第02章多肽与蛋白质.

1、第二章，肽鸟養白质Peptides and Proteinsa nn 細 涮I 丨丨 A IRI1833年，Paven和Per§o无分离出淀粉酶。1864年，Hoppe-Seykr从血液分离出血红蛋白， 并将其制成结晶。19世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的, 并将氨基酸合成了多种短肽。1938 年,德国化学家Gerardus J. Muider引用"Protein" 一词来描述蛋白质。% n % n sub制z?»!i»1951年，Pauling采用X (射)线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构仅螺旋(<x-helix).19

2、53年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。1962年，John Kendrewr和'lux I*erutz确定了血红蛋白的四级结构。2(1世纪90年代以后，后基因组计划。9, n %»劭料YMAWE3ES蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体重要纽成成分分布广：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 人体千重的45%,某些组织金量更高， 例如脾.肺及横纹肌等高达80%。a « % n 迅卩 劭卩、議人十| » |口录|2. 蛋白质具有重要的生物学功能1）作为生物催化剂（聲

3、）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间传息传递3氧化供能a B 或h 逊 W 艸、JlhW 列人十|»|第一节肽和蛋白质的一级结构Primary Structure of Peptides andProteins1» n » n 逊三卩 劭料aihB| ! |h>|一. 肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚体(一) 氨基酸通过肽键相连形成肽/蛋白质存在自然界中的氨基酸有3(H)余种，组 成体内蛋白质的氢基酸(amino acid)有2() 种，均为Ld氨基酸(除甘氨酸外)。% n % n艸' 打 ii hHJ

4、EtiUcocrC 也nh3J氨基酸的幣淳肽/蛋白质分子中的氨基酸通过脱水生成的共价键 被称为脸键(peptide bond),肽键是一种酰胺键，具有 部分双钱的性质。肽键走由一个氛基酸的a 歿基与另一个氛基酸的a氨基脱水缩合而形成的化学键。氨基酸通过itpeptide bond)相互连接而形成多肽和蛋白质。% n » ft » W涮M羽人门| ! |h t|*一分子氨基酸与另一分子氨基酸脱去一分子水缩 合成二肽。*二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽 * 一般来说，由数个、十数个氨基酸组成的肽习惯称为寡加3igo匹而很多氨基酸组成的肽称为多:(polypeptide)

5、 «通常，多肽分子质量10 kD；而蛋白质则是由一条或多条肽链组成的更大分子. 但两者两者经常通用肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全, 被称另氨產酸残基(residue)。a w » n 越汕 制艸多肽链具有方向性:氨基末端(amino terminal)或N末端： 多肽链中有游离氨基的一端称氨基末 端(amino terminal )或科端。竣恳末端(carboxyl terminal)或C末端:多耿链中有游离竣基的一端称为竣基末端心 r boxy 1 termiiial)wXC-多肽链从氨基末端走向竣基末端。a w » n 越汕 制艸（二）体内存在多种重要

6、的生物活性肽HOOCHCNH21谷胱甘肽是体内重奂的还原剂谷観酸 半肮氨酸 甘氛酸mi)% n3神经肽是脑内一类重要的肽*在神经传导过程中起重姜作用的肽类称为 神经肽（neu ropeptide） o较早发现的有脑啡腿（5肽）、卩内啡肽（31肽）和 强啡肽（17肽）等。近年发现的孤啡肽（17肽），其一级结构类似于 强啡肽。a n » n 询 » 制、遵兀十| V| |L> I录I二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂组成蛋白质的元素；主要有C、H、O、N和有些蛋白质含有少童磷或金属元素铁、铜、锌、猛、牯、钿，个别蛋白质还含有険。» n % n劭料y議m|

7、87; |口录|蛋白质元索组成的特点；各种蛋白质的含氮童很接近，平均为16%。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量，就可以根据以 下公式推算出黃白质的丈致含量：100克样品中蛋白质的含量（g% ）=每克样品含氮克数X 6.25X100(-)蛋白质的分子组成与结构特征是其分 类的基础1.蛋白质根据分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋 白质两类：，单纯蛋白质(simpleprotein)4结合蛋白质二蛋白质部分+非蛋白质部分(conjugated protein)辅基(prosthetic group)a n » ft 秋 刑'速人bYl 4 1*1结合妥

