蛋白质的结构及功能

生物化学就是生命的化学。它是研究活细胞和有机体中存在的各种化学分子及其所参与的化学反应的科学。当前第1页\共有104页\编于星期六\11点

一、生物化学发展简史二、生物化学研究内容三、生物化学与医学四、本课内容简介当前第2页\共有104页\编于星期六\11点

生物化学研究内容

生物分子的结构与功能物质代谢及其调节遗传信息的传递及其调控当前第3页\共有104页\编于星期六\11点

生物化学与医学

生物化学的理论与技术已渗透到医学科学的各个领域生物化学在生命科学中占有重要的地位生物化学的发展促进了疾病病因、诊断和治疗的研究当前第4页\共有104页\编于星期六\11点

本课内容简介（一）蛋白质的结构与功能酶生物氧化糖代谢脂类代谢氨基酸代谢当前第5页\共有104页\编于星期六\11点

本课内容简介（二）核酸的结构与功能核苷酸代谢基因信息的传递细胞信息传递癌基因、抑癌基因与生长因子血液的生化当前第6页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质的结构与功能第一章StructureandFunctionofProtein当前第7页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质(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。当前第8页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体的重要组成成分2.蛋白质具有重要的生物学功能

1）作为生物催化剂

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）参与细胞间信息传递3.氧化供能当前第9页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节当前第10页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质的元素组成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还含有I。当前第11页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质的含氮量平均为16％。通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25蛋白质元素组成的特点当前第12页\共有104页\编于星期六\11点一、氨基酸

——蛋白质的基本组成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--氨基酸（甘氨酸除外）。当前第13页\共有104页\编于星期六\11点H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R当前第14页\共有104页\编于星期六\11点非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类当前第15页\共有104页\编于星期六\11点1.侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸当前第16页\共有104页\编于星期六\11点2.侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸当前第17页\共有104页\编于星期六\11点3.侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸当前第18页\共有104页\编于星期六\11点4.侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸当前第19页\共有104页\编于星期六\11点5.侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸当前第20页\共有104页\编于星期六\11点

几种特殊氨基酸Gly：无手性碳原子。Pro：为环状亚氨基酸。Cys：可形成二硫键。当前第21页\共有104页\编于星期六\11点当前第22页\共有104页\编于星期六\11点修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生的。

当前第23页\共有104页\编于星期六\11点（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点2.紫外吸收3.茚三酮反应当前第24页\共有104页\编于星期六\11点二、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(peptide)当前第25页\共有104页\编于星期六\11点多肽链(polypeptidechain)二肽，三肽……寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide)氨基酸残基(residue)：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)。氨基末端（aminoterminal）和羧基末端（carboxylterminal）主链和侧链当前第26页\共有104页\编于星期六\11点多肽链当前第27页\共有104页\编于星期六\11点

多肽链当前第28页\共有104页\编于星期六\11点（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)结构:当前第29页\共有104页\编于星期六\11点谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸的-羧基形成肽键－SH为活性基团为酸性肽是体内重要的还原剂当前第30页\共有104页\编于星期六\11点GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+主要功能:当前第31页\共有104页\编于星期六\11点肽类激素：如促甲状腺素释放激素（TRH）神经肽(neuropeptide)2.肽类激素及神经肽当前第32页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节当前第33页\共有104页\编于星期六\11点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)高级结构当前第34页\共有104页\编于星期六\11点定义：蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一、蛋白质的一级结构主要化学键：肽键二硫键的位置属于一级结构研究范畴。当前第35页\共有104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。胰岛素的一级结构3021当前第36页\共有104页\编于星期六\11点二、蛋白质的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：稳定因素：

氢键

当前第37页\共有104页\编于星期六\11点多肽链当前第38页\共有104页\编于星期六\11点（一）肽单元(peptideunit)参与组成肽键的6个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。当前第39页\共有104页\编于星期六\11点肽单元HHHH当前第40页\共有104页\编于星期六\11点当前第41页\共有104页\编于星期六\11点

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)

当前第42页\共有104页\编于星期六\11点（二）-螺旋结构要点:

①多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧。②每圈螺旋含3.6个氨基酸，螺距为0.54nm。③每个肽键的氨基氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。当前第43页\共有104页\编于星期六\11点当前第44页\共有104页\编于星期六\11点当前第45页\共有104页\编于星期六\11点（三）-折叠①多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。②两段以上的β-折叠结构平行排列，两链间可顺向平行，也可反向平行。③两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β-折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。

