1、第二章蛋白质结构基础第二章蛋白质结构基础蛋白质的生物学功能蛋白质的生物学功能w催化催化w结构成分结构成分w贮存贮存w运动运动w转运转运 调节调节 信息传递信息传递 支架作用支架作用 防御与进攻防御与进攻 其他特定功能其他特定功能蛋白质蛋白质Protein C、H、O、N、S等，等，N的含量一般为的含量一般为16% 凯氏定氮法测定蛋白质的含量：凯氏定氮法测定蛋白质的含量： 蛋白质含量蛋白质含量=蛋白氮蛋白氮6.25三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合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。俗称蜜物，重要的氮杂环有机化工原料。俗称蜜胺、蛋白精胺、蛋白精 R-CH(NH2)
2、-COOH 含有氨基的羧酸含有氨基的羧酸R 代代 表表 氨氨 基基 酸酸 之之 间间 相相异异 的的 部分部分 ，叫，叫 R 基基 ， 又又 称称 为为 侧侧 链链 。 酪氨酸分子酪氨酸分子 w2、构成蛋白质的常见氨基酸有20种wA A、除脯氨酸外，其他均具有如下、除脯氨酸外，其他均具有如下结构通式。结构通式。COOHCHH2NR -氨基酸氨基酸可变部分可变部分不变部分不变部分 各种氨基酸的区别在于侧链各种氨基酸的区别在于侧链R R基的不同。基的不同。2020种基本氨基酸按种基本氨基酸按R R的极性可分为非极性氨基酸、的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。极性性氨基酸
3、、酸性氨基酸和碱性氨基酸。w脯氨酸的侧链脯氨酸的侧链R-基与主链基与主链N原子共价结合，形原子共价结合，形成一个环状的亚氨基酸。成一个环状的亚氨基酸。CH2CH2CH2CHCOO-NH2+ 甘氨酸甘氨酸 Glycine 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸H2NCH CHOHO 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸H2NCH CCH3OHO甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸H2NCH CCHOHOCH3CH3 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 V
4、aline亮氨酸亮氨酸 Leucine 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸H2NCH CCH2OHOCH CH3CH3 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸H2NCH CCHOHOCH3CH2CH3 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline 亚亚氨基酸氨基酸HNCOHO 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨
5、酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine 含硫氨基酸含硫氨基酸H2NCHCCH2OHOCH2SCH3 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine脯氨酸脯氨酸 Proline甲硫氨酸甲硫氨酸 Methionine半胱氨酸半胱氨酸 Cysteine 含硫氨基酸含硫氨基酸H2NCH CCH2OHOSH 芳香族氨基酸芳香族氨基酸苯丙氨酸苯丙氨酸PhenylalanineH2NCHCCH2OHO 芳
6、香族氨基酸芳香族氨基酸苯丙氨酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸酪氨酸TyrosineH2NCHCCH2OHOOH 芳香族氨基酸芳香族氨基酸苯丙氨酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸酪氨酸Tyrosine色氨酸色氨酸 TrytophanH2NCHCCH2OHOHN 碱性碱性氨基酸氨基酸精氨酸精氨酸 ArginineH2NCHCCH2OHOCH2CH2NHCNH2NH 碱性碱性氨基酸氨基酸精氨酸精氨酸 Arginine赖氨酸赖氨酸 LysineH2NCH CCH2OHOCH2CH2CH2NH2 碱性碱性氨基酸氨基酸精氨酸精氨酸 Arginine赖氨酸赖氨酸 Lysine组氨酸组氨酸
