蛋白质的结构和功能.ppt
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1、蛋白质的结构和功能 Structure and Function of Protein,发现和定位:26000 不超过40000 人有而小鼠无:300,生物学功能的主要体现者是蛋白质 蛋白质组学,功能蛋白质组学,HGP,Protein 这个词来自希腊文 proteios, 原始的,首要的。,一、蛋白质(Protein)的概念,概念:由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生命的物质基础 分布广: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。 含量高:蛋白质是细胞内最丰富的有机分子,占人
2、体干重的45,某些组织含量更高,例如脾、肺及横纹肌等高达80。,2.蛋白质的重要生物学功能,结合,催化,开关,结构蛋白,二、蛋白质的组成,(一)蛋白质的元素组成,碳(C) 5055% 氢(H) 68% 氧(O) 19%24% 氮(N) 13%19%,平均16% 100g样品中蛋白质含量(g%):氮克数/克样品*6.25*100 硫(S) 03 其他(磷、铁、铜、碘、锌和钼等),(二)蛋白质的基本结构单位氨基酸,1、结构通式,L- -Amino Acid,蛋白质氨基酸均为L型,D型多存在于细菌产生的抗菌素或植物的生物碱中,通常位于蛋白的内部,G,A,V,L,M,I,P,2、氨基酸的分类,非极性、
3、脂肪族R基氨基酸,按照R基的性质分类,亚氨基酸,芳香族R基氨基酸,内部,表面/内部,主要存在于蛋白的外部,不带电荷的极性R基氨基酸,内部,通常位于蛋白外部,有时位于内部,与带负电荷的氨基酸形成盐键,K,R,H,带正电荷的R基氨基酸(碱性氨基酸),D,E,带负电荷的R基氨基酸(酸性氨基酸),通常位于蛋白外部,有时位于内部,与带正电荷的氨基酸形成盐键,按照疏水性分类,疏水性氨基酸,仅参与范德华力相互作用,疏水作用的基础。多出现在螺旋中,脯氨酸除外(主链碳原子与自身R基形成氢键。),亲水性氨基酸,可以与主链、极性有机分子和水分子形成氢键。,两亲性氨基酸,同时具有极性和非极性,是理想的界面分子。,修饰
4、氨基酸: 蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如:胱氨酸、羟脯氨酸(Hyp)、羟赖氨酸(Hyl)。 非生蛋白氨基酸: 蛋白质中不存在的氨基酸。如:瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸,是代谢途径中产生的。,特殊氨基酸,3、氨基酸的理化性质,两性解离及等电点,等电点:在某一pH的溶液中,氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等,成为兼性离子,呈电中性,此时溶液的pH质称为该氨基酸的等电点(isoelectric point, pI)。等电点时氨基酸既不向阳极也不向阴极移动。,碱性亚氨基,酸性羧基,紫外吸收,色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等含共轭双键氨基酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。
5、,大多数蛋白质含有这几种氨基酸残基,所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,3、氨基酸的化学反应,成盐成酯反应 成酰氯反应 脱羧基反应 叠氮反应,用途:常用于氨基酸的定性或定量分析;用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸;用于修饰蛋白质。,(二)蛋白质的分类,分子组成:单纯蛋白质 结合蛋白质 分子形状和空间构象: 纤维状蛋白 球状蛋白 功能:酶蛋白、调节蛋白、运输蛋白等 家族分类法:螺旋-环-螺旋超家族、锌指结构蛋 白、PDZ结构域蛋白等。 特定模体或结构域常与某种生物学功能相关联,根据结构与功能的关系,将具有相同或类似模体或者结构
6、域的蛋白质归为一大类,一类或一组,分别称为超家族(super family)、家族(family)或亚家族(subfamily)。,三、蛋白质的结构,序列决定结构,结构决定功能,(一)蛋白质分子的一级结构,1.蛋白质一级结构的概念,多肽链上各种氨基酸从N端到C端的排列顺序,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,胰岛素一级结构,2.肽键和二硫键,一个氨基酸分子中的氨基与另一个氨基酸分子中的羧基脱水缩合形成的酰胺键称为肽键。 两个氨基酸通过肽键连接形成最简单的肽,二肽。10个以内,寡肽(oligopeptide),10以上称为多肽,多肽链。 多肽链中氨基酸分子因为脱水缩合而稍有残缺,称
