蛋白质化学2015

1、 第二章第二章 蛋白质化学蛋白质化学 主要内容：主要内容：学习氨基酸的结构、分类、学习氨基酸的结构、分类、性质及肽的概念，重点掌握蛋白质的结构层次性质及肽的概念，重点掌握蛋白质的结构层次的划分、结构的内容以及维系各结构层次的作的划分、结构的内容以及维系各结构层次的作用力。在掌握蛋白质结构知识的基础上，理解用力。在掌握蛋白质结构知识的基础上，理解蛋白质结构与功能的关系。蛋白质结构与功能的关系。 思考思考目录目录第一节第一节 蛋白质生理功能及元素组成蛋白质生理功能及元素组成第二节第二节 蛋白质的基本结构单位蛋白质的基本结构单位氨基酸氨基酸第三节第三节 肽肽第四节第四节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子

2、结构第五节第五节 蛋白质的分子结构与功能的关系蛋白质的分子结构与功能的关系第六节第六节 蛋白质的重要性质蛋白质的重要性质第七节第七节 蛋白质分类蛋白质分类（自学）（自学）思考思考蛋白质主要元素组成：蛋白质主要元素组成：C C、H H、O O、N N、S S 及及 P P、FeFe、CuCu、ZnZn、MoMo、I I、Se Se 等微量元素。等微量元素。 蛋白质平均含蛋白质平均含N N量为量为1616, ,这是凯氏定这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据：氮法测蛋白质含量的理论依据： 蛋白质含量含蛋白质含量含N N量量6.256.25蛋白质的主要生理功能蛋白质的主要生理功能 蛋白质（蛋白质（pr

3、oteinprotein）是生活细胞内含量最丰富、功能最是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。的命题。 生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功

4、能信息功能；储藏功能 蛋白质的基本结构单位蛋白质的基本结构单位氨基酸氨基酸一、一、 氨基酸的通式氨基酸的通式二、二、蛋白质氨基酸、稀有的蛋白质氨基酸和蛋白质氨基酸、稀有的蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸的概念非蛋白质氨基酸的概念 三、三、二十种常见的蛋白质二十种常见的蛋白质氨基酸分类、结构氨基酸分类、结构及三字符号及三字符号四、四、氨基酸的性质氨基酸的性质COO-R group Amino group Carboxylic group -氨基酸的通式H = GlycineCH3 = AlanineH N3+HJuang RH (2004) BCbasics氨基酸的两种立体异构体Mirrorimag

5、eSame chemical propertiesStereo isomersJuang RH (2004) BCbasicsNH3NH3L氨基酸氨基酸D氨基酸氨基酸生物体内的氨基酸类别生物体内的氨基酸类别 蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸： 蛋白质中常见的蛋白质中常见的20种氨基酸种氨基酸 稀有的蛋白质氨基酸稀有的蛋白质氨基酸：蛋白质组成中，除上述蛋白质组成中，除上述20种种常见氨基酸外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨常见氨基酸外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸，它们都是相应常见氨基酸的衍生物。如基酸，它们都是相应常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨羟脯氨酸、酸、5-羟赖氨酸等。羟赖氨酸等。硒代

6、半胱氨酸硒代半胱氨酸 ,吡咯赖氨酸的发现。吡咯赖氨酸的发现。 非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸：生物体内呈游离或结合态的氨基生物体内呈游离或结合态的氨基酸。肽聚糖中的酸。肽聚糖中的D-丙氨酸，丙氨酸，D-谷氨酸等。谷氨酸等。二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号据营养据营养学分类学分类 必需必需非必需非必需据据R基团化基团化学结构分类学结构分类 脂肪族脂肪族A A（中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）芳香族芳香族A(PheA(Phe、TyrTyr) )杂环杂环( (HisHis、Pro Pro 、Trp)Trp)据据R基

7、团基团极性分类极性分类极性极性R基团基团AA非极性非极性R基团基团AA（种）种）不带电荷不带电荷（种）种）带电荷：正电荷带电荷：正电荷（种）负电荷种）负电荷（种）种）据氨基、羧据氨基、羧基数分类基数分类一氨基一羧基一氨基一羧基一氨基二羧基一氨基二羧基( (GluGlu、Asp)Asp)二氨基一羧基二氨基一羧基( (LysLys、HisHis、Arg)Arg)人的必需氨基酸人的必需氨基酸LysLysTrpTrpPhePheValValMetMetLeuLeuIleIleThrThrArgArg、HisHisLeu L-C-C-CONH2-C-CONH2-C-COOH-C-C-COOH-H-CH3