7、HistidineH2NCH CCH2OHONNH 天冬氨酸天冬氨酸 Aspartate 酸性氨基酸酸性氨基酸H2NCH CCH2OHOCOHO 天冬氨酸天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸谷氨酸 Glutamate 酸性氨基酸酸性氨基酸H2NCH CCH2OHOCH2COHO 丝氨酸丝氨酸 Serine 含羟基含羟基氨基酸氨基酸H2NCH CCH2OHOOH 丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine 含羟基含羟基氨基酸氨基酸H2NCH CCHOHOOHCH3 天冬酰胺天冬酰胺 Asparagine 含酰胺氨基酸含酰胺氨基酸H2NCH CCH2OHOCNH2O 天冬酰胺天冬
8、酰胺 Asparagine谷氨酰胺谷氨酰胺 Glutamine 含酰胺氨基酸含酰胺氨基酸H2NCHCCH2OHOCH2CNH2O氨基酸的分类氨基酸疏水氨基酸极性氨基酸荷电氨基酸疏水氨基酸丙氨酸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特点：1 残基的侧链一般没有化学反应性；2 疏水作用，趋于彼此间或与其他 非极性原子相互作用疏水氨基酸残基的作用：1 堆积在蛋白质的内部，形成疏水内核，是稳定蛋白质三维结构的主要因素；2 残基间的疏水相互作用是多肽链折叠(folding)的原始推动力极性氨基酸丝氨酸Ser组氨酸His半胱氨酸Cys苏氨酸Thr天冬酰胺Asn谷
9、胺酰胺Gln酪氨酸Tyr特点： 侧链都含有极性基团，可以是氢的供体或受体，有不同程度的化学反应性色氨酸Trp二硫键的作用1 稳定蛋白质的三维结构；2 将不同的多肽链连接在一起；3 分子内二硫键可稳定单肽链的折 叠，使蛋白质不易被降解。荷电氨基酸天冬氨酸Asp谷氨酸Glu精氨酸Arg赖氨酸Lys特点： 侧链都可以解离使残基带上正或负电荷B B、除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原除了甘氨酸外，其他均具有不对称碳原子或手性中心子或手性中心，具有旋光性；具有旋光性；C C、除了甘氨酸外，其余具有光学异构体除了甘氨酸外，其余具有光学异构体, ,从蛋白质水解得到的从蛋白质水解得到的-氨基酸均为氨基酸均为
10、L-L-型氨基酸型氨基酸 构型：一个分子中各原子的特定构型：一个分子中各原子的特定空间排布。空间排布。当一种构型改变为另一种构型时当一种构型改变为另一种构型时必须有共价键的断裂和重新形成，必须有共价键的断裂和重新形成，最基本的分子构型是最基本的分子构型是L-型和型和D-型。型。不同构型分子间除镜面操作外不不同构型分子间除镜面操作外不能以任何方式重合。能以任何方式重合。CH2OHHHOHCOCCOCHHCH2OHOHCH3HH3N+-OOCCCCOHCH3O-NH3+L-甘油醛甘油醛D-甘油醛甘油醛L-丙氨酸丙氨酸D-丙氨酸丙氨酸沿沿H-C键观察，键观察，R-N-CO为顺时针方向为为顺时针方向为
11、L型分子型分子wD D、氨基酸的优势构象、氨基酸的优势构象w构象（构象（conformation）是组成分子的原子或基团）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。变为另一种构象，不会有共价键的断裂与形成。w“交错构象交错构象”（stagged conformation）是能量上）是能量上最有利的排布。在这种构象中，一个碳原子的取最有利的排布。在这种构象中，一个碳原子的取代基正好处于另一个碳原子的两个取代基之间。代基正好处于另一个碳原子的两个取代基之间。二、非蛋白质氨基酸二、非蛋白质氨基酸
12、 （不是组成蛋白质的氨基酸）（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，大都是这些氨基酸不参与蛋白质的组成，大都是氨基酸氨基酸的衍生，但有些是的衍生，但有些是、或或氨基酸；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。产物或重要代谢物的前体。 如：如：瓜氨酸和鸟氨酸瓜氨酸和鸟氨酸精氨酸前体精氨酸前体 刀豆氨酸和刀豆氨酸和5 5羟基色氨酸羟基色氨酸杀虫杀菌。杀虫杀菌。 多巴胺多巴胺神经递质神经递质除甘氨酸外，都具有旋光性。除甘氨酸外，都具有旋光性。酪氨酸（酪氨酸（TyrTyr、278nm278nm）、）、色
13、氨酸色氨酸( (TrpTrp、279)279)和苯丙氨酸和苯丙氨酸( (PhePhe、259)259)能够吸收紫外光能够吸收紫外光共轭双键共轭双键 紫外吸收紫外吸收w在中性在中性pHpH值下，色氨酸和酪氨酸的紫外值下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在吸收峰在280nm280nm，而苯丙氨酸的在，而苯丙氨酸的在260nm260nm处。大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨处。大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一种，所以溶液中酸或其中的一种，所以溶液中280nm280nm吸收吸收的测量常用来估算蛋白质的浓度。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芳香族氨基酸的紫外吸收氨基酸多肽链肽键 一个