7、之为氨基酸残基(residue)。 氨基端或N末端 羧基端或C末端,3.天然活性肽,通常具有重要的生物学活性: 肽类激素:催产素、抗利尿激素 神经肽:P物质、脑啡肽 抗生素肽:短杆菌素S、短杆菌素A、博来霉素,功能: (1)解毒 (2)辐射防护 (3)保护肝脏 (4)抗过敏 (5)改善某些疾病的病程和症状 (6)美容护肤 (7)增加视力 (8)抗衰老作用,谷胱甘肽(glutathione, GSH),4.蛋白质一级结构的测定,(1) 传统氨基酸测序法,1955年Frederick Sanger测出胰岛素(insulin)的一级结构,获得1958年诺贝尔化学奖。方法:先将胰岛素多肽链切成小段,以
8、化学方法定出小段序列后,由各小段重叠的部分将原序列重组出来。,Insulin protein sequence,蛋白质一级结构测定的步骤,1、蛋白质的分离纯化 Purification 2、二硫键的拆分与保护 S-S cleavage & blocking 3、(亚基分离) Subunit separation 4、多种方法的部分水解 Partial hydrolysis 5、分离水解后得到的多肽 Peptide separation 6、测序 Sequencing 7、重叠 Overlapping 8、二硫键位置的确定 Disulfide bond po.,N端的测定方法,1、Sanger法
9、 2、Edman法 3、Dansyl chloride/Edman法 4、酶降解法,Edman 降解法(I),DABITC:有色Edman试剂 在Edman试剂上加发色基团,pH 9,CF3COOH/无水,DABITC: 4-N,N-二甲氨基偶氮苯4乙内酰硫脲,Edman 降解法(II),无冕英雄 Pehr Victor Edman,瑞典人, 1916.4.14-1977.3.19 1946-47年在美国留学时想到改进1930 年Abderhalden 60年代后期Moore & Stein利用该反应测定了RNase的一级结构, 遗憾的是Edman没有和他们分享Nobel化学奖.,以质谱仪测定
10、蛋白序列,质谱仪是利用分子的质量大小来检定样本,因此可以精确测出某分子的质量。若把蛋白质在质谱仪中与氮气撞击,产生一群具有各种不同长短的片段,然后用质谱仪一一测出这些片段的分子量,由所得各种片段分子量的差别,就可推出相差氨基酸的种类,乃至整段氨基酸的序列。,质谱法 Edman循环后看分子量的变化,(2) 由cDNA序列确定蛋白序列,DNA上的碱基序列与它所编码蛋白质的氨基酸顺序呈线性相关,分离纯化蛋白质,酶切部分水解后分离短肽,对短肽进行测序,构建cDNA文库,根据序列设计探针,筛选cDNA文库,根据cDNA序列推测蛋白质的一级结构,蛋白质序列数据库 www.ncbi.nlm.org,(二)蛋
11、白质分子的二级结构,1.蛋白质二级结构的概念,蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,也就是该肽链主链骨架原子相对空间位置,并不涉及氨基酸残基侧链的构象,稳定因素:氢键,肽平面,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面,C1和C2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单元(peptide unit)。 由于肽键(peptide bond)具有双键特性,所以主链中只有两个单键可以旋转。,两个肽平面以一个C为中心发生旋转,多肽链的所有可能构象都能用和两个构象角(conformational angle)或称二面角(dihedral angle
12、)来描述。,扭转角:一个可旋转化学键两侧两个基团间所成的角度。 扭转角:N-C键与相邻肽键形成的夹角 扭转角:C-C键与相邻肽键形成的夹角 从肽链N端看,顺时针方向为正,逆时针方向为负,和均为零时的构象,由于相邻肽平面的H原子和O原子之间在空间上重叠,此构象实际上并不允许存在。和同时旋转1800,则转变为完全伸展的肽链构象(前页)。,和均为1800,为完全伸展的肽链构象。,左手螺旋,原子和原子团物理大小限制了和转角的大小,根据允许的和值可以做出Ramachandran图。红色:不会引起空间位阻的转角组合;粉色:空间位阻发生一定程度的张弛时的转角组合,作用力 破坏因子 氢键: -螺旋,-折叠 尿
