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1、蛋白质本讲稿第一页，共六十一页1.1 氨基酸1.2 肽1.3 蛋白质的分子结构1.4 蛋白质结构和功能的关系1.5 蛋白质的重要性质1.6 蛋白质的分类1.7 蛋白质的分离与鉴定本讲稿第二页，共六十一页1.3 蛋白质的分子结构本讲稿第三页，共六十一页一级结构一级结构(p41）:氨基酸序列和二硫键的位置氨基酸序列和二硫键的位置二级结构二级结构(p57）：主链规律的空间排列：主链规律的空间排列 (-螺旋螺旋,-,-折叠折叠)超二级结构超二级结构结构域（结构域（domaindomain）三级结构三级结构(p70）：所有原子空间位置：所有原子空间位置四级结构四级结构(p83）：多肽链间的相互关系：多肽
2、链间的相互关系维持蛋白质空间结构稳定的因素维持蛋白质空间结构稳定的因素我们将要学到的本讲稿第四页，共六十一页三、蛋白质的超二级结构和结构域三、蛋白质的超二级结构和结构域1 1、超二级结构（、超二级结构（p71)p71)定义定义 超二级结构是指二级结构的基本结构单位（超二级结构是指二级结构的基本结构单位（-螺旋，螺旋，-折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结构的聚集体。折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结构的聚集体。本讲稿第五页，共六十一页：由两股平行或反平行排列的右手螺旋段相互缠绕而成的由两股平行或反平行排列的右手螺旋段相互缠绕而成的左左手手卷曲螺旋。卷曲螺旋。Keratin(Keratin(角
3、蛋白角蛋白p65),myosin(p65),myosin(肌球蛋白肌球蛋白)：由两段平行由两段平行 折叠股和一段作为连接链的折叠股和一段作为连接链的 螺旋组成，螺旋组成，股之间还有氢键相连。股之间还有氢键相连。拥有拥有-sheet-sheet的蛋白质的蛋白质:由一条多肽链的若干段由一条多肽链的若干段 折叠股反向平行组合而成，两个折叠股反向平行组合而成，两个 股间通过一个短环连接起来。股间通过一个短环连接起来。拥有拥有-sheet-sheet的蛋白质的蛋白质几种基本的组合形式几种基本的组合形式本讲稿第六页，共六十一页折叠在蛋白质中的不同形式折叠在蛋白质中的不同形式本讲稿第十二页，共六十一页在蛋白
4、质中在蛋白质中(Rossmann Rossmann folding)本讲稿第十三页，共六十一页本讲稿第十四页，共六十一页本讲稿第十五页，共六十一页本讲稿第十六页，共六十一页本讲稿第十七页，共六十一页2 2、结构域、结构域（domain，p72）定义：定义：多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成的局部折叠多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成的局部折叠区区,是相对独立的紧密球状实体。是相对独立的紧密球状实体。Polypeptides with more than a few hundred amino acid residues often fold into two or more sta
5、ble,globular units called domains。特点特点最常见的结构域含序列上连续的最常见的结构域含序列上连续的100100200200个氨基酸残基，少个氨基酸残基，少至至4040个左右，多至个左右，多至400400个以上。个以上。结构域是多肽链的独立折叠单位。结构域是多肽链的独立折叠单位。本讲稿第十八页，共六十一页例如例如蚯蚓血红蛋白：蚯蚓血红蛋白：由四个由四个-螺旋组成的结构域螺旋组成的结构域木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶：含有两个不同的结构域含有两个不同的结构域肌钙蛋白肌钙蛋白C本讲稿第十九页，共六十一页(3)(3)意义意义u 结构域往往有特殊的功能，例如结合小分子。结构域往往