14、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通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多酸连接在一起构成多肽链肽链 第二节第二节 肽（肽（peptide)peptide)多肽链第一个氨基酸具有自由的第一个氨基酸具有自由的NHNH2 2, ,称为氨端或称为氨端或N N端端主链（肽键连接部分）主链（肽键连接部分）最末一个氨基酸具有自由的最末一个氨基酸具有自由的-COOH,-COOH,称为羧端或称为羧端或C C端端肽键肽键(酰胺键酰胺键) 二二 肽肽 1. 成成 肽肽 反反 应应缩合缩合H2NCR1HCOHOHNHCCOOHR2H+H2ONHCCOOHR2HH2NCR1H
15、CO-肽键2 2、肽键、肽键3 3、氨基酸残基：、氨基酸残基：肽链中的氨基酸由于参加肽肽链中的氨基酸由于参加肽链的形成，损失了链的形成，损失了NHNH2 2上的上的H H和和COOHCOOH上的上的OHOH，称为氨基酸残基，称为氨基酸残基，HNHNCHCHCOCOR R氨基酸之间脱水后形成的键为肽键，也为酰胺键氨基酸之间脱水后形成的键为肽键，也为酰胺键 肽键具有局部双键性质，具有反式和顺式两种构型；使主链上1/3的键不能旋转（链上1/3是CN键）不是所有的肽链构象都是立体化学所允许的不是所有的肽链构象都是立体化学所允许的还有很多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）
16、等。肽单位：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。肽的固相合成肽的固相合成为为 研研 究究 方方 便便，分分 四四 层层 次次 探探 讨讨一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构w蛋白质与多肽并无严格的界线，蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在通常是将分子量在60006000道尔顿以道尔顿以上的多肽称为蛋白质。上的多肽称为蛋白质。12-20氨基酸残基的肽链称为寡肽氨基酸残基的肽链称为寡肽20氨基酸残基的称为多肽氨基酸残基的称为多肽一、一一、一 级级 结结 构（构（ 线线 性性 结结 构）构）w蛋蛋 白白 质质
17、的的 一一 级级 结结 构构 (primary structure) 指指 它它 的的蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序蛋白质分子中各个氨基酸残基的排列顺序 N 端（端（ “H”） C 端（端（“OH”） 其其 中中 的的 氨氨 基基 酸酸 称称 氨氨 基基 酸酸 残残 基基 NHCO) Rw蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(Primary structure) )包括包括: :w多肽链的氨基酸顺序和数目，以及多肽链多肽链的氨基酸顺序和数目，以及多肽链内或链间二硫键内或链间二硫键( (disulfide bond)的数目和的数目和位置。位置。两个半胱氨酸氧化可生成胱氨酸两个半胱氨酸氧化可生成
18、胱氨酸w 二硫键：由肽链中相应部位上两个半胱氨酸二硫键：由肽链中相应部位上两个半胱氨酸 残基脱氢连接而成的残基脱氢连接而成的 +二二 硫硫 键键H2 半半 胱胱 氨氨 酸酸 半半 胱胱 氨氨 酸酸 胱胱 氨氨 酸酸CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SCHNH2COOHCH2Sw由由A（21个个AA，11种），种），B（30AA，16种）组种）组成，并通过成，并通过Cys连结两对连结两对-S-S-；wA链第链第6和和11的的Cys通过通过-S-S-连接成链内小环；连接成链内小环；w我国我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合年在世界上第一个用化学
