第一章蛋白质结构与功能

世图出版社教材《生物化学》课件1蛋白质的结构与功能第一

章StructureandFunctionofProtein主讲教师：张涛世图出版社教材《生物化学》课件2第一章蛋白质结构与功能第一节蛋白质的分子组成第二节蛋白质的分子结构第三节蛋白质结构与功能的关系第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质是生命的物质基础1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：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。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。1）作为生物催化剂（酶）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）控制生长和分化作用7）接受和传递信息的作用8）生物膜的功能2.蛋白质具有多样性的生物学功能3.氧化供能世图出版社教材《生物化学》课件6蛋白质的分子组成

第一节世图出版社教材《生物化学》课件7组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。

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。世图出版社教材《生物化学》课件8

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。

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(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%世图出版社教材《生物化学》课件9三聚氰胺分子式：C3N6H6、C3N3(NH2)3

世图出版社教材《生物化学》课件10一、氨基酸（aminoacid）

存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，除甘氨酸外，均属L-α-氨基酸。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。世图出版社教材《生物化学》课件11（一）氨基酸的一般结构

中心一个α

碳原子

Cα

连接一个氨基基团NH2

一个羧基基团COOH

一个氢原子H

一个不同的R基团

侧链

NH2HRCOOHCα世图出版社教材《生物化学》课件12L-氨基酸和D-氨基酸蛋白质中只存在L-氨基酸世图出版社教材《生物化学》课件13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（二）氨基酸的分类科学出版社案例式教材《生物化学》课件14表2-1氨基酸的分类中文名英文名缩写pKapI三字符一字符pK1（-COOH）pK2（-NH3+）pKR（R基）非极性疏水性氨基酸甘氨酸glycineGlyG2.349.605.97丙氨酸alanineAlaA2.349.696.01脯氨酸prolineProP1.9910.966.48缬氨酸valineValV2.329.625.97亮氨酸leucineLeuL2.369.605.98异亮氨酸isoleucineIleI2.369.686.02蛋氨酸methionineMetM2.289.215.74苯丙氨酸phenylalaninePheF1.839.135.48极性中性氨基酸酪氨酸tyrosineTyrY2.209.1110.075.66色氨酸tryptophanTrpW2.389.395.89丝氨酸serineSerS2.219.155.68苏氨酸threonineThrT2.119.625.87半胱氨酸cysteineCysC1.9610.288.185.07天冬酰胺asparagineAsnN2.028.805.41谷氨酰胺glutamineGlnQ2.179.135.65带正电的碱性氨基酸赖氨酸lysineLysK2.188.9510.539.74组氨酸histidineHisH1.829.176.007.59精氨酸arginineArgR2.179.0412.4810.76带负电的酸性氨基酸天冬氨酸asparticacidAspD1.889.603.652.77谷氨酸glutamicacidGluE2.199.674.253.22世图出版社教材《生物化学》课件151.非极性疏水性氨基酸甲硫氨酸世图出版社教材《生物化学》课件162.极性中性氨基酸世图出版社教材《生物化学》课件17+胱氨酸二硫键-HH二硫键的形成世图出版社教材《生物化学》课件183.带正电荷的碱性氨基酸世图出版社教材《生物化学》课件194.带负电荷的酸性氨基酸世图出版社教材《生物化学》课件20（三）氨基酸的理化性质1.两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。世图出版社教材《生物化学》课件21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。等电点(isoelectricpoint,pI)世图出版社教材《生物化学》课件22pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI兼性离子阳离子阴离子世图出版社教材《生物化学》课件232.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世图出版社教材《生物化学》课件243.呈色反应

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。茚三酮反应世图出版社教材《生物化学》课件25蓝紫色化合物世图出版社教材《生物化学》课件26二、肽*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。（一）肽与肽键氨基酸通过肽键缩合而成的化合物称为肽(peptide)。世图出版社教材《生物化学》课件27+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键世图出版社教材《生物化学》课件28两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……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(polypeptide)。世图出版社教材《生物化学》课件29多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。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)。世图出版社教材《生物化学》课件30氨基末端（N末端）：多肽链中有自由氨基的一端羧基末端（C末端）：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-亮氨酸(ser-gly-tyr-ala-leu)世图出版社教材《生物化学》课件31肽单元（peptideunit）

