【教学课件】第二章蛋白质.ppt

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1、 第二章第二章 蛋白质蛋白质授课目的：授课目的：本章主要阐述蛋白质的主要功能、性质本章主要阐述蛋白质的主要功能、性质以及蛋白质的分离纯化，并在此基础上简以及蛋白质的分离纯化，并在此基础上简要地阐明蛋白质结构与其性质及功能的关要地阐明蛋白质结构与其性质及功能的关系。系。授课时数：8学时学时第一节第一节 蛋白质概述蛋白质概述 第二节第二节 氨基酸蛋白质的构件分子氨基酸蛋白质的构件分子第三节第三节 肽肽第四节第四节 蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的结构与功能的关系第五节第五节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质第六节第六节 蛋白质的分离、纯化蛋白质的分离、纯化授课时序：授课时序：第一节第一节 蛋白质概

2、述蛋白质概述 一、一、蛋白质的生物学功能蛋白质的生物学功能二、蛋白质的分类二、蛋白质的分类三、蛋白质的水解三、蛋白质的水解四、蛋白质的组成成分四、蛋白质的组成成分一、蛋白质的生物学功能1.生物体的组成成分生物体的组成成分2.酶酶3.运输运输4.运动运动5.抗体抗体6.干扰素干扰素7.遗传信息的控制遗传信息的控制8.细胞膜的通透性细胞膜的通透性9.高等动物的记忆、识别机构高等动物的记忆、识别机构构成生物机体构成生物机体的结构蛋白如的结构蛋白如肌动蛋白、肌肌动蛋白、肌球蛋白球蛋白具有催化功具有催化功能的蛋白质能的蛋白质免疫球蛋白免疫球蛋白二、蛋白质的分类二、蛋白质的分类l依据蛋白质的外形分类：依据

3、蛋白质的外形分类：按照蛋白质的按照蛋白质的外形可分为外形可分为球状蛋白质球状蛋白质和和纤维状蛋白质纤维状蛋白质。球状蛋白质：球状蛋白质：globular proteinglobular protein外形接近球形外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。蛋白质属于这一类。纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：fibrous proteinfibrous protein分子类似纤分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质不溶性纤维状蛋白质。（2 2）依据蛋白质的组成分类）依

4、据蛋白质的组成分类n按照蛋白质的组成，可以分为：按照蛋白质的组成，可以分为：简单蛋白简单蛋白(simple protein)(simple protein)结合蛋白结合蛋白(conjugated protein)(conjugated protein)。简单蛋白简单蛋白 又称为又称为单纯蛋白质单纯蛋白质；这类蛋白质只含由；这类蛋白质只含由-氨酸氨酸组成的肽链，不含其它成分。组成的肽链，不含其它成分。1.1.清蛋白和球蛋白清蛋白和球蛋白：albumin and globulinalbumin and globulin广泛存在于动广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于物组织中

5、。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。稀酸中。2.2.谷蛋白谷蛋白(glutelin)(glutelin)和醇溶谷蛋白和醇溶谷蛋白(prolamin)(prolamin)：植物蛋白，：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于70708080乙醇中。乙醇中。3.3.精蛋白和组蛋白精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。：碱性蛋白质，存在与细胞核中。4.4.硬蛋白硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。、弹性蛋白和丝蛋白。结合

6、蛋白质结合蛋白质n由由简单蛋白与其它非蛋白简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成，成分结合而成，n色蛋白色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。白、叶绿蛋白和细胞色素等。n糖蛋白糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。糖蛋白等。n脂蛋白：脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。由简单蛋白与脂类结合而成。如血清如血清-，-脂蛋白等。脂蛋白等。n核蛋白：核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。核糖核蛋白等。完全水解得到各种氨基

7、酸的混合物，部分水解完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白质的所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元基本结构单元。大多数的蛋白质都是由大多数的蛋白质都是由2020种种氨基酸组成。这氨基酸组成。这2020种氨种氨基酸被称为基酸被称为基本氨基酸基本氨基酸。三、蛋白质的水解三、蛋白质的水解1.1.酸水解酸水解常常用用6 6 mol/Lmol/L的的盐盐酸酸或或4 4 mol/Lmol/L的的硫硫酸酸在在105-105-110110条件下进行水解，反应时间约条件下进行水解，反应时间约2020小时