19、方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。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维持蛋白质一级结构的作用力是: : 答答 案：案： 肽肽 键、二硫键（都属于共价键）键、二硫键（都属于共价键）二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构 也叫也叫三维构象，高级结构或立体结构三维构象，高级结构或立体结构 定义：定义：指蛋白质分子中所有原子在三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。维空间排列分布和肽链的走向。w蛋白质多肽链本身的折叠与盘绕方式,包括:w螺旋w折叠片w转角w自由回转等w( (a) a) 理想的右理想的右螺螺 旋；旋； w( (b) b) 右右螺旋螺旋 ；w(
20、(c) c) 左左螺螺 旋旋 。 w天然蛋白质大部分为右手螺旋；天然蛋白质大部分为右手螺旋；w O （ 氢氢 键键 ）Hw C（NHCHCO） Nw Rw 氢键氢键: :由同一条肽链内每每 3个个 氨氨 基基 酸酸 残基的残基的两个肽键两个肽键衍生衍生而来，即而来，即每个氨基酸残每个氨基酸残基的基的N NH H与前面每隔与前面每隔3 3个氨基个氨基酸残基的酸残基的C=OC=O形成的。（形成的。（3.63.6个氨基酸残基）个氨基酸残基） 稳定稳定-螺旋的因素螺旋的因素-螺旋具有极性：螺旋具有极性：所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向NC 肽平面的键长和键角一定；肽平面的键
21、长和键角一定； 肽键的原子排列呈反式构型；肽键的原子排列呈反式构型； 相邻的肽平面构成两面角；相邻的肽平面构成两面角； - -螺旋的中心没有空腔螺旋的中心没有空腔-螺旋的特征螺旋的特征 - -helixhelix不稳定的因素：不稳定的因素：wR R基团带同种电荷：基团带同种电荷： pH=7 pH=7时，多聚时，多聚LysLys或多聚或多聚 Glu Glu ；wR R基团较大时造成空间位阻，基团较大时造成空间位阻， 如如IleIle；w多肽链中有多肽链中有ProPro或或HO-ProHO-Pro，helixhelix中中断，产生断，产生结节结节kinkkink 它改变多肽链的方向，并终止螺旋它改
22、变多肽链的方向，并终止螺旋。 2.-2.-折叠折叠( (-pleated sheet)-pleated sheet)w-折叠是多肽链的折叠形式折叠是多肽链的折叠形式,两条或多条几乎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完全伸展的肽链通过链间的氢键交联而形成的;w肽链的主链呈锯齿状折叠构象肽链的主链呈锯齿状折叠构象;w平行肽链间以氢键从侧面连接的构象。平行肽链间以氢键从侧面连接的构象。平行式平行式反平行式反平行式3. 3. 转角转角( (-turn)-turn)w作用力作用力同样是同样是肽键衍生来的氢键肽键衍生来的氢键w但由于只有这一个但由于只有这一个氢键，只形成氢键，只形成转角
23、结构。转角结构。w O （ 氢氢 键键 ）Hw C（NHCHCO） Nw Rw在在 - -转角部分，由四个氨基酸残基组成转角部分，由四个氨基酸残基组成; ;w弯曲处的第一个氨基酸残基的弯曲处的第一个氨基酸残基的 - -C=O C=O 和和第四个残基的第四个残基的 N-H N-H 之间形成氢键，形之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。成一个不很稳定的环状结构。w这类结构主要存在于球状蛋白分子中。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。螺旋螺旋折叠片折叠片转角转角自由回转自由回转龙虾肽酶龙虾肽酶4.自由回转自由回转没有一定规律的松散的肽链结构没有一定规律的松散的肽链结构作用力弱w维持蛋白质二级结构的
24、作用力是维持蛋白质二级结构的作用力是？ 氢键氢键w纤维状蛋白只有二级结构，例如毛纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白发与肌肉蛋白4、自由回转、自由回转(random coil)(二）超二级结构和结构域二）超二级结构和结构域超二级结构超二级结构(supersecondary structure) (supersecondary structure) ：是指若：是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形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，成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体，通常有通常有， 。结构域结构域(domain) (d
25、omain) ：是在超二级结构基础上进一步绕：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。隔，各自具有部分生物功能的结构。 （三）（三） 三级结构三级结构（Tertiary structure)Tertiary structure)w定义：多肽链上的所有原子，包括主链和残基定义：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的侧链，在三维空间上的分布w疏水键对维持蛋白质的三级结构起着重要的意疏水键对维持蛋白质的三级结构起着重要的意义义w其他作用力还包括氢键、离子键和范德华力等其
