第1章 蛋白质结构与功能.ppt

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1、蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第第 一一 章章Structure and Function of Protein一、什么是蛋白质一、什么是蛋白质?蛋蛋 白白 质质(protein)是是 由由 许许 多多 氨氨 基基 酸酸(amino acids)通通过过肽肽键键(peptide bond)相相连连形成的高分子含氮化合物。形成的高分子含氮化合物。二、蛋白质的生物学重要性二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物蛋白质是生物 体重要组成成分体重要组成成分分分布布广广：所所有有器器官官、组组织织都都含含有有蛋蛋白白质质；细胞的各个部分都含有蛋白质。细胞的各个部分都含有蛋白质。含含量量高高：蛋蛋白

2、白质质是是细细胞胞内内最最丰丰富富的的有有机机分分子子，占占人人体体干干重重的的45，某某些些组组织织含含量量更更高高，例如脾、肺及横纹肌等高达例如脾、肺及横纹肌等高达80。2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能氧化供能l1.1.催化功能催化功能-酶酶l2.2.调节功能调节功能-激素、基因调控因子激素、基因调控因子l3.3.转运功能转运功能-膜转运蛋白、血红膜转运蛋白、血红/血清蛋白血清蛋白l4.4.贮存功能贮存功能-乳、蛋、谷蛋白乳、蛋、谷蛋白l5.5.运动功能运动功能-鞭毛、肌肉蛋白鞭毛、肌肉蛋白l6.6.结构成分结构成分-皮、毛、骨、牙、细胞骨架皮、毛、骨、

3、牙、细胞骨架l7.7.支架作用支架作用-接头蛋白接头蛋白l8.8.防御功能防御功能-免疫球蛋白免疫球蛋白l9.9.异常功能异常功能蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 组组 成成The Molecular Component of Protein第第 一一 节节 组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有主要有C、H、O、N和和S。有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量磷磷或金属元素或金属元素铁、铁、铜、锌、锰、钴、钼铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由由于于体体内内的的含含氮氮物物质质以以蛋蛋白白质质为为

4、主主，因因此此，只只要要测测定定生生物物样样品品中中的的含含氮氮量量，就就可可以以根根据据以以下公式推算出蛋白质的大致含量：下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、氨基酸一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位存存在在自自然然界界中中的的氨氨基基酸酸有有300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸仅仅有有20种种，且且均均属属 L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨

5、基酸的通式氨基酸的通式R手性化合物是指分手性化合物是指分子量、子量、分子结构分子结构相相同，但左右排列相同，但左右排列相反，如实物与其镜反，如实物与其镜中的映体。中的映体。LevorotatoryDextorotatory,l-C-C-C-C-COOH-C-C-C-C-COOH l-C-C-C-C(NH-C-C-C-C(NH2 2)-COOH -)-COOH -氨基酸氨基酸 l-C-C-C(NH-C-C-C(NH2 2)-C-COOH -)-C-COOH -氨基酸氨基酸 l-C-C(NH-C-C(NH2 2)-C-C-COOH -)-C-C-COOH -氨基酸氨基酸什么是什么是-氨基酸？氨基酸

6、？1.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸3.酸性氨基酸酸性氨基酸4.碱性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类*20*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proli

7、ne Pro P 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602.极性中性氨基酸极性中性氨基酸天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp

8、D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593.酸性氨基酸酸性氨基酸4.碱性氨基酸碱性氨基酸几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH（二）氨基酸的理化性质（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。于所处溶液的酸碱度。等电点等电点(is

9、oelectric point,pI)在在某某一一pH的的溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼兼性性离离子子，呈呈电电中中性性。此此时时溶溶液液的的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。pH=pI+OH-pHpI+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子2.紫外吸收紫外吸收 色氨酸、酪氨酸的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大大多多数数蛋蛋白白质质含含有有这这两两种种氨氨基基酸酸残残基基，所所以以 测测 定定 蛋蛋 白白 质质 溶溶 液液280n

