1、赵蕊赵蕊 副教授副教授基因工程研究所基因工程研究所104第一篇第一篇 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能2012.09生物大分子生物大分子 ？v特点：特点：分子量较大（分子量较大（104），结构复杂），结构复杂v定义：定义：由一定的由一定的基本结构单位基本结构单位按一定的顺序和方按一定的顺序和方式连接而成的式连接而成的多聚体多聚体v种类：种类：蛋白质、核酸、聚糖、聚脂蛋白质、核酸、聚糖、聚脂2012.09第一章第一章 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein2012.09什么是蛋白质什么是蛋白质?蛋白质蛋白质(protei
2、n，Pr)是由是由氨基酸氨基酸组成的、具有组成的、具有特定空间构象特定空间构象和和生物活性生物活性的生物大分子。的生物大分子。2012.09蛋白质是生命活动的物质基础蛋白质是生命活动的物质基础含量多：含量多： 湿重：约占体重的湿重：约占体重的1722% ； 干重：约占细胞干重：约占细胞干重干重45%种类多：种类多： 一个大肠杆菌：一个大肠杆菌：3000种种 一个真核细胞：数千种一个真核细胞：数千种 人体内蛋白质：人体内蛋白质： 10万种万种 生物界：约生物界：约1百亿种百亿种分布广：分布广： 所有器官、组织都含有蛋白质；所有器官、组织都含有蛋白质； 细胞的各个部分都含有蛋白质细胞的各个部分都含
3、有蛋白质2012.091）作为生物催化剂）作为生物催化剂: 酶酶2）代谢调节作用）代谢调节作用: 激素、生长因子激素、生长因子3）免疫保护作用）免疫保护作用: 免疫球蛋白免疫球蛋白4）物质的转运和存储）物质的转运和存储: 血红蛋白、血浆脂蛋白血红蛋白、血浆脂蛋白5）运动与支持作用）运动与支持作用: 肌肉蛋白肌肉蛋白6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递: G蛋白蛋白u特殊生物学功能特殊生物学功能u氧化供能氧化供能u参与构成各种细胞及组织参与构成各种细胞及组织功能多：功能多：蛋白质是生命活动的执行者蛋白质是生命活动的执行者2012.09蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能 内容内容 蛋白质的分子
4、组成蛋白质的分子组成1 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构2 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系3 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质4 蛋白质的分离纯化与结构分析蛋白质的分离纯化与结构分析5The Molecular Component of Protein第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成2012.09一、一、 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成主要有主要有C、H、O、N和和S, 其次有少量的其次有少量的P, Fe, Cu, Zn, Mn, I, 。2012.09 各种蛋白质的各种蛋白质的含氮量很接近含氮量很接近，平均为，平均为16 含氮量的测定含氮量的测定: 凯氏定氮法凯
5、氏定氮法 蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点100g Pr含氮含氮16gPr克数克数=样品中含氮克数样品中含氮克数6.251g氮氮=6.25g Pr2012.09三聚氰胺三聚氰胺(C3H6N6)2008年年“三鹿奶粉事件三鹿奶粉事件 ”2012.09二、氨基酸二、氨基酸(amino acids, aa) 组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，但参与余种，但参与蛋白质合成的氨基酸仅有蛋白质合成的氨基酸仅有20种，且均属种，且均属L-氨基氨基酸酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。2012.09D-丙氨酸H+N H3C O O-C H3D
6、-甘油醛HO HC H OC H2O HL-丙氨酸L-甘油醛H3N+HC O O-C H3C HOC H2O HHH O2012.09H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L- -氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H2012.091. 碳原子上都有一个碳原子上都有一个-氨基和一个氨基和一个-羧基羧基 它们都属于它们都属于-氨基酸氨基酸。 2. 除除甘氨酸甘氨酸外外,碳原子均为碳原子均为手性碳原子手性碳原子 每一种每一种aa有两种构型：有两种构型：D-型和型和L-型。型。 组成天然蛋白质的组成天然蛋白质的20种种aa，都属，都属L-型型aa。参与蛋白质合成的参与蛋白质合成的20种种aa的共同
