第一章 蛋白质的结构与功能

biochemistry南通大学医学院生化教研室钱慰绪论

生物化学（Biochemistry）是研究生物体内化学分子与化学反应的科学，从分子水平探讨生命现象的本质。

分子生物学（molecularbiology）研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控。第一节生物化学与分子生物学发展简史1.蛋白质是生命的主要基础物质

EmilFisher首先证明蛋白质是由L--AA缩合而成的多肽。

Sumner

首先提纯结晶出尿素酶，导致证明大部分酶为蛋白质及与代谢的关系。

Sanger

胰岛素的AA序列分析，为确定AA序列的第一个蛋白质。继而加深了对蛋白质结构及在生命活动中的作用的认识。2．物质代谢通路图的描绘

Krebs

提出TCAC为核心的代谢过程。4．遗传信息传递中心法则的建立

1958年，Crick提出DNA-RNA-protein

5．基因工程技术的发展

1970

Smith

发现核酸内切酶HinfI，为基因工程提供了有力的工具。

1982Palmiter

转基因动物的成功（生长素导入小鼠受精卵）转基因植物

1990

Blaese

把基因导入人体---基因治疗。3．生物遗传的物质基础---核酸

Watson&Crick:

提出双螺旋结构7.细胞信号转导机制的研究

1957年Sutherland发现cAMP，1965年提出第二信使学说---细胞信号转导里程碑。8.我国科学工作者对近代生物化学与分子生物学的贡献6．人类基因组计划及基因组后计划:人类基因组的工作草图已经绘制成功，即完成了人类基因组序列的“工作框架图”。弄清全部基因的位置、结构和功能

第二节生物化学与其它学科的关系人类要了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、抗性、疾病、生命起源和演化等现象，都需要用生物化学的原理和方法进行探讨。生物化学是各门生物科学的基础，特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等各科的基础，在分子生物学等新兴学科中占有特别重要的位置；是后续一系列重要课程的基础课，具有举足轻重的重要地位。1．生物大分子的结构与功能包括蛋白质、核酸、酶的分子结构、主要理化性质、结构与功能的关系。2．物质代谢与调节

细胞内所进行的化学反应，包括合成代谢、分解代谢以及物质之间的相互转化,人体各细胞中几大类物质的主要代谢变化及其与生理功能的关系，调节机制也是生物化学研究的重要内容。3．基因信息的传递及其调控

4.分子生物学技术与应用第三节本书的内容第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProteinSomefunctionsofproteins蛋白质(Protein/Pr)是以氨基酸为基本组成单位、以肽键连接而成的结构复杂的生物大分子。含量多：约占人体固体成分的45%；约占细胞干重70%以上为什么说：蛋白质是生命的物质基础？种类多：一个大肠杆菌：＞3000种一个真核细胞：成千上万种参与构成各种细胞及组织

参与体内的物质代谢、细胞信号的转导及生理功能的调节控制特殊功能:催化、运输、储存、凝血与纤溶、识别、免疫等等氧化供能:17.15kJ/g蛋白质功能多：CHONPS氨基酸蛋白质沙土砌成砖砖块垒成墙元素墙组成建筑物生命

第一节蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成蛋白质的平均含氮量为16%C、H、O、N、S等应用：微量凯氏定氮法蛋白质含量(g)=蛋白质含氮量×6.25

只有20种哟！自然界有大约300多种氨基酸、百亿种蛋白质，但是，组成人体蛋白的氨基酸……。一、蛋白质的基本组成单位---氨基酸编码氨基酸(codingaminoacid)定义：合成蛋白质的20种氨基酸在基因DNA分子中有特异遗传密码,称编码氨基酸.-CH3,-SH-COOH,-CH2OH-NH2,-CONH2氨基酸结构通式COOHCNH2HR

NHNL--氨基酸（除甘氨酸）氨基酸的分类(根据侧链R在中性溶液中的极性和解离状态)碱性氨基酸

3种酸性氨基酸

2种指中性溶液中不电离极性中性氨基酸8种非极性疏水性氨基酸

7种丙氨酸alanineAlaA6.00缬氨酸valineValV5.96亮氨酸leucineLeuL5.98

异亮氨酸isoleucineIleI6.02

苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48脯氨酸prolineProP6.301.非极性疏水性氨基酸甘氨酸glycineGly

