蛋白质的结构与功能(本)

绪论生物化学是研究生物体内化学分子与化学反应的基础生命科学，从分子水平探讨生命现象的本质。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等。当前第1页\共有143页\编于星期六\11点当前第2页\共有143页\编于星期六\11点生物化学发展简史

第一节当前第3页\共有143页\编于星期六\11点一、叙述生物化学阶段

18世纪中19世纪末初期阶段主要研究生物体化学组成二、动态生物化学阶段

20世纪初20世纪中蓬勃发展期三、分子生物学时期

20世纪50年代以后分子生物学时期

当前第4页\共有143页\编于星期六\11点1953DNA双螺旋结构模型里程碑70年代重组DNA技术建立80年代核酶发现，PCR技术20世纪末人类基因组计划

基因组学蛋白质组学RNA组学糖组学转录组学代谢组学

当前第5页\共有143页\编于星期六\11点当代生物化学研究的主要内容

第二节当前第6页\共有143页\编于星期六\11点1.生物分子的结构与功能蛋白质、核酸、糖2.物质代谢及其调节3.基因信息传递及其调控当前第7页\共有143页\编于星期六\11点生物化学与医学

第三节当前第8页\共有143页\编于星期六\11点一、生物化学已成为生物学各学科之间、医学各学科之间相互联系的共同语言。二、生物化学为推动医学各学科发展作出了重要贡献。当前第9页\共有143页\编于星期六\11点Diagnosisofdisease

clinicalbiochemistryexamination,bloodanalysis,genediagnosisTherapyofdiseasebiochemistrydrug,antimetabolites,geneticengineeringdrug,genetherapyTheresearchinmedicineallthetechnologyofbiochemistryandmolecularbiologyincommonuse

当前第10页\共有143页\编于星期六\11点生物化学是应用化学与分子生物学的基本理论和方法来研究生命现象的科学，其特点是在分子水平上探讨生命现象的本质。生物化学主要研究生物大分子的结构与功能及生命活动过程中所进行的化学变化及其与生理机能关系。医学生学习生物化学的目的在于掌握生物大分子的结构与功能，物质代谢的基本规律及其调节，基因信息传递及调控，细胞间信息传递等，为今后学习和探讨医学理论及解决疾病的预防、诊断、治疗等实际问题打下基础。当前第11页\共有143页\编于星期六\11点学习方法理解掌握准确记忆Studystudyhard,andDaydayup!当前第12页\共有143页\编于星期六\11点提前预警1.全国联考：必考科目2.执业医师考试3.考研当前第13页\共有143页\编于星期六\11点第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein第一篇生物大分子的结构与功能当前第14页\共有143页\编于星期六\11点