7、特点的共同特点:2012.091. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 (6种种)2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 (6种种)3. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸 (3种种)4. 酸性氨基酸酸性氨基酸 (2种种)5. 碱性氨基酸碱性氨基酸 (3种种)三、氨基酸的分类三、氨基酸的分类（按侧链理化性质）（按侧链理化性质）2012.09( (一一) ) 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸2012.09( (二二) ) 极性中性氨基酸极性中性氨基酸2012.09( (三三) ) 芳香族氨基酸芳香族氨基酸苯基苯基吲哚基吲哚基酚基酚基2012.09( (四四) ) 酸性氨基酸酸性氨基酸2012.09( (
8、五五) ) 碱性氨基酸碱性氨基酸咪唑基咪唑基胍基胍基2012.09 20种氨基酸的名称及缩写代号种氨基酸的名称及缩写代号2012.09根据侧链根据侧链R基团的结构基团的结构根据侧链根据侧链R基团的酸碱性基团的酸碱性酸性酸性aa碱性碱性aa中性中性aa脂肪族脂肪族aa芳香族芳香族aa杂环杂环aa杂环亚杂环亚aa其他分类方法其他分类方法2012.09几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸唯一亚氨基酸唯一亚氨基酸CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH22012.09甘氨酸甘氨酸唯一非唯一非L-氨基酸氨基酸H-CHCOO- +NH32012.09含硫氨基酸：含硫
9、氨基酸：含巯基的氨基酸：含巯基的氨基酸：含羟基的氨基酸：含羟基的氨基酸：支链氨基酸：支链氨基酸：蛋氨酸、半胱氨酸，蛋氨酸、半胱氨酸，蛋氨酸也叫蛋氨酸也叫甲硫氨酸甲硫氨酸。半胱氨酸半胱氨酸丝氨酸、苏氨酸丝氨酸、苏氨酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸2012.091.不存在不存在Pr分子中，常以游离形式存在的氨基酸，分子中，常以游离形式存在的氨基酸，如如瓜氨酸，鸟氨酸，同型半胱氨酸、瓜氨酸，鸟氨酸，同型半胱氨酸、D-氨基酸氨基酸等等2.没有遗传密码却出现在没有遗传密码却出现在Pr分子中的氨基酸，分子中的氨基酸，羟脯羟脯氨酸，羟赖氨酸，胱氨酸氨酸，羟赖氨酸，胱氨酸等等非编码氨基酸非编
10、码氨基酸定义：定义：参与参与Pr合成的合成的20种氨基酸种氨基酸,又称又称标准氨基酸标准氨基酸 特点：特点：有各自的遗传密码有各自的遗传密码 ；无种属特异性；无种属特异性 编码氨基酸编码氨基酸2012.09-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3+胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH32012.09四、氨基酸的理化性质四、氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点两性解
11、离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离方式取决氨基酸是两性电解质，其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。于所处溶液的酸碱度。 等电点等电点(isoelectric point, pI) 氨基酸分子所带氨基酸分子所带正、负电荷相等正、负电荷相等时，时，溶液的溶液的pH值称为该氨基酸的值称为该氨基酸的等电点等电点。2012.09pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpICHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离
12、子阴离子2012.09氨基酸等电点（氨基酸等电点（PI）的计算）的计算中性氨基酸：中性氨基酸：pI=1/2（pK1+pK2) 酸性氨基酸：酸性氨基酸： pI=1/2（pK1+pK2) 碱性氨基酸：碱性氨基酸： pI=1/2（pK2+pK3)等于兼性离子两边等于兼性离子两边pK值的平均值值的平均值2012.09CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+H+H+K1K2A0A+A-中性氨基酸中性氨基酸pI计算计算pI=1/2（pK1+pK2）2012.09+H+H
