一部分是相互接近而形成离子键的。高浓度的盐、过高或过低的pH值，可以破坏蛋白质构象中的离子键-蛋白质变性的主要原因,32,五、配位键配位共价键简称“配位键”是指两原子的成键电子全部由一个原子提供所形成的共价键。其中，提供所有成键电子的称“配位体（简称配体）”、提供空轨道接纳电子的称“受体”。,金属离子与蛋白质的连接一般通过配位键:如铁氧还原蛋白、细胞色素C等-含有铁离子 胰岛素等-含有锌离子。金属离子通过配位键参与维持和稳定蛋白质的三、四级结构。若用螯合剂从蛋白质中除去金属离子则:1.蛋白质分子便解离成亚基,导致生物活性丧失 2.或者是三级结构遭到局部破坏,34,5.二硫键（-S-S-）是两个硫原子之间所形成的共价键。作用:它可以把不同的肽链、或同一条肽链的不同部 分连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有 重要作用.在某些蛋白质中，二硫键一旦遭到破坏，则蛋白质 的生物活性立即丧失。若二硫键的数目多，则蛋白质分子抗拒外界变性因 素的能力也强，蛋白质三级结构的稳定性也高(角蛋白),二硫键的种类有多种,36,综上:氢键、疏水作用力、范德华力和离子键这四种次级键-是维持和稳定蛋白质分子构象的主要作用力。二硫键和配位键这两种共价键-参与维持和稳定蛋白质的三级或四级结构。,37,例：胰岛素,胰脏中胰岛-细胞分泌的一种蛋白质激素。功能：降低血糖。结构：A链：21aa；B链：30aa；链间有两对二硫键；在A链内aa6和aa11间以二硫键连成小环。如：牛胰岛素,39,第三节 蛋白质分子的结构,40,一、肽(peptide),（一）肽（peptide)：AA通过肽键连接形成的化合物叫肽；,两分子AA缩合形成二肽，三分子AA缩合则形成三肽,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽键：一个AA的-COOH与另一个AA的-NH2脱水缩合而形成的化学键.,42,寡肽（oligopeptide)：20个以下氨基酸组成。,多肽（polypeptide)：20-50个氨基酸形成.蛋白质(protein)：50个以上氨基酸组成。肽链中的氨基酸已非完整分子，称氨基酸残基(animo acid residue)。,肽的命名：某氨基酰某氨基酰.某氨基酸.,N末端(氨基末端)，常写在左端；C末端(羧基末端)，常写在右端.,肽的简写：Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu或SGYAL,Ser Gly Tyr Ala Leu,44,肽单位和二面角 多肽链的基本结构:,肽单位,45,肽单位空间结构特征:1.肽单位是刚性平面结构。肽单位上 的六个原子都处于同一平面上。2肽键具有局部双键性质，不能自由旋转。3.在肽单位上，两个C是反式构型。,46,二面角,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。,47,一级结构二级结构三级结构四级结构,蛋白质的分子结构包括：,丹麦科学家Linderstrom-Lang,二、蛋白质的结构,48,Pr 的一级结构:Pr中N-端到C-端的AA排列顺序.维系的键:肽键，二硫键 一级结构决定高级结构 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础.但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素.Pr 的高级结构:二级 三级 四级结构,49,(一)二级结构及其基本类型1.二级结构:是指多肽链主链骨架中的若干肽段所形成的有规则的空间排布（如-螺旋、-折叠和-转角)或无规则的空间排布（如无规则卷曲）。主要包括:主链原子局部的空间排布，不涉及侧链的构象以及与其他肽段的关系。维系的主要化学键：H 键,50,2.二级结构的基本类型:-螺旋-折叠-转角 无规卷曲,51,-螺旋(-helix)：（1）主链形成右手螺旋或左手螺旋（2）每圈螺旋占3.6个AA残基，螺距0.54nm;（3）螺旋中氨基酸残基的侧链伸向 外侧；（4）相邻螺圈之间形成链内氢键，取向与中心轴平行。氢键:是由肽键上的N-H上的氢和第四 个肽键的C=O上的氧之间形成的。化学键：氢键,a螺旋的稳定性最好，各种氨基酸都有折叠成a螺旋的倾向。,（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.