G

5.97色氨酸tryptophanTrpW5.89丝氨酸serine

SerS

5.68酪氨酸

tyrosineTyr

Y

5.66

半胱氨酸cysteineCys

C5.07天冬酰胺

asparagine

Asn

N5.41

谷氨酰胺glutamine

GlnQ5.65

苏氨酸

threonine

Thr

T5.602.极性中性氨基酸

蛋氨酸methionine

MetM

5.74天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOONH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH修饰氨基酸：天然氨基酸的衍生物.如：脯氨酸——羟脯氨酸(Pro-Hyp)赖氨酸——羟赖氨酸(Lys-Hyp)谷氨酸——焦谷氨酸[Glu-(Pyro-GLu)]半胱氨酸——胱氨酸等

非蛋白质氨基酸如：γ-氨基丁酸、鸟氨酸、瓜氨酸等

20种氨基酸具有共同或特异的理化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(isoelectricpoint,pI)

在某一pH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，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。（一）氨基酸具有两性解离的性质pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，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。+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键(peptidebond)二、氨基酸通过肽键连接成生物大分子—蛋白质*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子三肽……*肽是由氨基酸通过肽键相连而形成的化合物。*肽键(peptidebond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。*多肽链有方向性:N末端、C末端*由肽键连接各氨基酸残基形成的长链骨架，……N–Ca-C-N-Ca-C……，称为多肽链主链；而连接于Ca上的各氨基酸的R基团，称为多肽链侧链。*由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽或多肽链(polypeptide)，蛋白质通常指含有50个氨基酸以上的多肽。N-端C-端氨基酸残基OHCN肽键蛋白质分子中氨基酸的连接方式生物活性肽对生物机体的生命活动具有生理作用或有益的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。1.谷胱甘肽(GSH)全称为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型(GSH)与氧化型(GSSG)两种存在形式。γ-羧基肽键肽键GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。2.多肽类激素及神经肽种类较多，生理功能各异。主要有下丘脑及垂体分泌的激素(ACTH、催产素、加压素、褪黑激素)、神经肽(脑啡肽、内啡肽等)。3.抗菌多肽及其他短杆菌肽S、多粘菌素E、α-鹅膏蕈碱等

第二节蛋白质的分子结构一级结构空间构象一、蛋白质的一级结构123n定义：指蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。一级结构主要化学键是肽键，是共价键；蛋白质分子中二硫键也是共价键，因而也属于一级结构的范畴。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。牛胰岛素一级结构维系力：肽键、二硫键二、蛋白质的空间结构蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置。是蛋白质的特有性质和生物学功能的结构基础。主链构象和侧链构象。蛋白质二级结构多肽链中主链骨架原子在局部空间的排列分布状况，并不涉及各R侧链的空间排布。肽单元(peptideunit)ONHOCRNH2COOHCCCCCCOHHNNHHHHRRR肽链的主链原子中αC–C和αC—N之间的单键可以旋转，此单键的旋转决定两个肽单元的相对关系。肽单元的相对旋转，使主链可以多种构象出现。围绕肽键C原子和N原子的三个键角之和均为360。，说明肽键及其相连的四个原子共处一个平面肽键的C-N键长，比单键短，比双键长，具有部分双键的性质，不能自由旋转。α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲蛋白质的二级结构结构特点：▲右手螺旋。▲氨基酸残基的R基团伸向螺旋外侧。▲每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。主链中每个肽键的亚氨基氢与后面第四个肽单元的羰基氧构成氢键。-螺旋(-helix)-螺旋β-折叠(β-pleatedsheet)

结构特点:相邻两肽单元间折叠成锯齿状。

氨基酸残基侧链位于锯齿状结构的上下方。两条以上肽链或一条肽链的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，两条肽链走向可相同(顺向平行)，也可相反(反向平行)。

稳定因素是链间肽键的羰基氧与亚氨基氢形成的氢键.β-折叠

影响α-螺旋和β-折叠稳定的因素：(1)极大的侧链基团(存在空间位阻);(2)连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基(同种电荷的互斥效应);(3)有Pro等亚氨基酸存在(不能形成氢键);(4)Gly:由于自由度过大而不稳定。

β-转角(β-turn)

