生物化学第二章 蛋白质的结构与功能

1、蛋白质蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构最基本的结构物质和功能物质。物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。有的生命活动过程。第二章 (Structure and Function of Protein)第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成第二节第二节 蛋白质的结构蛋白质的结构第三节第三节 蛋白质的重要理化性质蛋白质的重要理化性质蛋白质蛋白质( (Protein)Protein)是由许多不同的是由许多不同的氨基氨基酸酸，按照一定的顺序，通过，按照一定的

2、顺序，通过肽键肽键连接而成连接而成的一条或多条肽链的一条或多条肽链构成结构的构成结构的生物大分子生物大分子。1.作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）2.代谢调节作用代谢调节作用3.免疫保护作用免疫保护作用4.物质的转运和存储物质的转运和存储5.运动与支持作用运动与支持作用6.参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递7.氧化供能氧化供能(二二) 蛋白质的生物学功能蛋白质的生物学功能(二二)根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 1. 简单蛋白质简单蛋白质(一一)根据蛋白质形状根据蛋白质形状 1.纤维状蛋白质纤维状蛋白质-分子形状不对称，类似棒状 或纤维状2.球状蛋白质球状蛋白质-易溶解、能成结晶清

3、蛋白清蛋白溶于水。溶于水。球蛋白球蛋白微溶于水，而溶于稀盐溶液。微溶于水，而溶于稀盐溶液。谷蛋白谷蛋白不溶于水、醇及盐溶液，但溶于稀酸或碱。不溶于水、醇及盐溶液，但溶于稀酸或碱。醇溶蛋白醇溶蛋白不溶于水，但溶于不溶于水，但溶于70-80%70-80%的乙醇。的乙醇。精蛋白精蛋白溶于水及酸性溶液，呈碱性。溶于水及酸性溶液，呈碱性。组蛋白组蛋白溶于水及稀酸性溶液溶于水及稀酸性溶液( (精氨酸和赖氨酸含量高精氨酸和赖氨酸含量高) )。硬蛋白硬蛋白不溶于水、盐、稀碱、稀酸溶液。不溶于水、盐、稀碱、稀酸溶液。2.结合蛋白结合蛋白质质= 蛋白质部分蛋白质部分 + 非蛋白质非蛋白质部分部分(色蛋白、糖蛋白、

4、脂蛋白和核蛋白色蛋白、糖蛋白、脂蛋白和核蛋白 )活性蛋白质活性蛋白质如酶、激素、抗体等。如酶、激素、抗体等。非活性蛋白质非活性蛋白质是一类结构蛋白质，多起保护和支是一类结构蛋白质，多起保护和支 撑作用。如胶原蛋白和角蛋白。撑作用。如胶原蛋白和角蛋白。 第一节 (一一)组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素 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。 100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量 ( g % )= 每克样品含每克样品含氮量氮量 6.251001/16%（一）蛋白质的水解（一）蛋白质的水解蛋白质蛋白质可以被酸、碱和蛋白酶水解，在水解过程中逐可以被酸、碱和蛋白

5、酶水解，在水解过程中逐渐降解成分子量越来越小的肽段，直到最后成为氨基渐降解成分子量越来越小的肽段，直到最后成为氨基酸的混合物。酸的混合物。 根据蛋白质的水解程度可分为根据蛋白质的水解程度可分为完全水解完全水解 部分水解部分水解 1. 1. 酸水解酸水解 6 6 mol/Lmol/L盐酸或盐酸或 4 4 mol/Lmol/L硫酸水解硫酸水解2020小时左右，完全小时左右，完全水解。水解。 优点优点不引不引起起aaaa消消旋作用。旋作用。 缺点缺点色氨酸完全被酸破坏，羟基氨基酸和酰胺被色氨酸完全被酸破坏，羟基氨基酸和酰胺被部分水解。部分水解。 2. 2. 碱水解碱水解 5 5 mol/Lmol/L