8、-C-OH-C-SH-C-C-S-CPPro-C-C C N N+ -C-C-C-C-NH3+-C-C- -OH-C-NSouth lineSouth lineCircular lineCircular lineCentral lineCentral lineNorthNorth line lineNorthwest lineNorthwest lineAliphaticAmideAcidicImino,CircularBasicSulfurHydroxyAromaticAromatic-C-C-C-N-C-N N+= C-C-C-C C-C-C-C C C-C C C C HN C-COOH

9、 -C-C OHGln QAsn NAsp DGlu EPhe FArg RLys KHis HGly GAAAlaVValI IleYTyrSer SThr TMet MCys C氨基酸R基团化学结构Trp WJuang RH (2004) BCbasicsNortheast lineNortheast line甘氨酸甘氨酸 (Gly,G）氨基乙酸氨基乙酸丙氨酸丙氨酸 (Ala,A)a-氨基丙酸氨基丙酸缬氨酸缬氨酸 (Val,V)a-氨基异戊酸氨基异戊酸亮氨酸亮氨酸 (Leu,L)a-氨基异己酸氨基异己酸异亮氨酸异亮氨酸 (Ile,I)a-氨基氨基-甲基戊甲基戊酸酸中性脂肪族氨基酸中性脂肪族

10、氨基酸含羟基或硫脂肪族氨基酸含羟基或硫脂肪族氨基酸丝氨酸丝氨酸(Ser,S)a-氨基氨基-羟基丙酸羟基丙酸苏氨酸苏氨酸(Thr,T)a-氨基氨基-羟基丁酸羟基丁酸半胱氨酸半胱氨酸 (Cys,C)a-氨基氨基-巯基丙酸巯基丙酸甲硫氨酸甲硫氨酸 （Met,M）a-氨基氨基-甲甲硫基丁酸硫基丁酸酸性氨基酸及酰胺酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸天冬氨酸(Asp,D)a-氨基丁二酸氨基丁二酸谷氨酸谷氨酸(Glu,E)a-氨基戊二酸氨基戊二酸天冬酰胺天冬酰胺 (Asn,N)谷氨酰胺谷氨酰胺 (Gln,Q)碱性氨基酸碱性氨基酸赖氨酸赖氨酸(Lys,K)a,-二氨基己酸二氨基己酸精氨酸精氨酸 (Arg,R)a-氨基氨

11、基-胍基戊酸胍基戊酸组氨酸组氨酸 (His,H)a-氨基氨基-咪唑基丙酸咪唑基丙酸杂环杂环杂环氨基酸杂环氨基酸组氨酸（组氨酸（His,H）a-氨基氨基-咪唑基丙酸咪唑基丙酸脯氨酸脯氨酸 (Pro,P)-吡咯烷基吡咯烷基-a-羧酸羧酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe,F)a-氨基氨基-苯基丙酸苯基丙酸酪氨酸酪氨酸 (Tyr,Y)a-氨基氨基-对羟苯基丙酸对羟苯基丙酸色氨酸色氨酸(Trp,W)a-氨基氨基-吲哚基丙酸吲哚基丙酸POLARNON-POLARTyrHisGlyAcidicNeutralBasicAspGluGlnCysAsnSerThrLysArgAlaValIleLe

12、uMetPheTrpPro根据R基团的极性对氨基酸分类Polar or non-polar, it is the bases of the amino acid properties.Juang RH (2003) Biochemistry非极性非极性R基团氨基酸基团氨基酸不带电荷极性不带电荷极性R基团氨基酸基团氨基酸带电荷带电荷R基团氨基酸基团氨基酸 氨基酸的性质氨基酸的性质（1 1）两性解离和等电点两性解离和等电点 （2 2）光学性质光学性质 （3 3）重要化学反应重要化学反应a.a. 与茚三酮反应与茚三酮反应b.b.与与2,42,4一二硝基氟苯一二硝基氟苯( (DNFB)DNFB)的反应