8、。小时。此此法法的的优优点点是是不不容容易易引引起起水水解解产产物物的的消消旋旋化化。缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；含含有有羟羟基基的的氨氨基基酸酸如如丝丝氨氨酸酸或或苏苏氨氨酸酸有有一一小小部部分分被被分分解解；门门冬冬酰酰胺胺和和谷谷氨氨酰酰胺胺侧侧链链的的酰酰胺胺基基被水解成了羧基。被水解成了羧基。胃蛋白酶胃蛋白酶PepsinPepsin：R1R1和和R2R2R1=R1=苯丙氨酸苯丙氨酸Phe,Phe,色色氨酸氨酸Trp,Trp,酪氨酸酪氨酸Tyr;Tyr;亮氨酸亮氨酸LeuLeu以以及其它疏水性氨基及其它疏水性氨基酸水解速度较快。酸水解速度较快。n一般用一般用

9、5 mol/L5 mol/L氢氧化钠煮沸氢氧化钠煮沸10-2010-20小时。小时。n由由于于水水解解过过程程中中许许多多氨氨基基酸酸都都受受到到不不同同程程度的破坏，产率不高。度的破坏，产率不高。n部分的水解产物发生消旋化。部分的水解产物发生消旋化。n该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。2.2.碱水解碱水解n目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（proteolytic enzymeproteolytic enzyme）或称蛋白酶）或称蛋白酶（proteinaseproteinase）已有十多种。）已有十多种。n应应用用酶酶水

10、水解解多多肽肽不不会会破破坏坏氨氨基基酸酸，也也不不会会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。3.3.酶水解酶水解 蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解完全水解，酶，酶水解一般是水解一般是部分水解部分水解.多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。它在生物体内可以单独存在，但是更多的则是作为蛋白它在生物体内可以单独存在，但是更多的则是作为蛋白质的组成部分。蛋白质是由一个或多个多

11、肽链通过共价质的组成部分。蛋白质是由一个或多个多肽链通过共价键（主要是二硫键）或非共价力结合而成。应用化学或键（主要是二硫键）或非共价力结合而成。应用化学或物理方法，可以将蛋白质拆分成多肽组分。物理方法，可以将蛋白质拆分成多肽组分。胰蛋白酶胰蛋白酶Trypsin Trypsin：R1=R1=赖氨酸赖氨酸LysLys和精氨酸和精氨酸ArgArg侧链（专一侧链（专一性较强，水解速度快）。性较强，水解速度快）。或胰凝乳蛋白酶或胰凝乳蛋白酶（ChymotrypsinChymotrypsin）：）：R1=R1=苯丙氨酸苯丙氨酸Phe,Phe,色色氨酸氨酸Trp,Trp,酪氨酸酪氨酸Tyr;Tyr;亮氨酸

12、亮氨酸LeuLeu，蛋氨酸，蛋氨酸MetMet和组氨酸和组氨酸HisHis水解水解稍慢。稍慢。糜蛋白酶糜蛋白酶四、蛋白质的组成成分四、蛋白质的组成成分 蛋白质是由许多不同的蛋白质是由许多不同的-氨基酸按一氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子。功能的大分子。蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氢、氧外，还有氮氮和少量的和少量的硫硫。某些蛋白。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘

13、、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：的组成百分比约为：三三 蛋白质的蛋白质的元素元素组成组成 碳碳 50 50 氢氢 7 7 氧氧 23 23 氮氮 16%16%硫硫 03 03 其他其他 微微 量量 N N的含量平均为的含量平均为16%16%凯氏（凯氏（KjadehlKjadehl）定氮法的理论基础。定氮法的理论基础。v氮氮占占生生物物组组织织中中所所有有含含氮氮物物质质的的绝绝大大部部分分。因因此此，可可以以将将生生物物组组织织的的含含氮氮量量近近似似地地看看作作蛋蛋白白质质的的含含氮氮量量。由由于于大大多多数数蛋蛋白白质质的的含含氮氮量