6、 NaOHNaOH共煮共煮10-20 10-20 小时，即可完全水解。在小时，即可完全水解。在水解过程中，多数氨基酸有不同程度的破坏，产生水解过程中，多数氨基酸有不同程度的破坏，产生消消旋旋作用。特别是引起精氨酸脱作用。特别是引起精氨酸脱氨，但色氨酸不破坏。氨，但色氨酸不破坏。 3. 3. 酶水解酶水解 不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。但一种酶往往不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。但一种酶往往水解不彻底水解不彻底, ,需要几种酶的协同作用；才能使蛋白质完需要几种酶的协同作用；才能使蛋白质完全水解，并且酶水解所需时间较长。全水解，并且酶水解所需时间较长。 常用的蛋白酶的来源有常用的蛋白酶的来源有动

7、物、动物、 植物、微生物。植物、微生物。(一一)氨基酸氨基酸的结构通式的结构通式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 各种氨基酸的结构区别在于侧链（各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）的不基团）的不同，故具有不同的理化性质。同，故具有不同的理化性质。C+NH3COO-HCCOOHNH2HRCCOOHHRNH2 氨基酸氨基酸 氨基酸氨基酸(二二)氨基酸的分类氨基酸的分类 1）根据）根据R基团的结构分类基团的结构分类 脂肪族氨基酸：酸性氨基酸脂肪族氨基酸：酸性氨基酸,碱性氨基酸碱性氨基酸,中性氨基中性氨基酸酸芳香族氨基酸：含苯环：芳香族氨基酸：含苯环：Phe、Tyr

8、杂环氨基酸：杂环氨基酸： His（也是碱性氨基酸）、（也是碱性氨基酸）、Pro、Trp 2)根据根据R基团的极性分类基团的极性分类极性极性R基氨基酸基氨基酸（12种）种）：非极性非极性R基氨基酸基氨基酸(8种种) ：水溶性小。其侧链为非水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。极性疏水基团。 包括包括4种带有脂肪烃侧链的种带有脂肪烃侧链的aa（丙（丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸）、脯氨酸、甲氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸）、脯氨酸、甲硫氨酸和硫氨酸和2种芳香族种芳香族aa（苯丙氨酸和色氨酸）。（苯丙氨酸和色氨酸）。缬氨酸缬氨酸 Val V 5.96非非极性侧链极性侧链基酸基酸 (8种种)丙氨酸丙氨酸

9、 Ala A 6.00亮氨酸亮氨酸 Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 Pro P 6.30 氨基酸名称氨基酸名称 缩写缩写符号符号 简写符号简写符号 结构式结构式 等电点等电点 CH3CH3-CHCH3CH3-CH-CH2CH3CH3-CH2-CHCH3CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2 CH2CHCOOHNHCH2CH2 甲硫氨酸甲硫氨酸 Met M 5.74CH3SCH2CH2CHCOOHNH2色氨酸色氨酸 Try W 5.89CHCOOHNH2-

10、CH2NH1. 极性极性中性侧链氨基酸中性侧链氨基酸(7种种) 除甘氨酸外，除甘氨酸外，aa的的R基都基都能与水形成氢键，故较非极性能与水形成氢键，故较非极性aa更易溶更易溶于于水，包括甘水，包括甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸和半胱氨酸。酸和半胱氨酸。2. 极性带负电氨基酸极性带负电氨基酸(2种种) 侧链上有羧基，在水溶液中侧链上有羧基，在水溶液中能释放出能释放出H+而带负电荷而带负电荷。包括两种酸性。包括两种酸性aa：天冬氨酸：天冬氨酸和谷氨酸。和谷氨酸。3. 极性带正电氨基酸极性带正电氨基酸（3种）种） 侧链上有氨基、胍基、

11、咪侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受唑基等，在水溶液中能接受H+ 而带正电荷而带正电荷。包括三。包括三种碱性种碱性aa：组氨酸，精氨酸和赖氨酸。：组氨酸，精氨酸和赖氨酸。20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:极性极性R基氨基酸基氨基酸（12种）种）：丝氨酸丝氨酸 Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 Cys C 5.07天冬酰胺天冬酰胺 Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 Thr T 5.60HO-CH2CHCOOHNH2-CH2CHCOOHNH2HO-HS-CH

