绪论+第01章蛋白质

生物化学的概念

生物化学（biochemistry)是研究生物体内化学分子与化学反应的科学，从分子水平探索生命现象的本质。生物化学主要研究生物体分子结构与功能，物质代谢与调节，以及遗传信息传递的分子基础与调控规律。第1页/共110页第一页，共111页。生物化学发展

生物化学作为一门独立的自然科学,只有近200年的历史。但是其发展非常迅速，目前已成为自然科学领域发展最快、最引人注目的学科之一。第2页/共110页第二页，共111页。第一节生物化学发展简史18世纪：起始研究18世纪－20世纪初：初期阶段（对糖、脂及氨基酸进行了较系统的研究,发现了核酸)20世纪初蓬勃发展（发现了人类必需氨基酸、脂肪酸及维生素、激素，获得晶体酶）20世纪后半叶分子生物学的崛起第3页/共110页第三页，共111页。分子生物学的发展

50年代初发现了蛋白质的二级结构完成了胰岛素的氨基酸全序列分析年提出DNA双螺旋模型70年代重组DNA技术的建立80年代发现核酶（ribozyme)80年代中期提出人类基因组计划90年代启动人类基因组计划2001年2月公布了人类基因组草图第4页/共110页第四页，共111页。J.D.WastenandF.H.crickAveryWatsonandCrick第5页/共110页第五页，共111页。Dolly第6页/共110页第六页，共111页。第二节当代生物化学研究的主要内容1、生物分子的结构与功能

2、物质代谢及其调节

3、基因信息传递及其调控第三节生物化学与医学

生物化学是一门基础医学的必修课，讲述正常人体的生物化学以及疾病过程中的生物化学相关问题，与医学有着紧密的联系。第7页/共110页第七页，共111页。参考书：《生物化学》（第三版），王镜岩主编，高等教育出版社《Biochemistry(Secondedition)》，Garrett&Grisham主编（影印版），教育部高等教育司推荐国外优秀生命科学教学用书第8页/共110页第八页，共111页。生物化学期末成绩计算方法生物化学期末成绩分为3部分（期末考试、实验和综述书写）。成绩计算方式：期末考试65％实验平时成绩15％实验考试5％综述15％第9页/共110页第九页，共111页。

综述的书写是素质教育的一种形式。具体目的：学会查阅资料并提高对专业论文的阅读和写作能力提高综合能力和基本素质。书写综述目的第10页/共110页第十页，共111页。内容要求1、综述基本框架：由题目、中(英)文摘要、中(英)文关键词、前言、正文、结束语、参考文献七部分组成。2、正文不少于3000字。3、参考文献要认真阅读，一般情况下不要选用综述文章作为参考文献。第11页/共110页第十一页，共111页。4、参考文献不少于5篇，要按照规范的文献引用格式：（1）

作者名字（一般写前3位）.文章题目.杂志名:出版时间,卷（期）:页（××－××）（2）

作者名.书名.出版社.出版时间:页（××－××）5、正文中论点要有相关参考文献出处，并在正文相关内容右上角用上标标出参考文献序号，格式如：XX【序号】。6、综述上交时间：在理论课结束前一周以班级为单位收齐上交。第12页/共110页第十二页，共111页。综述的参考题目范围如下1．生物芯片在XX中的应用进展2．蛋白质组学研究进展3．XX代谢紊乱与XX疾病4．XX致病基因的研究进展5．分子伴侣（XX类型）研究进展6．XX细胞凋亡的研究进展综述文章1．生物芯片在XX中的应用进展2．蛋白质组学研究进展3．XX代谢紊乱与XX疾病4．XX致病基因的研究进展5．分子伴侣（XX类型）研究进展6．XX细胞凋亡的研究进展综述文章第13页/共110页第十三页，共111页。蛋白质的结构与功能第一章StructureandFunctionofProtein第14页/共110页第十四页，共111页。一、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。第15页/共110页第十五页，共111页。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％。第16页/共110页第十六页，共111页。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7）接受和传递信息8）生物膜的功能9）某些生化药物是蛋白质或多肽2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能第17页/共110页第十七页，共111页。蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节第18页/共110页第十八页，共111页。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

。第19页/共110页第十九页，共111页。

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(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%蛋白质元素组成的特点三聚氰胺(Melamine)，氰尿三酰胺。分子式C3H6N6，分子量126.15。氮含量占66%。第20页/共110页第二十页，共111页。一、氨基酸

——组成蛋白质的基本单位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，且均属L-α氨基酸（甘氨酸除外）。第21页/共110页第二十一页，共111页。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第22页/共110页第二十二页，共111页。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（一）氨基酸的分类*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:第23页/共110页第二十三页，共111页。甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00缬氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucineLeuL

5.98

异亮氨酸

isoleucineIleI

6.02

苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非极性疏水性氨基酸目录第24页/共110页第二十四页，共111页。色氨酸

tryptophanTryW

5.89丝氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTryY

5.66

半胱氨酸

cysteineCysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagineAsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

苏氨酸

threonineThrT5.602.极性中性氨基酸目录第25页/共110页第二十五页，共111页。天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22赖氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76组氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸目录第26页/共110页第二十六页，共111页。几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）第27页/共110页第二十七页，共111页。

