蛋白质的一级结构共价结构.docx

1、蛋白质的一级结构共价结构 蛋白质的一级结构（共价结构）蛋白质的一级结构也称共价结构、主链结构。 蛋白质结构层次 一级结构（氨基酸顺序、共价结构、主链结构） 是指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序 二级结构 超二级结构 构象（高级结构） 结构域 三级结构(球状结构) 四级结构(多亚基聚集体) 一级结构的要点 蛋白质测序的一般步骤祥见 P116（1） 测定蛋白质分子中多肽链的数目。（2） 拆分蛋白质分子中的多肽链。（3） 测定多肽链的氨基酸组成。（4） 断裂链内二硫键。（5） 分析多肽链的N末端和C末端。（6） 多肽链部分裂解成肽段。（7） 测定各个肽段的氨基酸顺序（8） 确定肽段在多肽链中的顺序。

2、（9） 确定多肽链中二硫键的位置。 蛋白质测序的基本策略对于一个纯蛋白质，理想方法是从N端直接测至C端，但目前只能测60个N端氨基酸。 直接法（测蛋白质的序列）两种以上特异性裂解法 N C A 法裂解 A1 A2 A3 A4 B 法裂解 B1 B2 B3 B4 用两种不同的裂解方法，产生两组切点不同的肽段，分离纯化每一个肽段，分离测定两个肽段的氨基酸序列，拼接成一条完整的肽链。 间接法（测核酸序列推断氨基酸序列）核酸测序，一次可测600-800bp 测序前的准备工作 蛋白质的纯度鉴定纯度要求，97%以上，且均一，纯度鉴定方法。（两种以上才可靠）聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)要求一条带DNScl

3、（二甲氨基萘磺酰氯）法测N端氨基酸 测定分子量 用于估算氨基酸残基n=方法：凝胶过滤法、沉降系数法 确定亚基种类及数目多亚基蛋白的亚基间有两种结合方式：非共价键结合8mol/L尿素，SDS SDS-PAGE测分子量 二硫键结合 过甲酸氧化： SS+HCOOOH SO3H 巯基乙醇还原：举例:： 血红蛋白 (22) （注意，人的血红蛋白和的N端相同。） 分子量： M 拆亚基： M1 、M2 两条带 拆二硫键： M1 、M2 两条带 分子量关系： M = 2M1 + 2M2 测定氨基酸组成主要是酸水解，同时辅以碱水解。氨基酸分析仪自动进行。确定肽链中各种a.a出现的频率,便于选择裂解方法及试剂。T

4、rp测定 对二甲基氨基苯甲醛 590nm。 Cys 测定 5、5/一二硫代双（2硝基苯甲酸）DTNB ，412nm 端基分析N端分析DNS-cl法：最常用，黄色荧光，灵敏度极高，DNS-多肽水解后的DNS-氨基酸不需要提取。DNFB法：Sanger试剂，DNP-多肽，酸水解，黄色DNP-氨基酸，有机溶剂（乙酸乙酯）抽提分离，纸层析、薄层层析、液相等PITC法：Edman法，逐步切下。无色PTH-氨基酸，有机溶剂抽提，层析。C端分析A肼解法H2N-A-B-C-D-COOH 无水肼NH2NH2 100 5-10h。 A-NHNH2 、 B-NHNH2 、 C-NHNH2 、 D-COOH氨基酸的酰

5、肼，用苯甲醛沉淀，C端在上清中，Gln、Asn、Cys、Arg不能用此法。B羧肽酶法（Pro不能测）羧肽酶A：除Pro、Arg、Lys外的所有C端a.a羧肽酶B：只水解Arg、Lys N H2N ValSerGly C图 P118 羧肽酶法测C末端 肽链的部分裂解和肽段的分离纯化 化学裂解法 溴化氰 MetX 产率85% 亚碘酰基苯甲酸 TrpX 产率70-100% NTCB（2-硝基-5-硫氰苯甲酸）XCys 羟胺NH2OH AsnGly 约150个氨基酸出现一次 酶法裂解胰蛋白酶 Lys X (X Pro) Arg X胰凝乳蛋白酶 TyrX (X Pro) TrpX PheX胃蛋白酶 Ph

6、e(Trp、 Try、 Leu)Phe(Trp、 Try、 Leu)Glu蛋白酶 GluX（V8蛋白酶）Arg蛋白酶 ArgXLys蛋白酶 XLysPro蛋白酶 ProX 肽段的分离纯化电泳法 根据分子量大小分离离子交换层析法（DEAECellulose、DEAESephadex） 根据肽段的电荷特性分离反相法 根据肽段的极性分离凝胶过滤 肽段纯度鉴定分离得到的每一个肽段，需分别鉴定纯度，常用c l法要求：单带、单峰、端单一。 肽段的序列测定及肽链的拼接 Edman法一次水解一个端a.a（1）耦联 PITC HNA-B-C-D pH89 ，40 PTCA-B-C-D（2）裂解 PTCA-B-C

