生物化学与分子生物学：1. 氨基酸与蛋白质

1、氨基酸与蛋白质氨基酸与蛋白质 第第 一一 章章 Amino acids and Proteins structure and function of amino acids 组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位 存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余种，但余种，但 组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有2020种种 基本氨基酸基本氨基酸（编码氨基酸）（编码氨基酸） H 甘氨酸甘氨酸 CH3 丙氨酸丙氨酸 L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式 R C +NH3 COO- H 基本氨基酸中，除基本氨基酸中，除 甘氨酸甘氨酸外其余均属于外其余均属于L-L-

2、-氨基酸氨基酸。 COOH H2N C H R 例外： Gly Gly 没有手性没有手性 分类依据分类依据 ： R侧链基团的结构及理化性质侧链基团的结构及理化性质 1 1、侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸、侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 亚氨基酸亚氨基酸 非极性氨基酸还包括：非极性氨基酸还包括： 芳香族氨基酸芳香族氨基酸 脯氨酸（脯氨酸（Pro） 苯丙氨酸（苯丙氨酸（Phe） 2 2、侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸、侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸 侧链含羟基的氨基酸：侧链含羟基的氨基酸： 侧链含硫的氨基酸：侧链含硫的氨基酸： 甲硫氨酸甲硫氨酸 -O

3、OC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 -OOC-CH-CH2-S +NH3 S-CH2-CH-COO- +NH3 半胱氨酸半胱氨酸 + 胱氨酸胱氨酸 二硫键二硫键 -HH -OOC-CH-CH2-SH +NH3 -OOC-CH-CH2-SH +NH3 HS-CH2-CH-COO- +NH3 HS-CH2-CH-COO- +NH3 3 3、侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸、侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸 酸性氨基酸的氨基衍生物：酸性氨基酸的氨基衍生物： 4 4、侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸、侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸 5

4、5、芳香族氨基酸、芳香族氨基酸 6 6、 亚氨基酸亚氨基酸 硒代半胱氨酸硒代半胱氨酸 Sec，U 第第21种编码氨基酸种编码氨基酸 蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修饰的，蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修饰的， 如：如：脯氨酸脯氨酸 羟基化羟基化 成成 羟脯氨酸羟脯氨酸 赖氨酸赖氨酸 羟基化羟基化 成成 羟赖氨酸羟赖氨酸 两性离子特征两性离子特征 茚三酮显色反应茚三酮显色反应 紫外吸收性质紫外吸收性质 形成肽形成肽 其他化学性质其他化学性质 pH=pI +OH- pHpI +H+ +OH- +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 CH NH2 COOHR C

5、H NH2 COOHR CH NH3+ COO-R CH NH3+ COO-RCH NH2 COO-R CH NH2 COO-RCH COOHR NH3+ CH COOHR NH3+ 1. 1. 两性解离及等电点两性解离及等电点 等电点等电点(isoelectric point, pI)(isoelectric point, pI) 在某一在某一pHpH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴的溶液中，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。此时溶液的性。此时溶液的pHpH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。 氨基酸是

6、两性电解质；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。其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 氨基酸具有特征性的滴定曲线氨基酸具有特征性的滴定曲线 甘氨酸滴定曲线甘氨酸滴定曲线 侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。 . 酸性氨基酸酸性氨基酸 Glu，Asp: pI7 侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。 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 7.59 2 2显色反应显色反应 茚三酮反应：茚三酮反应：氨

7、基酸可与茚三酮缩合产生氨基酸可与茚三酮缩合产生 蓝紫色化合物蓝紫色化合物，最大吸收峰在，最大吸收峰在570nm570nm。可利。可利 用此性质测定氨基酸的含量。用此性质测定氨基酸的含量。 是是蛋白质定性、定量分析蛋白质定性、定量分析的基础的基础 3. 3. 紫外吸收紫外吸收 色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸和和苯丙氨酸苯丙氨酸的最大吸收峰的最大吸收峰 在在 280 nm280 nm 附近。附近。 紫外分分光度法：紫外分分光度法： 大多数蛋白质含有大多数蛋白质含有 这两种氨基酸残基，这两种氨基酸残基， 所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶液 280nm280nm的光吸收值是分的光吸收值是分 析溶液中蛋