13、的反应（sangersanger反应）反应）: : c.c. 与苯异硫氰酯（与苯异硫氰酯（PITCPITC）的反应的反应（EdmanEdman反应）反应）用于氨基酸定用于氨基酸定量定性测定量定性测定用于蛋白质用于蛋白质N-N-端测定端测定. .用于蛋白用于蛋白N-N-端测定，蛋白质端测定，蛋白质顺序测定仪设计原理的依据顺序测定仪设计原理的依据。复习：酸碱质子理论 依照酸碱质子理论，酸是质子（依照酸碱质子理论，酸是质子（H3O，H）的的供体，碱是质子的受体。酸碱的关系如下：供体，碱是质子的受体。酸碱的关系如下： HA AH 酸酸 碱碱 质子质子许多实验证明许多实验证明,在晶体和水溶液中氨基酸主要

14、偶极离子在晶体和水溶液中氨基酸主要偶极离子的形式存在，氨基酸在水中的偶极离子既起酸的作用的形式存在，氨基酸在水中的偶极离子既起酸的作用（质子供体），又起碱的作用（质子受体）。因此是（质子供体），又起碱的作用（质子受体）。因此是一类两性电解质。一类两性电解质。CHRCOONH3+甘氨酸甘氨酸滴定曲滴定曲线线甘氨酸盐酸盐（甘氨酸盐酸盐（A+）等电点甘氨酸（等电点甘氨酸（A ） 甘氨酸钠（甘氨酸钠（A-）pK1pK2 Gly + H+Gly+K1= Gly-+ H+Gly K2=谷氨酸（谷氨酸（A）和赖氨酸（和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基一氨基二羧基AA的的等电点

15、计算：等电点计算：pI=2pK 1+pK R二氨基一羧基二氨基一羧基AA的的等电点计算：等电点计算：pI=2pK 2+pK RBApK1pKRpIpIpK2pK3pKRpK1加入的加入的OH-mL数数加入的加入的OH-mL数数pHpH氨基酸的两性解离性质及等电点pH = pI 净电荷净电荷=0 pH pI净电荷为负净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3+ + H+ OH- + H+ OH-(pK 1)(pK 2) 当氨基酸溶液在某一定当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向

16、阳极也不向阴极移动，此时溶液荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的的pH值即为该氨基酸的值即为该氨基酸的等电点等电点(isoelectric point，pI)。129630OH pK1pK2pHpIH-C-RCOO-NH2 H+Isoelectric point = pK1 + pK22氨基酸等电点的测定Juang RH (2004) BCbasics 氨基酸等电点的计算氨基酸等电点的计算 可见，氨基酸的可见，氨基酸的pI值等于该氨基酸的两性离子状态两侧值等于该氨基酸的两性离子状态两侧的基团的基团pK值之和的二分之一。值之和的二分之一。pI=2pK 1+pK 2一

17、氨基一羧基一氨基一羧基AA的等电点计算：的等电点计算：pI=2pK 2+pK R二氨基一羧基二氨基一羧基AA的等电点计算：的等电点计算：pI=2pK 1+pK R一氨基二羧基一氨基二羧基AA的等电点计算：的等电点计算：氨基酸光学性质氨基酸光学性质1、除、除甘氨酸甘氨酸外，所有天然外，所有天然-氨基酸都有不对称碳原子，这其四氨基酸都有不对称碳原子，这其四个不同的取代基可有两种不同的空间排列方式，个不同的取代基可有两种不同的空间排列方式，L型和型和D型。它型。它们具有相反的旋光性，也称分子手性。们具有相反的旋光性，也称分子手性。 D-型和型和L-型氨基酸是以甘油醛为参考标准的。型氨基酸是以甘油醛为

18、参考标准的。 CHO CHO COOH COOH | | | | HO-C-H H-C-OH H2N-C-H H-C-NH2 | | | | CH2OH CH2OH R R L-甘油醛甘油醛 D-甘油醛甘油醛 L-氨基酸氨基酸 D-氨基酸氨基酸 蛋白质分子中的氨基酸一般为蛋白质分子中的氨基酸一般为L型。型。 2、参与蛋白质组成的、参与蛋白质组成的20种氨基酸中种氨基酸中色氨酸色氨酸(Trp)、酪氨酪氨酸酸(Tyr)和苯丙氨酸和苯丙氨酸(Phe)的的R基团中含有苯环共轭双键系基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区（统，在紫外光区（220-300nm）显示特征的吸收谱带，显示特征的吸收谱带，最大光