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH第28页/共110页第二十八页，共111页。（二）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。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。第29页/共110页第二十九页，共111页。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子第30页/共110页第三十页，共111页。2.紫外吸收色氨酸、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第31页/共110页第三十一页，共111页。3.茚三酮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。第32页/共110页第三十二页，共111页。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(酰胺键）。（一）肽(peptide)第33页/共110页第三十三页，共111页。+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键第34页/共110页第三十四页，共111页。*肽(peptide)是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*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……*

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)。*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)。第35页/共110页第三十五页，共111页。N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端*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。第36页/共110页第三十六页，共111页。N末端C末端牛核糖核酸酶第37页/共110页第三十七页，共111页。（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)第38页/共110页第三十八页，共111页。GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+第39页/共110页第三十九页，共111页。

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第40页/共110页第四十页，共111页。蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节第41页/共110页第四十一页，共111页。蛋白质的分子结构包括

一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构第42页/共110页第四十二页，共111页。定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。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。第43页/共110页第四十三页，共111页。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。目录第44页/共110页第四十四页，共111页。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

第45页/共110页第四十五页，共111页。（一）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。第46页/共110页第四十六页，共111页。

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)

第47页/共110页第四十七页，共111页。（二）-螺旋(-helix)

目录第48页/共110页第四十八页，共111页。第49页/共110页第四十九页，共111页。（三）-折叠(-pleatedsheet)

第50页/共110页第五十页，共111页。（四）-转角(-turn

)和无规卷曲(randomcoil)-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。第51页/共110页第五十一页，共111页。（五）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，形成一个特殊的空间构象，被称为模体(motif)。模体是具有特殊功能的超二级结构。第52页/共110页第五十二页，共111页。钙结合蛋白中结合钙离子的模体

锌指结构(Zincfinger)

（Loop）第53页/共110页第五十三页，共111页。（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。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。第54页/共110页第五十四页，共111页。纤连蛋白分子的结构域结构域（domain)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。第55页/共110页第五十五页，共111页。三、蛋白质的三级结构

（tertiarystructure）疏水键、离子键、氢键、二硫键和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）定义第56页/共110页第五十六页，共111页。目录第57页/共110页第五十七页，共111页。

肌红蛋白(Mb)N端C端第58页/共110页第五十八页，共111页。（三）分子伴侣(chaperon)分子伴侣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构。*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，使肽链正确折叠。*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。*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。第59页/共110页第五十九页，共111页。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)。第60页/共110页第六十页，共111页。血红蛋白的四级结构

第61页/共110页第六十一页，共111页。第62页/共110页第六十二页，共111页。五、蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分*根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质第63页/共110页第六十三页，共111页。六、蛋白质组学基本概念：蛋白质组学是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质。高通量、高效率第64页/共110页第六十四页，共111页。蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节第65页/共110页第六十五页，共111页。（一）一级结构是空间构象的基础一、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第66页/共110页第六十六页，共111页。

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，无活性第67页/共110页第六十七页，共111页。（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的空间结构与功能

如：哺乳类动物的胰岛素（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息如：细胞色素C第68页/共110页第六十八页，共111页。（四）重要氨基酸与疾病例：镰刀形红细胞贫血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”。第69页/共110页第六十九页，共111页。第70页/共110页第七十页，共111页。（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构二、蛋白质空间结构与功能的关系目录第71页/共110页第七十一页，共111页。Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧第72页/共110页第七十二页，共111页。肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线第73页/共110页第七十三页，共111页。*协同效应(cooperativity)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能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应

(negativecooperativity)第74页/共110页第七十四页，共111页。第75页/共110页第七十五页，共111页。O2血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。第76页/共110页第七十六页，共111页。变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。第77页/共110页第七十七页，共111页。（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。第78页/共110页第七十八页，共111页。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。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。第79页/共110页第七十九页，共111页。疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病第80页/共110页第八十页，共111页。第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofprotein第81页/共110页第八十一页，共111页。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。第82页/共110页第八十二页，共111页。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第83页/共110页第八十三页，共111页。+++++++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第84页/共110页第八十四页，共111页。三、蛋白质的变性*蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，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，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。第85页/共110页第八十五页，共111页。

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。第86页/共110页第八十六页，共111页。

应用举例临床医学上，变性因素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。

第87页/共110页第八十七页，共111页。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(renaturation)。第88页/共110页第八十八页，共111页。

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，无活性第89页/共110页第八十九页，共111页。*蛋白质沉淀蛋白质自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。*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。

第90页/共110页第九十页，共111页。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。第91页/共110页第九十一页，共111页。五、蛋白质的呈色反应⒈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。⒉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。第92页/共110页第九十二页，共111页。第五节蛋白质的分离纯化TheSeparationandPurificationofProtein第93页/共110页第九十三页，共111页。一、透析及超滤法*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。第94页/共110页第九十四页，共111页。二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀*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。*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。第95页/共110页第九十五页，共111页。*

免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。第96页/共110页第九十六页，共111页。三、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(elctrophoresis)

。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。

第97页/共110页第九十七页，共111页。几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。第98页/共110页第九十八页，共111页。四、层析层析(chromatography)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。第99页/共110页第九十九页，共111页。蛋白质分离常用的层析方法*离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。*凝胶过滤(gelfiltration)又称分子筛层析，