14、量接接近近于于16%16%，所所以以，可可以以根根据据生生物物样样品品中中的的含含氮氮量量来来计算蛋白质的大概含量：计算蛋白质的大概含量：v蛋蛋白白质质含含量量（克克%）=每每克克生生物物样样品品中中含含氮氮的的克克数数 6.256.25（二）蛋白质的氨基酸组成（二）蛋白质的氨基酸组成 氨基酸氨基酸 是蛋白质的基本组成单位。从细是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基酸种标准氨基酸（20 standard amino acids)组成。形成复杂的组成。形成复杂的氨基酸长链，中间靠肽键连接，形成多肽或氨基酸长链，中间靠肽键连接，形成多肽或蛋白质。

15、蛋白质。第二节第二节 氨基酸蛋白质的构件分子氨基酸蛋白质的构件分子一、蛋白质的基本组成单位氨基酸一、蛋白质的基本组成单位氨基酸 氨基酸是具有氨基氨基酸是具有氨基（-NH-NH3 3+）或亚氨基和羧基或亚氨基和羧基（-COOH-COOH）的有机分子。氨基酸种类多，但构成蛋的有机分子。氨基酸种类多，但构成蛋白质具有遗传密码的氨基酸只有白质具有遗传密码的氨基酸只有2020种，且都是种，且都是L-L-型型的的-型氨基酸，其通式为：型氨基酸，其通式为：不带电形式不带电形式H2NCHCOOHRC如是不对称如是不对称C（除（除Gly），则：），则：1.具有两种立体异构体具有两种立体异构体 D-型和型和L-型

16、型2.2.具有旋光性具有旋光性 左旋（左旋（-）或右旋）或右旋（+）+H3NCHCOO-R两性离子形式两性离子形式 氨基酸的构型是以距羧基最近的手性氨基酸的构型是以距羧基最近的手性C原子为标准（原子为标准（除除Gly外外），而糖的构型是），而糖的构型是以距羧基最远的手性以距羧基最远的手性C原子为标准。原子为标准。氨基酸分子中既含氨基酸分子中既含有有NH2，有含有，有含有COOH，所以氨基酸，所以氨基酸与强酸强碱都能成盐，与强酸强碱都能成盐，实际上氨基酸本身就实际上氨基酸本身就能形成能形成内盐内盐。二二 氨基酸的分类氨基酸的分类1.根据根据R的化学结构的化学结构2.（1）脂肪族氨基酸：）脂肪族氨

17、基酸：1）疏水性：）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极极性：性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr3.（2）芳香族氨基酸：芳香族氨基酸：Phe、Tyr4.（3）杂环氨基酸：杂环氨基酸：Trp、His5.（4）杂环亚氨基酸：杂环亚氨基酸：Pro 2.2.根据根据R R的极性的极性（1 1）极性氨基酸：）极性氨基酸：1 1）不带电：）不带电：SerSer、ThrThr、AsnAsn、GlnGln、TyrTyr、CysCys；2 2）带正电：）带正电：HisHis、LysLys、ArgArg；3 3）带负电：）带负电：AspAsp、Gl

18、uGlu（2 2）非极性氨基酸：）非极性氨基酸：GlyGly、AlaAla、ValVal、LeuLeu、IleIle、PhePhe、MetMet、ProPro、TrpTrp三三 氨基酸的重要理化性质氨基酸的重要理化性质（一）一般物理性质（一）一般物理性质 溶解度：溶解度：水中溶解度差别较大，水中溶解度差别较大，不溶于有机溶剂。不溶于有机溶剂。光吸收性：光吸收性：可见光区无光吸收，紫外光区可见光区无光吸收，紫外光区Phe、Thy、Trp有光吸收。有光吸收。旋光性：旋光性：AA的物理常数，与结构、的物理常数，与结构、PH值有关。值有关。味感：味感：不同味道不同味道(与构型有关与构型有关).（二）（

19、二）两性解离和等电点两性解离和等电点 氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的放出质子的NHNH3 3+正离子和能接受质子的正离子和能接受质子的COOCOO-负离子，为负离子，为两性电解质两性电解质。调节氨基酸溶液的调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的，使氨基酸分子上的NH3+基基和和COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的值称为该氨基酸的等电点等电点（pI）。）。