（2）AA残基的侧链R基交替分布在片层上下.（3）肽链按层排列，靠链间氢键维持其结构的稳定性，-折叠结构的氢键是由相邻肽链主链上的NH上的氢和CO上的氧间形成的.链间氢键方向与链方向垂直（4）-折叠可由一条多肽链折返而成，或由两条以上多肽链顺向或逆向平行排列而成.,-折叠(-pleated sheet)：-片层、-结构,平行式反平行式,55,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。-折叠是某些纤维状蛋白质的基本构象，也普遍存在于球状蛋白质中。-折叠的蛋白质稳定性较差。,-转角(-turn)（-弯曲、-发夹结构）发生于肽链进行180回折时的转角上.,通常有四个AA残基组成，第一个残基的羰基O与第四个氨基H形成氢键。第二个残基常为Pro（Gly、Asp、Asn、Trp）,此结构广泛存在球状蛋白中，球蛋白的紧密球形在于肽链走向的多次逆转，主要是通过-转角实现的。主要在各种二级结构之间起连接作用。,57,无规卷曲(random coil)多肽链骨架上的肽段在空间上的不规则排布，无明确规律性。通常酶蛋白的功能部位在此。在一般的球蛋白分子中，含有大量的无规则卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。,59,在不同的蛋白质中，二级结构的分布和作用却很不一样:纤维蛋白-二级结构就是其分子的基本结构，并在 基本的方面决定了分子的性能。哺乳动物的角蛋白:二级结构主要是-螺旋。丝和昆虫纤维，其二级结构主要是-折叠。胶原蛋白，三股螺旋是它的基本结构。球蛋白-二级结构是分子三维折叠的基本要素，对分子的骨架形成具有重要作用。,60,、蛋白质的超二级结构和结构域超二级结构(supersecondary structure）*：由相邻的几个二级结构相互作用形成有规则的组合体。是特殊的序列或结构的基本组成单元，又称基序或模序（motif)*.可进一步组建成结构域。超二级结构包括：、组合。,63,蛋白质的结构域*（Domain）：在超二级结构的基础上进一步组合折叠形成半独立较紧密的球状结构，具有简单的生物学功能。1.与蛋白质分子整体以共价键相连，一般难以分离，这是与亚基的区别.2.结构域之间有裂隙，是 结合位点或活性位点。3.大的蛋白质可有多个结 构域。,纤连蛋白分子的结构域,64,结构域的特点：1.各个结构域有不同的组成，有些有一定的规律，有 些无。2.一个Pr分子内的结构域，可以十分相似，也可完全 不同。3.结构域大小一般为100-200残基（少40 多400）4.结构域连接，有的只靠一段肽段，有的是靠接触面。,65,结构域(domain)：,66,结构域有两个重要的功能*：第一，像亚基那样，能作为一个模式结构来有效地参与 蛋白质分子的装配。独立结构域的存在可以把蛋白质肽链的折叠、盘 曲过程简化为个别的简单步骤。这对于分子量很大的蛋白质来说更显得特别重要。第二，结构域能够活动。对底物的结合、变构控制以及 巨大结构的装配具有决定作用。,68,(二)蛋白质分子的三级结构三级结构：是指一条多肽链在二级结构、超二级结构和 结构域的基础上进一步盘曲或折叠，形成包 括主、侧链在内的专一性空间排布。即整条肽链的三维结构。维系的化学键：次级键(疏水作用、氢键、离子键、范德华力）有些pr只有三级结构。,69,单链蛋白质-是分子本身的特征性立体结构；多链蛋白质-是各组成链（亚基）的主链和侧链的空间 排布 重要的生命活动都与蛋白质的三级结构直接相关并且对三级结构有严格的要求。三级结构是蛋白质构象中的一个至关重要的等级或层次，从整体看，它实际包含着除亚基缔合以外的蛋白质分子结构的全部内容。,70,蛋白质分子三级结构的基本特征（以球状Pr为例）（1）在蛋白质分子中，一条多肽链往往是通过一部分-螺旋、一部分-折叠、一部分-转角和一部分无规则卷曲形成 紧密的球状结构（2）在蛋白质分子中，大多数非极性侧链总是埋在分子的内部，形成疏水核；大多数极性侧链总是暴露在分子的表面上，极性基团的种类、数目与排布决定了蛋白质的功能。,71,（3）在蛋白质分子的表面，有一个内陷的空穴（裂隙、凹槽、袋）-疏水区，能够容纳一个或两个小分子配体,或大分 子配体的一部分。酶分子-此空穴正好容纳一个或两个小分子底物，或大分子 底物的一部分，即酶分子的活性部位。如：肌红蛋白 血红蛋白 此空穴正好容纳一个血红素分子。细胞色素C,73,（三）蛋白质的四级结构,亚基：在体内有许多Pr分子含有两条或多条多肽链，每一条 多肽链都有其完整的三级结构，称为Pr的亚基（subunit）。