19、吸收（最大光吸收（ max）分别为分别为279、278、和和259nm。由于。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量光度法可测定蛋白质含量。K1k2TrpTyrPhe的的 紫外紫外吸收吸收光谱光谱摩尔吸收系数摩尔吸收系数波长波长氨基酸与茚三酮反应氨基酸与茚三酮反应+3H20水合茚三酮水合茚三酮(无色无色)NH3CO2 RCHO+还原性茚三酮还原性茚三酮紫色化合物紫色化合物(弱酸弱酸)加热加热水合茚三酮水合茚三酮+ 2NH3 +还原性茚三酮还原性茚三酮氨基酸与氨基酸与2,42,4一二硝基氟苯一二硝基氟苯( (DN

20、FB)DNFB)的反应的反应（sangersanger反应）反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色黄色)+ HF弱硷中弱硷中氨基酸氨基酸氨基酸与苯异硫氰酯（氨基酸与苯异硫氰酯（PITCPITC）的反应的反应（EdmanEdman反应）反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA) （phenylisothiohydantion-AA）弱硷中弱硷中(400 C)(硝基甲烷硝基甲烷 400 C)H+苯氨基硫甲酰衍生物苯氨基硫甲酰衍生物(PTC-AA)第三节第三节 肽肽一、一、肽肽( (pepti

21、de)peptide)和肽键和肽键( (peptide bond)peptide bond)的概念的概念二、二、肽的重要性质肽的重要性质 酸碱性质、重要化学反应类似于氨基酸性质酸碱性质、重要化学反应类似于氨基酸性质三、三、天然存在的活性肽天然存在的活性肽 生理活性肽的功能类别：激素、抗菌素、辅助因子生理活性肽的功能类别：激素、抗菌素、辅助因子 实例：实例：谷胱甘肽谷胱甘肽( (glutathione,glutathione,GSHGSH) ) 短杆菌肽短杆菌肽促甲状腺素释放因子促甲状腺素释放因子（TRHTRH） - -天冬氨酸天冬氨酸- -苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯（甜味剂）（甜味剂）NH2CO

22、OH1NH2COOH2NH2C NCOOHOH21Amino acids are connected head to tail肽和肽键的形成Dehydration-H2OCarbodiimideJuang RH (2004) BCbasics肽和肽键的形成肽和肽键的形成肽单位肽单位肽键肽键肽平面肽平面多肽链结构示意图多肽链结构示意图 谷胱甘肽谷胱甘肽 谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基的还原态，或防止过氧化物积原酶的辅因子，或保护巯基的还原态，或防止过氧化物积累；以及维持血红素中铁的亚铁状态。累；以及维持血红素中

23、铁的亚铁状态。促甲状腺素释放因子促甲状腺素释放因子 （TRH）短杆菌肽短杆菌肽S - -天冬氨酰天冬氨酰- -苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯（aspartame,aspartame,人工合成的甜味剂人工合成的甜味剂) )CH2NH2 CH C NH CH C OO CH2COOH O CH3第四节第四节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构一、一、 蛋白质的结构层次的划分蛋白质的结构层次的划分二、二、 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构三、三、 多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制四、四、 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构五、五、 蛋白质的超二级结构和结构域蛋白质的超二级结构和结构域六、六、 维持

24、蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力和和 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构七、七、 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构八、八、纤维状蛋白质的结构纤维状蛋白质的结构蛋蛋白白质质结结构构的的主主要要层层次次一级结构一级结构四级结构四级结构二级结构二级结构三级结构三级结构primary structureprimary structuresecondary structuresecondary structureTertiary structureTertiary structurequariernary structurequariernary structure超二级结构超二级结构结构域结构域

25、supersecondary structuresupersecondary structureStructure domanStructure doman化学结构化学结构空间构象空间构象二、蛋白质的一级结构二、蛋白质的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构质的一级结构( (primary structure)primary structure)。这是蛋白质最基本的结构，这是蛋白质最基本的结构，它内寓着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。它内寓着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。一级结构测定一级结构测定（自学）

