生化学第1章蛋白质

1、1主讲教师：蔡文娣主讲教师：蔡文娣生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室生生 物物 化化 学学生物大分子：生物大分子：通常都有一定的分子结构规律，即通常都有一定的分子结构规律，即由一定的基本结构单位，按一定的由一定的基本结构单位，按一定的排列顺序排列顺序和和连连接方式接方式而形成的多聚体。而形成的多聚体。蛋白质蛋白质和和核酸核酸是体内主要的生物大分子，有不同是体内主要的生物大分子，有不同的结构特征，行使不同的功能的结构特征，行使不同的功能。4第第一一章章 蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能Structure and function of protein主讲教师：蔡文娣主讲教师

2、：蔡文娣生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室5掌握掌握 蛋白质一至四级结构的结构概念、要点、主要蛋白质一至四级结构的结构概念、要点、主要化学键。化学键。 模体模体(motif)(motif)、结构域、结构域(domain)(domain)、分、分子伴侣子伴侣(chaperon)(chaperon)的概念的概念；蛋白质重要的理化蛋白质重要的理化性质。性质。 熟悉熟悉 蛋白质的分子组成特点；氨基酸的分类、三字蛋白质的分子组成特点；氨基酸的分类、三字符号及理化性质；肽及多肽链的两端；谷胱甘符号及理化性质；肽及多肽链的两端；谷胱甘肽的生物学意义。蛋白质分离和纯化的方法及肽的生物学意义。

3、蛋白质分离和纯化的方法及其原理。其原理。6蛋白质是由什么构成的？蛋白质是由什么构成的？蛋白质的结构是什么？蛋白质的结构是什么？蛋白质有哪些理化性质？蛋白质有哪些理化性质？7一、什么是蛋白质一、什么是蛋白质?蛋白质蛋白质(protein)是由许多是由许多氨基酸氨基酸(amino acids)通过通过肽键肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。8二、蛋白质的生物学重要性二、蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；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。细

4、胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的分子，占人体干重的45，某些组织含量更，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。91 1）作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）2 2）代谢调节作用）代谢调节作用3 3）免疫保护作用）免疫保护作用4 4）物质的转运和存储）物质的转运和存储5 5）运动与支持作用）运动与支持作用6 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递7 7）个体的生长发育、组织修复）个体的生长发育、组织修复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

5、能氧化供能第第 一一 节节11蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成1.1.主要元素：主要元素：主要有主要有C C、H H、O O、N N和和 S S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。12 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

6、%2.特点：特点：13三聚氰胺三聚氰胺14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氨基酸仅有组成人体蛋白质的氨基酸仅有2020种，且均种，且均属属 L-L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。15COOHCH3CH3CH3CH3 COO-NH3+ C H R COO-H C NH3+ RL-Amino acidD-Amino acid18H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RC+NH3COO-H19氨基酸氨基酸(aa)的结构特点的结构特点:1.1. 均为均为L-L- 氨基酸氨基酸( (甘氨酸甘氨酸除外）除外）;

7、 ;2.2. 不同的氨基酸其侧链不相同不同的氨基酸其侧链不相同COOHH2N C HR20非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类可根据侧链结构和理化性质进行分类21( (一一) )侧链含烃链的氨基酸属于侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸HH2NCOOHHCglycine1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸CH3H2NCOOHHCalanine1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 HH3C C CH3H2N C COOH

8、 Hvaline1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 HH3C C CH3 CH2H2N C COOH Hleucine1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸isoleucin CH3 CH2H3C C HH2N C COOH H1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸HH2CCH2CH2CNCOOHHproline1. 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸28( (二二) )侧链有极性但不带电荷的氨基酸是侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸极性中性氨基酸 O H CH2 H2N C COOH HSerine 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 S-H CH2H2N C C

9、OOH HCysteine 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸31 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3+H3N CH COO- CH2 C O NH2Asparagine 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 O NH2 C CH2 CH2H2N C COOH H Glutamine 2. 极性中性氨基酸

10、极性中性氨基酸 CH3 S CH2 CH2H2N C COOH Hmethionine2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸+H3N C COO- CH OH CH3 Threonine 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸36( (三三) )侧链含芳香基团的氨基酸是侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸芳香族氨基酸TrpTyr CH2+H3N CH C O OPhenylalanine 3. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸C O ONHCH2CHH3NTrptophan 3. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸 CH2+H3N CH C O OOHTyrosine 3. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸40( (四四) )

