蛋白质的功能及其结构基础共84页
蛋白质的结构与功能
蛋白质：蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分。
机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与。
蛋白质是生命的物质基础，是有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。
没有蛋白质就没有生命。
氨基酸是蛋白质的基本组成单位。
它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。
机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。
蛋白质占人体重量的16%~20%，即一个60kg重的成年人其体内约有蛋白质9.6~12kg。
人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但都是由21种氨基酸（Amino acid）按不同比例组合而成的，并在体内不断进行代谢与更新。
蛋白质结构与功能：本书适合作为国内大专院校生命科学领域本科生和研究生的教材或教学参考用书，也可供研究生命科学的相关人员及有兴趣了解现代生命科学的人士阅读。
内容简介：蛋白质结构功能的研究是从分子水平了解生命现象的基础。
本书涉及的知识范围很广，从氨基酸到蛋白质的三维结构及检测方法，酶、膜蛋白、纤维蛋白等的结构功能，酶的催化和动力学，蛋白质的表达、纯化、合成、加工及在细胞中的周转，蛋白质的多样性和蛋白质组学，蛋白质体内外的折叠及蛋白质结构与医学分子生物学的进展等。
目录：译者序前言1 蛋白质结构和功能简介1.1 简略的历史回顾1.2 蛋白质的生物多样性1.3 蛋白质与人类基因组和其他基因组测序1.4 为什么研究蛋白质？2 氨基酸——蛋白质的“建筑砖瓦”2.1 蛋白质中发现的20种氨基酸2.2 氨基酸的酸碱性质2.3 氨基酸的立体化学表示法2.4 肽键2.5 氨基酸的物理和化学性质2.6 氨基酸和蛋白质的检测、鉴定及定量2.7 立体异构2.8 不常见氨基酸2.9 概要2.10 问题3 蛋白质的三维结构3.1 一级结构或一级序列3.2 二级结构3.3 三级结构3.4 四级结构3.5 球蛋白家族及其四级结构在调节活性中的作用3.6 免疫球蛋白3.7 环状蛋白3.8 概要3.9 问题4 纤维状蛋白质的结构和功能4.1 纤维状蛋白质的氨基酸组成和组织4.2 角蛋白4.3 丝心蛋白4.4 胶原4.5 概要4.6 问题5 膜蛋白的结构和功能5.1 生物膜的组织状态5.2 从红细胞膜的组织来了解膜蛋白的拓扑结构和功能5.3 细菌视紫红质和7次跨膜螺旋的发现5.4 细菌反应中心的结构5.5 生氧光合作用5.6 光系统5.7 基于跨膜p桶的膜蛋白5.8 呼吸复合体5.9 复合体III（泛醌—细胞色素C氧化还原酶）5.10 复合体IV或细胞色素氧化酶5.11 ATP合成酶的结构5.12 ATP酶家族5.13 概要5.14 问题6 蛋白质的多样性6.1 生命起源前的合成和蛋白质的起源6.2 有机体进化的趋异性及其与蛋白质结构和功能的关系6.3 蛋白质序列分析6.4 蛋白质数据库6.5 基因融合和复制6.6 二级结构预测6.7 基因组学与蛋白质组学6.8 概要6.9 问题7 酶的动力学、结构、功能与催化作用7.1 酶的命名7.2 酶的辅因子7.3 化学动力学7.4 酶的过渡态及酶的作用7.5 酶活性动力学7.6 催化机制7.7 酶的结构7.8 溶菌酶7.9 丝氨酸蛋白酶7.10 丙糖磷酸异构酶7.11 酪氨酰tRNA合成酶7.12 EcoRI限制性内切核酸酶7.13 酶的抑制与调节7.14 不可逆的酶活性的抑制7.15 别构调节7.16 共价修饰7.17 同工酶7.18 概要7.19 问题8 蛋白质的合成、加工和周转9 蛋白质的表达、纯化及特性研究10 测定蛋白质三级结构的物理方法11 体内外的蛋白质折叠12 蛋白质结构与分子医学研究进展结束语术语表附录参考书目参考文献。
第03章蛋白质的结构与功能优秀课件
2.2.4 氨基酸的主要理化性质
1）两性解离和等电点（pI）；
2）颜色反应：与茚三酮反应---蓝紫色； 与2，4-二硝基氟苯反应—黄色化合物。
3）光吸收性：Trp、 Tyr 、 Phe（279、278、259nm）。
问题
什么是氨基酸？
氨基酸：
分子中含有氨基的羧酸，叫氨基酸。分为脂肪族氨基酸和 芳香族氨基酸。
在脂肪族氨基酸中，根据-NH2的位置又分为α-氨基酸、β氨基酸、γ-氨基酸等。 α-氨基酸是构成蛋白质的基本结构单位 。
COOH HN2 – C –H
R L-α-氨基酸