8、白质含量析溶液中蛋白质含量 的快速简便的方法。的快速简便的方法。 芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收 肽与蛋白质肽与蛋白质 Peptides and proteins 第第 二二 节节 氨基酸通过氨基酸通过肽键肽键缩合缩合 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH-CH-C H OH O O H 甘甘氨氨酸酸 + -HOH 甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸 肽键 NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O N 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

9、 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 多肽链有方向性：多肽链有方向性： N端 C端 N末端末端 C末端末端 牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH) 谷胱甘肽的生理功用：谷胱甘肽的生理功用： 解毒作用：解毒作用： SH 为亲核性，与亲电子性的毒物或药物结合为亲核性，与亲电子性的毒物或药物结合 参与氧化还原反应：参与氧化还原反应： 提供提供H 原子原子 保护巯基酶的活性：保护巯基酶的活性： 使巯基酶的活性基团使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态维持还原状态 抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定：抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定

10、： 去除去除H2O2，起抗氧化剂的作用，起抗氧化剂的作用 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+ GSH 有抗氧化剂的作用，有抗氧化剂的作用， 可还原细胞内产生的过氧化氢可还原细胞内产生的过氧化氢 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. 2. 多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽 蛋白质蛋白质(protein)(protein)是由许多是由许多氨基酸氨基酸(amino (amino acids)acids)通过通过肽键肽键(peptide bond)(pep

11、tide bond)相连形成的高分子相连形成的高分子 含含氮氮化合物。化合物。 组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素 有些蛋白质还含有少量的有些蛋白质还含有少量的P P、FeFe、CuCu、MnMn、ZnZn、SeSe、I I等等。 C 50 55 % H 6 7 % O 19 24 % N 13 19 % S 0 4 % 元素组成元素组成: : 各种蛋白质的含氮量很各种蛋白质的含氮量很 接近，平均为接近，平均为1616。 蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点 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 6.25100 1/16% 三聚

12、氰胺：含氮量为三聚氰胺：含氮量为66.6% 更专业的分类方式：根据更专业的分类方式：根据分子结构特点分子结构特点进行分类进行分类 单纯蛋白质：单纯蛋白质：如，血清清蛋白如，血清清蛋白 结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分 如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等 纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：多为多为结构结构 蛋白蛋白，难溶于水，难溶于水 球状蛋白质：球状蛋白质：多数具有多数具有生理活性，生理活性，多数可溶多数可溶 如酶、免疫球蛋白等等如酶、免疫球蛋白等等 组成组成 形状形状 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 T

13、he Molecular Structure of Protein 第第 三三 节节 蛋白质的分子结构包括（人为划分）蛋白质的分子结构包括（人为划分） 一级结构一级结构(primary structure)(primary structure) 二级结构二级结构(secondary structure)(secondary structure) 三级结构三级结构(tertiary structure)(tertiary structure) 四级结构四级结构(quaternary structure)(quaternary structure) 高级高级 结构结构 定义：定义：蛋白质的一级结构

14、指蛋白质分子中，从蛋白质的一级结构指蛋白质分子中，从N-N-端端 到到C-C-端的氨基酸的排列顺序。端的氨基酸的排列顺序。( (包括蛋白质分子中所包括蛋白质分子中所 有的二硫键的位置）有的二硫键的位置） 主要的维系键：主要的维系键：肽键肽键， 有些蛋白质还包括有些蛋白质还包括二硫二硫 键键。 二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构 肽单元肽单元 维系键维系键 类型类型 模体模体 概念概念 N端 C端 由于由于C=OC=O双键中的双键中的电子云电子云与与N N原子上的未原子上的未 共用电子对共用电子对发生发生“电子共振电子共振”，使肽键具有，使肽键具有 部分双键部分双键的性质，的性质，不能自由

15、旋转不能自由旋转。 肽键C-N:0.132nm 0.149nm 0.127nm 肽键平面肽键平面由于肽键具有部分双键的性质，由于肽键具有部分双键的性质， 使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面 上，这一平面称为肽键平面或肽单元。上，这一平面称为肽键平面或肽单元。 肽单元肽单元 l由于由于-碳原子与碳原子与 其他原子之间均形其他原子之间均形 成成单键单键，因此，因此两相两相 邻的肽键平面可以邻的肽键平面可以 作相对旋转作相对旋转 l氨基酸残基的侧链氨基酸残基的侧链 对二级结构形成的对二级结构形成的 影响影响 蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构：蛋白质分子