多肽链180°回折时形成的一种二级结构，结构特征为：

(1)主链骨架本身以大约180°回折;(2)回折部分通常由4个氨基酸残基构成;(3)构象依靠第一aa残基的-CO基氧与第四个aa残基的-NH基氢之间形成氢键来维系。无规卷曲(randomcoil)

在一级结构基础上形成的没有确定规律性的那部分肽链结构。实际上这些区域是一些稳定的、有序的非重复结构。RNA酶的分子结构α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲模体(motif)

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，相互作用，形成一个具有特殊功能的二级结构组合，被称为模体/模序/超二级结构。钙结合蛋白中结合钙离子的模体

锌指结构蛋白质的三级结构一条多肽链中所有原子在空间的整体排布，包括主链和侧链的全部构象。维系因素：疏水键(主要作用力）、氢键、范德华力和离子键等非共价键，二硫键也是维系蛋白质三级结构稳定的重要因素。肌红蛋白三级结构ded范德华力e二硫键纤连蛋白分子的结构域

结构域(domain)

大分子蛋白质在三级结构层次上形成多个结构较为紧密的独立折叠单位或局部区域，每个区域具有独立的+功能，称为结构域。指能结合和稳定另外一种蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合和释放，促进新生多肽链的折叠，多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输的一类蛋白质。蛋白质空间构象的正确形成，除了一级结构为决定因素之外，还需要分子伴侣。热休克蛋白(heatshockprotein,HSP)，伴侣蛋白，核素蛋白属三类高度保守的蛋白家族，是现已鉴定的分子伴侣。分子伴侣(molecularchaperon)蛋白质的四级结构亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，但不包括亚基内部的空间结构。具有独立三级结构的多肽链维系因素：氢键、疏水键和离子键等非共价键。血红蛋白的四级结构

定

义

维

系

力

一级结构

氨基酸排列顺序

肽键、二硫键

二级结构

主链原子的相对空间位置

氢键

三级结构

所有原子的空间排布

疏水作用、离子键、氢键、VanderWalls力、二硫键

四级结构

亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用疏水作用、离子键、氢键

蛋白质的分类蛋白质的结构和溶解度蛋白质组成成分

结合蛋白质

单纯蛋白质

球状蛋白质

纤维状蛋白质

膜蛋白蛋白质的功能

活性蛋白质非活性蛋白一级结构决定高级结构！！高级结构决定蛋白质的功能活性！

第三节蛋白质结构与功能的关系(一)一级结构是空间构象的基础多肽链中氨基酸的排列顺序决定了肽链的折叠和卷曲方式

一、蛋白质一级结构与功能的关系牛核糖核酸酶的一级结构二硫键

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性只要一级结构不被破坏，即使空间结构被破坏,在合适的环境下可以恢复原有的空间结构---一级结构是空间结构的基础2.一级结构中关键部位的氨基酸残基改变会引起蛋白质功能的异常部分氨基酸残基在蛋白质空间结构中处于关键位置,改变蛋白质的一级结构中关键作用的氨基酸残基(缺失或替代)，就会影响和改变其空间结构。如：镰刀形红细胞贫血1.一级结构相似的蛋白质具有相似的空间构象及功能一级结构的关键部位氨基酸残基序列相同或相似(不同种族来源)，其空间结构相同或相似。胰岛素:一级结构不完全相同,关键位置氨基酸相同,空间结构相似.(二)一级结构是功能的基础亲水的谷氨酸疏水的缬氨酸6正常Hb(水溶性)异常Hb(聚集成丝)正常人镰刀形红细胞贫血红细胞形状改变，相互粘结，脆性增加。氧结合能力大大降低溶血性贫血

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。二、蛋白质的空间结构与生物学功能蛋白质的变构效应蛋白质特定空间结构是特定生物学功能的基础变构效应(allostericeffect)一个蛋白质与其配体结合后,蛋白质构象发生变化,使它更适合于功能需要。蛋白质的变构作用蛋白蛋白变构效应剂酶,血红蛋白蛋白质空间结构与功能的关系血红蛋白的构象变化与结合氧氧分压（mmHg)氧饱和度()%HbMb正协同效应:促进结合负协同效应:抑制结合