12、2CHCOOHNH2H2N-C-CH2CHCOOHNH2OCHCOOHNH2H2N-C-CH2-CH2OCHCOOHNH2HO-CHCH3甘氨酸甘氨酸 Gly G 5.97CHCOOHNH2H 氨基酸名称氨基酸名称 缩写缩写符号符号 简写符号简写符号 结构式结构式 等电点等电点 极性带负电氨基酸极性带负电氨基酸(2种种)天冬氨酸天冬氨酸 Asp D 2.97精氨酸精氨酸 Arg R 10.76组氨酸组氨酸 His H 7.59 HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸谷氨酸 Glu E 3.22CHCOOHNH2 HOOC-CH2-CH2极性带正电氨基酸（极性带正电氨基酸（3种）种）赖氨酸赖氨

13、酸 Lys K 9.74NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NHCHCOOHNH2HCCH2NHCNCH 氨基酸名称氨基酸名称 缩写缩写符号符号 简写符号简写符号 结构式结构式 等电点等电点 氨基酸名称氨基酸名称 缩写缩写符号符号 简写符号简写符号 结构式结构式 等电点等电点 n营养必需氨基酸营养必需氨基酸(essential amino acid)指体内需要而又不能自身合成，必须由食指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸，共有物供给的氨基酸，共有8种：种：n其余其余1212种氨基酸体内可以合成，称为营养非必需种氨基酸体

14、内可以合成，称为营养非必需 氨基酸。氨基酸。Met、Trp、Lys、Val、 Ile、Leu、Phe、Thr。(甲硫甲硫)(色色) (赖赖) (缬缬)(异亮异亮) (亮亮) (苯丙苯丙) (苏苏) 如何记忆如何记忆甘氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸、甘氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、半胱氨酸天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、半胱氨酸类别类别氨氨 基基 酸酸生糖氨基酸生糖氨基酸生酮氨基酸生酮氨基酸亮氨酸、赖氨酸亮氨酸、赖氨酸生糖兼生酮氨基酸生糖兼生酮氨基酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪

15、氨酸、苏氨酸、色氨酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸氨基酸生糖及生酮性质的分类氨基酸生糖及生酮性质的分类甘氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸、甘氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、半胱氨酸天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、半胱氨酸类别类别氨氨 基基 酸酸生糖氨基酸生糖氨基酸生酮氨基酸生酮氨基酸亮氨酸、赖氨酸亮氨酸、赖氨酸生糖兼生酮氨基酸生糖兼生酮氨基酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸甘氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸

16、、甘氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、半胱氨酸天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、半胱氨酸类别类别氨氨 基基 酸酸生糖氨基酸生糖氨基酸生酮氨基酸生酮氨基酸亮氨酸、赖氨酸亮氨酸、赖氨酸生糖兼生酮氨基酸生糖兼生酮氨基酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸类别类别氨氨 基基 酸酸生糖氨基酸生糖氨基酸生酮氨基酸生酮氨基酸亮氨酸、赖氨酸亮氨酸、赖氨酸生糖兼生酮氨基酸生糖兼生酮氨基酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨

17、酸、苏氨酸、色氨酸氨基酸生糖及生酮性质的分类氨基酸生糖及生酮性质的分类记忆 : 生酮+生糖兼生酮=“一两色素本来老”半胱氨酸半胱氨酸 +-HH-CH-CH -NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS-COOHCH-CH2NH2半胱氨酸半胱氨酸 -CH-CH -NHHOOC-CH-CH2-SNH2S-COOHCH-CH2NH2胱氨酸胱氨酸(三三)几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸2.芳香族氨基酸芳香族氨基酸3.支链氨基酸支链氨基酸CH3CH2CHCH3CHCOOHNH2亮氨酸亮氨酸CH2CHCOOHNH2苯丙氨酸苯丙氨酸CH2CHCOOHNHCH2CH24.亚氨基酸亚氨基酸脯氨酸脯氨酸(四四)氨基酸