6、有特殊的功能，例如结合小分子。含多结构域的蛋白质中，小分子结合部位往往出现含多结构域的蛋白质中，小分子结合部位往往出现在两个域之间的裂缝处。在两个域之间的裂缝处。u 对于较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构对于较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思。是一个意思。本讲稿第二十页，共六十一页四、球状蛋白质的三级结构四、球状蛋白质的三级结构 p70p70（tertiary structuretertiary structure）三级结构是蛋白质分子中所有原子的三维空间排列，包括它的三级结构是蛋白质分子中所有原子的三维空间排列，包括它的二级结构要素和它的侧链在空间上的相
7、互关系。二级结构要素和它的侧链在空间上的相互关系。The overall three-dimensional arrangement of all atoms in a protein is referred to as the proteins tertiary structure.主要研究方法是主要研究方法是X-光衍射光衍射和和核磁共振法核磁共振法。1 1、定义、定义本讲稿第二十四页，共六十一页-折叠折叠-转角转角无规则无规则卷曲卷曲空穴空穴-折叠折叠-转角转角无规则无规则卷曲卷曲空穴空穴2 2、球状蛋白质的特征、球状蛋白质的特征鸡卵清溶菌酶的三级结构鸡卵清溶菌酶的三级结构l 含多种二级结
8、构单元含多种二级结构单元l 有明显的折叠层次有明显的折叠层次l 是紧密的球状或椭球状实体是紧密的球状或椭球状实体l 分子表面有一空穴分子表面有一空穴(活性部位活性部位)l 疏水侧链埋藏在分子内部，亲水疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。侧链暴露在分子表面。-螺旋螺旋本讲稿第二十五页，共六十一页细胞色素细胞色素C C核糖核酸酶核糖核酸酶溶酶体溶酶体红色红色血红素血红素(细胞色素细胞色素c)和活性部位和活性部位(溶酶体和核糖核酸酶溶酶体和核糖核酸酶)黄色黄色二硫键二硫键本讲稿第二十六页，共六十一页 抹香鲸肌红蛋白的立体结构表示法（三级）抹香鲸肌红蛋白的立体结构表示法（三级）多肽骨架多肽
9、骨架（丝带法，（丝带法，二级结构）二级结构）“网眼网眼”图图(蛋白质表面蛋白质表面)表面轮廓图表面轮廓图(观察凹穴观察凹穴)丝带法丝带法(包括侧链包括侧链)立体模型立体模型(包括侧链包括侧链)疏水残基疏水残基血红素血红素本讲稿第二十七页，共六十一页由由124124个氨基酸残基组成个氨基酸残基组成多肽链折叠形成多肽链折叠形成3 3个个-螺旋、螺旋、6 6个个-折折叠片以及一些叠片以及一些-转角和无规则卷曲转角和无规则卷曲二级结构再组合形成近似卵圆的结构二级结构再组合形成近似卵圆的结构表面有一个凹陷，构成酶活性中心的表面有一个凹陷，构成酶活性中心的3 3个氨基酸残基就集中于此个氨基酸残基就集中于此
10、3 3、实例、实例核糖核酸酶核糖核酸酶本讲稿第二十八页，共六十一页肌红蛋白肌红蛋白由一条多肽链和一个辅基血红由一条多肽链和一个辅基血红素构成素构成含含153153个氨基酸残基个氨基酸残基分子中多肽链由长短不等的分子中多肽链由长短不等的8 8段直段直的的-螺旋组成螺旋组成拐弯是由拐弯是由1 18 8个残基组成的无个残基组成的无规卷曲规卷曲C-C-末端有一段末端有一段5 5残基的松散肽链残基的松散肽链分子致密结实，内部只有一个分子致密结实，内部只有一个能容纳能容纳4 4个水分子的空间个水分子的空间亲水的氨基酸几乎全分布在分子亲水的氨基酸几乎全分布在分子的表面，而疏水的残基几乎全被埋的表面，而疏水的