26、（自学）例：例：牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构一级结构测定一级结构测定基本战略基本战略：片段重叠法氨基酸顺序直测法：片段重叠法氨基酸顺序直测法要点要点：a.a.测定蛋白质的分子量及其氨基酸组分测定蛋白质的分子量及其氨基酸组分 b.b. 测定肽键的测定肽键的N N末端末端和和C C末端末端 c.c. 应用两种或两种以上的肽键内切酶分别在多肽键的应用两种或两种以上的肽键内切酶分别在多肽键的专一位点上断裂肽键；也可用溴化氰法专一性地断裂甲硫氨酸专一位点上断裂肽键；也可用溴化氰法专一性地断裂甲硫氨酸位点，从而得到一系列大小不等的肽段。位点，从而得到一系列大小不等的肽段。 d.d. 分离提纯所产生

27、的肽段，并分别测定它们的氨基酸分离提纯所产生的肽段，并分别测定它们的氨基酸顺序顺序 e.e. 将这些肽段的顺序进行跨将这些肽段的顺序进行跨切口重叠切口重叠，进行比较分析，进行比较分析，推断出蛋白质分子的全部氨基酸序列。，推断出蛋白质分子的全部氨基酸序列。 f. f. 确定多肽链中确定多肽链中二硫键位置二硫键位置蛋白质顺序测蛋白质顺序测 定基本战略定基本战略将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序 将肽段分离并测出顺序将肽段分离并测出顺序专一性裂解专一性裂解末端氨基酸测定末端氨基酸测定二硫键拆开二硫键拆开纯蛋白质纯蛋白质丹磺酰氯法（丹磺酰氯法（DNS法）法）苯异硫氰酸

28、苯异硫氰酸(酯酯)法法（PITC法、法、PTC法、法、PTH法、法、Edman降解法降解法借助重叠肽确定肽段次序：借助重叠肽确定肽段次序： 末端残基末端残基 H S 末端肽段末端肽段 HOWT APS 第一套肽段第一套肽段 HOWT OUS EOVE RLA PS 第二套肽段第二套肽段 HO WTOU SEO VERL APS 推断全顺序推断全顺序 HOWTOUSEO VERLAPS确定多肽链中确定多肽链中二硫键位置二硫键位置对角线电泳步骤：对角线电泳步骤： 1.1.碘乙酰胺封闭碘乙酰胺封闭-SH-SH 2. 2.胃蛋白酶酶切蛋白质（胃蛋白酶酶切蛋白质（pHpH2 2） 3.3.第一向电泳（第

29、一向电泳（ pH6.5pH6.5） 4.4.过甲酸氧化处理过甲酸氧化处理-S-S-S-S-键生成键生成-SO-SO3 3H H 5. 5.第二向电泳（第二向电泳（ pH6.5pH6.5） 6.6.分离出含二硫键的两条短肽分离出含二硫键的两条短肽 7.7.测序，与拼接出的多肽链比较，确定二测序，与拼接出的多肽链比较，确定二硫键的位置。硫键的位置。三、多肽主链折叠的空间限制 HCCNCOJuang RH (2004) BCbasics1.肽平面是刚性平面肽平面是刚性平面A。肽单位肽单位2.二面角二面角 、对主链构象的限制对主链构象的限制 二面角二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的两相邻酰胺平面之

30、间，能以共同的C为为定点而旋转，绕定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称键旋转的角度称角角，绕，绕C-C键旋转的角度称键旋转的角度称角。角。和和称作称作二面角，亦称构象角。二面角，亦称构象角。多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制完全伸展的多肽主链构象完全伸展的多肽主链构象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象酰胺平面酰胺平面=00，=00侧链侧链非键合原子非键合原子接触半径接触半径Ramachandran 构象构象图图四、蛋白质的二级结构四、蛋白质的二级结构( () )螺旋螺旋（-helix-helix）() 折叠折叠（-pleate

31、d sheet）() 转角转角（-turn）() 无规则卷曲无规则卷曲（nonregular coil）蛋白质的二级结构（蛋白质的二级结构（secondary structuresecondary structure）指肽链指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元主要有以下类型：单元主要有以下类型：特征特征：1 1、 每隔每隔3.63.6个个AAAA残基螺残基螺旋上升一圈，螺距旋上升一圈，螺距0.540.54nm;nm;每个每