18、的理化性质氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质氨基酸是两性电解质，具有酸碱双重性，具有酸碱双重性，其其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。解离方式取决于所处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的兼性离子，呈电中性。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（pI）。+OH-+H+OH-+H+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C

19、HNHCOOHR CHNH2COOHRCHNHCOOR CHNH2COO-RCHNHCOOR CHNH3COO-R+CHNHCOOHR CHNH3COOHR+等电点意义：等电点意义：等电点时，氨基酸溶解度最小，容易沉淀，利等电点时，氨基酸溶解度最小，容易沉淀，利用这一性质我们可以分离制备某些氨基酸。如工业用这一性质我们可以分离制备某些氨基酸。如工业上谷氨酸的生产，将微生物发酵液的上谷氨酸的生产，将微生物发酵液的pH调节到调节到3.20(谷氨酸的等电点谷氨酸的等电点)，使谷氨酸沉淀析出。，使谷氨酸沉淀析出。 利用各种氨基酸的等电点不同，可以通过电泳利用各种氨基酸的等电点不同，可以通过电泳法、离子

20、交换法等在实验室或工业生产上进行混合法、离子交换法等在实验室或工业生产上进行混合氨基酸的分离。氨基酸的分离。2. 紫外吸收紫外吸收色氨酸、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240 250 260 270 280 290 300 3103. 茚三酮反应茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成氨基酸

21、与茚三酮水合物共热，可生成化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm处。由处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，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。因此可作为氨基酸定量分析方法。2 NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+ RCHOCO2+H+水合茚三酮水合茚三酮 罗曼紫罗曼紫脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质黄色物质，其余，其余的的-aa与茚三酮反应均产生与茚三酮反应均产生蓝紫色物质蓝紫色物质。 (一一)肽键肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 -羧羧基与另一个氨

22、基酸的基与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合而形成的氨基脱水缩合而形成的化学键，又称酰胺键。化学键，又称酰胺键。肽键肽键甘甘氨氨酸酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘甘氨氨酸酸-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH1.肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。2.两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨基酸缩，三分子氨基酸缩合则形成合则形成三肽三肽(二二)肽肽(peptide)3.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，由由更多的氨基酸相连形成的肽称更多的氨基酸相连形成

23、的肽称多肽多肽。 4.肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。5.多肽链多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。分别有：间以肽键连接而成的一种结构。分别有：N 末端：末端：多肽链中有多肽链中有自由氨基自由氨基的一端，的一端，C 末端：末端：多肽链中有多肽链中有自由羧基自由羧基的一端。的一端。+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLys Phe GluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSe

24、rTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAsp PheHisValPro

25、 ValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶124COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH体内许多激素属寡肽或多肽。体内许多激素属寡肽或多肽。2.多肽类激素多肽类激素CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸焦谷氨酸 组氨酸组氨酸 脯氨酰胺脯氨酰胺 促甲状腺素释放激素促甲状腺素释放激素(TRH)蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子结构包括： 一级结构一级结构(primary structure) 二级结构二级结构(secondary structure) 三级结构三级结构(tertiary s

26、tructure) 四级结构四级结构(quaternary structure)空间结构空间结构1.定义定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。酸的排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构2.主要的化学键主要的化学键 肽键肽键，有些蛋白质还包括，有些蛋白质还包括二硫键。二硫键。 (一一)定义与主要化学键定义与主要化学键 肽键的键长为肽键的键长为0.132nm，短于单键的，短于单键的0.147nm，长于双键的长于双键的0.123nm，故具有部分双键的特性，不，故具有部分双键的特性，不能旋转能旋转。肽键是维持蛋白质一级结构的主要作用力。肽键是维持蛋