13、+H+K1K2K3A+A0A-A2-OHOHN+OOCHCCCH2HHHO-OHN+OOCHCCCH2HHHO-O-NOOCHCCCH2HHO-O-N+OOCHCCCH2HHH2.093.869.82pI=(2.09+3.86)/2=2.97酸性氨基酸酸性氨基酸pI计算计算pI=1/2（pK1+pK2)2012.09COCHNH3+NH3+CH2CH2CH2CH2OHCOCHNH3+NH3+CH2CH2CH2CH2O-COCHNH2NH3+CH2CH2CH2CH2O-COCHNH2NH2CH2CH2CH2CH2O-K1K2K3A2+A+A0A-+H+H+H+2.188.9510.53pI=(8
14、.95+10.53)/2=9.74碱性氨基酸碱性氨基酸pI计算计算pI=1/2（pK2+pK3)2012.09两性解离及等电点应用：两性解离及等电点应用：1. 电泳分离氨基酸电泳分离氨基酸2. 离子交换树脂分离氨基酸离子交换树脂分离氨基酸例：有一混合氨基酸溶液，各种氨基酸的例：有一混合氨基酸溶液，各种氨基酸的pI为为4.6；5.0；5.3；6.7；7.3。电泳时欲使其中。电泳时欲使其中4种泳向正极，种泳向正极，缓冲液的缓冲液的pH应该是：应该是：vA 4.2 vB. 5.2 vC. 6.2 vD. 7.2 vE. 8.22012.092. 紫外吸收紫外吸收芳香族芳香族aa分子中分子中有有共轭双
15、键共轭双键而对紫外而对紫外光有吸收作用，最大光有吸收作用，最大吸收峰在吸收峰在 280 nm 附近，附近，且光吸收强度与且光吸收强度与aa浓浓度成正比。度成正比。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收苯丙氨酸苯丙氨酸应用：应用： Pr的定量测定的定量测定2012.093. 茚三酮反应茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色蓝紫色化合物化合物，其最大吸收峰在，其最大吸收峰在570nm处。处。2012.09应用：应用：法医学上，用于采集犯罪现场留下来的指纹法医学上，用于采集犯罪现场留下来的指纹2012.09五、肽五、肽(peptide)* 肽键肽键(
16、peptide bond)是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 -羧基羧基与另一个氨基酸的与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合而形成的氨基脱水缩合而形成的酰胺键。酰胺键。（一）肽与肽键（一）肽与肽键2012.09NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO2012.09肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽 三分子氨
17、基酸缩合则形成三分子氨基酸缩合则形成三肽三肽 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽寡肽(oligopeptide) 。 由十个以上更多的氨基酸相连形成的肽称由十个以上更多的氨基酸相连形成的肽称多肽多肽(polypeptide)。2012.09* 多肽是链状化合物，故又称多肽是链状化合物，故又称多肽链多肽链(polypeptide chain) * 多多肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。2012.09N 端（氨基末端）：端（氨基末端）：多肽链中有多肽链中有自由氨基
18、自由氨基的一端的一端C 端（羧基末端）：端（羧基末端）：多肽链中有多肽链中有自由羧基自由羧基的一端的一端多肽链有两端多肽链有两端多肽链有方向性：多肽链有方向性：N 端端 C 端端2012.09N端端C端端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶2012.09书写：书写：可用略号，可用略号，N端写于左侧，用端写于左侧，用H-或或H2N-做做标记，标记，C端于右侧用端于右侧用-COOH或或-OH表示。表示。命名：命名：简单命名简单命名, ,甘异缬甘异缬肽肽 详细命名为详细命名为酰酰酰酰酸。酸。肽链中氨基酸残基顺序的书写及命名肽链中氨基酸残基顺序的书写及命名2012.09蛋白质和多肽两词没有严格的界限，蛋白质和多肽