7、-DTFA无水三氟乙酸 ATZA + H2NB-C-D（3）转化 ATZA PTHA 用GC或HPLC测定PTH-APTC肽：苯氨基硫甲酰肽ATZ：噻唑啉酮苯胺（一氨基酸）PTH：苯乙内酰硫脲（一氨基酸） 耦联：得PTC肽 一次循环 裂解：ATZ-a.a 转化：PTH-a.a 反应产率 99 循环次数 120 (偶联、降 98% 60 解两步） 90% 40 DNS-Edman法用DNS法测N末端，用Edman法提供（n-1）肽段。 肽 图 有色Edman法荧光基团或有色试剂标记的PITC试剂。 用自动序列分析仪测序仪器原理：Edman法，可测60肽。1967液相测序仪 自旋反应器，适于大肽段

8、。1971固相测序仪 表面接有丙氨基的微孔玻璃球，可耦连肽段的端。1981气相测序仪 用Polybrene反应器。 （聚阳离子）四级铵盐聚合物 液相：5nmol 20-40肽 97% 气相：5pmol 60 肽 98% 肽段拼接成肽链16肽，端H 端 法裂解：ONS PS EOVE RLA HOWT 法裂解：SEO WTON VERL APS HO重叠法确定序列：HOWTONSEOVER LAPS 二硫键、酰胺及其他修饰基团的确定 二硫键的确定（双向电泳法）碘乙酰胺封闭-SH胃蛋白酶酶解蛋白质第一向电泳过甲酸氧化SS生成-SO3H第二向电泳分离出含二硫键的两条短肽，测序与拼接出的肽链比较，定出

9、二硫键的位置。 酰胺的确定Asp Asn、Glu-Gln酶解肽链，产生含单个Asx或Glx的肽，用电泳法确定是Asp还是Asn举例：Leu-Glx-Pro-Val肽在pH=6.0 时，电荷量是 Leu+ Pro0 Val- 此肽除Glx外，净电荷为0，可根据此肽的电泳行为确定是Glu或是Gln。 糖、脂、磷酸基位置的确定糖类通过Asn、Ser与蛋白质连接，-N-糖苷 -0-糖苷脂类：Ser、 Thr、Cys磷酸：Ser、 Thr、His经验性序列： Lys(Arg)-Ser-Asn-Ser(PO4)Arg-Thr-Leu-Ser(PO4)Lys(Arg) Ala-Ser(PO4) 蛋白质的一级

10、结构与生物功能 蛋白质的一级结构决定高级结构和功能蛋白质一级结构举例：（1） 牛胰岛素Sanger于1953年首次完成测序工作。P128 图3-38 分子量：5700 dalton51个a.a残基，A链21个残基，B链30个残基，A链内有一个二硫键 Cys 6Cys 11A.B链间有二个二硫键 A.Cys 7 B Cys 7 A.Cys 20B Cys 19（2）核糖核酸酶（RNase）P128 图3-39分子量：12600 124个a.a残基 4个链内二硫键。牛胰RNase变性一复性实验：P164 图3-69。(8M尿素+硫基乙醇)变性、失活透析，透析后构象恢复，活性恢复95%以上，而二硫键

11、正确复性的概率是1/105。（3）人血红蛋白和链及肌红蛋白的一级结构 P129 图3-40 同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化同源蛋白质：在不同的生物体内具有同一功能的蛋白质。如：血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能，细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。同源蛋白质的特点：多肽链长度相同或相近同源蛋白质的氨基酸顺序中有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称不变残基，不变残基高度保守，是必需的。除不变残基以外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化，称可变残基，可变残基中，个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关

12、系和进化，亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。 细胞色素C存在于线粒体膜内，在真核细胞的生物氧化过程中传递电子。P130，图3-41分子量：12500左右氨基酸残基：100个左右，单链。25种生物中，细胞色素C的不变残基35个。60种生物中，细胞色素C的不变残基27个。亲源关系越近的，其细胞色素C的差异越小。亲源关系越远的，其细胞色素C的差异越大。人与黑猩猩 0人与猴 1人与狗 10人与酵母 44 胰岛素祥见 P175 胰岛素的结构与功能不同生物的胰岛素a.a序列中，有24个氨基酸残基位置始终不变，AB链上6个Cys 不变（重要性），其余18（24-6）个氨基酸多数为非极性侧链，对稳

