第01章蛋白质的结构与功能.

1、丫生化世界之大门在此为你开启凌敏Lingmin70绪论生物化学(biochemistry)是一门研究生物体内化学分子与化学反应.以及这些分子的代谢变化.调节与功能关系的学科。主要任务：从分子水平探讨生命现象本质。分子生物学：研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功 能及基因表达调控生物化学发展简史水初始阶段（叙述生化18至20世纪初，主要研究生物体的化学组成。研究了脂类、糖类.氨基酸； 发现核酸，分离了血红蛋白，证实了肽键 发现酵母中有可溶性催化剂酶学基础；水发展阶段（动态生化）2（）世纪初期开始,发现必需AA、FA和维生素:发现激素:酶结晶成功；代谢途径确定。虫理程碑阶段（分子生物学）20世纪

2、后半叶，分子生物学崛起:1953年watson和crick建立DNA双螺旋结构模型 遗传中心法则的提出，遗传密码破译： 70年代，DNA重组技术建立.应用；80年代，核酶发现，PCR技术建立，90年代，人类基因组计划实施，后基因组计划,我国科学家对生化发展的贡献公元21世纪，酿酒：用“曲”作“媒”近代，北大吴宪教授创立了血滤液的制备和血 糖测定法，提岀了蛋白变性学说 1965年，首次合成了牛胰岛素 1981年，合成了酵母丙氨酸tRNA 1994年，我国参与人类基因组计划生物化学的主要内容1. 生物体的化学组成、结构及功能。2. 物质代谢及其调控。3. 遗传信息的贮存.传递和表达。生物化学与医学

3、生物化学是重要的医学基础课程，和医学相互促进。本课程成绩评定: 段考：20%期考：60%平时:实验、小测验等第1章養囱质的律枸场功催Structure and Function of Protein什么是蛋白质？蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高 分子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细 胞的各个部分都含有蛋白质。含童高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子, 占人体干重的45%,某些组织含童更高，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

4、能A作为生物催化刑（醸）»代谢调节作用免疫保护作用A物质的转运和存储»运动与支持作用参与细胞间信息传递3.氧化供能组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少童另或金属元素烘、铜、锌、猛、牯、钮，个别餐白质还含有碘。蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮重彳艮換近，平均为"。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此, 只要测定生物样品中的含氮童，就可以根据以 下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样晶中蛋白质的含量(g %)=每克样品金氮克数X 6.25X100二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类非极性脂肪族氨基酸极柱中牲氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸

5、.碱性氨基酸1(-)侧链含婭链的氨基酸属于非极性脂肪族 氨基酸結构式中文笛英文名三字一字尊电点符号捋号(pl)甘氨酸glycineGlyG5.97ahlciicooMb1alanineAlaA6.00f: valineValV5,96CH>- CM OVKweU. 1亮氨酸leucineLeuL5.98ch,chf:rr并亮缺破isolcucincHeI6.02xJ脯缺絞prolineProp6.30M» W Hl（二）侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸納构式-Mi.,O<：屮o叩文名英文轻三7字等电点符号符号(pl)serineSerS5.68cysteine

6、Cysc5.07methionineMetM5.74asparagineAsnN5.41谷氛靦胺glutamineGinQ5.6SthreonineI hrT5.60（三）侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸结构式中文名一 .羸栽丙氨陵皿色氨陵>0叭|严t 矽氨酸英文名三字Y符号零电点（pl）phenylalaninePhcF5.48tryptophanTryW5.89tyrosineTryY5.66（四）侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸结构式屮文名英文名三字-7等电点（pl）符号符号天冬氨酸aspartic acidAspD2.97谷氨腋glutamic acidGluE3.22

7、（五）侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸结构式中立名 英立名胳氨陵arginineHOC-CHjhistidineN NH /NHCHH-CHCOO 敘氨酸三字一字等电点符号符号(pl)ArgR10.76HisH7.59LysK9.74<1 g IB几种特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸半胱氨酸Pg严曲王险件CH-C。-叫-hh+nh3OOC-CH-CHSlCH.-CH-COO-+NH3 I +NH3三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质<->氨基酸具有两性解离的性质两性解离及等电点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。等电点(isoelectric poi

8、nt, pl)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和 阴离子的趋勞及程度相竽，成为兼性离子，呈电 中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。R-CH-COOHnh2+OH"和.+ OH*R-CH -COOHj RYH-C00毛'IR-CH-COO'1NHJ+屮nh3-+H +nh2pH<pIpH=pIpH>pI阳离子氨基酸的兼性离子阴离子<> Ml!2!I（二含共轨双键的氨基酸具有紫外吸收性质芳香族氨基酸的紫外吸收色氨酸、酪氨酸的 最大吸收*在280 nm 附近。大多数蛋白质含有 这两种氨基酸残基，所 权测定蛋白质溶液 2X0nm的光吸收值