参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元。世图出版社教材《生物化学》课件32肽键(C-N)具有部分双键的性质世图出版社教材《生物化学》课件33（二）生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)世图出版社教材《生物化学》课件34①GSH保护含—SH基的蛋白质或酶免受氧化剂损害②GSH对维护生物膜的完整性和功能有重要的意义③GSH的巯基有噬核特性，能与外源的噬电子毒物如致癌剂或药物结合，从而阻断其与DNA,RNA和蛋白质的结合。世图出版社教材《生物化学》课件35GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+世图出版社教材《生物化学》课件36

体内许多激素属寡肽或多肽

神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽世图出版社教材《生物化学》课件373.抗生素肽抗生素肽是一类能抑制或杀死细菌的多肽。如短杆菌肽A、短杆菌素S、缬氨霉素（valinomycin）和博来霉素（blemycin）等。

世图出版社教材《生物化学》课件38蛋白质的分子结构

第二节世图出版社教材《生物化学》课件39蛋白质的结构层次世图出版社教材《生物化学》课件40一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构蛋白质的分子结构包括世图出版社教材《生物化学》课件41定义蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中从N－端到C－端的氨基酸排列顺序。一、蛋白质的一级结构(primarystructure)主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。世图出版社教材《生物化学》课件42一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。目录牛胰岛素的一级结构世图出版社教材《生物化学》课件43牛胰岛素的一级结构是由英国化学家F.Sanger于1953年测定完成的。世图出版社教材《生物化学》课件44二、蛋白质的二级结构(secondarystructure)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子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象

。定义

主要的化学键：

氢键

世图出版社教材《生物化学》课件45

蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

世图出版社教材《生物化学》课件46（一）-螺旋目录世图出版社教材《生物化学》课件47α-螺旋的结构特点如下：(1)多个肽键平面通过α-碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。主链呈螺旋上升，每隔3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm，每个氨基酸残基向上平移0.15nm。这与X线衍射图符合。(2)相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和NH形成许多链内氢键，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的C＝O之间形成氢键（图2-17B）。肽链中的全部肽键都可形成氢键，这是稳定α-螺旋的主要因素。氢键的方向与螺旋长轴基本平行。(3)肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同性电荷相斥，不利于α-螺旋形成；较大的R基(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸)集中的区域，也妨碍α-螺旋形成；脯氨酸因其α-碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述α-螺旋；甘氨酸的R基为H，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。世图出版社教材《生物化学》课件48α-螺旋中的氢键角蛋白中的α-螺旋

世图出版社教材《生物化学》课件49（二）-折叠世图出版社教材《生物化学》课件50是由伸展的多肽链组成的。折叠片的构象是通过一个肽键的羰基氧和位于同一个肽链的另一个酰氨氢之间形成的氢键维持的。氢键几乎都垂直于伸展的肽链.世图出版社教材《生物化学》课件51β-折叠结构特点是：

（1）多肽链充分伸展，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110°角。氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。（2）依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与NH形成氢键，使构象稳定。（3）两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。平行的β-折叠结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的β-折叠结构间距则为0.70nm。β-折叠结构的形式十分多样，正、反平行能相互交替。世图出版社教材《生物化学》课件52反平行-折叠和平行-折叠世图出版社教材《生物化学》课件53（三）-转角和无规卷曲-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。世图出版社教材《生物化学》课件54（四）超二级结构和模体（motif）指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体。世图出版社教材《生物化学》课件55钙结合蛋白中结合钙离子的模体

锌指结构世图出版社教材《生物化学》课件56三、蛋白质的三级结构(tertiarystructure)疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。（一）定义世图出版社教材《生物化学》课件57纤连蛋白分子的结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain)