13、素,盐酸胍 (guanidine hydrochloride ) 疏水作用: 形成球蛋白的核心 去垢剂,有机溶剂 Van der Waals力:稳定紧密堆积的基团和原子 离子键:稳定-螺旋,三、四级结构 酸、碱 二硫键:稳定三、四级结构 还原剂 配位键:与金属离子的结合 螯合剂 EDTA,维持蛋白质空间构象的作用力,H2NC(:NH)NH2 HCl,稳定折叠蛋白的化学键,除氨基酸之间连接的肽键和二硫键两个共价键外,折叠蛋白质的其他稳定能则来自于共价键之外的非共价弱极性相互作用,主要包括盐桥、氢键、范德华力和长距离静电相互作用。,范德华力(van der Waals force):当一个原子或成
14、键的几个原子上电子云的变化诱导邻近的非成键原子产生相反的变化的偶极时,就产生非常弱的静电吸引,即为范德华力,对维持活性中心的构象尤为重要。疏水性侧链范德华力最大,原子间距离小于5,氢键(hydrogen bond):当氢原子与一个负极性更强的原子形成共价键时,它便具有了部分正电荷的性质,可以被邻近的带有负电荷的原子吸引,从而形成氢键。两个非氢极性原子之间距离小于3.5,而其中一个连接了一个氢原子时,就认为它们之间存在氢键。,与氢原子共价连接的原子称为供体原子,未共价连接的原子称为受体原子。当受体和供体都完全带有电荷时,键能显著提高,这时形成氢键的离子对称为盐桥。,水形成氢键的特性对于蛋白质结构
15、具有重要的影响,供体,受体,蛋白质结构中几乎所有潜在的氢键供体和受体都参与蛋白质自身极性基团或与水分子间的氢键作用。最普遍的氢键基团是C=O和N-H,在蛋白质内部这些基团不能与水形成氢键,倾向于彼此间形成氢键,结果构成了稳定蛋白质折叠状态的二级结构。,受体,疏水作用(Hydrophobic effect),在水中的非极性基团相互作用以尽量减少同极性溶剂接触表面积的趋势,称为疏水作用。 非极性基团相互聚集,位于多肽链的内部,极性基团位于表面,与水形成氢键,而聚集在内部的多肽链主链分子不能与水形成氢键,只能相互间形成氢键,导致多肽链折叠更加紧密,结构更加稳定。,3.蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋
16、 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),-螺旋 ( -helix ),由主链氢键网络稳定的具有多面性的柱状结构,N,C,螺旋帽:N末端氨基酸残基未饱 和的氢键供体(N-H基 团)通常与一个极性侧 链形成氢 键,这个氨 基酸残基称螺旋帽,螺旋帽,5.4 (3.6aa),特点:右手螺旋;3.6aa/圈,每个aa上升1.5,螺距5.4;n氨基酸上羧基氧与n+4氨基酸上亚胺基上的氢形成氢键。,螺旋偶极,偶极矩,螺旋是一种普遍的蛋白质二级结构,螺旋是蛋白质中最常见、含量最丰富的二级结构。螺旋中的每个氨基酸
17、残基C的成对二面角的和各自取同一数值,=-570、=-480,即形成周期性有规则的构象。多肽的主链可以按右手方向或左手方向盘绕形成右手螺旋或左手螺旋。每周螺旋占3.6个氨基酸残基、沿螺旋轴方向上升0.54 nm、每个氨基酸残基绕轴旋转1000,沿轴上升0.15 nm。螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧,相邻螺圈之间形成链内氢键,氢键的取向与中心轴几乎呈平行关系。氢键由肽键上的N-H的氢与其后面(N端)的第四个氨基酸残基上的C=O的氧之间形成。,- 螺旋的特性(物理参数),氢键取向与主轴基本平行,右旋,3.6个氨基酸一个周期,螺距0.54 nm,第n个AA(NH)与第n-4个 AA(CO)形成氢键,
18、环内原子数13。,-螺旋俯视图,两亲性-螺旋 :在许多-螺旋中,极性和疏水性残基以间隔3或4个残基的方式分布在序列中,就会产生具有一个亲水面和一个疏水面的-螺旋。位于蛋白质表面,与水形成氢键或位于界面,极性基团彼此作用。结构预测时利用该特征可以寻找-螺旋,脯氨酸由于缺少N-H,很少出现在-螺旋中,但多聚脯氨酸螺旋具有特殊的性质。多聚脯氨酸肽键为反式时,形成左手螺旋,很容易被其他蛋白识别,因此多聚脯氨酸通常作为蛋白质识别模块的锚着位点,如信号转导的SH3域。,蛋白质的-螺旋几乎都是右手螺旋,蛋白质中的-螺旋几乎都是右手的,右手的比左手的稳定。前提是螺旋都是由L-氨基酸残基组成的,因此右手螺旋和左