26、他作用力还包括氢键、离子键和范德华力等w举例：鲸的肌红蛋白举例：鲸的肌红蛋白肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构亚铁血红素亚铁血红素肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构 整个分子只有一条肽链组成的蛋白整个分子只有一条肽链组成的蛋白质必须具备质必须具备三级结构三级结构才有生物活性，才有生物活性，多肽蛋白中的每条肽链若单独存在，纵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，只有整使具有三级结构也无生物活性，只有整个分子具有个分子具有完整四级结构完整四级结构才有生物活才有生物活性。性。三级结构三级结构:(四四) 四级结构（四级结构（Quaterm
27、ary structre) 1、定义：定义： 由两条或两条以上的具有三级结构的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。叫蛋白质的四级结构。 其中每一条肽链称为亚基，由亚基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。构成的蛋白质为寡聚蛋白。 2、四级结构的内容：、四级结构的内容： 亚基的数目亚基的数目4条条 种类种类2种种亚基的立体分布亚基的立体分布球形球形亚基的相互作用亚基的相互作用次级键次级键血红蛋白血红蛋白亚基单独没有生物功能亚基单独没有生物功能四亚基两两相同，分别称四亚基两两相同，分别称为为1 、2
28、、1、2。血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构每条链都以每条链都以非共价键与非共价键与一个血红素一个血红素辅基相连辅基相连 卟啉铁卟啉铁三三、维系蛋白质的结构的作用力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）一级结构：肽键、二硫键（都属于共价键）二级结构：氢键（主链上二级结构：氢键（主链上C=OC=O和和N NH H之间之间 形成）形成）三、四级结构：二硫键、次级键（氢键、疏三、四级结构：二硫键、次级键（氢键、疏 水键、离子键、范得华力、配位键）水键、离子键、范得华力、配位键） 键键 能能w肽键肽键 w二硫键二硫键w离子键离子键 w氢键氢键w疏水键疏水键 w范德华力范德华力 9
29、0kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称这四种键能远小于共价键，称次级键次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质高级结构中主提问：次级键微弱但却是维持蛋白质高级结构中主要的作用力要的作用力,原因何在原因何在?第四节第四节 蛋白质结构与功能关系蛋白质结构与功能关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系（一）（一）同源同源蛋白质：蛋白质：指不同的有机体中实现同一功能的指不同的有机体中实现同一功能的蛋白质蛋白质 例如：例如：胰岛素、细胞色素胰岛素、细胞色素C C 蛋白质的进化蛋白质的进化 构建系统
30、进化树构建系统进化树一级结构决定空间结构真菌真菌两栖类两栖类植物植物哺乳动物哺乳动物鸟类鸟类昆虫昆虫爬行类爬行类细细胞胞色色素素C的的进进化化系系统统树树（二）一级结构的变化引起功能的变化（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血红蛋白的一级结构变化而引起镰刀型贫血病w镰刀状贫血病镰刀状贫血病血液中大量出现镰刀红细胞，血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息患者因此缺氧窒息w正常细胞正常细胞 镰刀形细胞镰刀形细胞w它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡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，活过童年的率极高，大部分患者童