27、白质一级结构的主要作用力。(二二)肽平面肽平面 (酰胺酰胺平面平面)由于由于C-N键有部分双键的性质，不能旋转，使键有部分双键的性质，不能旋转，使相关的相关的6个原子处于同一个平面，称肽个原子处于同一个平面，称肽平面或酰胺平面或酰胺平面平面CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽平面示意图肽平面示意图如牛胰岛素的一级结构如牛胰岛素的一级结构: :由由5151个氨基酸残基组成，分个氨基酸残基组成，分A A、B B两条多肽链，两条多肽链，A A链有链有2121个氨基酸残基，个氨基酸残基，B B链有链有3030个氨基酸残基，个氨基

28、酸残基，A A、B B两条两条链通过两对二硫键相连，链通过两对二硫键相连，A A链链6 6位和位和1111位上的两个半胱位上的两个半胱氨酸通过二硫键相连形成链内小环。氨酸通过二硫键相连形成链内小环。二、蛋白质二、蛋白质的空间结构的空间结构蛋白质的空间结构通常称作蛋白质的空间结构通常称作蛋白质的构象或高级结构蛋白质的构象或高级结构，是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的分布和肽链是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的分布和肽链的走向。的走向。蛋白质的高级结构可以从二级结构、超二级结构、结蛋白质的高级结构可以从二级结构、超二级结构、结构域、三级结构和四级结构等几个结构层次进行描述。构域、三级结构和四级

29、结构等几个结构层次进行描述。稳定蛋白质空间结构的作用力稳定蛋白质空间结构的作用力：维持蛋白质空间构象的作用力主要是次级键，即氢键维持蛋白质空间构象的作用力主要是次级键，即氢键和离子键（盐键）和离子键（盐键） 、 二硫键、二硫键、 配位键配位键( (金属键金属键) )、 疏疏水相互作用（疏水键）、水相互作用（疏水键）、 范德华力。范德华力。氢键氢键是一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电是一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间的静电作用力。负性很强的原子之间的静电作用力。 氢键在维系蛋氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。白质的空间结构稳定上起着重要的作用。多肽主链多

30、肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。氢键的键能较二级结构的主要作用力。氢键的键能较(12kJ/mol)，因而易被破坏。因而易被破坏。离子键离子键也称盐键是正负电荷之间的静电相互作用。也称盐键是正负电荷之间的静电相互作用。 Glu，Asp一般离解成负离子，一般离解成负离子，Lys，Arg，His一一般离解为正离子，在多肽表面可与水分子发生电荷般离解为正离子，在多肽表面可与水分子发生电荷偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，对偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，对稳定蛋白质构象有一定作用。稳定蛋白质构象有一定

31、作用。疏水作用疏水作用是由于氨基酸疏水侧链相互聚集形成的作是由于氨基酸疏水侧链相互聚集形成的作用力。非极性物质在含水的极性环境中存在时，会用力。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，这种力称为疏水键或疏水产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力作用力 。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，非极性的，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Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链等的侧链基团基团 。范德华引力范德华引力是由瞬间偶极诱导的静电相互作用形成

32、是由瞬间偶极诱导的静电相互作用形成的，它是由于临近的共价结合原子电子分布的波动的，它是由于临近的共价结合原子电子分布的波动引起的。虽然范德华力是很弱的，但对蛋白质结构引起的。虽然范德华力是很弱的，但对蛋白质结构的稳定具有不容忽视的作用。的稳定具有不容忽视的作用。三、三、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构1.定义定义 蛋白质分子中某一段蛋白质分子中某一段肽链由氢键维持的肽链由氢键维持的局部局部空间结构空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相，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对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象象 。 2.主要的化学键主要的化学键 氢键氢键 (一一)定