20、H3NCHCOOHR+在酸性溶液中的在酸性溶液中的 氨基酸氨基酸（pHpI）H3NCHCOO-R+在晶体状态或水溶液在晶体状态或水溶液中的氨基酸中的氨基酸（pH=pI）H2NCHCOO-R在碱性溶液在碱性溶液中的氨基酸中的氨基酸（pHpI）等电点的含义等电点的含义1.1.定义定义：当氨基酸在其某一：当氨基酸在其某一PHPH值时，氨基酸值时，氨基酸所带正电荷和负电荷相等，即净电荷为零，所带正电荷和负电荷相等，即净电荷为零，此时的此时的PHPH值成为氨基酸的等电点，用值成为氨基酸的等电点，用PIPI表示。表示。氨基酸在等电点时主要以偶极离子形式存在。氨基酸在等电点时主要以偶极离子形式存在。2.2.

21、氨基酸等电点的特点：氨基酸等电点的特点：净电荷数等于零，在电场中不移动；净电荷数等于零，在电场中不移动；此时氨基酸的溶解度最小。此时氨基酸的溶解度最小。氨基酸等电点的确定：氨基酸等电点的确定：1、酸碱滴定酸碱滴定2、根据根据pK值（该基团在此值（该基团在此pH一半解离）计算：一半解离）计算：等电点等于两性离子两侧等电点等于两性离子两侧pK值的算术平均数。值的算术平均数。pI=pK1+pK22或（或（pI=）pK2+pK3224681012140.51.01.52.0OH-加加入入的的当当量量pHpK1pIpK2（3）（2）（1）Gly的滴定曲线的滴定曲线OH-OH-+H3NCCOOHHH（1）

22、+H3NCCOO-HH（2）H2NCCOO-HH（3）Gly解离作用解离作用（三）（三）化学性质化学性质（1 1）与茚三酮的反应）与茚三酮的反应：ProPro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm570nm（蓝（蓝紫色）或紫色）或440nm440nm（黄色）定量测定（几（黄色）定量测定（几gg）。）。（2）与甲醛的反应）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法：氨基酸的甲醛滴定法RCHCOO-NH3+RCHCOO-NH2+H+OH-中和滴定中和滴定HCHORCHCOO-NHCH2OHHCHORCHCOO-N(CH2OH)2（3）与）与2,4-二硝基氟苯二硝基氟苯(DNF

23、B)的反应的反应NO2FO2N+HNCHCOOHRNO2O2NHNCHCOOHR+HF弱碱性弱碱性DNP-氨基酸H2NCHCOOH+RNCH3CH3O=S=OCl5-二甲氨基萘磺酰氯二甲氨基萘磺酰氯（DNS-Cl）pH9.7 40NCH3CH3O=S=OHNCHCOOH RDNS-氨基酸氨基酸取代取代DNFB测定蛋白质测定蛋白质N端氨基酸，灵敏度端氨基酸，灵敏度高高（4）与异硫氰酸苯酯（）与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应）的反应N=C=S+NCHCOOHHHRPITCNCNCHCOOHHHRSPTC-氨基酸氨基酸NCHRSNCCOPTH-氨基酸pH8.3无水HF重复测定多肽重复测定多肽链链N端

24、氨基酸端氨基酸排列顺序，设排列顺序，设计出计出“多肽顺多肽顺序自动分析仪序自动分析仪”（5）成盐反应）成盐反应RCHCOOH+HClNH2RCHCOOHNH2HCl（6）酰基化和烃基化反应）酰基化和烃基化反应RCHCOOH+RXNH2R=酰基或烃基RCHCOOH+HXNHRX=卤素（Cl、F）（7）成酯反应）成酯反应RCHCOOH+C2H5OHNH2RCHCOOC2H5NH2HCl气当羧基变成乙酯后，羧基的化学性质就被掩蔽了，而氨基的化学性质就突出地显示出来。（8）酰氯化反应）酰氯化反应YNHCRHCOOH+PCl5酰化氨基酸YNHCRHCOCl酰化氨基酰氯使氨基酸的羧基活化，易于另一氨基酸的