。世图出版社教材《生物化学》课件58细胞表面蛋白CD4分子4个相似结构域世图出版社教材《生物化学》课件59肌红蛋白(Mb)血红素铁原子世图出版社教材《生物化学》课件60肌红蛋白的氨基酸分布

肌红蛋白的空间模型。黄色示疏水性氨基酸，蓝色示带电荷的氨基酸，其他以白色表示。截面图。世图出版社教材《生物化学》课件61目录世图出版社教材《生物化学》课件62亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构(quaternarystructure)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，称为蛋白质的四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。世图出版社教材《生物化学》课件63血红蛋白的四级结构α链β链血红素世图出版社教材《生物化学》课件64五、蛋白质的分类根据蛋白质的分子组成进行分类单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分根据蛋白质形状和空间构象进行分类纤维状蛋白质球状蛋白质世图出版社教材《生物化学》课件65蛋白质结构与功能的关系第三节世图出版社教材《生物化学》课件66一、蛋白质一级结构与功能的关系一级结构是空间构象和功能的基础世图出版社教材《生物化学》课件67（一）一级结构是空间构象的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键世图出版社教材《生物化学》课件68有活性无活性有活性世图出版社教材《生物化学》课件69（二）一级结构是功能的基础案例：镰状红细胞性贫血

N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。世图出版社教材《生物化学》课件70世图出版社教材《生物化学》课件71（a）正常红细胞（b）镰型红细胞世图出版社教材《生物化学》课件72二、蛋白质空间结构与功能的关系目录空间结构是功能的基础世图出版社教材《生物化学》课件73（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构胰岛素原转变成胰岛素世图出版社教材《生物化学》课件74首先合成的是一条108个氨基酸残基的前胰岛素原（preproinsulin）,然后经剪切去掉N端24个氨基酸残基的信号序列（signalsequence），形成84个氨基酸残基的胰岛素原(proinsulin)，同时在相应的正确位置形成3个二硫键。当激素在高尔基体包装并分泌时，A、B链间33个残基的C链才被切掉，形成具有两条肽链的活性胰岛素。信号肽部分是生物合成后向外分泌、输送所需要的。世图出版社教材《生物化学》课件75有活性无活性有活性世图出版社教材《生物化学》课件76（二）蛋白质空间结构改变与疾病蛋白质构象病：因蛋白质折叠错误或折叠不能导致构象异常变化引起的疾病，称为蛋白质构象病（proteinconformationaldiseases）。

世图出版社教材《生物化学》课件77案例：克-雅氏病

(Creutzfeld-Jakobdisease,CJD)由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的人的神经退行性病变。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常

疾病世图出版社教材《生物化学》课件78“朊病毒”（prion）最早是由美国加州大学Prusiner等提出的，Prusiner因这一发现而获得1997年度的诺贝尔生理/医学奖。它是一组至今不能查到任何核酸，对各种理化作用具有很强抵抗力，传染性极强的蛋白质颗粒。朊病毒蛋白（prionprotein,PrP）是一类高度保守的糖蛋白，有两种构象：细胞型（正常型PrPc）和搔痒型（致病型PrPsc）。正常型朊蛋白（PrPc）广泛表达于脊椎动物细胞表面，二级结构中仅存在α螺旋，它可能与神经系统功能维持，淋巴细胞信号转导及核酸代谢等有关。致病型朊病毒（PrPsc）有多个β折叠存在，是PrPc的构象异构体，两者之间没有共价键差异。PrPsc可胁迫PrPc转化为PrPsc，实现自我复制，并产生病理效应；基因突变可导致细胞型PrPc中的α螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转化，β折叠增加，最终变为PrPsc型；初始的和新生的PrPsc继续攻击另外两个PrPc，这种类似多米诺效应使PrPsc积累，直至致病。PrPsc可引起一系列致死性神经变性疾病。这种与朊病毒蛋白构象相关的疾病统称为朊病毒病。世图出版社教材《生物化学》课件79蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋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，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。世图出版社教材《生物化学》课件80朊病毒病