亚基之间呈特定的三维空间排布，并以次级键 相连接。四级结构：蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部 位的布局和相互作用.维系的力：次级键(氢键、离子键、疏水作用和范得华力）,74,亚基是独立的结构单位，但不是独立的功能单位。亚基单独存在时无完整的生物学功能.只有缔合成完整的四级结构才具有生物活性。,血红蛋白:2个亚基和2个亚基,75,寡聚蛋白-多个亚基组成的蛋白质。寡聚蛋白的四级结构对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。亚基数目从2个到几十，几百个不等。通常亚基用字母表示。如：血红蛋白-2、2四聚体 烟草花叶病毒的外壳蛋白-2130个相同的亚基组成,76,77,蛋白质的四种结构层次,暨南大学医学院莫宏波,motif,domain,78,第三节 蛋白质分子结构与功能的关系 一、蛋白质的一级结构与功能的关系1.一级结构决定高级结构（Anfinsen经典实验),79,2.一级结构与功能的关系（1）一般而言，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。蛋白质具不同的一级结构和空间结构，因此各具不同的功能。（2）一级结构改变（或氨基酸的改变）对功能的影响：蛋白质分子中非关键部位一些氨基酸残基的改变或缺失，并不会影响蛋白质分子的生物活性；另一方面，蛋白质分子关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其功能，甚至造成疾病。,80,例如1.人、猪、牛的胰岛素A链中8、9、11位 氨基酸残基不同 存在种族差异，但这并不B链中30位 影响其降低血糖浓度的共同生理功能2.人群中不同个体间同一种蛋白质也会有氨基酸的不同或差异，但这也不影响他们在不同个体中担负着相同的生理功能。3.若是分类上从脂肪族换成了芳香族氨基酸，即蛋白质之间的免疫原性就差异较大，由这些蛋白质组成的人体组织、器官，在临床上进行移植时，就更产生排异反应.,例：镰刀形红细胞贫血,82,镰刀型贫血病血红蛋白仅一级结构中：6Glu换成6Val 由此引起三级结构多一疏水键，四级结构发生线性缔合，导致红细胞发生溶血。,83,二、空间结构与功能的关系当蛋白质构象发生改变时会引起蛋白质功能的改变或丧失。例如:酶在某些因素如高温、紫外线照射等作用下，空间结构受破坏而一级结构没改变，但酶分子的催化功能丧失。有些蛋白质在表现其生物学活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象称为别构现象。,正常成人Hb有4个亚基（2、2）每个亚基结合1个能携带氧的血红素血红素分子中4个吡咯环构成卟啉结构，环的中心是Fe2+,Fe2+共有 6个配位键:4个与血红素中4个吡咯氮原子结合;l个与Hb 或亚基中1个组氨酸残基(称近位组氨酸）侧链上的咪唑基团相结合;空着的1个配位键可与O2可逆地结合，氧分压较高的环境中与O2 结合,氧分压较低的环境中释放出O2。,85,当 Hb 未结合O2时，其处于一种结构紧密型（T型）状态，这时它与 O2 的亲和力小，与 O2 结合速度慢。但只要 Hb 第一个亚基与 O2 结合后，其构象发生改变￥，与 O2 结合力增强，随着第二第三个亚基与 O2 结合后，连接于亚基之间的离子键逐个断裂，引起 Hb 由紧密型（T型）构象逐步变成松弛型（R型），导致 Hb 与 O2 的亲和力逐步增强，很快达到与O2饱和。可见蛋白质的构象与功能有密切关系,86,别构效应（allosteric effect）寡聚蛋白质的一个亚基和配体结合后构象发生了改变，这种构象的变化传递可影响其他亚基的构象，进而改变了分子的生物学活性。协同作用-各亚基之间的相互作用 是通过亚基间构象改变的传递作用产生的。若亚基结合的配体相同，为同种协同效应，如配体不同则为异种协同效应 正协同效应：1个亚基和配体结合，使其它亚 基与配体的结合更容易了 负协同效应：-更困难了。,蛋白质构象改变与疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病，称蛋白构象疾病。如疯牛病，老年痴呆症等。,90,蛋白质的结构与功能之间的关系主要表现在两方面：1.蛋白质的高级结构是由一级结构氨基酸顺序决定的。2.蛋白质的高级结构是蛋白质分子发挥其生物功能的重要保证。,思考题：以PKA为例，论述蛋白质结构与功能的关系？,