11、残基几乎全被埋在分子内部在分子内部本讲稿第二十九页，共六十一页血红素血红素(Heme)是铁卟啉化是铁卟啉化合物，由合物，由4个甲炔基相连成个甲炔基相连成为一个环形，为一个环形，Fe2+居于环中。居于环中。铁离子有铁离子有6个配位键，其中个配位键，其中4个与吡咯环的个与吡咯环的N配位结合，配位结合，1个配位键和肌红蛋白的个配位键和肌红蛋白的93位位(F8)组氨酸残基结合，氧组氨酸残基结合，氧则与则与Fe2+形成第形成第6个配位键，个配位键，接近第接近第64位位(E7)组氨酸。组氨酸。本讲稿第三十页，共六十一页血红素血红素(Heme)是铁卟啉化是铁卟啉化合物，由合物，由4个甲炔基相连成个甲炔基相连
12、成为一个环形，为一个环形，Fe2+居于环居于环中。铁离子有中。铁离子有6个配位键，个配位键，其中其中4个与吡咯环的个与吡咯环的N配位配位结合，结合，1个配位键和肌红蛋个配位键和肌红蛋白的白的93位位(F8)组氨酸残基组氨酸残基结合，氧则与结合，氧则与Fe2+形成第形成第6个配位键，接近第个配位键，接近第64位位(E7)组氨酸。组氨酸。本讲稿第三十一页，共六十一页五、蛋白质的四级结构五、蛋白质的四级结构 p83p83 (quaternary structure)(quaternary structure)肝脏醇脱氢酶（肝脏醇脱氢酶（2 2)本讲稿第三十四页，共六十一页 Some proteins
13、 contain two or more separate polypeptide chains,or subunits,which may be identical or different.The arrangement of these protein subunits in three-dimensional complexes constitutes quaternary structure.五、蛋白质的四级结构五、蛋白质的四级结构(quaternary structure)(quaternary structure)四级结构四级结构是由相同或不同亚基按照一定排列方式聚合是由相同或不
14、同亚基按照一定排列方式聚合而成的蛋白质结构。而成的蛋白质结构。本讲稿第三十五页，共六十一页去氧血红蛋白去氧血红蛋白 寡聚蛋白：由两个寡聚蛋白：由两个或两个以上亚基组成或两个以上亚基组成的蛋白质统称。的蛋白质统称。亚基：亚基：寡聚蛋白中的寡聚蛋白中的每个独立的三级结构单每个独立的三级结构单元。元。维持四级结构稳定的维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子作用力是疏水键、离子键、氢键、范德华力。键、氢键、范德华力。本讲稿第三十六页，共六十一页 原体原体(protomer)(protomer)：对称的寡聚蛋白质分对称的寡聚蛋白质分子可视为由两个或多子可视为由两个或多个相同结构成分组成个相同结构成分组成
15、,这种相同结构成分称这种相同结构成分称为原聚体或原体。为原聚体或原体。例如：血红蛋白例如：血红蛋白(2 2)的原体是的原体是。去氧血红蛋白去氧血红蛋白本讲稿第三十七页，共六十一页蛋白质的旋转对称蛋白质的旋转对称Rotational symmetry in proteins环状对称环状对称本讲稿第三十八页，共六十一页蛋白质的旋转对称蛋白质的旋转对称Rotational symmetry in proteins二面体对称二面体对称一个二重一个二重旋转轴并旋转轴并以直角横以直角横切切本讲稿第三十九页，共六十一页蛋白质的旋转对称蛋白质的旋转对称Rotational symmetry in protei