8、白质及其辅基分类胭奥血浆朋妥白(VLDL. LDL. HDL 等)胶原妥白、纤连旻白寻社旻白磷妥白磷峻星团酪务白(cusdn)血虹素麦白血红素(牧吓嘛)血虹爱白.伽胞色索C黄素筈白黄素核#載(FAD. KMN)统珀创氢陽全凡蛋白皱枝蚤白0-乙夢脱氢醉钙钙调餐白丙酮爺掇化瞬便鸟皑色索軌化醉a w » ft ja p 刑、郭in、 mYl 卜 IT2蛋白质根据结构特点进行分类，可分为:超家族(superfamily)-家族(ftimily)亚家族(subfamily)3.蛋白质根据其形状分为纤维状蛋白质和球状 蛋白质两类，可分为：(纤维状蛋白质1球状蛋白质a n % n 迫卩 制艸 ji

9、lh 羽人卩!>|a*|4r(-)蛋白质分子结构可区分为4个层次一级结构(primury structure)二级结构(secondary structure)、商级结构三级结构(tertiary structure)>或空间构红四级结构(quaternary structure),(conformation)% n % n 超汕制'mBJIE 回TlhH12 3 4)67:89 1011 L2 13 14 15 16 171819/2021I/滞*天割卜劄卜总£*| 心 THHUL甘井H甘苯乔葦乐 I 234, 67 S $ 10 II 12 I) 14 U M

10、 17 11 1$ 20 21 22 » M 231-MbM-COOH26 27 28 29 如三、氨基酸残基的排列顺序决定蛋白 质的一级结构蛋白质一级结构(primary structure)是指蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序。形成一级结构的化学键：肽键(主要化学键)二硫键一级结构是蛋白质空间枸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。多肽链中的局部特殊构象是蛋白质的二级结构蛋白质二级结构(secondary structure)是指蛋 白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该 段肽链主链骨架原于的相对空间位JL,并不涉 及氨恳酸残基侧链的构寰。a

11、n si n »轨艸 jiub 乌人十|> |mt|五、蛋白质一级结构比对可用于同源蛋白质分析蛋白质一级结构(氨基駿序列比对带被用来预 测蛋白质之间结构与功能的相似性。序列比对方法(sEquciicccoinpiiiMm method) 关键在于将2个序列准确地对齐，便之达到相同序列 最大化，插入或剧除序列最小化的目的，然后计算 相同的氨基酸数。同源蛋白质仅梧同一基因进化而来的蛋白质。序列相似但非进化相关的2个旻白质的序列，常 被称为相似(auilugy)序列。p = i_Ia n » ft 辺杯* 為沁羽人门|> |mt|第二节肽、蛋白质的高级结构Three

12、Dimentional Structure ofPeptides and Proteinsa n 第 w u 制、|一、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质的二级结构蛋白质的二圾结构（secondary structure）是指组 成蛋白质的肽链的主链的空间结构，也就是肽链主 链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧 链的构象。肽链主链骨架原子包括N （氨基氨）、Ca （“ 碳原子）和CO （馥基碳）3个原子依次重复排列。» n % n sup 制、»ii» mHl EE 回蛋白质二级结构的主要形式： a耶旋(a -helix )伕折叠(3*pleated shee

13、t)J2-环 P转角(p-turn )无规卷曲(random coil)维系二级结构的主要化学键：氢键a wn aj £» 涮艸速兀门L> I录 I(一) 肽键是一个刚性的平面C、O、N. H. 位于同一 平而，C“和在平面上所处 的位置为反式(trans型，此 同一平面上的6个原子构成了所谓的肽草元(peptide unit) »a n % n 9 :» 种，niiv iaw31 EE回（四卩转角和无规卷曲在蛋白质分子中无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那 部分肽链结构。_» n » n 逊 nm料v| V| 卜 |n