第三节 蛋白质的一级结构
本节的主要内容： 1. 肽键与多肽链的结构特点； 2. 蛋白质一级结构的主要内容； 3. 氨基酸序列的测定方法与原理； 4. 蛋白质一级结构与功能的关系。
2.2 蛋白质的基本结构单位
编码氨基酸（常见的有20种，少量的稀有氨基酸）。另外， 还有非蛋白质氨基酸。氨基酸的通式如下：
R
NH2 -CH-COOH The R group differs among various amino acids. In a protein, the R group is also called a sidechain.
（三）按功能分类
将其分为活性蛋白(如酶、激素蛋白、运输和贮存蛋白、运 动蛋白、受体蛋白、膜蛋白等)和非活性蛋白（如胶原、角蛋白 等）两大类。见表3-3。
分类的意义:
任何生物物种或生物成分的分类体系，都是在对该生物 物种或生物成分的每个个体或分子的特性（起源、进化、生 活习性、外部特征、内在组成与生物功能等）全面了解和深 入研究的基础上，总结个体或分子间的相互联系的内在规律， 利用合理的规则将（亲缘）关系密切者归为一类。进一步建 立不同类之间的联系关系，这样就形成了该物种或生物分子 的分类体系。
蛋白质的结构和功能
蛋白质的结构和功能蛋白质是生命体中最重要的类别之一，也是细胞的基本组成部分之一。
蛋白质的结构与功能密切相关，对于理解蛋白质的重要性以及其功能的多样性具有重要意义。
本文将就蛋白质的结构与功能进行详细阐述。
一、蛋白质的结构蛋白质是由氨基酸的多肽链组成的，而氨基酸是蛋白质的构成单元。
不同的氨基酸组合形成了不同的氨基酸序列，从而赋予了蛋白质不同的结构和功能。
蛋白质的结构包括了四个层次，分别是：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1. 一级结构：一级结构是指氨基酸的线性排列方式。
氨基酸通过肽键连接在一起，形成多肽链。
每个氨基酸都与相邻的两个氨基酸通过肽键相连，形成一个多肽链。
2. 二级结构：二级结构是指多肽链的局部折叠方式。
常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是一种螺旋状的结构，其中氨基酸通过氢键相互连接。
β-折叠是一种折叠的结构，其中多肽链在平面上折叠成β片。
3. 三级结构：三级结构是指蛋白质整个空间结构的折叠方式。
蛋白质的三级结构是由一段多肽链的不同区域折叠而成。
三级结构的形成通常受到氢键、离子键、范德华力等相互作用的影响。
4. 四级结构：四级结构是指两个或多个多肽链之间的空间排列方式。
多肽链之间通过非共价键相互连接，形成一个完整的蛋白质分子。
多肽链之间的相互作用包括氢键、离子键、范德华力等。
二、蛋白质的功能蛋白质具有多种不同的功能，这取决于其结构和氨基酸序列的不同。
1. 结构功能：蛋白质作为细胞的基本组成部分，可以提供细胞的结构支持。
例如，肌肉组织中的肌动蛋白负责肌肉的收缩，细胞膜上的蛋白质起到维持细胞形态和细胞信号传递的作用。
2. 酶功能：蛋白质中的酶可以催化化学反应。
酶可以加速化学反应的速率，使得细胞内的代谢过程能够正常进行。
例如，消化系统中的酶可以加速食物的消化过程。
3. 运输功能：蛋白质可以通过细胞膜或血液循环，将物质从一个地方运输到另一个地方。
例如，血液中的血红蛋白可以运输氧气到身体各个器官。
蛋白质结构与功能关系
1.一级结构是空间构象的基础
在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即 可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定 的空间构象，特定的空间构象主要是由蛋白质分子 中多肽链和侧链R基团形成的次级键来维持的。蛋 白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由 一级结构可以自动地发展到二、三级结构。
肌红蛋白：主要肌细胞贮存和 分配氧的蛋白质。肌红蛋白是 由一条多肽链和一个辅基血红 素（原卟啉IX 和Fe的络合物） 组成，除去血红素的脱辅基肌 红蛋白称珠蛋白（globin）， 它和血红蛋白的亚基在氨基酸 序列上有明显的同源性，构象 和功能也相似，由8个α-螺旋组 成。
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氧气与肌红蛋白的结合
在分子进化过程中，细胞色素C分子中保持氨基酸残 基不变的区域称为保守部位。保守部位的氨基酸都 是细胞色素C完成其生物学功能所必需的。
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同源蛋白质的物种差异与生物进化