16、ns二十面对称二十面对称本讲稿第四十页，共六十一页实例：实例：血红蛋白血红蛋白(22)由由4 4个多肽亚基个多肽亚基组成，两个组成，两个 亚基，两个亚基，两个 亚基组成亚基组成每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位 亚基含有亚基含有141141个氨基酸残基个氨基酸残基 亚基含有亚基含有146146个氨基酸残基个氨基酸残基 亚基和亚基和 亚基的三级结构和肌红蛋白链的三级结构非亚基的三级结构和肌红蛋白链的三级结构非常相似常相似本讲稿第四十一页，共六十一页O2 transport组织组织肺或鳃肺或鳃静脉静脉动脉动脉脱氧血红蛋白脱氧血红蛋白氧合血红蛋白氧合血红
17、蛋白肌红蛋白肌红蛋白本讲稿第四十二页，共六十一页烟草花叶病毒（烟草花叶病毒（TMVTMV）每每3圈圈49个蛋白质个蛋白质亚基亚基，螺距，螺距2.3nm，右手螺旋。，右手螺旋。本讲稿第四十四页，共六十一页六、蛋白质空间结构稳定的因素六、蛋白质空间结构稳定的因素 p73p73 稳定蛋白质三维结构的作稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互用力主要是一些所谓弱的相互作用或称非共价键或次级键，作用或称非共价键或次级键，包括包括氢键氢键、范德华力范德华力、疏水疏水作用作用和和盐键盐键（离子键离子键），此外），此外还有共价还有共价二硫键二硫键、酯键酯键和和配位配位键键。氢键氢键离子键离子键吸引吸引
18、排斥排斥疏水作用疏水作用范德华力范德华力四种典型的非共价键四种典型的非共价键本讲稿第四十七页，共六十一页构型与构象构型与构象 构型：构型：立体异构体分子中取代原子立体异构体分子中取代原子或基团在空间的取向，如几何异构体或基团在空间的取向，如几何异构体和光学异构体。构型互变需要共价键和光学异构体。构型互变需要共价键的断裂。的断裂。构象：构象：取代基团当单键旋转时形成取代基团当单键旋转时形成不同的立体结构，这种空间位置的改变不同的立体结构，这种空间位置的改变不涉及共价键的断裂。不涉及共价键的断裂。二氯乙烷二氯乙烷本讲稿第四十八页，共六十一页 定义：定义：是一种由弱酸性的供体基团（是一种由弱酸性的供
19、体基团（D-HD-H）和一个具独）和一个具独对电子的原子（对电子的原子（A A）之间形成的最显著的静电作用力。）之间形成的最显著的静电作用力。（p75p75）在生物系统中，在生物系统中，D D和和A A两者都是两者都是高电负性高电负性的的N N和和O O以及以及S S原子。原子。举例举例 ：蛋白质分子中的氢键示意图：蛋白质分子中的氢键示意图1、氢键、氢键本讲稿第四十九页，共六十一页生物体系中常见氢键生物体系中常见氢键 氢受体通常是氧或氮氢受体通常是氧或氮;氢受体是另一个电负性原子氢受体是另一个电负性原子.氢供体氢供体氢受体氢受体本讲稿第五十页，共六十一页本讲稿第五十一页，共六十一页 对于二级结
20、构（主链构象）的稳定起主要作用对于二级结构（主链构象）的稳定起主要作用 在蛋白质的主链上，有大量羰基氧原子和已与氮原子在蛋白质的主链上，有大量羰基氧原子和已与氮原子共价结合的氢原子，它们之间可产生氢键。氢键虽弱，但共价结合的氢原子，它们之间可产生氢键。氢键虽弱，但由于数量很大，对于二级结构（主链构象）的稳定起极其由于数量很大，对于二级结构（主链构象）的稳定起极其重要的作用。重要的作用。对于维系蛋白质三、四级结构也起着一定的作用对于维系蛋白质三、四级结构也起着一定的作用 某些侧链与另一侧链之间也能形成氢键，这对于维系蛋某些侧链与另一侧链之间也能形成氢键，这对于维系蛋白质的三级结构和四级结构也起着