14、1;|（五）模体是蛋白质的超二级结构在许多妥白质分子中，由几个具有二级结 构的肽段，在空间上相互接近.相互作用.所 形成的折叠模样，称为超二级结构（suMrywHclar、structure）, 又称折叠（fold） 或模体（motif） o趨二级结构形式有3科：aa, pap,邛« n % n 笑汕 和、VIA 比录|（六）氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成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a-螺旋或A折叠，它就会出现相应的二级结构。这是氨基酸残基的側链的相互作用可稳定 或去稳定相应的二级结构的原因。% n a n 埶汕 泊艸| »

15、|»|一段肽链有多个谷氮酸或天冬飙腹残基相邻，則在 PH7.0时，这些残基的游离拔基都带负电荷，披此相斥， 妨碍1 螺養的羽成。同样，多个瑕性氨基班残基在一肽段 内，由于正电荷相斥，也妨碍“螺祓的形成。天冬酰脐、亮氨睑的侧铤很大，也会梅响 形成&於氨酸的结构不利于形成8-螺蛙。形成A折叠的駄段要束氨基酸残基的侧链校小，才 能審许两条肽段彼比养近。n a n 笑 制艸jm川 VI4 H二.多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构(-)三级结构是指整条多肽链的空间分布蛋白质的三级结(tertiary stmcture)是指 整条 肽链中全部氨基酸残基的相对空间位暨。即肽

16、 链中所有原予在三维空间的排布位置，包括一 级结构中相距甚远的肽段的空间位置关系。31 EE 回肌红蛋白(myoglobin)是一个单个肽链的球状蛋白质，由出3个氨基酸残基构成.含有1个血红素(heimO辅華-a H » n劭PM JJhB11 A |"|(-)维持三级结构稳定主要依靠非共价键蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称非共价键.次级键，主要有氢键、-范德华力(Vander Waals forct)、疏水作用 (hydrophobic interactin)和 键(salting bond)(又称离子键)等。a n 轴n 辺“轨、 jinn 議人卩Id

17、 |口录|（四）根据结构域可对蛋白质进行分类:根据结构域可将球状蛋白质分为4类：反平行/螺旋结构域（全/结构）平行或混合型P折叠片结构城（u, 0结构）徉反平行卩折叠片结构城（全卩结构）富含金属或二疏键结构域（不规則小蛋白质结构）® n % n 窃 冰蒋人门V| A |胡CA.全e结构域B.平行裁混合型p折叠片结构城C.全卜结构域 D富含二疏键结构域® n % n 迫二卩 制，«n» 述人门| |»|(五)分子伴侣参与蛋白质的折叠分子伴侣(chaperon)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。*分子件侣可逆地与未折

18、叠肽段的疏水部分结合随 后松开，如此空复进行可防止错咲的聚集发生， 使肽链正确折扭。瘁分子伴侣也可与错课聚集的肽段结合，使之解聚后， 再诱导其正确折叠。*分子伴侣在皆白质分子折叠过程中二Ml键的正确 形成起了重要的作用。a n » n 込“种艸議人门|» |»|目前已知參与爰白质折叠的分子伴估可分为3类：热激妥白7(1(Hsp70): Hsp70真核和原核生物中高度保守， 它可部分逆转变性或聚集的生白质0佯倍319(3瞬yuhi)：佯侣生白普遷存在于细蜀、线粒体、 叶绿体和真扶生物，主妥有2个家族：H.M0 (在大肠杆茴 中又称为GroEIJ Hspl(>0

19、核廣蚤白(nuclQoplasmln)9> nn 込 种艸 ?»h»跖、七IV I |»丽10牆出佃GroFS 儿 ADP站合 wr>的參臥送入GroES UlADP U *刑h欷ATP水辭ui*p跚祈金I伴侣妥白在蛋白頂折叠中的作用a n 或 h % H 种，W11B MAW 可 了丁 应三、多亚基的蛋白质具有四级结构形式(一)具有四级结构形式的蛋白质由多亚基组成体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多 肽链，毎一条多肽链都有完整的三级结构，称 为蛋白质的亚基(subunit)©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