25、氨基结合，在合成肽的工作上常用。（9）成酰胺反应）成酰胺反应H2NCHRCOOC2H5+HNH2体外无水H2NCHRCONH2+C2H5OH氨基酸酰胺有机体内：Asp（Glu）+NH4+Asn（Gln）Asn（Gln）合成酶ATP（10）脱羧反应）脱羧反应H2NCHRCOOH脱羧酶CO2+RCH2NH2胺（11）迭氮反应）迭氮反应H2N-CHR-COOHYHN-CHR-COOH酰化氨基酸YHN-CHR-COOCH3酰化氨基酸甲酯NH2NH2（-CH3OH）YHNCHRCONHNH2酰化氨基酸的肼衍生物HNO2YHNCHRCON3+2H2O酰化氨基酸迭氮 第三节第三节 肽肽一、肽一、肽 一个氨基

26、酸的一个氨基酸的-羧基和另一个氨基羧基和另一个氨基酸的酸的-氨基氨基脱水缩合脱水缩合而成的化合物。而成的化合物。氨基酸之间脱水后形成的键称氨基酸之间脱水后形成的键称肽键肽键（酰胺键）（酰胺键）。.肽键肽键l肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。有明显的共轭作用。l组成肽键的原子处于同一平面。组成肽键的原子处于同一平面。肽键中的肽键中的C-NC-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。键具有部分双键性质，不能自由旋转。在大多数情况下，以反式结构存在。在大多数情况下，以反式结构存在。当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽，当两个氨基酸通过肽键相互连

27、接形成二肽，在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧基，每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽基，每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽键相互连接形成长的、不带支链的寡肽（键相互连接形成长的、不带支链的寡肽（25个个氨基酸残基以下）和多肽（多于氨基酸残基以下）和多肽（多于25个氨基酸残个氨基酸残基）。多肽仍然有游离的基）。多肽仍然有游离的-氨基和氨基和-羧基。羧基。少于少于10AA成为成为寡肽寡肽，多于，多于10AA成为成为多肽多肽或或聚肽。聚肽。分子量大于分子量大于10000d称为称为蛋白质蛋白质，小于，小于10000d称为多肽。称为多肽。n在生物体中，多

28、肽最重要的存在形式是作为在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。蛋白质的亚单位。n但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为功能，常称为活性肽活性肽。n如：如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽谷胱甘肽；蛇毒多肽等。等。（一）谷光甘肽（一）谷光甘肽（GSH）H2N-CHCH2CH2COCOOH-GluNHCHCOCH2SHCysNHCH2COOHGly2GSHGSSG（二）催产素和升压素（二）催产素和升压素均

29、为均为9肽，第肽，第3位和第位和第9位氨基酸不同。催产素使子宫位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升升压素压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。（三）促肾上腺皮质激素（三）促肾上腺皮质激素（ACTH）39肽，活性部位为第肽，活性部位为第410位的位的7肽片段：肽片段：Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。（四）脑肽（四）脑肽脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾。Met-脑啡肽脑啡肽 Tyr-Gly-

30、Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-内啡肽（内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。（五）胰高血糖素（五）胰高血糖素由胰岛由胰岛-细胞分泌（细胞分泌（-细胞分泌胰岛素），细胞分泌胰岛素），29肽。胰高血糖素调节肽。胰高血糖素调节 维持血糖浓度。维持血糖浓度。第四节第四节 蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的结构与功能的关系 蛋白质是由一条或多条多肽蛋白质是由一条或多条多肽(polypeptide)(polypeptide)链以特殊方式结合而成的生物大分子。链以特殊方式结合而成的生物大分子。蛋白质与多肽并无严

31、格的界线，通常是将分蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在子量在60006000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。道尔顿以上的多肽称为蛋白质。蛋白质分子量变化范围很大蛋白质分子量变化范围很大,从大约从大约60006000到到10000001000000道尔顿甚至更大。道尔顿甚至更大。蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状状（构象）（构象）（conformation）。在结构中，这。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有定。