16、中蛋白质分子中 某一段肽链的局部空间结构，即该段肽某一段肽链的局部空间结构，即该段肽 链链主链骨架原子主链骨架原子的相对空间位置，的相对空间位置，并不并不 涉及氨基酸残基侧链涉及氨基酸残基侧链的构象的构象 。 氢键氢键(hydrogen bond) ： 常见于连接在一常见于连接在一电负电负 性很强性很强的原子（的原子（O O、N N等等） 上的上的氢原子氢原子，与另一，与另一电电 负性很强负性很强的原子的原子（O O、N N 等）等）之间。之间。 氨基酸的氨基酸的N-H和另一个氨基酸的羰和另一个氨基酸的羰 基氧基氧C=O之间可以形成氢键之间可以形成氢键 二级结构维系键二级结构维系键： 氢键氢键

17、 二级结构的基本类型二级结构的基本类型 -螺旋螺旋 -折叠折叠 -转角转角 无规卷曲无规卷曲 结构特征：结构特征： 右手螺旋右手螺旋，侧链伸向，侧链伸向 螺旋螺旋外侧外侧 螺旋每圈包含螺旋每圈包含3.63.6个氨个氨 基酸残基基酸残基, ,螺距螺距 0.54nm0.54nm； 螺旋以螺旋以氢键氢键维系（氨维系（氨 基酸的基酸的N-HN-H和相邻第四个氨和相邻第四个氨 基酸的羰基氧基酸的羰基氧C=OC=O之间。氢之间。氢 键方向与螺旋轴基本平行）键方向与螺旋轴基本平行） 毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白 以及血凝块中的血纤维蛋白，几 乎全长卷曲成-螺旋，数条螺旋 状多肽链缠绕成索状，增加其机 械强度

18、，有伸缩性（弹性） 2. 2. - -折叠折叠 - -折叠折叠 是由若干肽是由若干肽 段或肽链排段或肽链排 列起来所形列起来所形 成的扇面状成的扇面状 片层构象片层构象 -折叠包括折叠包括平行式平行式和和反平行式反平行式两种类型两种类型 3. -转角转角 多肽链多肽链180180回回 折部分折部分所形成的所形成的 一种二级结构一种二级结构 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。分肽链结构。 4. 4. 无规卷曲无规卷曲 二级结构组合形式有二级结构组合形式有3 3种：种：， 。 在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中，可发现二

19、个或三个具 有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一 个个有规则的二级结构组合，被称为有规则的二级结构组合，被称为超二级结构超二级结构。 模体模体(motif)(motif) 钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结 合钙离子的模体合钙离子的模体 模体是具有特殊功能的超二级结构模体是具有特殊功能的超二级结构 螺旋折叠折叠螺旋折叠折叠 2 2个个HisHis和和2 2个个Cys Cys 与与ZnZn离子结合离子结合 螺旋区螺旋区 与与 DNA DNA 结合结合 基本概念基本概念 维系键维系键 结构域结构域 肌红蛋白肌红蛋白 举例：举例： 蛋白质的三级结构：整条肽链

20、蛋白质的三级结构：整条肽链 中中全部氨基酸残基全部氨基酸残基的相对空间的相对空间 位置。即肽链中位置。即肽链中所有原子在三所有原子在三 维空间的排布位置维空间的排布位置。 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C 端端 为单肽蛋白质，含有为单肽蛋白质，含有153个氨个氨 基酸，有基酸，有8个螺旋区个螺旋区 疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der WaalsVan der Waals力等。力等。 某些二硫键也维持三级结构稳定性某些二硫键也维持三级结构稳定性 主要的维系键：主要的维系键： 疏水键：疏水键： 非极性物质在含水的极性环境中存在非极性物质在含水的极性环境中存在 时，

21、会产生一种相互聚集的力，这种时，会产生一种相互聚集的力，这种 力称为力称为疏水键或疏水作用力疏水键或疏水作用力。 蛋白质分子中的许蛋白质分子中的许 多多氨基酸残基侧链氨基酸残基侧链 也是非极性的，这也是非极性的，这 些些非极性的基团非极性的基团在在 水中也可相互聚集，水中也可相互聚集， 形成疏水键，如形成疏水键，如LeuLeu， IleIle，ValVal，PhePhe， AlaAla等的侧链基团。等的侧链基团。 离子键（盐键）离子键（盐键）： 离子键离子键(salt bond)(salt bond)是由带是由带正电荷正电荷基团与基团与 带带负电荷负电荷基团之间相互吸引而形成的化基团之间相互吸