20、蛋白质的 四级结构。各亚基间的结合力主妥是氢獎和离子键。a n % n w gph和、弋| |«*|AU*f红 蛋 白 的 四 级 结 构（二）亚基通过亚基间的相互作用联系在一起由2个亚基组成 的蚤白质四级结构中, 若亚基分子结构相同， 称之为同二聚体 （honiodimer）.若亚基 分子结构不同，則称 之为奔二聚体 （heterodimerU3（三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质生物体内许多妥白廣往 往由多个亚基组成，亚農之 间凭借次级域形成蛋白朋四 级结构。履岛素受体：由4个亚基 组成（如卩2），«亚基与卩亚基形 成单#.（ni（nonier）, 2个单体 形成二

21、聚 （dimer）o血红蛋白的一.二、三、四级结构a n » n 錮 涮,割人“| » H第三节蛋白质结构与功能的关系Structure and Function of Proteins31IEE3一.蛋白质一级结构是高级结构与功能 的基础（一）一级结构是空间构象的基础牛核糖核敌酶的一级结构天然状态， 有催化活性无活性nn勇艸«h»3 ZE 回a n » n氨基绘残基号（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的 高级结构与功能a n % n 亂汕涮him»h»E3ZE回mACTH-i-ttI'4 10* 希一倒芋一色一甘4

22、N色tt1117* 谷-S-J-t-fi-甘,39II 来帀一coo' M«CONH,8M天一COOA10B30IkThrVaiAllDeAlaVaiAlaHeAlalkAllscrserscrGlvdw 瓷>寰 人牛a半马狗促肾上腺次朋漱素（ACH）和促黑激素（u-MSH, 卩M$H）共有一段相同的氨基腹序列，因此，ACTH也 可促进皮下黑色素生成，但作用较弱。» n » n sup 刑,j»h» mawSIZE 回(三)氨基酸序列提供重要的生物化学信息-些广泛存在于生 物界的旻白质如细胞色 素(cytochnime C),比

23、校它们的一级结构，可 以帮助了解物种进化间 的关系。% n » n ammyitBM(四) 重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血HhA卩肽链N-val his leu thr* pro glu gluC(146)HbS p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。a n si n 紐卩 制'VI 卜 H二. 蛋白质空间结构表现功能（一）血红蛋白构象改变引起功能变化1.肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构CH« CH CH2CHCHQLCOOCHCHCHOO

24、Iron protoporphynn IX(in 6-type cytochromes Ia n » w 事汕 myt外 liH3J叵回肌红蛋白(myoglobin > Mb)肌红豪白是一个只有 三级结构的单钱.長白质， 有8啟"螺就结构。血红素分子中的两个 丙跋傅链以离子铁形式与 肽钱中的两个碱性氨基酸 侧钱上的正电荷相連，加 之钛链中的Fg俎氨殴残基 还与Fe形成配位结合， 所以血红素辅基与蛋白质 押分稳定结合0« n » ft «H 丹料速人卩可下丁 |胡血红蛋白(hemoglobin f Hb)血红炙白具有个亚 基俎成的四级结构)

25、Hb各亚基的三级结 构与Mb 相似。Hb 亚基之间通过X对盐械， 使4个亚基紧密结合而形 成亲水的球状妥白。mi(n<)4 w肌红蛋白(NIh)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线% n » n % 卩 御艸|V . iT|血红素与氧结 合后，皱原于半径 变小，就能进入卩卜 林环的小孔中，继 而引起肽链位置的 变动。叫c対料Y歌人门| |胡別构效应(aillostcric effect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的 变化，称为别构效应。a n » n a泊料卅JimV| E"H(二)蛋白质构象改变可导致构象病蛋白质构象疾病(Protein Conformati

26、onal Diseases):若蛋白质的折叠发生错课，尽管其一级 结构不变，但胥白质的构象发生改变，仍可形响其 功能，严査时可导致疾病发生。a n % n 询卩 mu毬沁|ht|蛋白质构璟改变导致疾病的机制：有些蛋 白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解 聘的淀粉样纤维沉淀，产生辛性而致病，表现 为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。a «» n a zv涮hjy这类疾病包括：人纹状体晋燧变性病.老 年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。31EE*疯牛病疯牛病是由肮病毒蛋6(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(I螺旋，称为P