32、蛋白质有四种四种结构层次：结构层次：一级结构一级结构primary），），二级结构二级结构（secondary），），三级结三级结构构（tertiary）和）和四级结构四级结构（quaternary）（不总是有）。（不总是有）。一、稳定蛋白质的作用力一、稳定蛋白质的作用力共价键共价键次级键次级键化学键化学键肽键肽键一级结构一级结构氢键氢键二硫键二硫键二、三、四级结构二、三、四级结构疏水键疏水键盐键盐键范德华力范德华力三、四级结构三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键蛋白质分子中的共价键与次级键二硫键二硫键一、共价键一、共价键n蛋白质分子中的共价键有蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键肽键和二硫

33、键。是生。是生物大分子分子之间最强的作用力，化学物质物大分子分子之间最强的作用力，化学物质（药物、毒物等）可以与生物大分子（受体蛋（药物、毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白或核酸）构成共价键，共价键除非被体内的白或核酸）构成共价键，共价键除非被体内的特异性酶催化断裂以外，很难恢复原形，是不特异性酶催化断裂以外，很难恢复原形，是不可逆过程，对酶来讲就是不可逆抑制作用。可逆过程，对酶来讲就是不可逆抑制作用。二、非共价键二、非共价键 n生生物物体体系系中中分分子子识识别别的的过过程程不不仅仅涉涉及及到到化化学学键键的的形形成成，而而且且具具有有选选择择性性的的识识别别。共共价价键键存存在在于于一一个

34、个分分子子或或多多个个分分子子的的原原子子之之间间，决决定分子的基本结构，是分子识别的一种方式。定分子的基本结构，是分子识别的一种方式。n而而非非共共价价键键（又又称称为为次次级级键键或或分分子子间间力力）决决定定生生物物大大分分子子和和分分子子复复合合物物的的高高级级结结构构，在在分子识别中起着关键的作用。分子识别中起着关键的作用。1.1.静电作用静电作用 n静静电电作作用用是是指指荷荷电电基基团团、偶偶极极以以及及诱诱导导偶偶极极之之间的各种间的各种静电吸引力静电吸引力。n酶酶、核核酸酸、生生物物膜膜、蛋蛋白白质质等等生生物物大大分分子子的的表表面面都都具具有有可可电电离离的的基基团团和和

35、偶偶极极基基团团存存在在，很很容容易易与与含含有有极极性性基基团团的的底底物物或或抑抑制制剂剂等等生生成成离离子子键和其它静电作用。键和其它静电作用。（1)1)离子键离子键 n生生物物大大分分子子表表面面的的带带电电基基团团可可以以与与药药物物或或底底物物分子的带电基团形成离子键。这种键可以解离。分子的带电基团形成离子键。这种键可以解离。(2)(2)离子偶极作用离子偶极作用 n药药物物分分子子和和受受体体分分子子中中O O、S S、N N和和C C原原子子的的电电负负性性均均不不相相等等，这这些些原原子子形形成成的的键键由由于于电电负负性性差差值值可可以以产产生生偶偶极现象。这种偶极部分与永久

36、电荷可以形成静电作用极现象。这种偶极部分与永久电荷可以形成静电作用.n离子离子-偶极相互作用一般比离子键小得多，键能与距偶极相互作用一般比离子键小得多，键能与距离的平方差成反比，由于偶极矩是个向量，电荷与偶离的平方差成反比，由于偶极矩是个向量，电荷与偶极的取向会影响药物极的取向会影响药物-受体的作用强度。如普鲁卡因受体的作用强度。如普鲁卡因及其衍生物的局部麻醉作用与酯羰基的偶极性质有关。及其衍生物的局部麻醉作用与酯羰基的偶极性质有关。(3)(3)偶极偶极-偶极相互作用偶极相互作用 n两两个个原原子子的的电电负负性性不不同同，产产生生价价键键电电子子的的极极化化作作用用，成成为为持持久久的的偶极

37、两个偶极间的作用。偶极两个偶极间的作用。n偶偶极极偶偶极极相相互互作作用用的的大大小小，取取决决于于偶偶极极的的大大小小、它它们们之之间间的的距距离离和和相相互互位位置置。这这种种相相互互作作用用在在水溶液中普遍存在。水溶液中普遍存在。n它它的的作作用用强强度度比比离离子子偶偶极极作作用用小小，但但比比偶偶极极诱诱导导偶偶极极作作用用大大。这这种种作作用用对对药药物物受受体体相相互互作作用用的特异性和立体选择性非常重要的特异性和立体选择性非常重要2.2.氢键氢键 n氢键的形成氢键的形成 氢键是由两个负电性原子对氢原子的氢键是由两个负电性原子对氢原子的静电引力所形成，是一种特殊形式的偶极静电引力