21、一定作用。白质的三级结构和四级结构也起着一定作用。氢键在蛋白质结构中的作用氢键在蛋白质结构中的作用本讲稿第五十二页，共六十一页2、范德华力、范德华力 在在电中性分子电中性分子之间的非共价结合统称为之间的非共价结合统称为范德华力范德华力。一般是指范德华吸引力。当两个非键合原子处于一一般是指范德华吸引力。当两个非键合原子处于一定距离时，这种力才能达到最大，此距离称定距离时，这种力才能达到最大，此距离称接触距离接触距离，它，它等于两个原子的范德华半径之和。等于两个原子的范德华半径之和。范德华引力是很弱的力，但在蛋白质分子中它的数量范德华引力是很弱的力，但在蛋白质分子中它的数量也较大，且具加和性，因此
22、也是形成和稳定蛋白质构象的也较大，且具加和性，因此也是形成和稳定蛋白质构象的一种不可忽视的作用力。一种不可忽视的作用力。共价半径共价半径范德华半径范德华半径本讲稿第五十三页，共六十一页疏水键在蛋白质结构中的作用：疏水键在蛋白质结构中的作用：对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起主要作用。对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起主要作用。定义定义：指疏水基团在水溶液中常避开水而聚集在一起的那：指疏水基团在水溶液中常避开水而聚集在一起的那种力量。种力量。或：指非极性基团受到水分子的排斥相互聚集在一起的作用或：指非极性基团受到水分子的排斥相互聚集在一起的作用力。力。3、疏水作用、疏水作用本讲稿第五十四页，共六
23、十一页举例：举例：蛋白质分子中的疏水键示意图蛋白质分子中的疏水键示意图 (非极性氨基酸非极性氨基酸)(非极性氨基酸非极性氨基酸)本讲稿第五十五页，共六十一页4、盐键（离子键）、盐键（离子键）定义：定义：指正负离子电荷间的静电引力指正负离子电荷间的静电引力 盐键在蛋白质结构中的作用：盐键在蛋白质结构中的作用：盐键对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起重要作用盐键对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起重要作用 举例举例:蛋白质分子中的离子键示意图蛋白质分子中的离子键示意图 本讲稿第五十六页，共六十一页本讲稿第五十七页，共六十一页形成形成：两个半胱氨酸的巯基脱氢氧化可产生二硫键：两个半胱氨酸的巯基脱氢氧化可
24、产生二硫键.5、二硫键、二硫键本讲稿第五十八页，共六十一页说明说明 二硫键可在同一条肽链内或不同肽链二硫键可在同一条肽链内或不同肽链之间形成之间形成 二硫键属共价键，对于维持蛋白质二硫键属共价键，对于维持蛋白质的三级结构和生物活性起很大作用的三级结构和生物活性起很大作用并不是所有蛋白质都含有成对的半胱并不是所有蛋白质都含有成对的半胱氨酸残基，因此二硫键没有普遍意义氨酸残基，因此二硫键没有普遍意义本讲稿第五十九页，共六十一页6、配位键、配位键 定义：定义：两个原子之间由单方面提供两个原子之间由单方面提供共用电子对共用电子对形成的共形成的共价键。价键。形成条件形成条件 一、是中心原子或离子，它必须
25、有能接受电子对的空轨一、是中心原子或离子，它必须有能接受电子对的空轨道；道；二、是配位体，组成配位体的原子必须能提供配对的孤对电二、是配位体，组成配位体的原子必须能提供配对的孤对电子。子。举例举例:不少蛋白质含有某些金属离子，往往以配位键与蛋白质不少蛋白质含有某些金属离子，往往以配位键与蛋白质连接，参与蛋白质高级结构的形成与维持。连接，参与蛋白质高级结构的形成与维持。本讲稿第六十页，共六十一页血红素血红素(Heme)是铁卟是铁卟啉化合物，由啉化合物，由4个甲个甲炔基相连成为一个环炔基相连成为一个环形，形，Fe2+居于环中。居于环中。铁铁离子有离子有6个配位键个配位键，其，其中中4个与吡咯环的个与吡咯环的N配配位结合，位结合，1个配位键和个配位键和肌红蛋白的肌红蛋白的93位位(F8)组氨酸残基结合，氧组氨酸残基结合，氧则与则与Fe2+形成第形成第6个配个配位键，接近第位键，接近第64位位(E7)组氨酸。组氨酸。本讲稿第六十一页，共六十一页