27、roP严在某种未知蛋白质的作用下可转变成全 为卜折叠的卩厂严爲从而致病。prpc, FrP«.螺旋K卜折叠正常a n a n a n 涮疯牛病«11»叵习三、蛋白质的化学修饰.相互作用可改变其功能生物信息学(bioinformatics)是一门基于信息学 和计算的斷兴交文学科，应用计算机程序法将复杂的 生物学数据进行抠合与分析，从而阐明生命现象中难 以解释的复杂分子机制。最初基因表达的产物蛋白质，并不一定为具 有生物学功能的咸熟蚕白质，新生蛋白质通常还需 要进行蛋白质翻译后的化学修饰(第十八章)。a n % n 納卩対p,|旦录|第四节蛋白质的理化性质Chemic

28、al and Physical Properties ofProteins® n sb n a ：»制,iawI 11A 丨1 冃娥I一.蛋白质具有两性电离性质蛋白质分于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 件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。蛋白质的等电 A( isoelectric point, pl)当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成 正、负高子的越势相竽，即成为兼性离子，净电 荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。% n % n 逆二“ 制艸列人卩V11»T二、蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分

29、子童可自1万至10()万之间，其分子的直径可达1lOOiim,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» n n * 卩| V下厂冷量|带正电荷的旻白质崔等电点的*白度带貝电荷的旻白展反水柞刖I脱水作用脱水作用蒂正电荷的妥白质 不熬定的旻自虞箱粒 莆$电荷的餐白质溶液中蛋白质的聚集和沉淀»» 昂 n a u 期、9>h»r<rim>i三、很多因素可引起蛋白质变性蛋白质的变性(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

30、物活性的丧失。% n % n 谢m艸、初gjjr 回应用举例"临床医学上，变性因素常被应用来消奉及 灭瓠此外，防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质 制剂(如疫苗竽)的必要条件。a n % n 禺卩涮hjyr人“|m11令 白质 的复性(renaturation)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 象和功能，称为复性。31 EE*I蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链棊露在外，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。蛋白质的疑固作用(protein coagulation)蛋白质变性后的絮

31、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。a n » n 迫汕 硼、«hB 速m3JKE*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梶双镀的酪氨 酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性 吸收峰。蛋白质的OD则与其浓度呈正比关系， 因此可作蛋白质定量测定。%»% n 迫 和、JiiiH 速m31EE*五、蛋白质呈色反应可用于溶液蛋白质测定（一）蛋白质经水解后产生飾三酮反应蛋白质经水解后产生的氨崽酸也可发生菊三酮反应（ninhydrin reaction> 0%»% n 迫 和、jiiiH 速m31EE*(二)

32、肽链中的肽键可与双缩腺试剂反应蛋白质和多肽分子中肽键在稀磁溶液中与 疏酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称 为双缩脉反应(biuret reaction) o双缩豚反应可用来检测蛋白质水解程度。a n » n 5» i v 制，*人门VI |b |»|第五节蛋白质的分离、纯化、鉴定和结构分析Isolation, IPurification, Identificationand Structural Analysis of Proteinsa n » n 越二卩 制'mawIV 丨 IA透析及超滤法可清除蛋白质溶液中的小分子化合物透析(ilisdys

33、is)利用透析皴把大分子蛋白质与小分子 化合物分开的方法。超滤法应用正压或离心力使哥白质溶液透过有 一定截留分子童的超滤膜，达到浓缩矍白质 溶液的目的。% n 31 n « v swiY和、$| » |口录|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酬沉淀时，必须在0XC低温下进行, 丙酮用童一般1。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 外，也可用乙醇沉淀。盐析(salt precipitation)是将硫酸枝、疏酸钠 或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质衷面 电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质 沉淀。% nn 込卩 冰邈兀卩<-1»>|免疫沉淀法(inimu no preci pi tat ion )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，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋 白质屁合溶液中分离英得抗原蛋白。a n » n a » 制'遶九门L> |m>|三、电泳是蛋白质分离与鉴定的常 用方法蛋白质在高于或低于其pl的溶液中为带屯 的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种 通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白 质的技术9称为电ijc(ektrophorcsis) e根据支撑物的不同，可