11、侧链含负性解离基团的氨基酸是侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸酸性氨基酸侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。 COO-+H3N C H CH2 C O O-Aspartate4. 酸性氨基酸酸性氨基酸 O+NH3 CH C O- CH2 CH2 C O O-Glutamate 4. 酸性氨基酸酸性氨基酸43( (五五) )侧链含正性解离基团的氨基酸属于侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸碱性氨基酸侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。 NH3+ CH2 CH2 CH2 CH2H3N C

12、H C O O Lysine 5. 碱性氨基酸碱性氨基酸CH2H3N CH C O O NH+HNHistidine 5. 碱性氨基酸碱性氨基酸 NH2 C NH2 NH CH2 CH2 CH2H3N CH C O O Arginine 5. 碱性氨基酸碱性氨基酸47记忆歌谣记忆歌谣天冬谷，天冬谷，赖精组，赖精组，苯丙色酪芳香族。苯丙色酪芳香族。诗书半担两岸有，诗书半担两岸有，干饼限干饼限(缬缬)量一铺无。量一铺无。 注注 天冬、谷是酸性，赖、精、组是碱性。苯丙、色、天冬、谷是酸性，赖、精、组是碱性。苯丙、色、酪是芳香族。丝、苏、半胱、蛋、天冬酰胺、谷酰胺酪是芳香族。丝、苏、半胱、蛋、天冬酰胺

13、、谷酰胺有极性，甘、丙、缬、亮、异亮、脯无极性有极性，甘、丙、缬、亮、异亮、脯无极性 n几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 1. 1. 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2蛋白质多肽中蛋白质多肽中ProPro残基的存在将会残基的存在将会增加其结构区域增加其结构区域的刚性，而的刚性，而GlyGly残残基的存在则相反，基的存在则相反，将增加其结构区将增加其结构区域的柔性。域的柔性。 2. 2. 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-C

14、H2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3组氨酸侧链组氨酸侧链为一个咪唑为一个咪唑基，在酸碱基，在酸碱催化中起重催化中起重要作用要作用 3. 3. 组氨酸组氨酸 O H CH2 H2N C COOH HSerine CH2+H3N CH C O OOH+H3N C COO- CH OH CH3 Threonine Tyrosine 52三、三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质种氨基酸具有共同或特异的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点

15、（一）氨基酸具有两性解离的性质（一）氨基酸具有两性解离的性质 氨基酸在水中的两性离子既能氨基酸在水中的两性离子既能像酸一样放出质子，也能像碱一样像酸一样放出质子，也能像碱一样接受质子，氨基酸具有接受质子，氨基酸具有酸碱性质酸碱性质，是一类两性电解质是一类两性电解质。COOHH2N C HR53H2NCHCOORH3NCHCOOR-+-+ H+As an acid（proton donor）：）：As a base（proton acceptor）：）：H3NCHCOOHRH3NCHCOOR-+ H+氨基酸解离程度取决于所处溶液的酸碱度。氨基酸解离程度取决于所处溶液的酸碱度。54等电点等电点(i

16、soelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和的溶液中，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，呈电阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。55pH=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CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+56pH值值014+-

17、pI57 pI值值与该离子浓度基本无关与该离子浓度基本无关，只决定于等电兼性离子两侧的只决定于等电兼性离子两侧的- -羧基和羧基和- -氨基的氨基的解离常数的解离常数的负对数负对数pK1和和pK2决定。决定。等电点的计算等电点的计算 pI=（pK1+pK2）/258中性氨基酸：以中性氨基酸：以GlyGly为例为例 pI=（pK1+pK2）/2pI =（2.34+9.60）/2=5.97GlyH3NCH2COOHH3NCH2COO-+H2NCH2COO-Gly+Gly+-Gly-H+K1H+K22.349.60酸性氨基酸：以酸性氨基酸：以AspAsp为例：为例：Asp+Asp-Asp=Asp+碱

18、性氨基酸：以碱性氨基酸：以LysLys为例：为例：Lys+61（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多数蛋白质含大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋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62氨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蓝紫色化合物，其最大化合物，其最大吸收峰在吸收峰在570n

19、m570nm。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因由于此吸收峰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。此可作为氨基酸定量分析方法。（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物茚三酮氨基酸 还原型茚三酮 醛类蓝紫色化合物63肽键肽键( (peptide bond) )是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 - -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的 - -氨基脱水缩合而形成氨基脱水缩合而形成的化学键。的化学键。（一）（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide)64NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸N

20、H2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH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-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO65肽（肽（peptide）是由氨基酸通过肽键缩合）是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。而形成的化合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽酸缩合则形成三肽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肽寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸，由更多的氨基酸(C=O H-NC=O H-N。氢键在稳定蛋白质的空间结构

