生物化学-蛋白质的二级结构.ppt

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　　定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。

　　一、蛋白质的一级结构

　　主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

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　　标题： 蛋白质的二级结构

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　　标题： 肽平面

　　正文： 肽键的特殊性质

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　　肽键有部分双键性质

　　肽键由于共振而具有部分双键性质，因此， 肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转 肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面 相邻的a碳原子呈反式构型

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　　肽键比一般C-N键短

　　肽键为一平面

　　相邻的a碳原子呈反式构型

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　　参与肽键的6个原子C?1、C、O、N、H、C?2位于同一平面，C?1和C?2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽平面 。

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　　由于空间位阻，此构象不能存在。

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　　标题： 蛋白质的二级结构

　　概念： 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象.

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　　蛋白质二级结构的主要形式

　　?-螺旋 ( ? -helix ) ?-折叠 ( ?-pleated sheet ) ?-转角 ( ?-turn ) 无规卷曲 ( random coil )

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　　(一) ?-螺旋

　　1951年提出 ? -螺旋结构模型

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　　标题： 背景知识

　　正文： 肽键具有部分双键性质。 充分意识到氢键在蛋白质结构中的重要作用。 X-射线晶体学研究表明组成头发和豪猪刺的蛋白质的空间结构里存在重复结构。

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　　特征：1、 每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm; 2 、 螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链内氢键几乎都平行于螺旋轴; 3、每个氨基酸残基的>N-H与前面第四个氨基酸残基的>C=0形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。

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　　(Gp:) —C—(NH—C—CO)3 N—

　　(Gp:) O

　　(Gp:) H

　　(Gp:) H

　　(Gp:) R

　　3.613 (ns)

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　　标题： 氨基酸序列对? -螺旋结构结构的影响

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　　(二)?-折叠

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　　标题： 两种?-折叠方式

　　反平行： 肽链的N端不处于同一端，氢键与肽链走向垂直。如：丝心蛋白。

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　　平行：所有肽链的N端处于同一端，氢键不与肽链走向垂直。如： β- 角蛋白。

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　　标题： (三)?-转角

　　特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基(n+3)的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800 。

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　　标题： (四)无规则卷曲

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　　标题： 蛋白质的超二级结构

　　在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元(即α—螺旋、β—折叠片和β—转角等)彼此相互作用组合在一起，，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。

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　　标题： 结构域

　　多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠而成的相对独立的三维实体称结构域。

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　　甘油醛3-P脱氢酶结构域

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　　标题： 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位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。

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　　抹香鲸肌红蛋白(Myoglobin)的三级结构

　　分子中多肽主链由长短不等的8段直的α螺旋组成 最大的螺旋含23个残基 最短的7个残基，分子中几乎80%的氨基酸残基都处于α螺旋区中。 拐弯是由1—8个残基组成的无规则卷曲。

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　　核糖核酸酶三级结构示意图

　　(Gp:) N

　　(Gp:)

　　(Gp:) His12

　　(Gp:) C

　　(Gp:) His119

　　(Gp:) Lys41

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　　(Gp:) 分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心

　　(Gp:)

　　(Gp:) 大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核;而极性侧链在分子表面，形成亲水面。

　　蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。

　　球状蛋白的三级的结构特征

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　　亚基之间的结合力主要是疏水相互作用。

　　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接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。

　　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，称为蛋白质的亚基 (subunit)。

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　　血红蛋白的四级结构

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　　标题： 总结

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　　从一级结构到四级结构

　　血红蛋白

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　　蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列

　　蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠

　　Primarystructure

　　Secondarystructure

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　　蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构

　　蛋白质的四级结构是亚基的空间排列

　　Polypeptide(single subunitof transthyretin)

　　Transthyretin, with fouridentical polypeptide subunits

　　Tertiarystructure

　　Quaternarystructure

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　　蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein

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　　(一)一级结构是空间构象的基础

　　一、蛋白质一级结构与功能的关系

　　(Gp:) 牛核糖核酸酶的一级结构

　　(Gp:) 二硫键

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　　天然状态，有催化活性

　　尿素、 β-巯基乙醇

　　去除尿素、 β-巯基乙醇

　　非折叠状态，无活性

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　　当用透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他的方法改变分子中二硫键的配对方式，酶完全丧失活性。这个实验表明，蛋白质的一级结构决定它的空间结构，而特定的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证。

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　　镰刀状细胞贫血病

　　正常的红细胞(左图)与镰刀状红细胞(右图)的区别

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　　正常与异常的差异

　　(Gp:) N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146)

　　(Gp:) HbS β 肽链

　　(Gp:) HbA β 肽 链

　　(Gp:) N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146)

　　这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。

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　　标题： 一个残基的改变为什么会带来如此大的变化呢?