31、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。白分子结构的突变。w正常型正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Lys -w链链 w镰刀型镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Lys -w链链 w谷氨酸（极性）谷氨酸（极性） 缬氨酸（非极性）缬氨酸（非极性）w 由于缬氨酸上的非极性基团与相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，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，与整个蛋白质由球状变为镰刀形，
32、与氧结合功能丧失，氧结合功能丧失， 导致病人窒息甚导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。至死亡，但病人可抗非洲疟疾。w肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 血红蛋白血红蛋白w氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似w结构决定功能结构决定功能二、二、空间结构与功能的关系：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（一）蛋白质执行其生物功能需要相应空间结构例如：例如：核糖核酸酶核糖核酸酶 功能恢复功能恢复功能丧失功能丧失天然构象天然构象 无规线团无规线团8N尿素、巯基乙醇尿素、巯基乙醇氧氧 化、透化、透 析析天然构象天然构
33、象无规线团无规线团天然构象天然构象（二）变构效应（别构效应）二）变构效应（别构效应）w外因通过改变蛋白质构象引起蛋白质功能变化外因通过改变蛋白质构象引起蛋白质功能变化的现象。的现象。w例如：例如：以血红蛋白的载氧气过程说明蛋白质构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。象发生变化与功能的关系。 定义：定义：蛋白质在表达功能的过程中构象发生蛋白质在表达功能的过程中构象发生 变化的现象变化的现象 血中氧分子的运送：(R)relaxed state（氧合血红蛋白）氧合血红蛋白）(T) tense state（脱氧血红蛋白构象）脱氧血红蛋白构象）(R)relaxed state(T)
34、 tense state 血中氧分子的运送：LungMuscle静脉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 T state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（三）蛋白质的变性-功能丧失功能丧失1.1.定义：定义： 天然蛋白质因受到物理和化学的因素影响，使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
35、。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。变性的蛋白质恢复其天然活性的现象称为复性。 2.变性的本质变性的本质w 二、三、四级空间结构被破坏，变性因素二、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破坏了维持蛋白质空间结构的各种次级键以及二硫键。及二硫键。 但一级结构完好但一级结构完好（一级结构破坏（一级结构破坏-降解）降解）w 溶解度下降，溶解度下降，蛋白质的组成成分和分子量蛋白质的组成成分和分子量不变不变 3.变性蛋白的特征变性蛋白的特征 （1）生物活性的丧失）生物活性的丧失最主要标志最主要标志 （2 2）理化性质的改变
36、）理化性质的改变： 溶解度下降，易沉淀溶解度下降，易沉淀 结晶能力丧失结晶能力丧失 渗透压力、和扩散速度降低渗透压力、和扩散速度降低 粘度、旋光性负值上升，等电点上升粘度、旋光性负值上升，等电点上升 （3 3）生化性质的改变）生化性质的改变 人头发的电子显微镜照片与模型人头发的电子显微镜照片与模型烫发过程：烫发过程：1、加还原剂（巯基乙、加还原剂（巯基乙醇）打开二硫键。醇）打开二硫键。2、加氧化剂（双氧水）、加氧化剂（双氧水）重新生成错位二硫键。重新生成错位二硫键。三、参与蛋白质与三、参与蛋白质与DNA分子间相分子间相互作用的结构域互作用的结构域w螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋w锌指结构锌指结构
37、w亮氨酸拉链亮氨酸拉链w螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋wSPXX序列序列螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（HTH） HTH是转录因子中的结构是转录因子中的结构域，常结合在域，常结合在DNA上。该上。该结构域是由结构域是由60个氨基酸组个氨基酸组成，三个成，三个-螺旋由短的螺旋由短的loop连接。连接。N-末端的两个螺旋末端的两个螺旋反向平行，反向平行，C-末端的螺旋，末端的螺旋，与前面两个螺旋垂直，并与前面两个螺旋垂直，并且将前面两个连接起来，且将前面两个连接起来，这第三个螺旋可以与这第三个螺旋可以与DNA相互作用。相互作用。锌指结构锌指结构蛋白质蛋白质Zif268Zif268的锌指结构的锌指结构 由