主要内容

一、蛋白质的分子组成二、蛋白质的分子结构三、蛋白质结构与功能的关系四、蛋白质的理化性质五、蛋白质的分离与纯化当前第15页\共有143页\编于星期六\11点

目的要求

掌握1.蛋白质一至四级结构的概念、要点、主要化学键及模体(motif)、结构域(domain)、分子伴侣(chaperon)的概念。2.蛋白质重要的理化性质。

熟悉1.蛋白质的分子组成特点；氨基酸的化学结构、分类、三字符号及理化性质；肽及多肽链的两端；谷胱甘肽。2.蛋白质分离和纯化的方法及其原理。

了解

1.蛋白质的生物学功能。2.蛋白质的分类；3.蛋白质结构与功能关系。

当前第16页\共有143页\编于星期六\11点一、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。是生物体内含量最多的并且具有重要生理功能的生物大分子。当前第17页\共有143页\编于星期六\11点二、蛋白质研究的历史1833年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。1864年，血红蛋白被分离并结晶。19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽。20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。20世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展；1962年，确定了血红蛋白的四级结构。20世纪90年代，功能基因组与蛋白质组研究地展开。当前第18页\共有143页\编于星期六\11点三、蛋白质的生物学重要性分布广：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.蛋白质是生物体重要组成成分当前第19页\共有143页\编于星期六\11点1）作为生物催化剂（酶）2）调节物质代谢（多肽激素）3）免疫保护作用（抗体）4）物质的转运和存储作用（转运蛋白和储存蛋白）5）运动与支持作用（肌肉收缩蛋白）6）参与细胞间信息传递（第二信使）7）参与凝血作用（凝血因子）2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能:每克蛋白质在体内氧化可释放约17Kj能量供机体利用。当前第20页\共有143页\编于星期六\11点蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节当前第21页\共有143页\编于星期六\11点组成蛋白质的元素主要有C（50~55%）、H（6~7%）、O（19%~24%）、N（13~19%）和S（0~4%）。

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

。当前第22页\共有143页\编于星期六\11点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当前第23页\共有143页\编于星期六\11点一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于L--氨基酸

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-氨基酸（甘氨酸除外）。生物界也存有D-氨基酸，但不是构成蛋白质的成分。用酸、碱或蛋白酶水解蛋白质，最终得到20种不同氨基酸，因此，组成蛋白质的基本单位是氨基酸。当前第24页\共有143页\编于星期六\11点OnlyL--aminoacidoccurinproteinStructuralfeaturesofL--aminoacidCHH3N+COO-R-chiralcarbon,不对称碳原子R-sidegroupEachaminoacid(exceptproline,glycine)hasacarboxylgroup,anaminogroup,andadistinctivesidechain(R-group)bondedtothe-carbonatom当前第25页\共有143页\编于星期六\11点H甘氨酸CH3丙氨酸L--氨基酸的通式RC+NH3COO-H当前第26页\共有143页\编于星期六\11点1.非极性脂肪族氨基酸：共6种，其侧链R基为疏水基团、其水溶性最小。2.极性中性氨基酸：共6种，具有极性中性侧链，水溶性大于前者。3.芳香族氨基酸：共有3种，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。其苯基疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下可解离。4.酸性氨基酸：其侧链含酸性基团羧基，共2种：天冬氨酸和谷氨酸。

5.碱性氨基酸：侧链含碱性基团氨基、胍基或咪唑基，共3种：赖氨酸、精氨酸和组氨酸。二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类当前第27页\共有143页\编于星期六\11点(一)非极性脂肪族氨基酸—侧链含烃链的氨基酸当前第28页\共有143页\编于星期六\11点(二)极性中性氨基酸—侧链有极性但不带电荷的氨基酸当前第29页\共有143页\编于星期六\11点(三)芳香族氨基酸—侧链含芳香基团的氨基酸p当前第30页\共有143页\编于星期六\11点(四)酸性氨基酸—侧链含负性解离基团的氨基酸当前第31页\共有143页\编于星期六\11点(五)碱性氨基酸—侧链含正性解离基团的氨基酸当前第32页\共有143页\编于星期六\11点几种特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸）在蛋白质合成后修饰时可被羟化为羟脯氨酸。当前第33页\共有143页\编于星期六\11点