10、m的的光光吸吸收收值值是是分分析析溶溶液液中中蛋蛋白白质质含含量量的的快速简便的方法。快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反应茚三酮反应 氨氨基基酸酸与与茚茚三三酮酮水水合合物物共共热热，可可生生成成蓝蓝紫紫色色化化合合物物，其其最最大大吸吸收收峰峰在在570nm处处。由由于于此此吸吸收收峰峰值值与与氨氨基基酸酸的的含含量量存存在在正正比比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。二、肽二、肽*肽肽键键(peptide bond)是是由由一一个个氨氨基基酸酸的的-羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的-氨氨基基脱脱水水缩缩合合而

11、形成的化学键。而形成的化学键。（一）肽（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键*肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨，三分子氨基酸缩合则形成基酸缩合则形成三肽三肽*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为不全，被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。*由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡寡肽肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连由更多的氨基酸相连形成的肽称形成的肽称多肽多肽(p

12、olypeptide)。N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由氨基自由氨基的一端的一端C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由羧基自由羧基的一端的一端多肽链有两端多肽链有两端*多多肽肽链链(polypeptide chain)是是指指许许多多氨氨基基酸之间以肽键连接而成的一种结构。酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二）（二）几种生物活性肽几种生物活性肽 1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+谷胱甘肽能帮助保持正常的免疫系统的

13、功能，并具有抗氧化作用和整合解毒作用，半胱氨酸上的巯基为其活性基团（故常简写为G-SH），易与某些药物（如扑热息痛）、毒素（如自由基、碘乙酸、芥子气，铅、汞、砷等重金属）等结合，而具有整合解毒作用。谷胱甘肽具有广谱解毒作用，不仅可用于药物，更可作为功能性食品的基料，在延缓衰老、增强免疫力、抗肿瘤等功能性食品广泛应用。谷胱甘肽广泛存在于动、植物中，在生物体内有着重要的作用。在面包酵母、小麦胚芽和动物肝脏中的含量很高，达1001000mg/100g，在人体血液中含2634mg/100g，鸡血中含5873mg/100g，猪血中含1015mg/100g，在西红柿、菠萝、黄瓜中含量也较高（1233mg/

14、100g），而在甘薯、绿豆芽、洋葱、香菇中含量较低（0.060.7mg/100g）。体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 结结 构构The Molecular Structure of Protein 第第 二二 节节蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括 一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary st

15、ructure)高级高级结构结构定义定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的化学键主要的化学键肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。的基础。胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在A链中的差异链中的差异肽键肽键-C-C-C-C-COOH 肽键和肽单元肽键和肽单元肽单元肽单元两个肽单元两个肽单元肽键中的4个原子及相邻的2个-C原子重复形成的长链结构-C-C-C-C

16、-COOH 肽键中肽键中C-NC-N键有部分双键性质键有部分双键性质 不能自由旋转不能自由旋转组成肽键原子处于同一平面（肽平面）组成肽键原子处于同一平面（肽平面）键长及键角一定键长及键角一定大多数情况以反式结构存在大多数情况以反式结构存在化学中的顺式与反式化学中的顺式与反式l2-丁烯 CH3CH=CHCH3顺反异构体顺反异构体顺顺-2-丁烯丁烯反反-2-丁烯丁烯定义定义l顺反异构是构型异构的一种形式顺反异构是构型异构的一种形式l双键碳原子上所连的原子或基团中两个相同双键碳原子上所连的原子或基团中两个相同者的位置来决定异构体的类型。者的位置来决定异构体的类型。l同侧：顺式异构同侧：顺式异构(ci

17、s-isomerism)异侧：反式异构异侧：反式异构(trans-isomerism)顺反异构体的不同点顺反异构体的不同点沸点：4沸点：1燃烧热：2536KJ/mol燃烧热：2532KJ/mol极性不同极性不同稳定性不同稳定性不同几个顺反异构的典型例子几个顺反异构的典型例子l人工合成的雌激素物质l由于羟基距离的不同，反式已烯雌酚的活性强于顺式已烯雌酚顺顺-己烯雌酚己烯雌酚反反-己烯雌酚己烯雌酚雌二醇雌二醇l马来酸有毒，富马酸无毒l都是化工原料，但富马酸有一定的医药作用马来酸马来酸富马酸富马酸l顺铂可抑制癌细胞的DNA复制过程，有较强的广谱抗癌作用。临床用于卵巢癌、前列腺癌、睾丸癌、肺癌、鼻咽癌