38、两个反向平行的由两个反向平行的折叠片层折叠片层与一个与一个- -螺旋共同构成的锌螺旋共同构成的锌指，以及由两个相互平行或垂指，以及由两个相互平行或垂直的直的- -螺旋构成的锌指。螺旋构成的锌指。锌离子与半胱氨酸及其他疏水锌离子与半胱氨酸及其他疏水氨基酸连接，构成锌指区。锌氨基酸连接，构成锌指区。锌离子对于稳定该结构域的构象离子对于稳定该结构域的构象起到关键作用，每个锌指的侧起到关键作用，每个锌指的侧链都与链都与DNADNA的磷酸基和碱基形的磷酸基和碱基形成氢键。成氢键。亮氨酸拉链亮氨酸拉链由平行的卷曲由平行的卷曲螺旋构成，螺旋构成，当来自同一个或不同多肽链当来自同一个或不同多肽链的两个的两个螺
39、旋的疏水面通过螺旋的疏水面通过亮氨酸侧链的疏水作用互相亮氨酸侧链的疏水作用互相缠绕，相互作用形成一个圈缠绕，相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。肽链上每隔了亮氨酸拉链。肽链上每隔6 6个残基就有个残基就有1 1个疏水的个疏水的LeuLeu残基，导致残基，导致LeuLeu残基都集中残基都集中在在- -螺旋的同一侧。螺旋的同一侧。在亮氨酸拉链式蛋白中，两在亮氨酸拉链式蛋白中，两个亮氨酸拉链作用形成一个个亮氨酸拉链作用形成一个“Y”Y”形结构，其中，拉链形结构，其中，拉链构成茎，并不与构成茎，并不与DNADNA结合，结合，两个碱性区分叉对称形成臂，两个碱性
40、区分叉对称形成臂，与与DNADNA结合。结合。螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 HLH结构常含有约结构常含有约4050个个aa，2个个-螺螺旋既亲水又亲脂，由旋既亲水又亲脂，由1024个个aa的环状的环状结构相连，同时具有结构相连，同时具有DNA结合和形成蛋结合和形成蛋白质二聚体的功能。依靠两个白质二聚体的功能。依靠两个-螺旋间螺旋间的疏水作用可形成同（或异）二聚体。的疏水作用可形成同（或异）二聚体。与与HLH相邻的较短的富含碱性氨基酸区相邻的较短的富含碱性氨基酸区段决定了段决定了HLH与与DNA的结合。的结合。SPXX序列序列wSer（Thr）-Pro-X-X在在DNA结合蛋白中结合蛋白中的出现频率
41、很高，往往存在于的出现频率很高，往往存在于HTH基序基序或锌指结构域的侧面。或锌指结构域的侧面。w组蛋白组蛋白H1和和H2B的的N端和端和C端都含有端都含有SPXX序列，与序列，与DNA双螺旋小沟中的富双螺旋小沟中的富含含AT的序列结合。的序列结合。 第五节 多肽链的折叠问题蛋白质在体内形成的两个阶段：蛋白质在体内形成的两个阶段： w 遗传密码介导的氨基酸多肽链的合成遗传密码介导的氨基酸多肽链的合成w 多肽链折叠为有特定功能的蛋白质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蛋白质的去折叠或变性Native statefolde
42、dDenatured stateunfoldedunfoldingrefolding变性过程的两种不同理论w高度协同的、高度协同的、爆炸式的发生爆炸式的发生1、两态模型、两态模型牛胰核糖核酸酶的变性牛胰核糖核酸酶的变性“自组装学说自组装学说”AnfinsenAnfinsen2、序变模型orDNA replicationDNATranscriptionReverse TranscriptionTranslationRNARNA replicationPolypeptide “Second translation”Protein (active)关于蛋白质折叠的密码w绝大多数的小蛋白质的去折叠与再
43、折叠是绝大多数的小蛋白质的去折叠与再折叠是可逆的可逆的w枯草杆菌蛋白酶去折叠后枯草杆菌蛋白酶去折叠后, , 不能正确折叠不能正确折叠至天然态至天然态 N-N-末端剪切末端剪切新生肽的折叠 wProtein的一级结构决定其高级结构，其特征蛋的一级结构决定其高级结构，其特征蛋白质的白质的aa序列包含了构成高级结构的全部信息。序列包含了构成高级结构的全部信息。w分子伴侣分子伴侣(molecular chaperone)： 是进化上十分保守的蛋白质家族，广泛存在于多是进化上十分保守的蛋白质家族，广泛存在于多种生物体内，其主要作用是与新生肽或部分折叠种生物体内，其主要作用是与新生肽或部分折叠的蛋白质的疏