19、两词没有严格的界限，它们都是氨基它们都是氨基酸的多聚物，许多场合常常混为一谈。酸的多聚物，许多场合常常混为一谈。通常把由通常把由39个个aa残基残基组成的促肾上腺皮质激素组成的促肾上腺皮质激素（ACTH）作为多肽，而把）作为多肽，而把51个个aa残基残基的胰岛素归的胰岛素归属属Pr，这就是习惯上的多肽与，这就是习惯上的多肽与Pr的分界线。的分界线。多肽和蛋白质的关系多肽和蛋白质的关系2012.09（二）（二） 几种生物活性肽几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH) - - 羧基羧基2012.09GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG
20、GSH还原酶还原酶NADPH+H+ NADP+ GSH与与GSSG（氧化型谷胱甘肽）（氧化型谷胱甘肽）间的转换间的转换 2012.09 GSH的功能的功能抗氧化作用：抗氧化作用：GSH的巯基具有还原性，是细胞内重要的还原剂，可保护结构蛋白或功能蛋白中的-SH不被氧化，从而保护蛋白质的生物学活性；还原细胞内产生的H2O2 ，避免细胞受损解毒功能：解毒功能：-SH本身负电性强，亲核性大。故可与亲电子的毒物如致癌剂和药物结合，从而避免这些毒物和DNA、RNA、Pr结合，保证DNA、RNA、Pr功能不受影响。2012.09 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽：神经肽：脑啡肽、内啡
21、肽脑啡肽、内啡肽2. 多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽2012.09 小小 结结v 蛋白质的生物重要性蛋白质的生物重要性v 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成: C、H、O、N（16%）、S 凯氏定氮法测蛋白质含量凯氏定氮法测蛋白质含量v 组成蛋白质的基本单位是组成蛋白质的基本单位是20种种L- 氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）（甘氨酸除外）v 氨基酸的分类（氨基酸的分类（5类类）: 结构、结构、三字符号三字符号v 氨基酸的性质：氨基酸的性质： 两性解离与两性解离与等电点等电点、紫外吸收（紫外吸收（280nm）、茚三酮反应、茚三酮反应v 肽及相关的概念肽及相关的概念 氨基酸残基氨基酸残基v 生物活
22、性肽：生物活性肽： GSHThe Molecular Structure of Protein 第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构2012.092012.09一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)高级结构高级结构空间构象空间构象蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构2012.09v构象（构象（conformation): 即空间构象或立体结构，指即空间构象或立体结构，指分子中原子或基团在三维空间的取向
23、和定位，也就分子中原子或基团在三维空间的取向和定位，也就是三维结构。是三维结构。构象的改变不涉及共价键的改变构象的改变不涉及共价键的改变，也，也没有光学活性的改变。没有光学活性的改变。v构型（构型（configuration)： 指原子在分子中呈光学不对指原子在分子中呈光学不对称排布的一种立体结构。构型有两种，即称排布的一种立体结构。构型有两种，即D型和型和L型，型，只有分子的共价键断裂，才能使一种构型变成另一只有分子的共价键断裂，才能使一种构型变成另一种构型。种构型。 2012.09肽键肽键二硫键二硫键氢键氢键盐键盐键疏水键疏水键范德华力范德华力主主 键键包括包括共价键共价键非共价键非共价键
24、（次级键次级键）蛋白质分子中的化学键蛋白质分子中的化学键 副副 键键（van de waals）2012.09d稳定蛋白质构象的化学键稳定蛋白质构象的化学键d d 范德华力范德华力氢氢 键键疏水键疏水键范德华力范德华力离子键离子键2012.09稳定蛋白质构象的化学键稳定蛋白质构象的化学键2012.09定义定义: 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸从蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸从N-端至端至C-端的排列顺序。端的排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是由遗传信息来决定的蛋白质的一级结构是由遗传信息来决定的氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序?2012.09v研究一级结构