38、所形成，是一种特殊形式的偶极偶极键。偶极键。它是质子给予体它是质子给予体X-HX-H和质子接受体和质子接受体Y Y之间的一种特殊之间的一种特殊类型的相互作用。类型的相互作用。n氢键的大小和方向氢键的大小和方向 氢键的键能比共价键弱，比范氢键的键能比共价键弱，比范德华力强，在生物体系中为德华力强，在生物体系中为8.48.433.4kj/mol(2-33.4kj/mol(2-8kcal/mol)8kcal/mol)。键长为。键长为0.250.250.31nm0.31nm，比共价键短。，比共价键短。氢键的方向用键角表示，是指氢键的方向用键角表示，是指XHXH与与HYHY之间的夹之间的夹角，一般为角，

39、一般为180180 250250。3 3 范德华力范德华力 n这这是是一一种种普普遍遍存存在在的的作作用用力力，是是一一个个原原子子的的原原子子核核吸吸引引另另一一个个原原子子外外围围电电子子所所产产生生的的作作用用力力。它它是一种比较弱的、非特异性的作用力。是一种比较弱的、非特异性的作用力。n这这种种作作用用力力非非常常依依赖赖原原子子间间的的距距离离，当当相相互互靠靠近近到到大大约约0.40.40.6nm(40.6nm(46A6A)时时，这这种种力力就就表表现现出出较大的集合性质。较大的集合性质。n范范德德华华力力包包括括引引力力和和排排斥斥力力，其其中中作作用用势势能能与与1/R1/R6

40、 6成成正正比比的的三三种种作作用用力力（静静电电力力、诱诱导导力力和和色色散散力力）通称为范德华引力。通称为范德华引力。4 4疏水作用疏水作用 n疏水作用是指极性基团间的静疏水作用是指极性基团间的静电力和氢键使极性基团倾向于电力和氢键使极性基团倾向于聚集在一起，因而排斥疏水基聚集在一起，因而排斥疏水基团，使疏水基团相互聚集所产团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。生的能量效应和熵效应。n蛋白质和酶的表面通常具有极蛋白质和酶的表面通常具有极性链或区域，这是由构成它们性链或区域，这是由构成它们的氨基酸侧链上的烷基链或苯的氨基酸侧链上的烷基链或苯环在空间上相互接近时形成的。环在空间上相互

41、接近时形成的。n高分子的蛋白质可形成分子内高分子的蛋白质可形成分子内疏水链、疏水腔或疏水缝隙，疏水链、疏水腔或疏水缝隙，可以稳定生物大分子的高级结可以稳定生物大分子的高级结构。构。一一 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 就是蛋白质分子中氨基就是蛋白质分子中氨基酸残基的酸残基的排列顺序排列顺序，即氨基，即氨基酸的酸的线性序列线性序列。在基因编码。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由的蛋白质中，这种序列是由mRNAmRNA中的核苷酸序列决定的。中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键一级结构中包含的共价键（covalent bondscovalent bonds）主要指）主要指肽键肽键（pept

42、ide bondpeptide bond）和）和二二硫键硫键（disulfide bonddisulfide bond）一级结构确定的原则：一级结构确定的原则：将大化小，逐段分析，制成两套肽片段将大化小，逐段分析，制成两套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后确定蛋白质的完整序列确定蛋白质的完整序列。目前往往采用从待测蛋白质的基因序列目前往往采用从待测蛋白质的基因序列反推出蛋白质的反推出蛋白质的一级结构一级结构。一级结构测定的顺序：一级结构测定的顺序：n（1）测定蛋白质分子中多肽链的数目）测定蛋白质分子中多肽链的数目 n（2）拆分蛋白质分子的多肽链。）