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH当前第34页\共有143页\编于星期六\11点Name,Three-letterSymbol,andOne-letterSymbolalanine 丙氨酸 Ala Aarginine 精氨酸 Arg Rasparagine天冬酰氨 Asn Nasparticacid 天冬氨酸 Asp Dcystine 半胱氨酸 Cys Cglutamine 谷氨酰胺 Gln Qglutamicacid 谷氨酸 Glu Eglycine 甘氨酸 Gly Ghistidine 组氨酸 His Hleucine 亮氨酸 Leu Lisoleucine 异亮氨酸 Ile Ilysine 赖氨酸 Lys Kmethionine 甲硫氨酸 Met Mphenylalanine 苯丙氨酸 Phe Fproline 脯氨酸 Pro Pserine 丝氨酸 Ser Sthreonine 苏氨酸 Thr Ttryptophan 色氨酸 Trp Wtyrosine 酪氨酸 Tyr Yvaline 缬氨酸 Val V当前第35页\共有143页\编于星期六\11点三、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既含有酸性基团（－COOH）又含有碱性基团（－NH2），因此在酸性环境中结合质子而带正电荷，在碱性环境中失去质子而带负电荷。因此氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离性质，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当前第36页\共有143页\编于星期六\11点pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子当前第37页\共有143页\编于星期六\11点（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质芳香族氨基酸的色氨酸、酪氨酸分子含共轭双键，具有紫外吸收性质，其最大吸收峰在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当前第38页\共有143页\编于星期六\11点（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸+水合茚三酮热氨基酸氧化脱羧脱氨氧化产物+NH3+CO2水合茚三酮还原茚三酮还原物茚三酮紫蓝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。当前第39页\共有143页\编于星期六\11点四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链1.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）氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)当前第40页\共有143页\编于星期六\11点+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键当前第41页\共有143页\编于星期六\11点两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转当前第42页\共有143页\编于星期六\11点当前第43页\共有143页\编于星期六\11点2.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……依此类推。肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，已不是原来完整的氨基酸分子，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)。当前第44页\共有143页\编于星期六\11点氨基末端：N末端：多肽链中有游离α-氨基的一端。羧基末端：

C末端：多肽链中有游离α-羧基的一端。多肽链有两端：3.多肽链(polypeptidechain)：是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种链状结构。当前第45页\共有143页\编于星期六\11点N末端C末端牛核糖核酸酶当前第46页\共有143页\编于星期六\11点（二）体内存在多种重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)生物活性小肽，有三肽、寡肽和多肽，在神经传导、代谢调节、生长、发育、繁殖等生命过程中起重要作用。

当前第47页\共有143页\编于星期六\11点当前第48页\共有143页\编于星期六\11点Glutathionereductaseactsintwosteps:First,NADPHreducestheenzymeandsecondthereducesGSSGtoform2GSH.当前第49页\共有143页\编于星期六\11点谷胱甘肽的重要功能：

（1）保护作用：GSH的巯基具有还原性，它是体内的重要还原剂，可保护体内的蛋白质或酶分子中的巯基不被氧化，从而保护蛋白质或酶的生物活性。（2）抗氧化作用：细胞内的代谢中，常产生强氧化剂H2O2,可氧化细胞内的某些物质产生毒性。GSH可在酶的催化下使H2O2还原成水，解除毒性。GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+当前第50页\共有143页\编于星期六\11点（3）解毒作用：GSH的巯基具有噬核特性，能与外源性的噬电子毒物如：药物、致癌物等发生结合，阻止毒物与细胞内的DNA、RNA及蛋白质结合，避免毒物影响它们的功能。当前第51页\共有143页\编于星期六\11点

(1)肽类激素：许多激素属寡肽或多肽：如促甲状腺素释放激素(3肽).催产素(9肽).加压素(9肽).促肾上腺皮质激素(39肽)。⑵神经肽(neuropeptide)在神经传导过程中起信号转导作用如：脑啡肽.-内啡肽.强啡肽.孤啡肽等。痛觉抑制，镇痛。2.多肽类激素及神经肽当前第52页\共有143页\编于星期六\11点蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节当前第53页\共有143页\编于星期六\11点蛋白质的分子结构包括

一级结构(primarystructure)基本结构二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构蛋白质空间构象是蛋白质特性和功能的基础。有一条肽链形成的蛋白质只有1—3级结构，有两条或两条以上肽链形成的蛋白质才具有四级结构。当前第54页\共有143页\编于星期六\11点定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子中从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。二硫键是蛋白质肽链上两个半胱氨酸的巯基氧化而形成的共价键。如牛胰岛素一级结构。

当前第55页\共有143页\编于星期六\11点一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。当前第56页\共有143页\编于星期六\11点二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构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