18、等多种癌症治疗l反铂不仅不能治疗癌症,肾毒性也比顺铂大.顺铂反铂二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链的的局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间间位位置置，并并不不涉涉及及氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链的的构构象象。定义定义 主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)（二）（二）-螺旋螺旋l螺距螺距0.54nml每圈含

19、每圈含3.6个个AAAA残基残基 每个每个AAAA残基占残基占0.15nm 绕轴旋转绕轴旋转100l链内形成氢键与轴平行链内形成氢键与轴平行l多为右手螺旋多为右手螺旋具有具有7 7个跨膜肽段个跨膜肽段的膜蛋白的膜蛋白l多肽链来回跨膜折叠多肽链来回跨膜折叠l7 7个个螺旋段反平行装配螺旋段反平行装配 如细菌紫膜质如细菌紫膜质胞胞外外结结构构域域大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微微原原纤纤维维初初原原纤纤维维 螺螺旋旋（三）（三）-折叠折叠由两由两/多条多条几乎完全几乎完全几乎完全几乎完全伸展的肽链伸展的肽链平行排列平行排列平行排列平行排列，通，通过链间的过链间的氢键氢键氢键氢键交联而形成。肽链主链呈

20、交联而形成。肽链主链呈锯齿锯齿锯齿锯齿状状状状折叠构象。折叠构象。桶型桶型膜蛋白膜蛋白膜孔蛋白膜孔蛋白以大以大折叠片形式横跨膜折叠片形式横跨膜 如膜孔蛋白如膜孔蛋白（四）（四）-转角和无规卷曲转角和无规卷曲-转角转角肽链主链骨架肽链主链骨架180的回折结构的回折结构特点：特点：由由4个连续的个连续的AA残基组成残基组成第一个残基第一个残基C=O第四个残基第四个残基NH 泛指不能归入明确的二级结构泛指不能归入明确的二级结构如折叠片和螺旋的多肽片断。如折叠片和螺旋的多肽片断。无规卷曲无规卷曲（random coil）富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质铁氧还原蛋

21、白（五）模体（五）模体在许多蛋白质分子中，可发现二个或在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体模体(motif)。钙结合蛋白中结合钙钙结合蛋白中结合钙离子的模体离子的模体 锌指结构锌指结构 （六）氨基酸残基的（六）氨基酸残基的侧链对侧链对二二级结级结构形成构形成的影响的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋螺旋或或-折叠，它就会出现相应的二级结构

22、。折叠，它就会出现相应的二级结构。一一段段肽肽链链有有多多个个酸酸性性氨氨基基酸酸残残基基相相邻邻，则则在在pH7.0时时这这些些残残基基的的游游离离羧羧基基都都带带负负电电荷荷，彼彼此此相相斥斥，妨妨碍碍-螺螺旋旋的的形形成成。同同样样，多多个个碱碱性性氨氨基基酸酸残残基基在在一一肽肽段段内内，由于正电荷相斥，也妨碍由于正电荷相斥，也妨碍-螺旋的形成。螺旋的形成。天冬酰胺、亮氨酸天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响的侧链很大，也会影响-螺旋螺旋形成。形成。脯氨酸的结构不利于形成脯氨酸的结构不利于形成-螺旋。螺旋。形成形成-折叠的肽段要求氨基酸残基的折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小侧链较小，

23、才，才能容许两条肽段彼此靠近。能容许两条肽段彼此靠近。三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。主要的化学键主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。（一）（一）定义定义 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 （二）结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密

24、，各数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域行使其功能，称为结构域(domain)。型胶原酶的结构域动态图型胶原酶的结构域动态图（三）分子伴侣（三）分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正