➢ 同源蛋白质：在生物体中行使相同或相似功能 的蛋白质。 不变残基 可变残基
➢ 来自两个物种的同源蛋白质，其序列之间的氨 基酸差异数目与这些物种间的系统差异成比例。 即在进化位置上相差愈远，其氨基酸序列差别 愈大。
在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结 合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性 的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应(allostery)。蛋白质 (或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调 节和某些生理功能的变化都是十分重要的。
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1、肌红蛋白Myoglobin（Mb）结构与功能
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细胞色素c的一级结构与生物进化的关系
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蛋白质结构与功能ppt
03
基于抗体与抗原的特异性结合原理，开发针对特定疾病的抗体
药物，如单克隆抗体、双特异性抗体等。
基因工程疫苗研究与开发
重组蛋白疫苗
利用基因工程技术将编码病原微生物保护性抗原的基因导入表达 系统，制备重组蛋白疫苗，从而诱导机体产生特异性免疫应答。
病毒样颗粒疫苗
利用病毒的结构蛋白自组装形成病毒样颗粒，模拟病毒的 自然感染过程，制备具有高免疫原性和安全性的疫苗。
05
蛋白质结构与功能的研究 方法
X射线晶体学
01
02
03
X射线衍射原理
利用X射线与晶体中的原 子相互作用产生衍射现象， 通过分析衍射图谱推断蛋 白质分子的三维结构。
晶体培养与优化
通过特定的条件和方法培 养和优化蛋白质的晶体， 以获得高质量的衍射数据。
结构解析与修正
利用计算机程序对衍射数 据进行处理、解析和修正， 最终得到蛋白质的三维结 构模型。
质的结构和动力学信息。
电镜技术
电子显微镜原理
利用高能电子束与样品相互作用产生散射、吸收等效应，通过检测 和处理这些效应产生的信号获得样品的形貌和结构信息。
样品制备与染色
制备适合电镜观察的蛋白质样品，通常需要对蛋白质进行负染或金 属投影等染色方法以增强对比度。
图像采集与处理
设置合适的实验参数，采集电子显微镜图像，并利用计算机程序对图 像进行处理和分析，得到蛋白质的结构和形貌信息。
蛋白质可以作为激素、 生长因子等，调节生物 体的生长、发育和代谢 等活动；同时，也可以 作为信号分子，参与细 胞间的通讯。
蛋白质的研究历史与现状
研究历史
自19世纪末开始，科学家们逐渐认识到蛋白质的重要性，并开展了大量的研究工作。 20世纪中叶以后，随着分子生物学和基因工程技术的发展，蛋白质研究进入了新的阶
蛋白质结构与功能-终稿
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2、除R=H的甘氨酸外，a－碳原子均 为不对称碳原子，因而是光学活性物质， 有D-型和L－型两种异构体，构成蛋白 质的氨基酸除Gly外均为L-型异构体。 D－型氨基酸没有营养价值，仅存在缬 氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中， 没有在蛋白质中发现。
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2.2.1氨基酸的结构与分类
---蛋白质的基本结构单位。
组成蛋白质的氨基酸 结构通式
特点：L-型α-氨基酸；
α-碳原子是不对称碳 原子。
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氨基酸的结构特点：
1、所有的氨基酸的共同特点是分子中同 时具有1个羧基（－COOH）和1个氨基 （－NH2），不同氨基酸之间的差异在于 侧链的R基团结构不同。
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构型与构象含义有根本的区别
构型（configuration）：是指在立体异构体中所有取 代原子或基团在空间的取向。如几何异构体中的顺 式和反式，光学异构体中的D-型和L－型。构型的 转变必须经历共价键的断裂。
构象（conformation）：指分子中的原子或取代基团 由于共价单键旋转所可能形成的不同的立体异构体。 在这种立体结构中，原子或基团的空间位置改变， 不涉及共价键的断裂。