33、义与主要化学键定义与主要化学键 (二二)蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 -折叠折叠 -转角转角 无规卷曲（自由回转）无规卷曲（自由回转）1. - -螺旋螺旋 1951年根据年根据 X 线衍射图提出。以线衍射图提出。以 碳碳原子为转折点，形成右手螺旋。原子为转折点，形成右手螺旋。(1)(1)螺旋每圈含螺旋每圈含3.63.6个氨基酸残基，个氨基酸残基，残基跨距残基跨距0.15nm0.15nm，螺距螺距0.54nm0.54nm，螺，螺旋直径约旋直径约0.6nm 0.6nm 。(2)(2)螺旋以氢键保螺旋以氢键保持持稳固，取向几稳固，取向几乎与螺旋轴平行。乎与螺旋轴平行。

34、(3)(3)各氨基酸残基各氨基酸残基的的R R基团均伸向基团均伸向螺旋外侧。螺旋外侧。 2. -折叠折叠（平行式和反平行式）（平行式和反平行式） -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象层构象: 1）由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结）由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构；构； 2）主链骨架伸展呈锯齿状；）主链骨架伸展呈锯齿状； 3）借相邻主链之间的氢键维系。）借相邻主链之间的氢键维系。3. -转角转角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.无规卷曲

35、无规卷曲 肽链出现肽链出现180180回折的回折的部分形成部分形成-转转角，角，也称回折、也称回折、-弯曲或发卡弯曲或发卡结构，主要存结构，主要存在于球蛋白中在于球蛋白中。 四、蛋白质的超二级结构四、蛋白质的超二级结构定义：定义：指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成由规律的，在空间上能辨认的二级结构组合体。形成由规律的，在空间上能辨认的二级结构组合体。常见的结构有常见的结构有，等。等。五、蛋白质的结构域五、蛋白质的结构域定义：定义：指多肽链在超二级结构基础上进一步盘绕折叠成的指多肽链在超二级结构基础上进一步盘绕折叠成的近似球状的紧密结

36、构，它介于超二级结构与三级结构近似球状的紧密结构，它介于超二级结构与三级结构之间，有时也被看作为三级结构。之间，有时也被看作为三级结构。大体可分为大体可分为4类：反平行类：反平行螺旋结构域（全螺旋结构域（全结构域）、结构域）、反平行反平行折叠结构域（全折叠结构域（全结构域）结构域） 、混合型折叠结构、混合型折叠结构域（域（ ，结构域结构域 ）。）。疏水键疏水键、离子键、氢键和、离子键、氢键和 范德华力范德华力等。等。 2.主要的化学键主要的化学键球状蛋白的多肽链在二级结构、超二级结构球状蛋白的多肽链在二级结构、超二级结构和结构域等结构层次的基础上，组装而成的完整和结构域等结构层次的基础上，组装

37、而成的完整结构单元。整结构单元。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，间位置，即多肽链上包括主链和侧链在内的所有即多肽链上包括主链和侧链在内的所有原子在原子在三维空间内的分布。三维空间内的分布。1. 定义定义 (一一)定义与主要化学键定义与主要化学键H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-abc氢键氢键离子键离子键疏水键疏水键维持蛋白质分子构象的各种化学键维持蛋白质分子构象的各种化学键肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端

38、端(二二)分子伴侣分子伴侣 1. 分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。 3. 已发现分子伴侣具有形成二硫键的酶活已发现分子伴侣具有形成二硫键的酶活性，在蛋白质分子折叠过程中对二硫键正确形成性，在蛋白质分子折叠过程中对二硫键正确形成起到重要的作用。起到重要的作用。 2. 分子伴侣能可逆地与未折叠肽段结合，防分子伴侣能可逆地与未折叠肽段结合，防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠；也可与错止错误的聚集发生，使肽链正确折叠；也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确误聚集的肽段

39、结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。折叠。2.主要化学键主要化学键 亚基之间的结合力主要是疏亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。水作用，其次是氢键和离子键。七七、蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构1.定义定义 许多蛋白质由两个或两个以上相互许多蛋白质由两个或两个以上相互关联的具有三级结构的亚单位组成，其中每一个关联的具有三级结构的亚单位组成，其中每一个亚单位称为亚单位称为亚基亚基 (subunit)。 亚基间通过非共价亚基间通过非共价键聚合而形成特定的构象。蛋白质键聚合而形成特定的构象。蛋白质的的四级结构指四级结构指分子中亚基的种类、数量以及相互关系。分子中亚基的种类、数量以及相