9、是分 析溶液中蛋白质含童的 快速简便的方法。（三）氨基酸与苗三酮反应生成蓝紫色化合物氨雇酸与帶三酮水合物共热，可生成蓝 紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收*值与氨基酸的含量存在正 比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链(一)氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)肽(peptide bond)是由一个氨基酸的a-菽基与另一个氨基酸的e氨基脱水缩合而形成 的化学键。9nh2-c hcH+9十 NH-CH-C尺.|OH _ _H H OH甘氨酸HCIH2HN:hih甘氨酰甘氨酸肽是由氨基咬通过肽键缩合而形成的化 合物。两分子氨基酸编合形成二肽

10、，三分子氨基 酸缩合则形成三肽由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 (oligopeptide),由更多的氨基酸和连形成的肽 称多肽(polypeptide)。肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团 不全，被箱为氨基酸残1.(residue)o多flk(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间 以馱键连接而成的一种结构。R 0 R o R 0R°'IIII ? III II-N Ca Y NCa C N Ca C 一 . NCa Y OH HHHH多肽链有两端：N末端：多肽链中有游离1 氨基的一端C末端：多肽链中有游离心竣基的一端（-）体内存在多种重要的生物活性肽

11、1.谷胱甘£1(glutathione, GSH)h-c-nh2HOOCHHag谷気酸 半胱氨酸甘氨腋第二节蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein蛋白质的分子结构包括:一级结构(primary structure)高级结构二级结 (secondary structure) 三级结 (tertiary structure)(quaternary structure)一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构定必蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N 端至 G端的氨基帔排列顺序。主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫镀。26 17 a M W牛K

12、»«w-S结构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能 的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构定义:蛋白质分子中臬一段肽链的局部空间 结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空 间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象0主要的化学键；氢键(一)肽单元It单元与駄徒的6个廉子C. O、N Hv位于利一平 面.C.和C边在平面上所处的 位为反式(tnms)构SL此同 一平面上的6个原子构成了所讯 的Jtt单元(peptide unit) <-> a-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构蛋白质二级结构> a-螺旋(a-helix)&

13、gt; 卩折叠(0pleated sheet)> B转角”无规卷曲(random coil)< VI（三）卩-折叠使多肽链形成片层结构（四卩-转角和无规卷曲在蛋白质分子中 普遍存在HE |2卜特角< VI< VI无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。(五)模体(motif)是具有特殊功能的超二级结构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，在空间上相互接近，形成一 个有规則的二级结枸组合，被称为超二级结枸。模体是具有特珠功能的超二级结枸。一个模体总有其特征性的氨基酸序列，并发挥其 特殊的功能。钙培合爰白中结合 钙离子的模体锌指结构<

14、VI（六氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。-段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成螺旋或P折叠，它就会出现相应的二级结构。形响（I 螺旋形成的因素，同种电荷、大基团、脯氨酸三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构（-）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸 残基的相对空间位置定义：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间住置。即肽链中所有原于在三维空间的排布位置。主要的化学键：疏禾键、离子键、氢键和VenderWaak力等。肌红蛋白(Mb(二结构域是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结枸域(doma

15、in) 0COOHB”Ktt白KM白轩Ml蚩白mnt纤连蛋白分子的结枸城(三)分子伴侣参与蛋白质折叠分子伴侣(chaperon )ifii±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。”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。»分于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。”分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫黄的正确 形成起了重吴的作用。四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链， 每一条多肽链都有克藝的三级结构，称为蛋白 质的亚基(sub

16、unit)o蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接 舷部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级 结构。亚基之间的结合主要是氢镀和离子键。由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子 结构相同，称之为同二聚(lioniodiiner),若亚基分子 结构不同，则称之为异二聚(heterodiincr)6血红蛋白的 四级结构五、蛋白质的分类根据蛋白质组成成分：单纯蛋白质结合蛋白质二蛋白质部分+非蛋白质部分根据蛋白质形状：i纤维状蛋白质1球状蛋白质第三节蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Functionof Protein一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的

17、基础a（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能胰岛素-氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerHeThr猪ThrSerlieAla狗ThrSerHeAla兔ThrGlyHeSer牛AlaGlyVaiAla羊AlaSerVaiAla马ThrSerXieAla（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息1些广泛存在于生 物界的蛋白虞如细胞色 -（cytochrome C）,比 校它们的一级结构，可 以帮助了解物种进化间 的关系。(四)重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血HbA卩肽链N-val his leu thr - pro glu gluC(146)HbS p