25、的意义：v 氨基酸序列是蛋白质的生物学活性的分子基础；v 一级结构是空间结构的基础，包含了形成特定空间结构所需的全部信息，但不是决 定Pr空间结构的唯一因素；v 众多遗传疾病的物质基础是相关蛋白质的氨基酸序列产生变异；v 研究氨基酸序列可以阐明生命进化史，氨基酸序列的相似性越大，物种之间的进化关系越近。2012.09u 1965年我国科学家首先人工合成年我国科学家首先人工合成u 1954年年Sanger阐明了其一级结构阐明了其一级结构胰岛素胰岛素2012.09维持蛋白质一级结构的主要化学键维持蛋白质一级结构的主要化学键: 主要是主要是肽键肽键，另外还有，另外还有二硫键二硫键胰岛素胰岛素2012
26、.092012.09欧洲分子生物学实验室欧洲分子生物学实验室EMBLv The EuropeanMolecularBiology Laboratory)于于1974年年由欧洲由欧洲14个国家加上亚洲的以色列共同发起建立，包括一个个国家加上亚洲的以色列共同发起建立，包括一个位于德国位于德国Heidelberg的核心实验室，及三个位于德国的核心实验室，及三个位于德国Hamburg，法国，法国Grenoble及英国及英国Hinxton的研究分部。由于的研究分部。由于具有开放和创新的良好学术氛围，具有开放和创新的良好学术氛围，EMBL已发展成欧洲最重已发展成欧洲最重要和最核心的分子生物学基础研究和教育
27、培训机构。要和最核心的分子生物学基础研究和教育培训机构。v EMBL-DNA数据库于数据库于1982年由年由EMBL建立，与美国的建立，与美国的GenBank及日本的及日本的DDBJ共同组成全球性的国际共同组成全球性的国际DNA数据库，数据库，近年来发展很快，在近年来发展很快，在1995年数据量成倍递增。年数据量成倍递增。EBI是是EMBL在英国在英国Hinxton的分部，主要负责建立的分部，主要负责建立EMBLDNA数据库，数据库，可进行核苷酸序列检索及序列相似性查询。可进行核苷酸序列检索及序列相似性查询。2012.092012.09GenBank简介简介 v GenBank包含所有已知的核
28、苷酸及蛋白质序列、以及与之相包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、以及与之相关的生物学信息和参关的生物学信息和参 考文献，是美国生物技术信息中心考文献，是美国生物技术信息中心（NCBI）建立并维护的，是世界上的权威序列数据）建立并维护的，是世界上的权威序列数据 库。库。v 数据库序列的来源为作者直接递交或间接查寻文献所得，并数据库序列的来源为作者直接递交或间接查寻文献所得，并与世界上其他公开发与世界上其他公开发 行的数据库，如行的数据库，如EMBL，DDBJ交换每交换每日更新的数据。日更新的数据。v GenBank发展极为迅速，仅发展极为迅速，仅1995年一年里增加的序列数据量，年一年里增加的序列
29、数据量，即超过以往即超过以往14年的年的 累加数目。累加数目。1995年的年的90.0版本含有版本含有492,483个不同的序列，总长度超过个不同的序列，总长度超过353,713,490个个 碱基。碱基。v GenBank每条数据包含对序列的精确描述，序列来源生物的每条数据包含对序列的精确描述，序列来源生物的科学名称及树状分科学名称及树状分 类，以及特征数据栏，提供序列的蛋白编类，以及特征数据栏，提供序列的蛋白编码区和具有特殊生物学意义的位点，如转录码区和具有特殊生物学意义的位点，如转录 单位单位(transcription units)、突变或修饰位点、突变或修饰位点(sites of mu
30、tationsor modifications)及重复序列及重复序列(repeats），还提供特定序列编码的），还提供特定序列编码的蛋白质序列。蛋白质序列。2012.09二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋白质分子中蛋白质分子中某一段肽链某一段肽链的局部空间的局部空间结构，即该段肽链结构，即该段肽链主链骨架原子主链骨架原子的相对空的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。定义定义 特点特点：1. 局部或某一段肽链局部或某一段肽链2. 主链构象（主链构象（-N-C-C-N-C-C-)3. 不含侧链（不含侧链（R）的构象）的构象2012.09*主链骨
31、架：主链骨架：NCC NCC NCC*侧链：侧链：肽链中肽链中aa残基中的残基中的R基团基团2012.09v 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( -pleated sheet ) -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) v 主要的化学键：主要的化学键：氢键氢键 2012.09（一）肽单元（一）肽单元肽键肽键-CO-NH-中的四个原子中的四个原子和它相邻的两个和它相邻的两个-碳原子位碳原子位于同一平面，构成了所谓的于同一平面，构成了所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。2012