44、水表面结合，加速其折叠或组装成的蛋白质的疏水表面结合，加速其折叠或组装成天然构象的进程，并防止其相互聚集和错误折叠。天然构象的进程，并防止其相互聚集和错误折叠。分子伴侣的几个特征 w同类分子伴侣在所有的生物中有惊人的同类分子伴侣在所有的生物中有惊人的相似性，表明它们在进化很保守相似性，表明它们在进化很保守;w分子伴侣在行使功能时需水解以改变构分子伴侣在行使功能时需水解以改变构象、释放底物和进行再循环象、释放底物和进行再循环;w能识别暴露的未折叠的蛋白质结构域，能识别暴露的未折叠的蛋白质结构域，能与多种不同的多肽相互作用，影响折能与多种不同的多肽相互作用，影响折叠的速率和动力学，无序列偏爱性。叠
45、的速率和动力学，无序列偏爱性。分子内伴侣分子内伴侣 w将对蛋白质折叠有帮助的前导肽称为分将对蛋白质折叠有帮助的前导肽称为分子内伴侣。子内伴侣。w分子内伴侣在蛋白质折叠中起降低过渡分子内伴侣在蛋白质折叠中起降低过渡态活化能的作用，从而使折叠反应容易态活化能的作用，从而使折叠反应容易完成。完成。 分子内伴侣具有高度的专一性分子内伴侣具有高度的专一性, , 不需不需要要ATP ATP 帮助正确二硫键形成的酶帮助正确二硫键形成的酶w二硫键形成酶（二硫键形成酶（Dsb）w二硫键异构酶（二硫键异构酶（PDI）w肽基脯氨酰顺反异构酶（肽基脯氨酰顺反异构酶（PPI）蛋蛋白白质质的的折折叠叠途途径径CJD: C
46、reutzfeld-Jakob disease w学名：克罗伊茨费尔德学名：克罗伊茨费尔德雅各布氏症雅各布氏症 简称克雅氏症简称克雅氏症w俗名：俗名：疯牛病疯牛病 w临床症状临床症状 ：出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，：出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。平衡障碍，肌肉收缩等。 w神经病理检查神经病理检查 ：病人的脑神经发生海绵状变性：病人的脑神经发生海绵状变性 蛋白质的错误折叠可造成致命后果Alzheimers disease (AD)w学名：阿尔茨海默氏病学名：阿尔茨海默氏病w临床症状：临床症状：以遗忘为最早期、最突出的以遗忘为最早期、最突出的症状。继而出现反应迟钝、判断力和
47、理症状。继而出现反应迟钝、判断力和理解力下降，重复语言和无意义的重复动解力下降，重复语言和无意义的重复动作等。随着疾病进展，最终严重痴呆，作等。随着疾病进展，最终严重痴呆，卧床不起，出现并发症。卧床不起，出现并发症。 加德赛克在新几内亚岛发加德赛克在新几内亚岛发现了一种奇怪的疾病现了一种奇怪的疾病 ，当地，当地的土著人称之为的土著人称之为“kurukuru”。由。由于找不到病因，被当地人称为于找不到病因，被当地人称为“终极巫术终极巫术”。 KuruKuru的诅咒非常残酷：先是的诅咒非常残酷：先是不可抑制的颤抖，然后丧失行不可抑制的颤抖，然后丧失行走能力及无法言语，接着瘫痪。走能力及无法言语，接
48、着瘫痪。但中了巫术的人至死心智都很但中了巫术的人至死心智都很清醒，不会陷入昏睡状态，因清醒，不会陷入昏睡状态，因此格外痛苦。此格外痛苦。 经过经过加德赛克对死者脑部的解剖和进一步加德赛克对死者脑部的解剖和进一步研究，在大脑的特定区域会检查出细微的小研究，在大脑的特定区域会检查出细微的小孔，使脑组织看起来像一块海绵。孔，使脑组织看起来像一块海绵。 19681968年，加德赛克指出：当他将死于年，加德赛克指出：当他将死于kurukuru病病人的脑组织提取物注射到正常的实验动物身人的脑组织提取物注射到正常的实验动物身上，该动物也会死于与上，该动物也会死于与kurukuru相似的症状。明相似的症状。明
49、显地，这种提取物含有遗传物质，在当时被显地，这种提取物含有遗传物质，在当时被推测为某种病毒。推测为某种病毒。 史坦利布鲁希纳 美国加州大学旧金美国加州大学旧金山分校教授。因其发山分校教授。因其发现了朊病毒现了朊病毒, ,并在其并在其致病机理的研究方面致病机理的研究方面做出了杰出贡献，而做出了杰出贡献，而获得获得1997 1997 年诺贝尔年诺贝尔生理医学奖。生理医学奖。 朊病毒（朊病毒（Prion):Prion):不含核酸，完全由蛋不含核酸，完全由蛋白质构成的病毒。白质构成的病毒。 朊病毒很快被证明可由细胞自身染色体的基朊病毒很快被证明可由细胞自身染色体的基因编码。这个基因称为因编码。这个基因
50、称为PRNPPRNP，它可以表达正，它可以表达正常的脑组织并且编码一种命名为常的脑组织并且编码一种命名为PrPcPrPc的蛋白的蛋白质，存在于神经细胞的表面。质，存在于神经细胞的表面。PrPcPrPc精确的功精确的功能到现在仍未发现。但是这种蛋白质的新的能到现在仍未发现。但是这种蛋白质的新的形式目前在人脑中发现。形式目前在人脑中发现。PrPc与 PrPSc的比较 PrPPrPc cPrPPrPScSc分子状态分子状态单体分子单体分子集合成纤维状态集合成纤维状态溶解性溶解性可溶可溶不溶不溶对蛋白酶抗性对蛋白酶抗性弱，极易被破坏弱，极易被破坏很强很强蛋白质稳定性蛋白质稳定性稳定稳定不稳定不稳定蛋白