21、上起着重要的作用氢键在稳定蛋白质的空间结构上起着重要的作用。但氢键的键能较低但氢键的键能较低(12kJ/mol)(12kJ/mol)，易被破坏。，易被破坏。 蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成2. 2. 疏水键：疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键疏水键或或疏疏水作用力水作用力(hydrophobic interaction)(hydrophobic interaction)。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非

22、极性的基团在水中也可相互聚集性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如，形成疏水键，如LeuLeu，IleIle，ValVal，PhePhe，AlaAla等的等的侧链基团。侧链基团。3. 3. 离子键：离子键：离子键离子键(salt bond)(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。基团之间相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键侧链

23、电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。 蛋白质分子中离子键的形成蛋白质分子中离子键的形成4 4范德华氏引力（范德华氏引力（van der Waals force)van der Waals force)：原子之间存在的相互作用力。原子之间存在的相互作用力。由电子运动的不对称性造成的由电子运动的不对称性造成的维系蛋白质分子构象的非共价键维系蛋白质分子构象的非共价键85n定义定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端端至至C-端端的的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。一、一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序决定蛋白质的的一级结构一级结构n主要的化学键主要的化

24、学键: 肽肽 键键n蛋蛋白质分子中所有白质分子中所有二硫键的位置二硫键的位置也属于一级结构范畴也属于一级结构范畴 。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的功能的基础基础。但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象的唯唯一因素一因素。目目 录录87蛋白质分子中多肽蛋白质分子中多肽主链（骨架）原子主链（骨架）原子的局部空间排布，并不涉及氨基酸残基侧的局部空间排布，并不涉及氨基酸残基侧链的构象链的构象 。定义定义 主要的化学键主要的化学键： 氢氢 键键 主链（骨架）原子：主链（骨架）原子：二、二、多肽链的局部主链构象为蛋白质多肽链的局部主链构象为蛋白质

25、二级结构二级结构88肽键平面肽键平面由于肽键具有由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽部分双键的性质，使参与肽键 构 成 的 六 个 原 子键 构 成 的 六 个 原 子 C -C(=O)-N(-H)-C 被束缚在被束缚在同一平面上，反式构象，这同一平面上，反式构象，这6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单肽单元元 (peptide unit) 。（一）参与肽键形成的（一）参与肽键形成的6 6个原子在同一平面上个原子在同一平面上1.1.由于由于肽键肽键(C-N)(C-N)的键长介于单键和双键的键长介于单键和双键之间，使之间，使肽键肽键具有部分具有部分双键双键的性质，的性质，不能自由旋转。不能

26、自由旋转。2. 2. 与肽键相连的六个原子构成与肽键相连的六个原子构成刚性平面刚性平面结构结构。但由于。但由于 - -碳原子与其他原子之碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的平面结间均形成单键，因此两相邻的平面结构可以作相对旋转。构可以作相对旋转。肽单元肽单元(酰胺平面或肽键平面酰胺平面或肽键平面) 0.13291肽键平面示意图肽键平面示意图CC CCC92 多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以 碳碳原子相隔。原子相隔。和和这一对两面角决定了相邻两个酰胺平面这一对两面角决定了相邻两个酰胺平面的相对位置，也就决定了肽链的构象。的相对位置，也就

27、决定了肽链的构象。 93（二）（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 - -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 ) 94(1)(1)为一为一右手螺旋右手螺旋；(2)(2)螺旋每圈包含螺旋每圈包含3.63.6个氨基酸个氨基酸残基，螺距为残基，螺距为0.54nm0.54nm；。；。 (3)(3)螺旋以螺旋以氢键氢键维系。维系。(4)(4)各氨基酸残基的各氨基酸残基的R R基团均伸基团均伸向螺旋外侧。向螺旋外侧。 - -螺旋是多肽链的主链原

28、子沿一中心轴盘螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征特征为：为：96 -螺旋的稳定性主要靠氢键来维持。螺旋的稳定性主要靠氢键来维持。 The -CO group of peptide unit n is H-bonded to the -NH group of peptide unit (n+3).9798一些侧链基团对二级结构的影响一些侧链基团对二级结构的影响 在多肽链中连续的出现带在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基同种电荷的极性氨基酸酸， - -螺旋就不稳定。螺旋就不稳定。 在多肽链中只要出现在多肽链中只要出现Pro