32、.091、肽单元中的、肽单元中的N-C键具有部分键具有部分双键双键性质，不能性质，不能自由旋转。自由旋转。 2、肽键中的、肽键中的N-C键具有双键性质，就会有顺反键具有双键性质，就会有顺反不同的立体异构，已证实为不同的立体异构，已证实为反式构型反式构型。3、C- C 是单键，可自由旋转，也正由于这两个是单键，可自由旋转，也正由于这两个单键的自由旋转角度，决定了相邻肽单元之间的单键的自由旋转角度，决定了相邻肽单元之间的相对空间位置。相对空间位置。肽单元的主要内容肽单元的主要内容2012.09 - -螺旋：螺旋：多肽链的主链多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所原子沿一中心轴盘绕所形成的右手螺旋结构。形
33、成的右手螺旋结构。左手螺旋左手螺旋 右手螺旋右手螺旋 （二）（二） -螺旋（螺旋（ - helix）2012.09L Pauling（鲍林鲍林）（19011994）The Nobel Prize in Chemistry (1954) “for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex substances”The Nobel Peace Prize (1962)2012.09特点：特点：（1）右手螺旋）
34、右手螺旋（2）3.6残基残基/螺旋螺旋 螺距螺距0.54nm0.54nm （3）维持键：氢键）维持键：氢键（4）R基在螺旋外侧基在螺旋外侧2012.09 - -螺旋结构螺旋结构2012.09角蛋白角蛋白 Keratinv广泛存在于动物的广泛存在于动物的毛发毛发、甲、角、鳞和羽等，角蛋白中主、甲、角、鳞和羽等，角蛋白中主要的是要的是 -角蛋白。角蛋白。v -角蛋白主要由角蛋白主要由 -螺旋构象的多肽链组成。一般是由螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条三条右手右手 -螺旋肽链形成一个原纤维螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有，原纤维的肽链之间有二二硫键硫键交联以维持其稳定性。交联以维持其稳定性
35、。2012.09卷发的生化原理卷发的生化原理2012.09（三）（三） -折叠折叠（ -pleated sheet ） 两段或两段以上折叠成锯齿状的多肽链通过氢两段或两段以上折叠成锯齿状的多肽链通过氢键相连进而形成较伸展的片层结构。键相连进而形成较伸展的片层结构。2012.092012.09肽键平面折叠成肽键平面折叠成锯齿状（折纸状），锯齿状（折纸状），R基交错位于齿状结基交错位于齿状结构上下方构上下方 氢键氢键维持稳定，与主链长轴垂直维持稳定，与主链长轴垂直 两条以上肽链并列时，两条以上肽链并列时， -折叠有折叠有特点：特点：顺向顺向反向反向平行平行2012.09-折折叠叠：平行式和反平行式
36、：平行式和反平行式2012.09 - -折叠结构折叠结构2012.09v丝蛋白是典型的反平行丝蛋白是典型的反平行式折叠，多肽链呈锯齿式折叠，多肽链呈锯齿状折叠构象。状折叠构象。丝蛋白丝蛋白(fibroin)2012.09-螺旋和螺旋和 -折叠结构比较折叠结构比较区别点区别点 -螺旋螺旋 -折叠折叠形形 状状氢氢 键键R基团基团延伸性延伸性举举 例例2012.09-螺旋和螺旋和 -折叠结构比较折叠结构比较区别点区别点 -螺旋螺旋 -折叠折叠形形 状状 螺旋状螺旋状 锯齿状锯齿状氢氢 键键 链内，与长轴平行链内，与长轴平行 链间，与长轴垂直链间，与长轴垂直R基团基团 较大较大 较小较小延伸性延伸性
37、 较大较大 较小较小举举 例例 毛发角蛋白毛发角蛋白 蚕丝蛋白蚕丝蛋白2012.09（四）（四） -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 -转角：转角：是多肽链是多肽链180回回折部分所形成的一种二级折部分所形成的一种二级结构。结构。无规卷曲：无规卷曲：是用来阐述没有确定规律性的那部是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。分肽链结构。 2012.092012.09无规卷曲结构无规卷曲结构serine proteinase inhibitorsea anemone toxinEGF-like domaininsulincomplement C-module domainsnake toxin2012.