32、个氨基酸残基上升氨基酸残基上升0.15nm.0.15nm.二面角二面角为为=-57、=-47 2 、 螺旋体中所有氨基酸螺旋体中所有氨基酸残基残基R侧链都伸向外侧，链中的侧链都伸向外侧，链中的全部全部C=O和和N-H几乎都平行几乎都平行于螺旋轴于螺旋轴; 3、每个氨基酸残基的、每个氨基酸残基的N-H与前面第四个氨基酸残基与前面第四个氨基酸残基的的C=O形成氢键，肽链上所有形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。的肽键都参与氢键的形成。 螺旋（螺旋（helix）形成因素形成因素：与组成和排与组成和排列顺序直接相关。列顺序直接相关。多态性多态性：多数为右手（较稳多数为右手（较稳定），亦有少数左

33、手螺旋存定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定在（不稳定）；存在尺寸不同）；存在尺寸不同的螺旋。的螺旋。折叠（折叠（-pleated sheet-pleated sheet）特征特征：两条或多两条或多条伸展的多肽链条伸展的多肽链（或一条多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧的若干肽段）侧向集聚，通过相向集聚，通过相邻肽链主链上的邻肽链主链上的N-HN-H与与C=OC=O之间有之间有规则的氢键，形规则的氢键，形成锯齿状片层结成锯齿状片层结构，即构，即折叠折叠片。片。类别：类别：平行平行 反平行反平行0.7nm 转角（转角（-turn-turn）特 征特 征 ： 多 肽多 肽链 中 氨 基 酸链 中 氨

34、基 酸残基残基n n的羰基的羰基上 的 氧 与 残上 的 氧 与 残基（基（n+3n+3）的的氮 原 子 上 的氮 原 子 上 的氢 之 间 形 成氢 之 间 形 成氢 键 ， 肽 键氢 键 ， 肽 键回折回折1801800 0 。 无无规规则则卷卷曲曲示示意意图图无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C C的三级结构的三级结构a.a.盐键盐键 b.b.氢键氢键 c.c.疏水键疏水键 d.d.范得华力范得华力 e.e.二硫键二硫键多肽链多肽链五、五、 蛋白质的超二级结构和结构域蛋白质的超二级结构和结构域(2)(2) 结构域结构域（structure domainstructure domain）

35、蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或螺旋或折叠或折叠或转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构合体称为蛋白质的超二级结构基本组合方式：基本组合方式：；在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。结构，这种相对独立的三维实体称为结构域

36、。 形成意义：形成意义： 动力学上更为合理动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性 ( (1)1)超二级结构超二级结构（ supersecondary structuresupersecondary structure ）超二级结构类型超二级结构类型 ()1 2 3 4 5 5 2 3 4 1 -链链RossmanRossman折叠折叠 -迂回迂回回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构 -迂回迂回超二级结构类型超二级结构类型卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域 -螺旋螺旋 -

37、转角转角 -折叠折叠二硫键二硫键结构域结构域1结构域结构域2 丙酮酸激酶结构域丙酮酸激酶结构域4 羧肽酶羧肽酶 腺苷酸激酶腺苷酸激酶 (a) (b) 丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶 乳酸脱氢酶结构域乳酸脱氢酶结构域1黄素蛋白黄素蛋白平行平行 -折叠的结构比较（折叠的结构比较（a） -园桶形排布，（园桶形排布，（b）马蹄形排布马蹄形排布IgG的空间结构的空间结构六、六、 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、螺旋、折叠片、折叠片、转角等二

38、级结构相互配置而转角等二级结构相互配置而形成特定的构象形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。重新排布。 实例：实例：肌红蛋白肌红蛋白 核糖核酸酶核糖核酸酶 植酸酶的三级结构植酸酶的三级结构肌肌红红蛋蛋白白三三级级结结构构核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41phyCphyC植酸酶的带状结构图植酸酶的带状结构图phyCphyC植酸酶分子表面静电情况植酸酶分子表面静电情况七、蛋白质的四级结构七、蛋白质的四级结构四级结构是指由相同或不同的称作亚基（四级结构是指由相同或不

39、同的称作亚基（subunitsubunit）的亚单位按照一定排布方式聚合而成的蛋白质结构，维持的亚单位按照一定排布方式聚合而成的蛋白质结构，维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键、范得华四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键、范得华力。亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽力。亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。 实例：实例：血红蛋白血红蛋白 烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自