22、引而形成的化 学键。学键。 范德华氏（范德华氏（van der Waals)van der Waals)引力：引力： 原子之间存在的相互作用力。原子之间存在的相互作用力。 三级结构是蛋白质结构的基础三级结构是蛋白质结构的基础 对于对于单一多肽链的蛋白质，单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的三级结构是它的最最 高级结构，高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有只有具有完整的三级结构，才具有 全部的全部的生物学功能生物学功能 结构域结构域(domain) 在蛋白质三级结构在蛋白质三级结构 基础上形成的多肽链中基础上形成的多肽链中 的不同结构单元，常可的不同结构单元，常可 折叠成多个结构紧密的折叠成多

23、个结构紧密的 区域，各行使独立的功区域，各行使独立的功 能，称为能，称为结构域结构域。 纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 但是，并非所有蛋白质结构域都明显可分。但是，并非所有蛋白质结构域都明显可分。 四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一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，称为蛋白质的条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基亚基 (subunit)(subunit)。单独的亚基没有功能。单独的亚基没有功能。 蛋白质分子中各亚基蛋白质分子中各亚基 的空间排布及亚基接触部的空间排布及亚基接触部 位的布局和相互

24、作用，称位的布局和相互作用，称 为为蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构。 血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 血红蛋白的四个亚基紧密结合，血红蛋白的四个亚基紧密结合， 亚基之间的维系键是亚基之间的维系键是亚基之间亚基之间 的的8 8 个盐键个盐键 亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是氢键和离子键氢键和离子键。 注意：胰岛素虽为注意：胰岛素虽为 两条链，但是是通两条链，但是是通 过二硫键链接，因过二硫键链接，因 此，被认为最高级此，被认为最高级 结构是三级结构。结构是三级结构。 注意： 对于多条肽链构成的蛋白质，只有对于多条肽链构成的蛋白质，只有 在四级结构才有功能在四级结构才有功能 单

25、个的亚基没有生物学功能。单个的亚基没有生物学功能。 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 四四 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

26、高级（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能结构与功能 胰岛素 氨基酸残基序号 A5A6A10B30 人ThrSerIleThr 猪ThrSerIleAla 狗ThrSerIleAla 兔ThrGlyIleSer 牛AlaGlyValAla 羊AlaSerValAla 马ThrSerIleAla （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 一些广泛存在于生一些广泛存在于生 物界的蛋白质如细胞色物界的蛋白质如细胞色 素素(cytochrome C)，比，比 较它们的一级结构，可较它们的一级结构，可 以帮助了解物种进化间以帮助了解物种进化间 的关系。的

27、关系。 （四）重要的氨基酸序列的改变会引起疾病（四）重要的氨基酸序列的改变会引起疾病 例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血 血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚 集，使红细胞变为镰刀状集，使红细胞变为镰刀状 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，称为这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为 “分子病分子病”。 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

28、 肌红蛋白肌红蛋白 MbMb血红蛋白血红蛋白 HbHb 血红蛋白的四个亚基紧密结合，血红蛋白的四个亚基紧密结合， 亚基之间的维系键是亚基之间的维系键是亚基之间亚基之间 的的8 8 个盐键个盐键 n肌红蛋白肌红蛋白/ /血红蛋白血红蛋白 含有血红素辅基含有血红素辅基 （一）（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似 （二）血红蛋白的构象变化与结合氧（二）血红蛋白的构象变化与结合氧 HbHb与与MbMb一样能可逆地与一样能可逆地与O O2 2结合，结合， HbHb与与O O2 2 结合后称为结合后称为氧合氧合HbHb。氧合。氧合HbHb占总占总HbHb的百分数的百分数 （称

29、（称百分饱和度百分饱和度）随）随O O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。 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 * * 协同效应协同效应(cooperativity) (cooperativity) 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合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后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能 力的现象，称为力的现象，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)(positive coopera

30、tivity) 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)(negative cooperativity) 血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进 入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。 血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进 入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。 Hb Hb 未与未与O O2 2结合的时候，结合的时候，FeFe2+ 2+位于卟啉环平面