二级结构的主要形式：-螺旋(-helix)、-折叠(-pleatedsheet)、-转角(-turn)、无规卷曲(randomcoil)。当前第57页\共有143页\编于星期六\11点（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上X线衍射证明：肽键中的C-N键长0.132nm，介于C-N单键长（0.149nm）和双键长（0.127nm）之间，故有一定双键性质，不能旋转，从而使参与肽键的6个原子被固定在同一个平面上。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

(peptideunit)

。两个单键的自由旋转角度，决定两个相邻肽单元平面的相对空间位置，从而形成二级结构的各种形式。当前第58页\共有143页\编于星期六\11点

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构蛋白质二级结构当前第59页\共有143页\编于星期六\11点-螺旋：（1）多肽链主链围绕中心轴有规律的盘绕上升，顺时针走向，形成右手螺旋。（2）每3.6个氨基酸残基形成一圈，螺距为0.54nm。（3）螺旋中每个肽键的N-H与前面相隔三个肽键（第四个肽键）的羰基氧（C=O)之间形成氢键。氢键的方向与螺旋轴平行，稳定螺旋结构。（4）多肽链上的氨基酸侧链伸向螺旋外侧。1951年，Pauling和Corey提出-螺旋结构模型，其结构特征是：当前第60页\共有143页\编于星期六\11点-螺旋

-螺旋结构是最常见形式，肌红蛋白.血红蛋白占70%，毛发角蛋白.肌球蛋白.表皮蛋白.纤维蛋白的肽链全长几乎都卷曲成-螺旋。几条-螺旋状的多肽链可缠绕在一起形成缆索状。

当前第61页\共有143页\编于星期六\11点（三）-折叠使多肽链形成片层结构-折叠的特征：（1）肽链伸展，每个肽单元以C为旋转点，相邻C向相反方向旋转，使肽单元平面呈折扇式折叠成锯齿状结构，氨基酸侧链R基交替位于上下方。（2）锯齿状结构较短，5-8个氨基酸残基。（3）两条肽链或一条肽链回折时，可使锯齿状结构平行排列，两条链走向相反，也可走向相同。形成氢键。反平行肽链间距为0.70nm。

当前第62页\共有143页\编于星期六\11点ModelofBetaSheetShowingH-BondingbetweenTwoStrandsoftheSheet.当前第63页\共有143页\编于星期六\11点（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在-转角1.-转角：常出现在肽链进行180回折时的转角上。特征：⑴由4个氨基酸残基构成，第一个氨基酸残基肽键上的C=O与第四个氨基酸残基肽键上的N-H形成氢键⑵第二个氨基酸残基常为脯氨酸。其他常见的还有Gly、Asp、Asn。

2.无规卷曲：是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构当前第64页\共有143页\编于星期六\11点（五）模体是具有特殊功能的超二级结构1.超二级结构的概念：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，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。2.常见的二级结构组合形式：有3种：αα，βαβ，ββ。当前第65页\共有143页\编于星期六\11点3.模体（motif）的概念：模体是具有特殊功能的超二级结构。是由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，称为模体(motif)

。每个模体都有特征性的氨基酸序列，并发挥特殊功能。

4.模体的常见形式：α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体（见于多种DNA结合蛋白）；链-β转角-链模体（见于反平行-折叠的蛋白质）；链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体（见于多种-螺旋/-折叠的蛋白质）。模体是具有特殊功能的超二级结构。当前第66页\共有143页\编于星期六\11点(a)amotif(b)ahairpinmotif(c)anmotif

当前第67页\共有143页\编于星期六\11点钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构钙结合模体：存在于钙结合蛋白。组成：由-螺旋-环--螺旋三个肽段组成作用：结合钙离子。通过环中几个恒定的亲水侧链末端氧原子以氢键结合钙离子。钙结合模体和锌结合模体锌结合模体：存在于锌指结构中。组成：由一个-螺旋和2个反平行的-折叠组成。形似手指，能结合锌离子故名。当前第68页\共有143页\编于星期六\11点（六）氨基酸残基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。1.多种带相同电荷的氨基酸相对集中的肽段，如多个酸性氨基酸聚集的肽段负电相斥；多个碱性氨基酸聚集的肽段正电相斥；影响-螺旋形成。2.侧链较大的氨基酸残基（天酰、亮），由于侧链的位阻作用，影响-螺旋形成。3.脯氨酸存在的部位，也不能形成-螺旋。4.氨基酸残基侧链较小的肽段才能容易形成β-折叠当前第69页\共有143页\编于星期六\11点三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。主要的化学键:是指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。定义:（一）蛋白质三级结构的概念：