43、拆分蛋白质分子的多肽链。n（3）断开多肽链内的二硫桥。）断开多肽链内的二硫桥。n（4）分析每一多肽链的氨基酸组成。）分析每一多肽链的氨基酸组成。n（5）鉴定多肽链的）鉴定多肽链的N一末端和一末端和C一末端残基。一末端残基。n（6）裂解多肽链成较小的片段用两种或几种不同）裂解多肽链成较小的片段用两种或几种不同 的的断裂方法。断裂方法。n（7）测定各肽段的氨基酸序列。）测定各肽段的氨基酸序列。n（8）重建完整多肽链的一级结构。）重建完整多肽链的一级结构。n（9）确定半胱氨酸残基间形成的）确定半胱氨酸残基间形成的S-S交联桥的位置。交联桥的位置。二、蛋白质的高级结构二、蛋白质的高级结构 蛋白质分子中

44、所有原子在三维空间的排蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。列分布和肽链的走向。由于羰基碳由于羰基碳-氧双键的靠拢，允许存在共振结构（氧双键的靠拢，允许存在共振结构（resonance structure），碳与氮之间的肽键有部分双键性质，由），碳与氮之间的肽键有部分双键性质，由CO-NH构成的肽单元呈现相对的刚性和平面化，肽键中的构成的肽单元呈现相对的刚性和平面化，肽键中的4个原子和它个原子和它相邻的两个相邻的两个-碳原子多处于同一个平面上。碳原子多处于同一个平面上。CCNCOHC NO-H+CC氨基的氨基的H与羰基的与羰基的O几乎总是呈反式（几乎总是呈反式（trans）而不

45、是顺式（）而不是顺式（cis）。）。蛋白质构象稳定的原因：蛋白质构象稳定的原因：1）酰胺平面；）酰胺平面；2）R的影响的影响。1.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式（1）-螺旋（螺旋（-helix）结构要点：结构要点：1）螺旋的每圈有）螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基，每个残基沿轴旋转沿轴旋转100。2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键（键（hydrogen bond），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键），

46、氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。都能参与链内氢键的形成。C(NHCCO)3 NOHHR3.613 (ns)n多肽链中的各个肽平面围绕同多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为距为0.54nm,0.54nm,含含3.63.6个氨基酸残个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;0.15nm;n肽链内形成氢键，氢键的取向肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的残基的酰胺基团的-CO-CO基与第四基

47、与第四个氨基酸残基酰胺基团的个氨基酸残基酰胺基团的-NH-NH基基形成氢键形成氢键(13(13个原子个原子)。n蛋白质分子为右手蛋白质分子为右手-螺旋。螺旋。（1 1）-螺旋螺旋（2）-折叠结构（折叠结构（-pleated sheet）是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。CCCCCCRRRRRRNNCNNCCC平行平行

48、反平行反平行-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。n-折叠结构的氢键主要折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与内氢键的交联，氢键与链的长轴接近链的长轴接近垂直垂直。n-折叠有两种类型。一折叠有两种类型。一种为种为平行式平行式，即所有肽，即所有肽链的链的N-N-端都在同一边。端都在同一边。另一种为另一种为反平行式反平行式，即，即相邻两条肽链的方向相相邻两条肽链的方向相反。反。（2 2）-

49、折叠折叠n在在-转角部分，由转角部分，由四个氨基酸残基组四个氨基酸残基组成成;n弯曲处的第一个氨弯曲处的第一个氨基酸残基的基酸残基的-C=O -C=O 和第四个残基的和第四个残基的 N-H N-H 之间形成氢键，之间形成氢键，形成一个不很稳定形成一个不很稳定的环状结构。的环状结构。n这类结构主要存在这类结构主要存在于球状蛋白分子中。于球状蛋白分子中。（3 3）-转角转角 -turn-turn-转角（转角（-turn）为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢

50、键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。四个氨基酸的氨基氢上。N1CHCC2CHNHO=C3CHNC4CHNRRHOHRROHO-转角经常出转角经常出现在连接反平现在连接反平行行-折叠片的折叠片的端头。端头。R侧链基团伸向螺旋的外侧。侧链基团伸向螺旋的外侧。RRRRRRRRR螺旋的横截面Pro的的N上缺少上缺少H，不能形成氢键，经常出现在，不能形成氢键，经常出现在-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。旋。2.超二级结构和结构域超二级结构和结构域超二级结构超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的