当前第46页\共有104页\编于星期六\11点当前第47页\共有104页\编于星期六\11点当前第48页\共有104页\编于星期六\11点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。当前第49页\共有104页\编于星期六\11点（四）-转角和无规卷曲-转角：无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。①肽链内形成180º回折。②含4个氨基酸残基，第一个残基的羰基氧与第四个残基的氨基氢形成氢键。③第二个氨基酸残基常为Pro。当前第50页\共有104页\编于星期六\11点-转角：当前第51页\共有104页\编于星期六\11点（五）模体是具有特殊功能的超二级结构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。细胞色素C的αα结构细胞核抗原的βαβ结构

纤溶酶原的ββ结构当前第52页\共有104页\编于星期六\11点模体蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体(motif)。当前第53页\共有104页\编于星期六\11点钙结合蛋白中结合钙离子的模体EFhandα-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体当前第54页\共有104页\编于星期六\11点锌指结构zincfingerDNA结合蛋白α-螺旋-β折叠-β折叠模体当前第55页\共有104页\编于星期六\11点三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。稳定因素：整条肽链中所有原子在三维空间的排布位置。定义当前第56页\共有104页\编于星期六\11点

肌红蛋白(Mb)myoglobin153AA1HemeA~H八段α-螺旋无-S-S-键功能：储存O2当前第57页\共有104页\编于星期六\11点当前第58页\共有104页\编于星期六\11点结构域(domain)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)。3-磷酸甘油醛脱氢酶当前第59页\共有104页\编于星期六\11点分子伴侣(chaperon)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一类蛋白质。*可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可使肽链正确折叠。（粘扣带）*与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。*对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。作用：当前第60页\共有104页\编于星期六\11点亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构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，每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基(subunit)。当前第61页\共有104页\编于星期六\11点血红蛋白（Hb）的四级结构当前第62页\共有104页\编于星期六\11点当前第63页\共有104页\编于星期六\11点血红蛋白的一、二、三、四级结构一级结构：相邻AA间的共价结合二级结构：短距离AA之间的非共价连接三级结构：远距离AA之间的非共价连接四级结构：多肽链之间的非共价连接当前第64页\共有104页\编于星期六\11点含有二条以上多肽链的蛋白质一定具有四级结构。亚基之间的结合主要是氢键和离子键（非共价键）只有一条多肽链的蛋白质肯定没有四级结构。多分子聚合物不属于四级结构当前第65页\共有104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66页\共有104页\编于星期六\11点（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构与功能的关系牛核糖核酸酶的一级结构二硫键当前第67页\共有104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68页\共有104页\编于星期六\11点（二）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血（SickleCellAnemia）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”。当前第69页\共有104页\编于星期六\11点使血红蛋白的溶解度下降。在氧张力低的毛细血管区,HbS形成凝胶化导致红细胞扭曲、僵硬，不能通过毛细血管,凝胶状HbS使血液的黏滞度增大,阻塞毛细血管,引起局部组织器官缺血缺氧,产生脾肿大、胸腹疼痛。非洲40%携带，患者对疟疾的感染有显著抵抗力。

当前第70页\共有104页\编于星期六\11点（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当前第71页\共有104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。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧当前第72页\共有104页\编于星期六\11点肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线当前第73页\共有104页\编于星期六\11点当前第74页\共有104页\编于星期六\11点当前第75页\共有104页\编于星期六\11点当前第76页\共有104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。促进作用称为正协同效应(positivecooperativity)抑制作用称为负协同效应(negativecooperativity)当前第77页\共有104页\编于星期六\11点变构效应(allostericeffect)凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质（或亚基）功能的变化，称为蛋白质的变构效应。当前第78页\共有104页\编于星期六\11点（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象病：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。当前第79页\共有104页\编于星期六\11点蛋白质构象病的机理：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80页\共有104页\编于星期六\11点疯牛病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-折叠正常疯牛病当前第81页\共有104页\编于星期六\11点PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病当前第82页\共有104页\编于星期六\11点第四节蛋白质的理化性质与分离纯化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein当前第83页\共有104页\编于星期六\11点（一）蛋白质的两性电离一、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。当前第84页\共有104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。利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。当前第85页\共有104页\编于星期六\11点（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当前第86页\共有104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+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－当前第87页\共有104页\编于星期六\11点（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固*蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。当前第88页\共有104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。

变性的本质：——

破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。当前第89页\共有104页\编于星期六\11点

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。

蛋白质变性后的性质改变：溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。当前第90页\共有104页\编于星期六\11点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。复性(renaturation)当前第91页\共有104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92页\共有104页\编于星期六\11点*蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，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。

当前第93页\共有104页\编于星期六\11点（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。当前第94页\共有104页\编于星期六\11点（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。蓝紫色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。当前第95页\共有104页\编于星期六\11点二、蛋白质的分离和纯化（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