29、Pro， - -螺旋就被中断，螺旋就被中断，产生一个弯曲（产生一个弯曲（bendbend）或结节（）或结节（kinkkink） GlyGly的的R R基太小，难以形成基太小，难以形成 - -螺旋所需的两面角，螺旋所需的两面角，所以和所以和ProPro一样也是螺旋的最大破坏者一样也是螺旋的最大破坏者 肽链中连续出现肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如带庞大侧链的氨基酸如IleIle，由，由于空间位阻，也难以形成于空间位阻，也难以形成 - -螺旋螺旋 99烫烫发？发？100 也是也是PaulingPauling等人提出来的，它是等人提出来的，它是与与 - -螺旋完全不同的一种结构。螺旋完全不同的一种

30、结构。（三）（三） - -折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽链形成片层结构 -折叠折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象，其结构特征为：成的扇面状片层构象，其结构特征为：101(1)(1)相邻肽键平面的夹角为相邻肽键平面的夹角为1101100 0 ，呈锯齿状排，呈锯齿状排列；侧链基团交错地分布在片层平面的两侧。列；侧链基团交错地分布在片层平面的两侧。(2) (2) 在两条相邻的肽链之间形成的在两条相邻的肽链之间形成的氢键氢键是维是维持该构象的主要次级键。持该构象的主要次级键。102(3)-(3)-折叠有折叠有顺向平行顺向平行和和反向平行反向平行的两种

31、形式的两种形式: : 1031. -转角转角 是多肽链是多肽链180回折部分所形成的一种二级结回折部分所形成的一种二级结构，构，称称-转角，也称发夹结构，或称转角，也称发夹结构，或称U U形转折。形转折。其结构特征为：其结构特征为： 主链骨架本身以大约主链骨架本身以大约180回折回折; 回折部分通常由回折部分通常由四个氨基酸残基四个氨基酸残基构成构成; 构象依靠第一残基的构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的基与第四残基的-NH基之间基之间形成形成氢键氢键来维系。来维系。 （四）（四） - -转角转角和和无规卷曲无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在在蛋白质分子中普遍存在104Pro and Gly

32、residues often occur in C2 in -turn1052. 无规卷曲无规卷曲 连接条连接条带带 紧密环如紧密环如环环 环环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。也是明确而稳定的二级结构！也是明确而稳定的二级结构！106核糖核酸酶分子中的二级结构核糖核酸酶分子中的二级结构-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲107（五）模体（五）模体是具有特殊功能的是具有特殊功能的超二级结构超二级结构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

33、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。基本二级结构组合：基本二级结构组合：， 。 108二个或三个具有二级结构的肽段，在空间二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体模体(motif) 。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。109钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构- -螺旋螺旋-转角（或转角（或环）环）-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角- -链模体链模体链链-转角转角-螺旋

34、螺旋-转角转角- -链模体链模体n模体常见的形式模体常见的形式110（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响（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。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。折叠，它就会出现相应的二级结构。 谷氨酸、天冬氨酸谷氨酸、天冬氨酸天冬酰胺、亮氨酸天冬酰胺、亮氨酸脯氨酸脯氨酸(亚氨基酸亚氨基酸, ,不能形成氢键）不能形成氢键）111三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质成

35、蛋白质三级结构三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。n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。n定义定义:（一）（一）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112113 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端114（二）（二）结构域结构域是三级结构层次上的局部折叠区是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密可折叠成多个结构较为紧密的区

36、域，并各行其功能，称的区域，并各行其功能，称为为结构域结构域 (domain) 。3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶115 对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。一般来说，大的蛋白质分子可以由域的。一般来说，大的蛋白质分子可以由2 2个或个或更多个结构域组成更多个结构域组成。 116（三）（三）分子伴侣分子伴侣参与蛋白质折叠参与蛋白质折叠分子伴侣分子伴侣(chaperon)是是通过提供一个保护环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境从而加速蛋白质折叠

37、成天然构象或形成四级结构的蛋白质。构的蛋白质。分子伴侣主要有：分子伴侣主要有：u核糖体结合性分子伴侣核糖体结合性分子伴侣u非核糖体结合性分子伴侣非核糖体结合性分子伴侣 热休克蛋白热休克蛋白(heat shock protein, HSP)(heat shock protein, HSP) 伴侣蛋白伴侣蛋白(chaperonins)(chaperonins)117分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随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，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。使肽链正确折叠。 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，

38、使之解聚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。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键的正确分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 118亚基之间的缔合力主要是亚基之间的缔合力主要是氢键氢键和和离子键离子键。四、四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构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

39、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)。119血红蛋白的血红蛋白的四级结构四级结构（四聚体）（四聚体）小小 结结122n根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质单纯蛋白质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n根据蛋白质形状根据蛋白质形状:纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质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124（

40、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、蛋白质一级结构一、蛋白质一级结构是高级结构是高级结构与功能的基础与功能的基础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125 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126（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级（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ThrGlyIleSe