40、我组装烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装毛发横切面和毛发毛发横切面和毛发 - -角蛋白的结构角蛋白的结构l原纤维原纤维微纤维微纤维微纤维微纤维大纤维大纤维细胞细胞角质层（鳞状细胞）角质层（鳞状细胞）右手右手 螺旋螺旋丝心蛋白丝心蛋白(fibroin)(fibroin)结构结构A. 堆积的堆积的 -折叠折叠片的三维结构片的三维结构B. 交替层中的交替层中的Ala(或或Ser)残基残基和和Gly残基残基侧链侧链(H原子原子)的的连锁连锁胶原纤维胶原纤维(collagen fibril)(collagen fibril)中原胶原蛋中原胶原蛋白分子的排列白分子的排列 原胶原蛋白分子中的单链（左手螺

41、旋）原胶原蛋白分子中的单链（左手螺旋） 一股原胶原蛋白分子一股原胶原蛋白分子胶原纤维胶原纤维原胶原蛋白的头原胶原蛋白的头第五节第五节 蛋白质的分子结构与功能的关系蛋白质的分子结构与功能的关系一、一、 蛋白质蛋白质一级结构与功能一级结构与功能二、二、 蛋白质蛋白质高级构象与功能高级构象与功能 蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其

42、功能密切相关。构，高级结构和其功能密切相关。 一级结构决定高级结构，也决定蛋一级结构决定高级结构，也决定蛋白质的功能白质的功能1 1、蛋白质一级结构的种属差异与同源性、蛋白质一级结构的种属差异与同源性 实例：实例：细胞色素细胞色素2 2、蛋白质一级结构的变异与分子病、蛋白质一级结构的变异与分子病 实例：实例：血红蛋白质异常病变镰刀型贫血病3 3、蛋白质前体的激活与一级结构、蛋白质前体的激活与一级结构 实例：实例：胰岛素原的激活胰岛素原的激活 高级构象决定蛋白质的功能高级构象决定蛋白质的功能1 1 、蛋白质高级构象破坏，功能丧失蛋白质高级构象破坏，功能丧失 实例：实例：核糖核酸酶核糖核酸酶的的变

43、性与复性变性与复性2 2 、蛋白质在表现生物功能时，构象发生蛋白质在表现生物功能时，构象发生一定变化（一定变化（变构效应变构效应） 实例：实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能血红蛋白的变构效应和输氧功能不同生物与人的不同生物与人的CytcCytc的的AAAA差异数目差异数目生物生物 与人不同的与人不同的AAAA数目数目黑猩猩黑猩猩 0恒河猴恒河猴 1兔兔 9袋鼠袋鼠 10牛、猪、羊、狗牛、猪、羊、狗 11马马 12鸡、火鸡鸡、火鸡 13响尾蛇响尾蛇 14海龟海龟 15金枪鱼金枪鱼 21角饺角饺 23小蝇小蝇 25蛾蛾 31小麦小麦 35粗早链孢霉粗早链孢霉 43酵母酵母 44 不不同同生生物物来

44、来源源的的细细胞胞色色素素c c中中不不变变的的AAAA残残基基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素血红素细胞色素细胞色素c c分子的空间结构分子的空间结构不变不变的的AAAA残基残基 35个不变的个不变的AA残基，是残基，是Cyt C 的生物功能所不的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构

45、象；有的可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与可能参与电子传递；有的可能参与“识别识别”并结合并结合细胞色素还原酶和氧化酶。细胞色素还原酶和氧化酶。正常红细胞与镰刀形正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图红细胞的扫描电镜图镰刀形镰刀形红细胞红细胞正常红正常红细胞细胞 -链链N端氨基酸排列顺序端氨基酸排列顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 Hb-A（正常人）正常人） Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys Hb-S（患患 者）者） Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图猪胰岛素原激

46、活成形成胰岛素示意图 核糖核酸酶变性与复性作用核糖核酸酶变性与复性作用Native ribonucleaseDenative reduced ribonucleaseNative ribonuclease8 M urea and -mercapotoethanolDialysis变性变性复性复性 证明了蛋白质的功能取证明了蛋白质的功能取决于特定的天然构象，而规决于特定的天然构象，而规定其构象所需要的信息包含定其构象所需要的信息包含在它的氨基酸序列中。在它的氨基酸序列中。血红蛋白输氧功能和构象变化血红蛋白输氧功能和构象变化O2HbHb-O2O2血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线血红蛋白和肌红蛋白的氧合