18、肽链N-val his leu thr pro val gluC( 146)这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病, 称为“分子病”。二、蛋白质的功能依赖特定空间结构(-)血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似肌红蛋白/血红蛋白 含有血红素辅基血红素结构肌红蛋白(myoglobin, Mb)肌红去自是一个只有三级 结构的单链妥白廈，有8段*螺 蛙结构。血红素分子中的两个丙St 侧链以壽子铁形式与肽链中的 两个竦性氨基釀侧链上的正电 荷相连，加之肽链中的F8组氨 酸残基还与F/+形成配位结合, 所以血红素械基与妥白廉部分 稳定结合。血红蛋白(hemoglobin> Hb)血红爰白具有4个亚 基组成的

19、四级结构，每 个亚基可结合1个血红素 并携带1分子氧。Hb亚基之间通过8 对使4个亚基索密 结合而形成亲水的球状(二)血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合Hb与Mb-样能可逆地与结合，Hb与结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数(称百分饱和度)随浓度变化而改变。肌红委白(Ib)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线协同效应(c(X)perativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结 合后，能彬响此寨聚体中另一个亚恳与配体结 合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positive cooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negative coop

20、erativity)第一个亚基血 红素Fc与氧结合后, 铁原子半径变小， 就能逬入吓咻环的 小孔中，继而引起 肽链位置的变动， 影响了附近肽段的 构彖。<Ml<Ml<Ml<Ml变构效应(alk)§twic effect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的 变化，称为变构效应。<Ml（三）蛋白质构象改变可引起疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生 错谋，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构 象发生改变，仍可彩响其功能，严重时可导 致疾病发生。垂白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋 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，产生辛性而致病，表现

21、为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体井就变性病、老 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是由肮病毒蛋白(prion protein, PrP) 引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含1 螺谨，称为PrPoPrl"在某种未知蛋白质的作用下可转变成全 为卩折叠的PPJ从而致病。PrP6 螺旋正常疯牛病第四节蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters ofProtein一、蛋白质具有两性电离的性质蛋白质分子除两端的氨基和竣基可解离外， 氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条 件下

22、都可解离成带负电荷或正电荷的基团。蛋白质的等电点（isoelectrit point, pl>当蛋白质溶液处于某一pH时，罢白质解离成 正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电 荷为家，此时溶液的pH称为蛋白质的竽电点。二、蛋白质具有胶体性质蚕白质属于生物大分子之一，分子量可自1 万至10«万之巨，其分子的直径可达1lOOnm, 为胶粒范围之内。蛋白质胶体稳定的因素：»颗粒表面电荷>水化膜溶液中蛋白质的聚沉三. 蛋白质空间结构破坏而引起变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的 空间构象被玻坏，也即有序的空间结构变成无 序

23、的空间结构，从而导致其理化性质改变和生 物活性的丧失。变性的本质：破坏非共价型和二硫快，不改变蛋白 质的一级结枸。造成变性的因素：加热、加压、紫外线乙醇、强酸、强碱等有机溶剂重金厲离子及生物威试刑等。变性表现：（1）物理性质的改变：洛解度下降；粘度 増加，结晶能力消失（2化学性质的改变：易微蛋白酶 消化；（3）生物功能的改变；諄丧失活性.XXS白丧 失生理调节作用、抗体失去与抗原专一性结合能力.应用举例：上临床医学上，变性因素常被应用来消毒及 灭瓠此外，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。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 象和

24、功能，称为复性(renaturation) o蛋白质沉淀在一定条件下，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。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉 淀，但并不变性。蛋白质的凝t作用(protein coagulation)董白质炎性后的絮状物加热可变成比校坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强瑕中。四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰由于蛋白质分子中含有共鉅双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因 此可作蛋白质定量测定。五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质 溶液含量1. 葩二酮反应(ninhvdrin react

25、ion)蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生蒂 三酮反应。2. 双缩腮反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与 疏酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双 缩腺反应，双缩軀反应可用来检测蛋白质水解 程度。*9 »! BBa逮第五节蛋白质的分离纯化与结构分析 The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质沉淀方法"使用丙酮沉淀时，必须在04C低温下进行， 丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质 被丙阴沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外， 也可用乙薛沉淀。d盐f(salt precipitation)是将硫酸钱、硫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，导致蛋白质沉淀。厂免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得 抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的 抗原蛋白，并