协同效应：一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。血红素与O2的结合

肺部需氧组织氧分压高低亚基状态T→RR→T功能结合氧释放氧

血红蛋白分子T(紧张态)和R(松弛态)两种构象上的互变，引起结合O2和释放O2的变化，从而完成了运O2的功能.T态(tensestate)R态(relaxedstate)蛋白质构象病：由于相应蛋白质发生有害折叠、不能折叠或错误折叠导致的蛋白质错误定位引起的疾病。错误折叠的蛋白质会相互作用而聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，临床表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理性改变。蛋白质空间构象改变可引起疾病痴呆症状和NFT的数量正相关阿尔茨海默病（Alzheimer’sdisease，AD）主要病理特征异常过度磷酸化tau聚集形成的神经纤维缠结(NFTs)淀粉样蛋白(A)聚集形成的老年斑(SP)(Rileyetal.,AnnNeurol.,2002)第四节蛋白质的理化性质及其应用(一)蛋白质的两性电离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。*蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。pH<pICOOHNH3+pH=pICOO-NH3+COOHNH2pH>pICOO-NH2(二)蛋白质的高分子性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1-100nm，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（三）蛋白质的变性(denaturation)活性蛋白质变性的蛋白质作用机制：二硫键、非共价键破坏结构基础：蛋白质空间结构的破坏主要表现：生物活性的丧失在某些理化因素作用下，蛋白质的空间构象被破坏，导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，称为蛋白质的变性。

应用举例临床医学上，变性常被应用来消毒及灭菌。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功能，称为复性。蛋白质的复性(renaturation)

(四)蛋白质的紫外吸收某些试剂可对蛋白质分子中肽键或特殊氨基酸残基发生显色反应，且产生的有色物质量与蛋白质浓度相关，可用于蛋白质定性、定量检测。如Folin-酚试剂、双缩脲反应、茚三酮等显色反应。

(五)蛋白质的呈色反应大多数蛋白质均含有Tyr和Trp残基，因其结构上含有共轭双键苯环，在280nm处有最大吸收峰。利用紫外分光光度法，可测定蛋白质含量。（六）蛋白质的沉淀

蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀。变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质。加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。沉淀蛋白质的方法盐析有机溶剂沉淀蛋白质重金属盐沉淀生物碱试剂沉淀蛋白质有机溶剂沉淀蛋白质：凡能与水以任意比例混合的有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可用于沉淀蛋白质。沉淀原理是：①脱水作用；②使水的介电常数降低，蛋白质溶解度降低。

二、蛋白质的分离与纯化（一）丙酮沉淀、盐析（二）电泳（三）透析与超滤（四）层析（五）离心+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，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,称为电泳。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。(二)电泳(elctrophoresis)

蛋白质的两性解离与电泳(四)层析(chromatography)

根据蛋白质的形态、大小和电荷的不同而设计的物理分离方法。凝胶过滤层析、离子交换层析、亲和层析等是目前最常用的层析方法。层析分离蛋白质的原理待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的。离子交换层析是根据蛋白质所带电荷的差异进行分离纯化的一种方法.当蛋白质混合溶液从凝胶柱顶进入后，小分子蛋白质通过凝胶网孔穿过一个又一个凝胶颗粒，其路程长，受到的阻力较大，而大分子蛋白质只能从凝胶颗粒的间隙向下移动，路程短，阻力小。这样大分子最先流出，小分子根据分子量从大到小流出，从而将不同大小的蛋白质分开。凝胶过滤层析又称排阻层析或分子筛，主要是根据蛋白质的大小和形状，即蛋白质的质量进行分离和纯化.(五)超速离心利用物质密度的不同，经超速离心后，分布于不同的液层而分离。超速离心也可用来测定蛋白质的分子量，蛋白质的分子量与其沉降系数S成正比。蛋白质的一级结构蛋白质的空间结构（高级结构）蛋白质的功能总结：决定决定酶——作为特殊活性的蛋白质，也符合其规律。蛋白质的理化性质1.根据侧链的结构和理化性质，氨基酸可以分成

和四种。2.蛋白质分子中的无规卷曲结构属于

A.一级结构

B.二级结构

C.三级结构

D.四级结构

E.以上都不是3.什么是蛋白质的二级结构?它的主要形式有哪几种?

其稳定因素是什么?4.蛋白质的分子结构有几层?简述其定义及维系力.非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸碱性氨基酸复习题：B复习题：1.名词解释：

motif、结构域、分子伴侣、变构效应