具有二级结构的多肽链，按照一定的规律进一步盘绕折叠，通过氨基酸侧链R基团的相互作用形成非共价键连接构成一定的空间构象，即为蛋白质三级结构。形成:当前第70页\共有143页\编于星期六\11点当前第71页\共有143页\编于星期六\11点肌红蛋白(Mb)N端C端单链蛋白，153个氨基酸残基构成,-螺旋占75%，8个螺旋区（A.B.C.D.E.F.G.H)两个螺旋区之间有一段无规卷曲；有几个β-折叠，Pro在转角处。非共价键连接，球形结构。内部疏水基团，表面亲水基团

（二）举例：肌红蛋白的三级结构当前第72页\共有143页\编于星期六\11点（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区大多数结构域含有序列上连续的100~200个氨基酸残基，用限制性蛋白酶水解时，含多个结构域的蛋白质常分成数个结构域，各结构域的构象基本不变，说明结构域是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维结构。

分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域(domain)。

纤连蛋白分子的结构域

当前第73页\共有143页\编于星期六\11点（三）分子伴侣参与蛋白质折叠1.分子伴侣的定义：分子伴侣(chaperon)是一类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的蛋白质。⑴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，可防止肽链错误的聚集发生，使肽链正确折叠。

2.分子伴侣的作用：在蛋白质合成时肽链的正确折叠中发挥作用。许多分子伴侣是ATP酶，与未折叠的多肽结合后，水解ATP释放能量，使多肽折叠成合适构象时释放当前第74页\共有143页\编于星期六\11点3.分子伴侣的类型：目前已知参与蛋白质折叠的分子伴侣分为三种类型：①热休克蛋白70（Hsp70）；②伴侣蛋白；③核质蛋白。⑵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。⑶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。因为只有肽链上二个特定位置的半胱氨酸正确对位形成二硫键，才能使蛋白质形成正确的空间构象。如果二硫键错配，影响蛋白质正常空间构象的形成。有些分子伴侣具有二硫键形成酶的活性。

当前第75页\共有143页\编于星期六\11点伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用当前第76页\共有143页\编于星期六\11点四级结构中，二个结构不同亚基组成，称异二聚体，二个相同亚基组成，称同二聚体。亚基单独存在无活性，必须形成完整的四级结构才有生物活性。

四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构2.维持键：主要是氢键和离子键。

1.概念：有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，才能表达生物功能。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。亚基之间以非共价键连接维持特定的三维空间排布。这种蛋白质分子中各个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。

当前第77页\共有143页\编于星期六\11点

3.举例：血红蛋白是由2β2亚基组成的四聚体，两种亚基具有相似的三级结构，四个亚基通过8条盐键连接构成四级结构。每个亚基结合1个辅基血红素，具有运氧和CO2的功能。每个亚基单独存在时，虽能结合氧且与氧的亲和力增强，但在组织中不能释放氧，失去运氧功能。

血红蛋白的四级结构当前第78页\共有143页\编于星期六\11点当前第79页\共有143页\编于星期六\11点当前第80页\共有143页\编于星期六\11点五、蛋白质的分类(一）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（辅基）常见的辅基：有色化合物.寡糖.脂类.金属离子、磷酸、核酸。如细胞色素、免疫球蛋白。

（二）根据蛋白质形状

1.纤维状蛋白质：形似纤维，长轴：短轴=10：1以上。多为结构蛋白，如胶原蛋白。难溶于水。2.球状蛋白质：球形或椭圆形，多溶于水。生理活性蛋白质，如酶、转运蛋白、免疫球蛋白、蛋白质激素等。当前第81页\共有143页\编于星期六\11点六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。（二）蛋白质组学研究技术平台