40、互关系。(一一)定义与主要化学键定义与主要化学键 血红蛋白是由含有血红素的血红蛋白是由含有血红素的2个个亚基和亚基和2个个亚亚基组成的四聚体。基组成的四聚体。血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构(一一)一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系 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HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840261109584725840651.核糖核酸酶一级结构与核糖核酸酶一级结构与功能的关系功能的关系 二硫键破坏二硫键破坏后，生物学活性后，生

41、物学活性丧失。丧失。 (1)将将A链链N端的第端的第1个氨基酸残基切去，其活性个氨基酸残基切去，其活性只剩只剩210，再将第，再将第24位氨基酸残基切去，其位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。活性完全丧失。 (2) 将将A、B两链间的二硫键还原，两链间的二硫键还原，A、B两链即两链即分离，胰岛素的功能完全消失。分离，胰岛素的功能完全消失。 (3) 将将B链第链第2830位氨基酸残基切去，其活性仍位氨基酸残基切去，其活性仍能维持能维持100%。2.胰岛素一级结构与功能的关系胰岛素一级结构与功能的关系3.血红蛋白一级结构与功能的关系血红蛋白一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血

42、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) 某种蛋白质分子的氨基酸排列顺序异常所某种蛋白质分子的氨基酸排列顺序异常所导致的疾病，称为导致的疾病，称为“分子病分子病”。(二二)蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质空间结构与功能的关系 1血红蛋白空间结构与功能的关系血红蛋白空间结构与功能的关系 Hb未结合未结合O2时，时，4个亚基结构紧密个亚基结构紧密,称称紧张态紧张态(T态态)。随着。随着O2 的结合的结合,空间结构发生空间结构发生变化，使结构相对松变化，使结构相

43、对松弛，称松弛态弛，称松弛态(R态态)。T态对氧亲和力低态对氧亲和力低,R态对氧亲合力高，是态对氧亲合力高，是Hb结合结合O2 的形式。的形式。肺毛细血管肺毛细血管O2 分压高分压高,促使促使T态转变成态转变成R态态,组织毛细血管组织毛细血管, O2 分分压低压低,促使促使R态转变成态转变成T态。态。 例：疯牛病中的蛋白质构象改变例：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, PrP)引起引起的一组人和动物神经退行性病变。的一组人和动物神经退行性病变。正常正常PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋。在某种未知蛋白质作用下转

44、变成为白质作用下转变成为-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蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病包括：人纹状体脊髓变性病、包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。2朊病毒蛋白空间结构与功能的关系朊病毒蛋白空间结构与功能的关系(The Physical and Chemical Characters of Protein)一、蛋白质的两性解离和等电点一、蛋白质的两性解离和等电点 (一一) 两性解离两性解离 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

45、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pH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团，故称件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团，故称两性解离。两性解离。 (二二) 蛋白质的等电点蛋白质的等电点在酸性环境中各碱性基团与质子结合，使蛋白在酸性环境中各碱性基团与质子结合，使蛋白质带正电荷。在碱性环境中酸性基团解离出质子，质带正电荷。在碱性环境中酸性基团解离出质子，与环境中的与环境中的OH-结合成水，使蛋白质带负电荷。调结合成水，使蛋白质带负电荷。调节溶液的节溶液的pH，使蛋白质所带的正负电荷恰好相等，使蛋白质所带的正负电荷恰好相等，总净电荷为零，在电场中既不向