Lys、Val Ile Leu phe Met Trp
Thr
半必需氨基酸
Arg His
非必需氨基酸
其余氨基酸
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编码蛋白质氨基酸的结构、代号
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中性氨基酸
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蛋白质结构与功能
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Ta b W2.1
(cf. Fig. 3-6)
3.613-螺旋
(C–N旋转)
(C–C旋转)
只有当大量的连续残基都具有类似的 φ和ψ值时才会形成相应的二级结构
6
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4-4 (2nd)
§2. 二级结构是稳定的重复元件
• -螺旋 (-helix)
H-bond几乎平 行于长轴
肽酰脯氨酰顺反异构酶 加速脯氨酰肽键的异构化
- 分子伴侣能提高多肽链的正确折叠率
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蛋白质二硫键异构酶作用机制
(protein disulfide isomerase)
还原态PDI通过二硫键交换反 应催化非天然态二硫键重排以
产生其天然态连接
非天然态二硫键
天然态二硫键
(热力学不稳定)
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(cf. Fig. 3-13)
中纤维 ×32 ×8
×4 ×2
10
b62
• 烫发的生化反应
11
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P813
H-bonds
• b-折叠 ( b-strand)
Parallel b-strand
CN 同向
远比-螺旋更 为伸展
6.5 Å REPEAT
R-groups protrude in opposite directions
NC
CN
13
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P9-
5
• Protein 3-D structure:
silk fibroin, a fibrous protein
Layers of antiparallel b-sheets, rich in Ala and Gly, permitting close packing of b-sheets with an interlocking arrangement of R-groups:
第一章 蛋白质的结构与功能
拆杠，冲水，温凉风干
各种蛋白质的基本结构是多肽链
所含氨基酸的数目不同
各种氨基酸的所占比例不同 氨基酸的排列顺序不同
结构多样、功能 各异的蛋白质
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础
肽键
共价键
一级结构
二硫键
化 学
氢键
二、三、四级结构
键
疏水键
非共价键
范德华键 三、四级结构
盐键
疏水键——具有避开水、相互集合而藏于蛋白质分子内部的自然趋势。
平行，从顶部看
平行，从侧面看
反平行，从顶部看
反平行，从侧面看
（3）-转角
肽链出现180°回折的部分形成β-转角（发夹结构）。
特点：氢键稳定结构
（4）无规卷曲
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。
（二）蛋白质的三级结构
1. 定义 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。 由一条多肽链构成的蛋白质，具有三级结构才 能发挥生物学活性。
天然状态， 有催化活性
72
1.核糖核酸酶一级结构与 功能的关系
58 65
110 95
84 26
二硫键破坏 后，生物学活性
40
去除尿素、 β-巯基乙醇
SH
丧失。
HS 40
65
HS
58
72
尿素、 β-巯基乙醇
一级结构决定蛋HS白26质的S空H 间95结84S构H 和生物学活性
HS 110HS
非折叠状态，无活性
第二章 蛋白质的结构与功能
(Structure and Function of Protein)
第一节 蛋白质的分子组成 第二节 蛋白质的分子结构 第三节 蛋白质的理化性质