19、手螺旋不是对映体。左手螺旋中L-型氨基酸残基侧链的第一个碳原子(C)过于接近主链上C=O的氧原子,以致结构不舒适,能量较高,构象不稳定。而右手螺旋中,空间位阻较小,较为符合立体化学空间要求,在肽链折叠中容易形成,构象稳定。左手螺旋虽然稀少,但偶尔也有出现。,左旋和右旋的判断,-构象将多肽链组织成片状结构,-构象也称-折叠、-结构、-折叠片,是蛋白质中第二种最常见的二级结构。两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起,相邻肽链主链上的-NH和C=O之间形成有规则的氢键,这种构象为-构象。在-构象中,所有的肽键都参与链间氢键的交联,氢键与肽链的长轴接近垂直,在肽链的长轴方向上具有重复单位。除作为
20、某些纤维蛋白质的基本构象外,-构象还普遍存在于球状蛋白质中。-构象分为两种类型:平行式(parallel)和反平行式(antiparallel)。,-折叠 (-pleated sheet ),除边界两侧的C=O和N-H外,其它极性酰胺基团之间构成氢键。反平行更稳定。,(1)是肽链相当伸展的结构,肽链平面之间折叠成锯齿状,相邻肽键平面间呈110角。氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。 (2)依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的CO与HN形成氢键,使构象稳定。 (3)两段肽链可以是平行的,也可以是反平行的。即前者两条链从“N端”到“C端”是同方向的,后者是反方向的。片层结构的形式十分多样,
21、正、反平行能相互交替。 (4)平行片层结构中,两个氨基酸残基的间距为0.65 nm;反平行片层结构,则间距为0.7 nm。,片层结构的特点,-折叠( -pleated sheet),通过链间的氢键作用两个蛋白质形成复合物Rap-Raf,桶(视黄醇结合蛋白) 最后一条链和第一条链形成氢键,形成闭合圆柱。,-转角( -turn),第二个氨基酸通常为脯氨酸,此外甘氨酸、天冬氨酰、天冬氨酸和色氨酸也常出现在-转角中,蛋白质分子中,肽链经常会出现180的回折,在这种回折角处的构象就是转角(turn或bend),一般含有216个氨基酸残基。含有5个氨基酸残基以上的转角又常称之环(loops)。,没有确定规
22、律性的部分肽链构象,肽链中肽键平面不规则排列,属于松散的卷曲(coil)。 这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位,例如铁氧还蛋白和红氧还蛋白中结合铁硫串的肽环以及许多钙结合蛋白中结合钙离子的E-F手结构的中央环。 无规卷曲(random coil):溶液中变性蛋白质的折叠完全展开后形成的无序且快速变动的构象。,卷曲(coil),4.二级结构的预测,长侧链,C分支,亚氨基,N-H不参与形成氢键,无侧链,不同软件对同一氨基酸序列二级结构的预测。h表示螺旋,e表示折叠,c表示环,t表示转角,蛋白质一级结构是空间结构的基础 一级结构决定二级结构,一级结构决定了二级结构:
23、Chou和Fasman对29种蛋白质的一级结构和二级结构关系进行统计分析,发现: Glu、Met、Ala和Leu残基是-螺旋最强的生成者, Gly、Pro是-螺旋最强的破坏者 Gly、Ala、Ser是折迭最强生成者 Gly、Pro、Asp、Ser是转角最强生成者, Ile、Val、Leu是转角最强破坏者。 一级结构决定了三级结构: 如牛胰核糖核酸酶 一级结构决定了四级结构: 如血红蛋白的四级结构,见球状蛋白质。,超二级结构(supersecondary structure),多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近并相互作用,形成规则的二级结构聚集体,称为超二级结构,模体(moti
24、f)也称为基序,模序 具有特定功能的一段氨基酸序列,顺序基序 锌指基序:CXX(XX)CXXXXXXXXXXXXHXXXH 具有特定功能的一组二级结构元件,在空间上互相接近,形成特殊的空间构象,结构基序,锌指结构,螺旋-转角-螺旋,蛋白质中的几种超二级结构,Rossman折叠,(螺旋处于折叠片上侧),发夹,曲折,希腊钥匙拓扑结构,细胞色素C的结构,是一种螺旋束,经常是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手卷曲螺旋或称超螺旋。螺旋束中还发现有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质如角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件,也存在于球状蛋白质中。,肌球蛋白(Myosin),肌球蛋白
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