31、外侧， 位于卟啉环平面外侧， 与与F8His F8His 连接，当第一个连接，当第一个 O O2 2与与 FeFe2+ 2+结合后， 结合后， 被拉被拉 到平面中，使得牵动到平面中，使得牵动F8F8螺旋片段，导致亚基之间盐螺旋片段，导致亚基之间盐 键断裂、结合变松弛，使易于与第二个亚基结合键断裂、结合变松弛，使易于与第二个亚基结合 变构效应变构效应(allosteric effect) 蛋白质空间结构的改变伴随其功蛋白质空间结构的改变伴随其功 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 蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生：

32、若蛋白质的折叠发生 错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构 象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导 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 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

33、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, (prion protein, PrP)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PrPPrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPPrPc c。 PrPPrPc c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PrPPrPsc sc，从而致病。 ，从而致病。 PrPPrPc c -螺旋螺旋 PrPPrPsc sc -折叠折叠 正常正

34、常 疯牛病疯牛病 牛：行为反常，烦躁不安，对声音和触摸，尤其是对头部触摸过 分敏感，步态不稳，经常乱踢以至摔倒、抽搐。发病初期无上述 症状，后期出现强直性痉挛，粪便坚硬，两耳对称性活动困难， 心搏缓慢(平均50次/分)，呼吸频率增快，体重下降，极度消瘦， 以至死亡。 人类：克罗伊茨费尔德雅各布氏症（简称克雅氏症），典型 临床症状：痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。 病人最终因精神错乱而死亡。 第五节第五节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Protein （一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的两性电离

35、一、理化性质一、理化性质 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外， 氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液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) ( isoelectric point, pI) COOH NH2 COO NH3 NH3 COOH NH2 COO - + +OH +H - + +OH - +H+ + - pH=pI pHpI pHpI pr pr pr pr 当蛋白质溶

36、液处于某一当蛋白质溶液处于某一pHpH时，蛋白质解离成正、负时，蛋白质解离成正、负 离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零， 此时溶液的此时溶液的pHpH称为称为蛋白质的等电点蛋白质的等电点 二、蛋白质具有胶体性质二、蛋白质具有胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1 万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1 100nm，为胶粒范围之内。，为胶粒范围之内。 颗粒表面电荷颗粒表面电荷 水化膜水化膜 n蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素: + + + + + + + 带正电荷的

37、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 溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉 三、蛋白质空间结构破坏而引起变性三、蛋白质空间结构破坏而引起变性 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

38、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。 n蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation) n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 。 n变性的本质变性的本质: : 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋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。 变性蛋白质的性质改变：变性蛋白质的性质改变： 物理性质：旋光性改变，物理性质：旋光性改变，溶解度下降溶解度下降，沉降率升，沉降率升 高，粘度升高，光吸收度增加等；

39、高，粘度升高，光吸收度增加等； 化学性质：官能团反应性增加，化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解易被蛋白酶水解。 生物学性质：原有生物学性质：原有生物学活性丧失生物学活性丧失，抗原性改变。，抗原性改变。 n 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。 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素 后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢

40、复其原有的构 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、 -巯基乙醇巯基乙醇 非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性 在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，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。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉 淀，但并不变性。淀，但并不变性。 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

41、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。 n蛋白质沉淀蛋白质沉淀 n蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation) 四、蛋白质的紫外吸收四、蛋白质的紫外吸收 由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸 和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm280nm波长处有特征性吸收波长处有特征性吸收 峰。蛋白质的峰。蛋白质的ODOD280 280与其浓度呈正比关系，因此 与其浓度呈正比关系，因此 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(ninhydr

42、in reaction)(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)(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，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。 第六节第六节 蛋白质的分离纯化与结构分析蛋白质的分离纯化与结构分析 The Separation

43、 and Purification and Structure Analysis of Protein （一）透析及超滤法（一）透析及超滤法 * * 透析透析(dialysis)(dialysis) 利用透析袋把大分子蛋白质与利用透析袋把大分子蛋白质与 小分子化合物分开的方法。小分子化合物分开的方法。 * * 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。 （二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀 * *使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀时，必须在

44、时，必须在0 044低温下进行，低温下进行， 丙酮用量一般丙酮用量一般1010倍于蛋白质溶液体积。蛋白倍于蛋白质溶液体积。蛋白 质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以 外，也可用乙醇沉淀。外，也可用乙醇沉淀。 * *盐析盐析(salt precipitation)(salt precipitation)是将硫酸铵、硫是将硫酸铵、硫 酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质 表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋 白质沉淀。白质沉淀。 * * 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