41、r牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla127一些广泛存在于一些广泛存在于生物界的蛋白质如生物界的蛋白质如细胞色素细胞色素(cytochrome C)，比，比较它们的一级结构，较它们的一级结构，可以帮助了解物种可以帮助了解物种进化间的关系。进化间的关系。 128（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病n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(1

42、46)129血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集成束状结血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集成束状结构，至使红细胞变长、收缩成镰刀形。构，至使红细胞变长、收缩成镰刀形。易在微血管堆易在微血管堆积，导致输氧能力下降，或发生溶血。积，导致输氧能力下降，或发生溶血。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“分分子病子病”。130n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血红素结构血红素结构 二、二、蛋白质的功能依赖特定空间结构蛋白质的功能依赖特定空间结构（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1

43、31n肌红蛋白肌红蛋白( (myoglobin，Mb) ) 肌红蛋白是一个只有三级肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有结构的单链蛋白质，有8 8段段 - -螺螺旋结构。旋结构。血红素分子中的两个丙酸血红素分子中的两个丙酸侧链以侧链以离子键形式离子键形式与肽链中的与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的荷相连，加之肽链中的F8F8组氨组氨酸残基还与酸残基还与FeFe2+2+形成配位结合形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。稳定结合。 132n血红蛋白血红蛋白( (hemoglobin，Hb) )血红蛋白具有血红

44、蛋白具有4个亚个亚基组成的四级结构，基组成的四级结构，每每个亚基可结合个亚基可结合1 1个血红素个血红素并携带并携带1 1分子氧分子氧。Hb亚基之间通过亚基之间通过8对对盐键盐键，使，使4个亚基紧密个亚基紧密结合而形成亲水的球状结合而形成亲水的球状蛋白。蛋白。 133Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与O2 2结合后称为结合后称为氧合氧合Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分数的百分数（称（称百分饱和度百分饱和度）随）随O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合与氧结合134肌红蛋白肌红

45、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135一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结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，称为合能力的现象，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) )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) )这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子 功

46、能 发 生 改 变 的 现 象 称 为子 功 能 发 生 改 变 的 现 象 称 为 变 构 效 应 （变 构 效 应 （allosteric effectallosteric effect）。O O2 2称为变构剂，称为变构剂，HbHb则称为变构蛋白。则称为变构蛋白。当血红蛋白的一个当血红蛋白的一个 亚基与氧分子结合以后，亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S S”形形。140（三）蛋白质构

47、象改变（三）蛋白质构象改变可引起疾病可引起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：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

48、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n疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病中的蛋白质构象改变第四节第四节蛋白质的理化性质

49、蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters144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) 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的荷为

50、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。一、一、蛋白质具有两性电离的性质蛋白质具有两性电离的性质145（二）蛋白质的胶体性质（二）蛋白质的胶体性质 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-+-146+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

51、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147* 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，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物活性的丧失。而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。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148 造成变性的因素造成变性的因素 变性的本

52、质变性的本质 破坏非共价键和二硫键，破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白不改变蛋白质的氨基酸排列顺序。质的氨基酸排列顺序。物理因素物理因素: : 加热、紫外线、加热、紫外线、X-X-射线、超声波等。射线、超声波等。 化学因素化学因素: : 酸、碱、有机溶剂、蛋白变性剂酸、碱、有机溶剂、蛋白变性剂（尿素、盐酸胍）、重金属盐等。（尿素、盐酸胍）、重金属盐等。 149变性蛋白质的特性：变性蛋白质的特性： （1 1）生物活性全部或部分丧失）生物活性全部或部分丧失 （2 2）一些侧链基团暴露）一些侧链基团暴露（3 3）一些物理化学性质的改变）一些物理化学性质的改变 150 应用举例应用举例临床医学上，变性因

53、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。 151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复其原有的构象和功能，称为象和功能，称为复性复性(renaturation) 。152 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153* * 蛋白质

54、沉淀蛋白质沉淀在一定条件下，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。 154四、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

55、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280nm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OD280与其浓度呈正比关系，因与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。此可作蛋白质定量测定。155五、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，呈现紫色或红色，此反应称

56、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。AA不反应不反应。第五节第五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 and Purification and Structure Analysis of Protein157一、一、透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物小分子化合物应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一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定截留分子量的超滤膜超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液，达到浓缩蛋白质溶液的目的。的目的。n透析透析(dialysis)n超滤法超滤法利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法物分开的方法。158159二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质沉淀方法的蛋白质沉淀方法使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀时，必须在时，必须在04低温下进行，低温下进行，丙酮用量一般丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质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，被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也