蛋白质组学的研究通常是高通量，高效率的研究，其基本技术路线主要包括：

1.双向电泳分离样品蛋白质：样品中的不同蛋白质可通过双向电泳进行分离，然后通过高灵敏度的染色（银染、荧光染色），可分离得到数千种蛋白质。当前第82页\共有143页\编于星期六\11点

2.蛋白质点的定位、切取：染色后的凝胶利用凝胶图像分析系统成像，对蛋白质点进行定量分析，对感兴趣的蛋白质点进行定位与切取，一般经酶切后再脱盐或浓缩，得到所感兴趣的蛋白质。

3.蛋白质点的质谱分析：将上述处理后得到的蛋白质点样在特殊材料表面上，在质谱系统中进行分析，从而得到蛋白质的定性数据，与已有的数据库进行比较，获得蛋白质信息。

当前第83页\共有143页\编于星期六\11点（三）蛋白质组学研究的科学意义蛋白质组学的研究不仅能解析基因表达产物——蛋白质的表达与功能的全貌，为生命活动规律提供物质基础，而且为阐明及攻克多种疾病的发生、发展机制提供理论依据和解决途径。当前第84页\共有143页\编于星期六\11点蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节当前第85页\共有143页\编于星期六\11点（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键26849540587265当前第86页\共有143页\编于星期六\11点天然状态，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，无活性当前第87页\共有143页\编于星期六\11点大量实验证明：一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和功能也相似。（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能不同哺乳动物的胰岛素分子都有A、B两条链组成，并且二硫键的配对位置和空间构象也极为相似，只是一级结构仅有个别氨基酸差异，因此它们都有相同的生理功能。

当前第88页\共有143页\编于星期六\11点哺乳动物胰岛素氨基酸序列的差异胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10B30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla当前第89页\共有143页\编于星期六\11点（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochromeC)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。物种间的亲缘关系越接近，Cytc一级结构越相似，其空间构象和功能也越相似。如猕猴与人类亲缘关系很接近，两者Cytc一级结构之差一个氨基酸残基；人类和猩猩亲缘关系最接近，其Cytc一级结构完全相同。而其他动物与人类亲缘关系较远，其Cytc一级结构也相差较多。

当前第90页\共有143页\编于星期六\11点（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病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”。蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替换，都会严重影响其空间构象和功能，甚至导致疾病发生。例：镰刀形红细胞贫血。当前第91页\共有143页\编于星期六\11点PrimarystructureandfunctionPrimarystructuredeterminesfunction当前第92页\共有143页\编于星期六\11点当前第93页\共有143页\编于星期六\11点Mb和Hb都以血红素为辅基的蛋白质，血红素是铁卟啉化合物，是由4个吡环连接环化形成的环状结构，Fe2+位于中央。Fe2+6有个配位键，其中4个与吡环环的N配位结合，1个配位键与肌红蛋白的93位组氨酸残基结合，第6个配位键与氧结合，接近64位组氨酸。

血红素结构二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似蛋白质的特殊功能，取决于其特定空间构象，因此，功能与构象之间存在着密切关系。如肌红蛋白和血红蛋白。

当前第94页\共有143页\编于星期六\11点Myoglobin(Mb):composedof8-helices.Hemeisburied.当前第95页\共有143页\编于星期六\11点肌红蛋白(myoglobin，Mb)

肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构,称A.B.C.D.E.F.G.H肽段。球形结构，疏水侧链在内，亲水侧链在外，良好亲水性。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。当前第96页\共有143页\编于星期六\11点血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白是由4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。1分子Hb共结合4分子氧。