25、确分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。折叠。亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构四、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，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，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，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的质的亚基亚基 (subunit)。血血红红蛋蛋白白的的四四级级结结

26、构构 血血红红蛋蛋白白具具有有4个个亚亚基组成的四级结构基组成的四级结构。Hb各各亚亚基基的的三三级级结结构构与与Mb极极为为相相似似。Hb亚亚基基之之间间通通过过8对对盐盐键键，使使4个个亚亚基基紧紧密密结结合合而而形形成亲水的球状蛋白。成亲水的球状蛋白。血红蛋白的一、二、三、四级结构血红蛋白的一、二、三、四级结构五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类（1 1）、依据外形分类）、依据外形分类l球状蛋白质：球状蛋白质：globular protein l纤维状蛋白质纤维状蛋白质：fibrous protein l膜蛋白质膜蛋白质：membrane protein l简单蛋白简单蛋白 simple p

27、rotein 单纯蛋白，仅由氨基酸组成单纯蛋白，仅由氨基酸组成l结合蛋白结合蛋白 conjugated protein由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成（2）、依据蛋白质的组成分类）、依据蛋白质的组成分类简简单单蛋蛋白白l清蛋白和球蛋白清蛋白和球蛋白 albumin and globulin 广泛存在于动物组织广泛存在于动物组织l谷蛋白和醇溶谷蛋白谷蛋白和醇溶谷蛋白 glutelin and prolamin 植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸/碱碱l精蛋白和组蛋白精蛋白和组蛋白 碱性蛋白存在于细胞核碱性蛋白存在于细胞核l硬蛋白硬蛋白

28、 结结合合蛋蛋白白l色蛋白：色蛋白：简单蛋白简单蛋白+色素物质色素物质l糖蛋白：糖蛋白：简单蛋白简单蛋白+糖类物质糖类物质l脂蛋白：脂蛋白：简单蛋白简单蛋白+脂类结合脂类结合l核蛋白核蛋白：简单蛋白：简单蛋白+核酸核酸蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 节节（一）一级结构是空间构象的基础（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一、蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿

29、素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能级结构与功能一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。构象以及功能也相似。ll 氨基酸残基序号l 胰岛素 l A5 A6 A10 B30ll 人 Thr Ser Ile Thrl 猪 Thr Ser Ile Alal 狗 Thr Ser Ile Alal 兔 Thr Gly Ile Serl 牛 Ala Gly Val Alal 羊 Ala Ser Val A

30、lal 马 Thr Ser Ile Alal促肾上腺皮质激素促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素和促黑激素(-MSH,-MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也也可促进皮下黑色素生成但作用较弱。可促进皮下黑色素生成但作用较弱。(三三)氨基酸序列提供重要的生物化学信息氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素细胞色素c c (cytochrome c)(cytochrome c)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。进化间的关系。从细胞色素从细

31、胞色素c的一级结构看的一级结构看生物进化生物进化 物种进化过物种进化过程中越接近的程中越接近的生物，细胞色生物，细胞色素的一级结构素的一级结构越相似越相似（四）一级结构与功能的关系（四）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链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，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。缬缬l镰刀状贫血病镰刀状贫血病血血液中大量出现镰刀液中大量出现镰刀红细胞，

32、患者因此红细胞，患者因此缺氧窒息缺氧窒息l正常细胞正常细胞 镰刀形细胞镰刀形细胞w它是最早认识的它是最早认识的一种分子病一种分子病w死亡率极高死亡率极高w由于遗传基因突由于遗传基因突变导致血红蛋白变导致血红蛋白分子结构突变分子结构突变（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构 二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系 Hb与与Mb一一样样能能可可逆逆地地与与O2结结合合，Hb与与O2结结合合后后称称为为氧氧合合Hb。氧氧合合Hb占占总总Hb的的百百分分数（称数（称百分饱和度百分饱和度）随）随O2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白的构象变化与结合