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　　血红蛋白单个(2个)氨基酸的改变影响功能： Hb Sβ链第六位谷氨酸突变为缬氨酸。 谷氨酸：亲水、带负电荷;缬氨酸：疏水、不带电 Hb S分子表面 多了一个疏水侧链 Hb S分子三维 结构发生改变

　　镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的

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　　由于伸出Hb S分子表面的缬氨酸侧链创造了一个“粘性”的突起，因而一个Hb S分子的“粘性”突起可以与另一个Hb S分子的互补口袋通过疏水作用结合，最终导致Hb S分子的聚集沉淀。(脱氧HB S)

　　镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的

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　　由于伸出Hb S分子表面的缬氨酸侧链创造了一个“粘性”的突起，因而一个Hb S分子的“粘性”突起可以与另一个Hb S分子的互补口袋通过疏水作用结合，最终导致Hb S分子的聚集沉淀。(脱氧HB S)

　　镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的

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　　标题： 蛋白质空间结构与功能的关系

　　正文： 肌红蛋白

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　　血红素辅基

　　His93

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　　正文： 自然状态下，二价铁极易被氧化为三价铁，为什么在肌红蛋白血红素辅基中的二价铁和氧结合后却没变成三价铁?

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　　正文： 自然状态下，血红素辅基和CO的结合能力是其和O2结合的20000倍，但是在肌红蛋白中却只有200倍，为什么?

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　　肌红蛋白(Mb) 的氧解离曲线

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　　标题： 血红蛋白

　　正文： T态和R态

　　T态 (tense state) 去氧血红蛋白的主要构象 R态 (relaxed state)氧合血红蛋白的主要构象

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　　标题： T态向R态转变因素

　　当亚铁离子移动时，它同时拖动His F8残基，进一步导致蛋白质的构象发生改变。

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　　标题： * 变构效应(allosteric effect)

　　正文： 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为变构效应。 像血红蛋白这种具有变构效应的蛋白质称为变构蛋白(allosteric protein)。

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　　标题： 变构效应(allosteric effect)

　　正文： 变构效应：蛋白质与配体结合改变蛋白质的构象，进而改变蛋白质生物学活性的现象。

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　　标题： 氧结合曲线

　　肌肉

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　　蛋白质的理化性质与分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein

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　　(一)蛋白质的两性电离

　　一、理化性质

　　蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。

　　* 蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。

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　　(二)、蛋白质胶体的性质

　　蛋白质溶液有许多高分子溶液的性质，如：扩散慢、易沉降、 粘度大、不能透过半透膜，在水溶液中可形成亲水的胶体。 ????蛋白质胶体溶液的稳定因素：水化膜、带电荷。当破坏这两个因素时，蛋白质中从溶液中析出而产生沉淀。

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　　?(三)、蛋白质的变性作用(denaturation)

　　1、蛋白质变性的概念：天然蛋白质受物理或化学因素的影响后，使其失去原有的生物活性，并伴随着物理化学性质的改变，但并未导致其一级结构的变化，这种作用称为蛋白质的变性。

　　2、使蛋白质变性的因素 (1)物理因素：高温、高压、射线等 (2)化学因素：强酸、强碱、重金属盐等

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　　3、变性的本质： 分子中各种次级键断裂，使其空间构象从紧密有 序的状态变成松散无序的状态，一级结构不破坏。

　　4、蛋白质变性后的表现： (1)生物学活性消失(2)理化性质改变：溶解度下降，粘度增加，紫外吸收增加，侧链反应增强，对酶的作用敏感，易被水解。

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　　(四 )蛋白质的紫外吸收光谱

　　蛋白质在远紫外光区(200-230nm)有较大的吸收，在280nm有一特征吸收峰，可利用这一特性对蛋白质进行定性定量鉴定。

　　(Gp:) 蛋白质质量浓度/(mg/ml)=1.55A1cm - 0.76A1cm

　　(Gp:) 280

　　(Gp:) 260

　　测定范围：0.1～0.5mg/ml

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　　(五)蛋白质的呈色反应

　　⒈茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。

　　⒉双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。但是双缩脲不与二肽反应。

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　　标题： 蛋白质纯化与鉴定的常用方法

　　层析

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　　正文： 91 93 94 95