成人Hb22，亚基141个氨基酸，亚基146个氨基酸。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。当前第97页\共有143页\编于星期六\11点当前第98页\共有143页\编于星期六\11点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。用氧分压为横座标，氧饱和度为纵座标作图绘制氧解离曲线。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合当前第99页\共有143页\编于星期六\11点肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线Hb的氧解离曲线为S型，Mb的氧解离曲线为直角双曲线。可见Mb易与氧结合，而Hb在氧分压低时较难结合氧，随着氧分压增高Hb结合氧的速度加快，故形成S形曲线。当前第100页\共有143页\编于星期六\11点曲线说明，Hb的4个亚基结合O2时具有不同平衡常数，第1个亚基结合O2的平衡常数最小，一次递增，第4个最大，所以曲线后半段呈直线上升。根据S形曲线的特征可知，Hb亚基结合O2存在协同效应，即当Hb的第一个亚基与O2结合后，促进了第二个亚基与O2结合，第二个亚基与O2结合后，又促进第三个亚基与O2结合，第三个亚基与O2结合后，又大大促进第四个亚基与结合，这就是亚基间的协同效应.当前第101页\共有143页\编于星期六\11点协同效应(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)当前第102页\共有143页\编于星期六\11点Hb未结合氧时，Hb的α1/β1和α2/β2亚基呈对角排列，结构较紧密，称为紧张态（T），T态Hb与氧的亲和力小，随着与氧的结合，4个亚基间的盐键断裂，Hb的空间结构发生改变，使α1/β1和α2/β2的长轴形成150的夹角，结构相对松弛，由T态变为R态（松弛态），Hb完成了4分子氧的结合。解释Hb结合O2的协同效应理论，是通过用X线衍射法在分析Hb和氧合Hb结晶的三维结构图谱基础上提出的，该理论认为：当前第103页\共有143页\编于星期六\11点当前第104页\共有143页\编于星期六\11点TstateRstate-O2+O2当前第105页\共有143页\编于星期六\11点O2Hb未结合氧时，血红素中铁原子半径大于卟啉环中间的孔径，Fe不能进入卟啉环中间的小孔，高出卟啉平面0.075nm，靠近F8肽段组氨酸残基。当第一分子氧与血红素Fe2+以配位键结合后，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。当前第106页\共有143页\编于星期六\11点变构效应(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。Hb的亚基结合O2后引起亚基构象改变，使Hb结合的O2能力改变，称为Hb结合氧的变构效应。Hb称为变构蛋白，O2分子称为变构剂或效应剂变构效应普遍存在，如酶与变构剂结合，激素与相应受体结合等都存在变构效应。当前第107页\共有143页\编于星期六\11点（三）蛋白质构象改变可引起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。此类疾病被称为蛋白质构象疾病。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。当前第108页\共有143页\编于星期六\11点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-折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变当前第109页\共有143页\编于星期六\11点第四节蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein当前第110页\共有143页\编于星期六\11点一、蛋白质具有两性电离的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，如谷氨酸和天冬氨酸侧链上的羧基，赖氨酸侧链上的氨基，精氨酸侧链的胍基等，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。NH3+

NH3+NH2

PPPCOOHCOO-COO-蛋白质阳离子蛋白质兼性离子蛋白质阴离子（等电点）+OH-+H-+OH-+H+当前第111页\共有143页\编于星期六\11点蛋白质的等电点(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。

蛋白质溶液的pH小于蛋白质等电点时，蛋白质带正电荷；蛋白质溶液的pH大于蛋白质等电点时，蛋白质带负电荷。人体各种蛋白质的pI不同，大多数接近pH5.0，在体液pH7.4的条件下，解离成阴离子带负电荷。少数因含酸性氨基酸较多，pI偏酸，称酸性蛋白质，如胃蛋白酶等；少数因含碱性氨基酸较多，pI偏碱，称碱性蛋白质,如组蛋白等。当前第112页\共有143页\编于星期六\11点二、蛋白质具有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，因此属于胶体物质。蛋白质之所以能形成稳定的胶体水溶液，取决于两个稳定因素：