47、曲线活动肌肉毛细活动肌肉毛细血管中的血管中的PO20 20 40 60 80 100肺泡中的肺泡中的PO2肌红蛋白肌红蛋白血红蛋白血红蛋白(R)relaxed state(T) tense state血红蛋白输氧功能和构象变化肺部肺部肌肉肌肉静脉静脉动脉动脉When environmental O2increases, Hb binds oxygenefficientlyWhen environmental O2decreases, Hb releases oxygen to MbAny one subunit receives an oxygen molecule will increase

48、 the oxygen-binding affinity of the othersJuang RH (2004) BCbasics0 20 40 60 80 100 120100806040200O2 饱和度氧分压 (pO2, mmHg)Muscle inexercisingRelaxingmuscle肌红蛋白血红蛋白动脉动脉( (肺泡肺泡) )O2静脉(肌肉)O2血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线Adapted from Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.480第六节蛋白质的重要性质第六节蛋白质的重要性质一、一、 两性解离性质及等电点两性解

49、离性质及等电点二、二、 蛋白质胶体性质蛋白质胶体性质三、三、 蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀四、四、 蛋白质的变性与复性蛋白质的变性与复性五、五、 蛋白质的紫外吸收特性蛋白质的紫外吸收特性六、六、 蛋白质呈色反应蛋白质呈色反应 蛋白质两性解离性质和等电点蛋白质两性解离性质和等电点pH = pI 净电荷净电荷=0 pH pI净电荷为负净电荷为负PrCOOHNH3+ + H+ OH- + H+ OH-PrCOO-NH2PrCOO-NH3+ 当蛋白质溶液在某一定当蛋白质溶液在某一定pH值时，使某特定蛋白质分子上所带正负值时，使某特定蛋白质分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移

50、动，此电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的时溶液的pH值即为该蛋白质的值即为该蛋白质的等电点等电点 （isoelectric point，pI）。）。pK1pK2129630OH pK1pK2pHpIH-C-RCOO-NH2 H+Isoelectric point = pK1 + pK22氨基酸等电点的测定Juang RH (2004) BCbasics 环境pH对蛋白质净电荷的影响+蛋白质净电荷Buffer pH等电点（pI ）-3456789100-Juang RH (2004) BCbasics 蛋白质胶体性质蛋白质胶体性质 由于蛋白质分子量很大，在水溶液

51、中形成由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-1001-100nmnm的颗的颗粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层水化层，同时这些颗粒带有，同时这些颗粒带有电电荷荷，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体。，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体。 蛋白质胶体性质的应用蛋白质胶体性质的应用 透析法透析法: :利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋利用蛋白质不能

52、透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析（留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析（dialysisdialysis）。）。 盐析法盐析法: :在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现

53、象称为盐析（蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现象称为盐析（salting outsalting out）。）。蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀 如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层（失去水化层（消除相同电荷，除去水膜消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。液就不再稳定并将产生沉淀。 沉淀方法类别沉淀方法类别: : 1 1、高浓度中性盐（盐析、盐溶）、高浓度中性盐（盐析、盐溶） 2 2、酸硷（等电点沉淀）、酸硷（等电点沉淀） 3 3、有机溶剂沉淀、有机溶剂沉淀 4 4、重金属盐类沉淀、重金属盐类沉淀

54、5 5、生物碱试剂和某些酸类沉淀、生物碱试剂和某些酸类沉淀 6 6、加热变性沉淀、加热变性沉淀 蛋白质变性与复性蛋白质变性与复性 蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的

55、变化，这种现象称为称为变性作用变性作用（denaturationdenaturation）。）。 表征表征：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改变和化学性质（化学反应，被酶解性）改变 应用应用：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老 蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为原有的理化性质和生物活性，这种现象成为复性（复性（renaturationrenaturation）。）。蛋白质主要呈色反应蛋白质主要呈色反应 双缩脲反应双缩脲反应 酚试剂反应酚试剂反应 蛋白质定量、定性蛋白质定量、定性 茚三酮反应茚三酮反应 测定常用方法测定常用方法 双缩脲反应 蛋白质在碱性溶液中也蛋白质在碱性溶液中也能与硫酸铜发生相同反应，能与硫酸铜发生相同反应，产生红紫色络合物产生红紫色络合物红紫色络合物红紫色络合物(硷性溶液硷性溶