已发现的人类朊病毒病有：库鲁病（kurudisease）、脑软化病（GSS）、纹状体脊髓变性病或克-雅氏病（Creutzfeldt-Jakobdisease,CJD）、新变异型CJD（newvariantCJD,nvCJD）或称人类疯牛病和致死性家族性失眠症（fatalfamilialinsomnia,FFI）。

动物的朊病毒病有：牛海绵状脑病或称疯牛病（bovinespongiformencephalopathy,BSE）、羊骚痒症（scrapie,SC）等。与朊病毒蛋白构象相关的疾病统称为朊病毒病。世图出版社教材《生物化学》课件81第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化世图出版社教材《生物化学》课件82（一）两性电离及等电点一、蛋白质的理化性质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。世图出版社教材《生物化学》课件83（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世图出版社教材《生物化学》课件84+++++++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世图出版社教材《生物化学》课件85（三）蛋白质的紫外吸收性质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280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。世图出版社教材《生物化学》课件86四、蛋白质的呈色反应茚三酮反应(ninhydrinreaction)

蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。双缩脲反应(biuretreaction)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，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。世图出版社教材《生物化学》课件87酚试剂呈色反应

是最为常用的蛋白质定量方法（Lowry法）

世图出版社教材《生物化学》课件88（五）蛋白质的变性与沉淀1、蛋白质的变性(denaturation)在某些理化因素的作用下，蛋白质中维系其空间结构的次级键（甚至二硫键）断裂，使其空间结构遭受破坏，造成其理化性质的改变和生物活性的丧失。世图出版社教材《生物化学》课件89造成变性的因素如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

变性的本质——

破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。世图出版社教材《生物化学》课件90

应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。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。

世图出版社教材《生物化学》课件91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)

世图出版社教材《生物化学》课件92世图出版社教材《生物化学》课件932、蛋白质沉淀蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀。

变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。世图出版社教材《生物化学》课件943、蛋白质的凝固作用(proteincoagulation)

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。

世图出版社教材《生物化学》课件95二、蛋白质的分离和纯化蛋白质的各种理化性质和生物学性质是提取与纯化的依据世图出版社教材《生物化学》课件96（一）改变蛋白质的溶解度常用方法有：盐析有机溶剂沉淀调节pH

改变温度等世图出版社教材《生物化学》课件97

盐析(saltprecipitation)

是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。世图出版社教材《生物化学》课件98丙酮沉淀

使用丙酮沉淀时，必须在0～4℃低温下进行，丙酮用量一般10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。世图出版社教材《生物化学》课件99（二）根据蛋白质分子大小不同的分离方法常用方法：

离心超滤凝胶过滤等世图出版社教材《生物化学》课件1001．离心离心（centrifugation）分离是利用机械的快速旋转所产生的离心力，将不同密度的物质分离开来的方法。世图出版社教材《生物化学》课件101超速离心超速离心法(ultracentrifugation)既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。蛋白质在离心场中的行为用沉降系数(sedimentationcoefficient,S)表示，沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。世图出版社教材《生物化学》课件102因为沉降系数S大体上和分子量成正比关系，故可应用超速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状的高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。世图出版社教材《生物化学》课件103

透析(dialysis)利用透析袋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蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。2．透析与超滤世图出版社教材《生物化学》课件1043．凝胶过滤凝胶过滤（gel-filtrationchromatography）是按照天然蛋白质相对分子质量大小进行分离的技术，又称为分子筛层析或排阻层析。世图出版社教材《生物化学》课件105世图出版社教材《生物化学》课件106（三）根据蛋白质电荷性质的分离方法常用的方法有：离子交换层析电泳等电聚焦世图出版社教材《生物化学》课件1071．离子交换层析离子交换层析（ionexchangechromatography）是利用蛋白质两性解离特性和等电点作为分离依据的一种方法。世图出版社教材《生物化学》课件108世图出版社教材《生物化学》课件1092.电泳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