2.表面电荷：颗粒表面基团解离而带电荷，同种电荷相斥，防止蛋白质聚集而沉淀。

1.表面水化膜：由于蛋白质颗粒表面多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒表面形成一层水化膜。如果设法除去蛋白质的两个稳定因素，蛋白质就会从溶液中沉淀析出。当前第113页\共有143页\编于星期六\11点+++++++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当前第114页\共有143页\编于星期六\11点三、蛋白质空间结构破坏而引起变性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。蛋白质的变性(denaturation)变性的本质:——破坏非共价键和二硫键，空间构象改变，而肽键没有破坏，不改变蛋白质的一级结构。当前第115页\共有143页\编于星期六\11点造成变性的因素: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。

变性后理化性质及生物学性质的改变：溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失，生物活性丧失、易被蛋白酶水解。

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。

当前第116页\共有143页\编于星期六\11点*蛋白质的复性：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)。例如：核糖核酸酶。

如果变性程度严重，除去变性因素后仍不能复原，称为不可逆变性。当前第117页\共有143页\编于星期六\11点天然状态，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，无活性当前第118页\共有143页\编于星期六\11点在一定条件下，蛋白质的疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。蛋白质变性后形成不溶性的絮状物，此絮状物仍可溶于强酸、强碱中，但再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。

蛋白质沉淀蛋白质的凝固作用(proteincoagulation)当前第119页\共有143页\编于星期六\11点四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰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。当前第120页\共有143页\编于星期六\11点蛋白质经水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应生成紫兰色，从而用于蛋白质含量测定

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。五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量茚三酮反应(ninhydrinreaction)双缩脲反应(biuretreaction)当前第121页\共有143页\编于星期六\11点第五节蛋白质的分离纯化与结构分析TheSeparationandPurificationandStructureAnalysisofProtein当前第122页\共有143页\编于星期六\11点一、透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物透析(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。蛋白质是高分子物质，性质之一是不能透过半透膜。据此，用具有超小微孔的半透膜如硝酸纤维素膜制成透析袋，将混有小分子杂质的蛋白质溶液装入透析袋内，放于水中。由于透析袋的微孔只能通过MW1万以下的物质，小分子杂质进入水中，蛋白质保留袋内，从而被分离纯化。袋外吸水剂—聚乙二醇蛋白质被浓缩。

当前第123页\共有143页\编于星期六\11点二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质沉淀方法丙酮沉淀法：丙酮、乙醇等有机溶剂沉淀蛋白质的原理是破坏蛋白质的两个稳定因素，使其沉淀。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。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。超滤法当前第124页\共有143页\编于星期六\11点盐析(saltprecipitation)是将中性盐硫酸铵、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。

由于各种蛋白质盐析时所需盐浓度和pH不同，所以可调整中性盐浓度和pH使各种蛋白质分别析出而分离。例如：血浆白蛋白和球蛋白的分离：调pH7.0左右，加硫酸铵半饱和—球蛋白沉淀析出；加硫酸铵全饱和—白蛋白沉淀析出。用盐析法可得蛋白质粗制品，要得纯品需再用其他方法加以纯化。当前第125页\共有143页\编于星期六\11点免疫沉淀法：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。当前第126页\共有143页\编于星期六\11点三、利用荷电性质可用电泳法将蛋白质分离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。当前第127页\共有143页\编于星期六\11点薄膜电泳：

将蛋白质样品点在薄膜上置电泳槽中，两端分别置正负电压，如果蛋白质带正电荷就向负极移动，带负电荷就向正极移动。凡带电荷多而分子量小的移动速度快，带电荷少而分子量大的移动速度慢，从而使蛋白质被分离。当前第128页\共有143页\编于星期六\11点凝胶电泳：采用各种凝胶作支持物，常用琼脂糖凝胶、淀粉凝胶及聚丙烯酰胺凝胶。先将凝胶加至玻璃板或玻璃管内制成凝胶板或凝胶柱，将蛋白质样品加在凝胶板或凝胶柱一端，放于电泳槽内，两端加正负电极。带电荷