38、09 限制性内切核酸酶限制性内切核酸酶BamHI的三级结构的三级结构 -转角转角 -折叠折叠无规卷曲无规卷曲 -螺旋螺旋2012.09（五）超二级结构、模体和结构域（五）超二级结构、模体和结构域在许多蛋白质分子中，可发现在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个二个或三个具具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个个有规则的二级结构组合有规则的二级结构组合，被称为，被称为超二级结构超二级结构。1. 超二级结构超二级结构2012.092012.09二个或三个具有二级结构的肽段，在空间二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，上相互接近，形成一个特殊的
39、空间构象，形成一个特殊的空间构象，称为称为模体模体(motif) 。模体是具有模体是具有特殊功能特殊功能的超二级结构的超二级结构2. 模体模体(motif) 2012.09钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构模体常见的形式模体常见的形式2012.09Zinc finger是一种常出现在是一种常出现在DNA结合蛋结合蛋白中的一种结构。由一个含白中的一种结构。由一个含有大约有大约30个氨基酸的环和一个氨基酸的环和一个与环上的个与环上的4个个Cys或或2个个Cys和和2个个His配位的配位的Zn2+构成，构成，形成的结构像手指状。形成的结构像手指状。 2012.0
40、9纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 结构域是位于超二级结构和三级结构间的一个层次，结构域是位于超二级结构和三级结构间的一个层次，通常都是通常都是几个超二级结构单元的组合几个超二级结构单元的组合，各有独特的空间构各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能象，并承担不同的生物学功能。3. 结构域结构域(domain) 2012.09蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次2012.09蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次 一级结构一级结构（肽链结构，指多肽链中的氨基酸排列顺序）（肽链结构，指多肽链中的氨基酸排列顺序） 二级结构二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形成的有规律性的结构）（多肽链主链骨架盘绕折
41、叠形成的有规律性的结构） 超二级结构（模体）超二级结构（模体）（相邻二级结构的聚集体）（相邻二级结构的聚集体） 结构域结构域（在空间上可明显区分的相对独立的区域性结构）（在空间上可明显区分的相对独立的区域性结构） 三级结构三级结构（蛋白质中所有原子在空间的相对位置）（蛋白质中所有原子在空间的相对位置） 四级结构四级结构（亚基聚合体）（亚基聚合体） 2012.09（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 -螺旋螺旋
42、或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。 2012.091）氨基酸侧链所带的）氨基酸侧链所带的电荷电荷 同性相斥，异性相吸；同性相斥，异性相吸；2）侧链的）侧链的大小大小：侧链大不易形成；：侧链大不易形成；3）侧链的）侧链的形状形状：脯氨酸不能形成：脯氨酸不能形成1、影响、影响-螺旋形成的因素螺旋形成的因素：2、影响、影响-折叠形成的因素：折叠形成的因素： 要求要求侧链较小侧链较小2012.09三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中位置。即肽链中所有原子所有原子在三维空间的排布在三
43、维空间的排布位置。位置。（一）（一） 定义定义 2012.09N 端端 C端端肌红蛋白肌红蛋白（myoglobin,Mb）2012.09肌红蛋白肌红蛋白（myoglobin,Mb）存在部位：存在部位：心肌、骨骼肌心肌、骨骼肌功能：功能：贮存氧贮存氧组成组成： 153aa的单肽链血红素的单肽链血红素结构：结构：球状蛋白球状蛋白2012.09 疏疏 水水 键：数量最多键：数量最多 盐盐 键键 氢氢 键键 范德华力范德华力 此外，某些此外，某些Pr还有还有二硫键二硫键参与稳定三级结构参与稳定三级结构维持三级结构的化学键维持三级结构的化学键主要靠非共价键主要靠非共价键2012.09二硫键二硫键2012
44、.09（二）分子伴侣（二）分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperon)是一类是一类能介导蛋白质进行能介导蛋白质进行正确折叠的蛋白质正确折叠的蛋白质。* 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合，防止错误折叠。可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合，防止错误折叠。 * 与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。 * 对蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起重要的对蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起重要的作用。作用。 2012.09伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用2012.09四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基