13、定蛋白质的空间结构起重要作用。其它氨基酸 对稳定蛋白质的空间结构作用不大，但对免疫反应起作用，猪与人接近，而狗则与人不同，因此可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。 蛋白质一级结构的个体差异分子病分子病：基因突变引起某个功能蛋白的某个（些）氨基酸残基发生了遗传性替代从而导致整个分子的三维结构发生改变，致使其功能部分或全部丧失。Linus Pauling首先发现镰刀形红细胞贫血现是由于血红蛋白发生了遗传突变引起的，成人的血红蛋白是由两条相同的链和两条相同的链组成22，镰刀形红细胞中，血红蛋白链第6位的aa线基由正常的Glu变成了疏水性的Val。因此，当血红蛋白没有携带O2时就由正常的球形变成了刚性的棍棒

14、形，病人的红细胞变成镰刀形，容易发生溶血作用(血细胞溶解)导致病血，棍棒形的血红蛋白对O2的结合力比正常的低。以血红蛋白为例：22寡聚蛋白正常人血红蛋白，.N.Glu 6镰刀型贫血 .N.Val 6生理条件下电荷：Va10 Glu-疏水 亲水人的血红蛋白分子的四条肽链中（574个氨基酸残基）只有两个Glu分子变化成Va1分子，就能发生镰刀状细胞贫血病。 一级结构的部分切除与蛋白质的激活一些蛋白质、酶、多肽激素在刚合成时是以无活性的前体形式存在，只有切除部分多肽后才呈现生物活性，如血液凝固系统的血纤维蛋白原和凝血酶原，消化系统的蛋白酶原、激素前体等。 血液凝固的机理 凝血因子（凝血酶原致活因子）

15、凝血酶原 凝血酶 纤维蛋白原A 纤维蛋白B 凝胶（1）、 凝血酶原P133 图3-43 凝血酶原的结构糖蛋白，分子量66000，582个a.a残基，单链。在凝血酶原致活因子催化下，凝血酶原分子中的Arg274Thr275和Arg323Ile324断裂，释放出274个a.a，产生活性凝血酶。 A链49 a.a B链259 a.a（2）、 纤维蛋白原P133 图3-44 纤维蛋白原的结构22r2肽：600个氨基酸，肽：461氨基酸，r肽：410个氨基酸在凝血酶作用下，从二条链和二条链的N端各断裂一个特定的肽键-ArgGly-，释放出二个纤维肽A（19个氨基酸）和二个纤维肽B（21个氨基酸），它们含

16、有较多的酸性氨基酸残基。P133 纤维肽A .B的结构A、B肽切除后，减少了蛋白质分子的负电荷，促进分子间聚集，形成网状结构。P134上在凝血因子XIIIa（纤维蛋白稳定因子）催化下，纤维蛋白质单体间形成共价健（Gln-Lys结合），生成交联的纤维蛋白。 胰岛素原的激活P134图3-45胰岛素在胰岛的细胞内质网的核糖体上合成，称前胰岛素原，含信号肽。前胰岛素原在信号肽的引导下，进入内质网腔，进入后，信号肽被信号肽酶切除，生成胰岛素原，被运至高尔基体贮存。并在特异的肽酶作用下，切除C肽，得到活性胰岛素。 多肽与蛋白质的人工合成在医药和研究方面意义重大1958年，北大生物系合成催产素8肽。1965

17、年，中国科学院生化所、有机所、北大化学系人工合成牛胰岛素。1969年，美国Merrifield用自动化的固相多肽合成仪合成第一个酶牛胰RNase（124aa）。P139图3-46 多肽的固相合成C端 N端。挂接去保护中和缩合去保护中和缩合 蛋白质的二级结构和纤维状蛋白质二级结构是指多肽链中有规则重复的构象。 肽链的构象多肽链的共价主链上所有的-碳原子都参与形成单键，因此，从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。但是，目前已知，一个蛋白质的多肽链在生物体内只有一种或很少几种构象，且相当稳定，这种构象称天然构象，此时蛋白质具有生物活性，这一事实说明：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转。 肽链的

18、二面角P143图3-51、图3-52多肽主链上只有碳原子连接的两个键（CN1和C-C2）是单键，能自由旋转。环绕CN键旋转的角度为环绕CC2键旋转的角度称多肽链的所有可能构象都能用和这两个构象角来描述，称二面角。当的旋转键C-N1两侧的N1-C1和C-C2呈顺式时，规定=0。当的旋转键C-C2两侧的C-N1和C2-N2呈顺式时，规定=0。从C向N1看，顺时针旋转C-N1键形成的角为正值，反之为负值。从C向C2看，顺时针旋转C- C2键形成的角为正值，反之为负值。 多肽链折叠的空间限制和同时为0的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位

19、阻。因此二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。C上的R基的大小与带电性影响和P144表3-12 蛋白质中非键合原子间的最小接触距离。拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（、）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。P145 拉氏构象图（Gly除外）实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最