33、氧（二）血红蛋白的构象变化与结合氧 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线氧氧饱饱和和度度氧分压氧分压(R)relaxed state(T)T)tense statetense state 血中氧分子的运送Lung氧氧氧氧分分分分子子子子HemoglobinHemoglobinMyoglobinMyoglobinMuscle静脉动脉环境氧高时环境氧高时Hb Hb 快速吸收氧分子快速吸收氧分子环境氧低时环境氧低时Hb Hb 迅速迅速释放释放氧分子氧分子释放氧分子后释放氧分子后Hb Hb 变回变回 T stateT state任何一个亚基接受氧分子后，会增进其

34、它亚基吸附氧分子的能力T stateR state*协同效应协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，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，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为称为协同效应协同效应。如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity)如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应 (negative cooperativity)血血红红素素与与氧氧结结合合后后，铁铁原原子子半半径径变变小小，就就能能进入

35、卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。变构效应变构效应(allosteric effect)蛋蛋白白质质空空间间结结构构的的改改变变伴伴随随其其功功能的变化，称为能的变化，称为变构效应变构效应。（三）蛋白质构象改变与疾病（三）蛋白质构象改变与疾病 蛋蛋白白质质构构象象疾疾病病：若若蛋蛋白白质质的的折折叠叠发发生生错错误误，尽尽管管其其一一级级结结构构不不变变，但但蛋蛋白白质质的的构构象象发发生生改改变变，仍仍可可影影响响其其功功能能，严严重重时时可可导导致疾病发生。致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋：有些蛋

36、白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，称为

37、螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为为-折叠的折叠的PrPsc，从而致病。，从而致病。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病正常的正常的PrionPrion蛋白含有大蛋白含有大量的量的螺旋螺旋病变的病变的PrionPrion蛋白含有更蛋白含有更多的多的折叠折叠第四节第四节蛋白质的理化性质与分离纯化蛋白质的理化性质与分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein（一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的

38、两性电离 一、理化性质一、理化性质 蛋蛋白白质质分分子子除除两两端端的的氨氨基基和和羧羧基基可可解解离离外外，氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链中中某某些些基基团团，在在一一定定的的溶溶液液pHpH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的等电点蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)当当蛋蛋白白质质溶溶液液处处于于某某一一pH时时，蛋蛋白白质质解解离离成成正正、负负离离子子的的趋趋势势相相等等，即即成成为为兼兼性性离离子子，净净电电荷为零，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。（二）蛋白质的胶体性质

39、（二）蛋白质的胶体性质 蛋蛋白白质质属属于于生生物物大大分分子子之之一一，分分子子量量可可自自1万万至至100万万之之巨巨，其其分分子子的的直直径径可可达达1100nm，为胶粒范围之内。，为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜胶体是一种均匀混合物+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的

40、聚沉溶液中蛋白质的聚沉（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固 *蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。物活性的丧失。造成变性的因素造成变性的因素如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等重金属离子及生物碱试剂等。变性的本质变性的本质 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋

41、白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。质的一级结构。应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。灭菌。此外此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。制剂（如疫苗等）的必要条件。若若蛋蛋白白质质变变性性程程度度较较轻轻，去去除除变变性性因因素素后后，蛋蛋白白质质仍仍可可恢恢复复或或部部分分恢恢复复其其原原有有的的构构象和功能，称为象和功能，称为复性复性(renaturation)。天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇

42、巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性*蛋白质沉淀蛋白质沉淀在在一一定定条条件件下下，蛋蛋白白疏疏水水侧侧链链暴暴露露在在外外，肽肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变变性性的的蛋蛋白白质质易易于于沉沉淀淀，有有时时蛋蛋白白质质发发生生沉沉淀，但并不变性。淀，但并不变性。*蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation)蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。（四）蛋白质的紫外吸收（四）蛋白质的紫外吸收

43、由由于于蛋蛋白白质质分分子子中中含含有有共共轭轭双双键键的的酪酪氨氨酸酸和和色色氨氨酸酸，因因此此在在280nm波波长长处处有有特特征征性性吸吸收收峰峰。蛋蛋白白质质的的OD280与与其其浓浓度度呈呈正正比比关关系系，因因此此可作蛋白质定量测定。可作蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色反应（五）蛋白质的呈色反应茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。三酮反应。双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，