46、阳极移动，也不向总净电荷为零，在电场中既不向阳极移动，也不向阴极移动，这时溶液的阴极移动，这时溶液的pH称为该称为该蛋白质蛋白质的等电点。的等电点。意义：意义：蛋白质在等电点时，溶解度最小，在蛋白质分离蛋白质在等电点时，溶解度最小，在蛋白质分离提纯时，常利用这一性质，在不同提纯时，常利用这一性质，在不同pH条件下，将具有条件下，将具有不同不同pI的蛋白质沉淀出来。同时在等电点时蛋白质的的蛋白质沉淀出来。同时在等电点时蛋白质的黏度、渗透压、膨胀性及导电能力均为最小。黏度、渗透压、膨胀性及导电能力均为最小。二、蛋白质的胶体性质二、蛋白质的胶体性质 (二二) 蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素

47、颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜 ( (一一) ) 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 1万万至至100100万之巨，其万之巨，其分子颗粒的分子颗粒的直径可达直径可达1 1100nm100nm，属，属于胶体粒子范围于胶体粒子范围之内之内。另外，蛋白质分子表面有许多另外，蛋白质分子表面有许多极性基团，亲水性极强，易溶与水形成稳定的亲水胶极性基团，亲水性极强，易溶与水形成稳定的亲水胶体溶液。体溶液。+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的蛋白

48、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、蛋白质的变性、沉淀和凝固三、蛋白质的变性、沉淀和凝固 天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，其天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规律性结构发生变化，致使分子内部原有的高度规律性结构发生变化，致使蛋白质的蛋白质的理化性质理化性质和和生物学性质生物学性质都有所改变，但都有所改变，但蛋白质的一级结构不被破坏，这种现象称变性。蛋白质的一级结构不被破坏，这种现象称变性。1. 变性的本质变性的本质 即破坏非共价键和二硫键，

49、不改变蛋白质即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质肽链的一级结构。肽链的一级结构。(一一) 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)2.导致变性的因素导致变性的因素1 1）物理因素）物理因素加热（加热（70-10070-100）、）、UVUV、超声波、超声波、X-X-射线、表面张力、搅拌或剧烈振荡等。射线、表面张力、搅拌或剧烈振荡等。2 2）化学因素）化学因素酸、碱、有机溶剂、重金属盐、尿酸、碱、有机溶剂、重金属盐、尿素、胍、表面活性剂、生物碱和去污剂等素、胍、表面活性剂、生物碱和去污剂等3.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

50、菌。灭菌。 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂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。（如疫苗等）的必要条件。 4.变性变性蛋白质的性质蛋白质的性质 变性蛋白质与天然蛋白质性质的差别主要表现在变性蛋白质与天然蛋白质性质的差别主要表现在 1) 1) 理化性质的变化。如旋光性改变、粘度增加、光理化性质的变化。如旋光性改变、粘度增加、光吸收性质增加、失去结晶能力、溶解度下降、易发生吸收性质增加、失去结晶能力、溶解度下降、易发生凝聚和沉淀。凝聚和沉淀。 2) 2) 生化性质的变化。变性后的蛋白质易被酶水解。生化性质的变化。变性后的蛋白质易被酶水解。 3) 3) 生物活性丧失。这是

51、蛋白质变性的重要标志。生物活性丧失。这是蛋白质变性的重要标志。 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5. 复性复性(renaturation) 若蛋白质变性程度较轻，去除若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象或部分恢复其原有的构象和功能，和功能，称为称为蛋白质的复性蛋白质的复性。HSSHSHHSHSSHHSHS2611095847265584026110958472584065(二二) 蛋白质沉淀蛋白质沉淀如果在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏了如果在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏了蛋白质的水膜，或中和可蛋白质的电荷，蛋白质就蛋白质的水膜，或中和可蛋白质的电荷，蛋白质就会从胶体溶液中沉淀出来。会从胶体溶液中沉淀出来。蛋白质的沉淀可分为蛋白质的沉淀可分为 1）不变性沉淀：用于分离活性的天然蛋白质）不变性沉淀：用于分离活性的天然蛋白质产品。如产品。如 酶、抗体等。酶、抗体等。 2）变性沉淀：）变性沉淀： 用于生物制品中除去蛋白质。用于生物制品中除去蛋白质。变性变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，的蛋白质