45、接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构。结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的质的亚基亚基 (subunit)。亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是氢键和离子键氢键和离子键2012.09由多个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分由多个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为子结构相同，称之为同聚体同聚体，若亚基分子结构不同，若亚基分子结构不同，则称之为则称之为异聚体异
46、聚体。 2012.09 含有四级结构的蛋白质，含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般单独的亚基一般没有生物学功能，没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生只有完整的四级结构才有生物学功能。物学功能。 由一条肽链形成的由一条肽链形成的Pr只有一、二和三级结只有一、二和三级结构，构，由两条或两条以上多肽链形成的由两条或两条以上多肽链形成的Pr才可能才可能有四级结构。有四级结构。2012.09血红蛋白的一、二、三、四级结构血红蛋白的一、二、三、四级结构2012.09血红蛋白的一、二、三、四级结构血红蛋白的一、二、三、四级结构2012.09蛋白质结构要点蛋白质结构要点定义定义化学键化学键类型类型一级一级
47、二级二级三级三级四级四级2012.09蛋白质结构要点蛋白质结构要点定义定义化学键化学键类型类型一级一级肽键肽键二级二级氢键氢键 - -螺旋螺旋 - -折叠折叠 -转角转角 无规卷曲无规卷曲三级三级次级键次级键四级四级次级键次级键2012.09五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类 * 根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 = 蛋白质部分蛋白质部分 + 非蛋白质部分非蛋白质部分* 根据蛋白质形状根据蛋白质形状 纤维状蛋白质纤维状蛋白质：难溶于水，如胶原蛋白：难溶于水，如胶原蛋白球状蛋白质球状蛋白质：溶于水，如酶、免疫球蛋白：溶于水，如酶、免疫球蛋白辅基辅基20
48、12.09分类分类辅基辅基举例举例脂蛋白脂蛋白脂类脂类血浆脂蛋白（血浆脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等）等）糖蛋白糖蛋白糖基或糖链糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等胶原蛋白、纤连蛋白等核蛋白核蛋白核酸核酸核糖体核糖体磷蛋白磷蛋白磷酸基团磷酸基团酪蛋白（酪蛋白（casein）血红素蛋白血红素蛋白血红素（铁卟啉）血红素（铁卟啉） 血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素c黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸（黄素核苷酸（FAD、FMN）琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶金属蛋白金属蛋白铁铁铁蛋白铁蛋白锌锌乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶钙钙钙调蛋白钙调蛋白锰锰丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶铜铜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶结合蛋白质及其辅基结
49、合蛋白质及其辅基 2012.09The Relation of Structure and Function of Protein第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系2012.09（一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础 举例：举例：牛核糖核酸酶的变性复性实验牛核糖核酸酶的变性复性实验二硫键二硫键2012.09蛋白质一级结构与功能的关系要明白三点：蛋白质一级结构与功能的关系要明白三点：v1.1.一级结构是空间构象和功能的基础，空间构象遭一级结构是空间构象和功能的基础，空间
50、构象遭破坏的多肽链只要其肽键未断，一级结构未被破坏，就能破坏的多肽链只要其肽键未断，一级结构未被破坏，就能恢复到原来的三级结构，功能依然存在。恢复到原来的三级结构，功能依然存在。v 2.2.即使是不同物种之间的多肽和蛋白质，只要其一级即使是不同物种之间的多肽和蛋白质，只要其一级结构相似，其空间构象及功能也越相似。结构相似，其空间构象及功能也越相似。v 3.3.物种越接近，其同类蛋白质一级结构越相似，功能物种越接近，其同类蛋白质一级结构越相似，功能也相似。也相似。v 但一级结构中有些氨基酸的作用却是非常重要的，若但一级结构中有些氨基酸的作用却是非常重要的，若蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失