44、呈现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。程度。二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化（一）透析及超滤法（一）透析及超滤法*透析透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。开的方法。*超滤法超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。血液透析血液透析小分子溶出小分子被带出小分子被

45、带出透析机透析机透析液透析液加加压压血液血液（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀 *使使用用丙丙酮酮沉沉淀淀时时，必必须须在在04低低温温下下进进行行，丙丙酮酮用用量量一一般般10倍倍于于蛋蛋白白质质溶溶液液体体积积。蛋蛋白白质质被被丙丙酮酮沉沉淀淀后后，应应立立即即分分离离。除除了了丙丙酮酮以以外，也可用乙醇沉淀。外，也可用乙醇沉淀。*盐盐析析(salt precipitation)是是将将硫硫酸酸铵铵、硫硫酸酸钠钠或或氯氯化化钠钠等等加加入入蛋蛋白白质质溶溶液液，使使蛋蛋白白质质表表面面电电荷荷被被中中和和以以及及水水化化膜膜被被破破坏坏，导导致致蛋蛋白白质质沉淀。

46、沉淀。盐析l向蛋白质溶液中加入大量硫酸铵后蛋白质向蛋白质溶液中加入大量硫酸铵后蛋白质会沉淀析出会沉淀析出l原因？原因？蛋白质脱去水化层而聚集沉淀盐析（NH4）2SO4）*免疫沉淀法：免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。离获得抗原蛋白。（三）电泳（三）电泳蛋蛋白白质质在在高高于于或或低低于于其其pIpI的的溶溶液液中中为为带带电电的的颗颗粒粒，

47、在在电电场场中中能能向向正正极极或或负负极极移移动动。这这种种通通过过蛋蛋白白质质在在电电场场中中泳泳动动而而达达到到分分离离各各种种蛋蛋白白质的技术质的技术,称为称为电泳电泳(elctrophoresis)。根根据据支支撑撑物物的的不不同同，可可分分为为薄薄膜膜电电泳泳、凝凝胶电泳等。胶电泳等。几种重要的蛋白质电泳几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质，常用于蛋白质分子量的测定。分子量的测定。*等电聚焦电泳等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳双向凝胶电泳是蛋白质组学

48、研究的重要技是蛋白质组学研究的重要技术。术。聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳等电聚焦电泳等电聚焦电泳等电聚焦电泳等电聚焦电泳双向电泳双向电泳双向凝胶电泳双向凝胶电泳（四）层析（四）层析层析层析(chromatography)分离蛋白质的原理分离蛋白质的原理待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白

49、质的目的速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的 。蛋白质分离常用的层析方法蛋白质分离常用的层析方法*离子交换层析：离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。质不同进行分离。*凝胶过滤凝胶过滤(gel filtration)又称分子筛层析，又称分子筛层析，利利用用各各蛋白质分子大小不同分离。蛋白质分子大小不同分离。离子交换层析离子交换层析凝胶过滤凝胶过滤（五）超速离心（五）超速离心*超超速速离离心心法法(ultracentrifugation)既既可可以以用用来来分分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。*蛋蛋 白白

50、 质质 在在 离离 心心 场场 中中 的的 行行 为为 用用 沉沉 降降 系系 数数(sedimentation coefficient,S)表表示示,即即颗颗粒粒在在单单位位离离心心力力场场中中粒粒子子移移动动的的速速度度。沉沉降降系系数数与与蛋蛋白白质的密度和形状相关质的密度和形状相关。三、多肽链中氨基酸序列分析三、多肽链中氨基酸序列分析Edman降解，降解，主要涉及耦联、水解、萃取和转换等4个过程。首先使用苯异硫氰酸酯(PITC)对蛋白质或多肽进行处理，PITC与肽链的N-端的氨基酸残基反应，形成苯氨基硫甲酰(PTC)衍生物，即PTC-肽。然后PTC-肽用三氟乙酸处理，N-端氨基酸残基肽