20、小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。Gly的、角允许范围很大。总之，由于原子基因之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的，对非Gly 氨基酸残基一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3。 二级结构的基本类型驱使蛋白质折叠的主要动力：(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。 螺旋（3）、 螺旋及其特征在螺旋中，多肽主链按右手或左手方向

21、盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个C都取相同的二面角、。典型的螺旋有如下特征： 二面角：= -57, = - 48，是一种右手螺旋回忆 P143图3-52 每圈螺旋：3.6个a.a残基， 高度：0.54nm 每个残基绕轴旋转100，沿轴上升0.15nm 氨基酸残基侧链向外 相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。 肽键上N-H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=0氧间形成氢键。 图这种典型的螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基，13表示氢键封闭的环包括13个原子。2.27螺旋（n=1）310 螺旋（n=2，= -49, =

22、 - 26）613螺旋（n=3）4.316螺旋（n=4）封闭环原子数3n+4（n=1、2、.） 2.27 310 3.613 4.316n=1 n=2 n=3 n=4 -螺旋 -螺旋（4）、 R侧链对螺旋的影响R侧链的大小和带电性决定了能否形成螺旋以及形成的螺旋的稳定性。 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸 残基,(如Lys，或Asp，或Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响螺旋稳定。 Gly的角和角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成螺旋。丝心蛋白含50%Gly，不

23、形成螺旋。 R基大（如Ile）不易形成螺旋 Pro、脯氨酸中止螺旋。 R基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成螺旋。（5）、 pH对螺旋的影响多聚L-Glu和多聚L-LysP149 图3-57（6）、 右手-螺旋与左手-螺旋 图 P148右手螺旋比左手螺旋稳定。蛋白质中的螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）组成（+64、+42）。（7）、 -螺旋结构的旋光性由于-螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，原因：（1）碳原子的不对称性，（2） 构象本身的不对称性。天然螺旋能引

24、起偏振光右旋，利用螺旋的旋光性，可测定蛋白质或多肽中螺旋的相对含量，也可用于研究影响螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。-螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。（8）、 -螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性一旦形成一圈-螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而迅速。 -折叠P149 图358 P150 图359两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NH和C=0之间形成氢链，这样的多肽构象就是-折叠片。-折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。多肽主链呈锯齿

25、状折叠构象，侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。平行式：所有参与-折叠的肽链的N端在同一方向。反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同平行式：=-119 =+113反平行式：=-139 =+135从能量上看，反平-折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH-O几乎在一条直线上，此时氢键最强。在纤维状蛋白质中-折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。在纤维状蛋白质的-折叠中，氢键主要是在肽链之间形式，而在球状蛋白质中，-折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。 -转角（-turn）-转角也称-回折（reverse turn）、-弯曲（-bend）、发夹结构（h

26、air-pin structure）-转角是球状蛋白质分子中出现的180回折，有人称之为发夹结构，由第一个a.a残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。目前发现的转角多数在球状蛋白质分子表面，转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的1/4。转角的特征：由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。主链骨架以180返回折叠。第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键C1与C4之间距离小于0.7nm多数由亲水氨基酸残基组成。 无规卷曲 没有规律的多肽链主链骨架构象。球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。-螺旋，-转角，-折叠在拉氏图上有固定位置，而无规卷曲的、

27、二面角可存在于所有允许区域内。 超二级结构由若干个相邻的二级结构单元（-螺旋、-折叠、-转角及无规卷曲）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体。 结构（复绕-螺旋）由两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离140A。p153 图3-61 A存在于-角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白和纤维蛋白原中。 x结构两段平行式的-链（或单股的-折叠）通过一段连接链（x结构）连接而形成的超二级结构。c x为无规卷曲p153 图3-61 B x为-螺旋，最常见的是，称Rossmann折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。p153 图3-61 C 曲折（-meande

28、r）由三条（以上）相邻的反平行式的-折叠链通过紧凑的-转角连接而形成的超二级结构。P153图3-61 D 回形拓扑结构（希腊钥匙）P153图3-61 E -折叠桶由多条-折叠股构成的-折叠层，卷成一个筒状结构，筒上折叠可以是平行的或反平行的，一般由5-15条-折叠股组成。超氧化物歧化酶的-折叠筒由8条-折叠股组成。筒中心由疏水氨基酸残基组成。 -螺旋-转角-螺旋两个-螺旋通过一个转角连接在一起。噬菌体的阻遏蛋白含此结构。在蛋白质与DNA的相互作用中，此种结构占有极为重要的地位。 纤维状蛋白质纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴）大于10，轴比小于10是的球状蛋白质。广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的50%以上，起支架和保护作用。 角蛋白源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生物（发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝）可分为-角蛋白和角蛋白。（9）、 -角蛋白P155 图3-63，P156 图3-64 主要由-螺旋结构组成，三股右手-螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成“9+2”的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大纤微结构稳定性由二硫键保证，-角蛋白在