蛋白质的结构和功能3

概述1.什么是蛋白质?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。本文档共99页；当前第1页；编辑于星期三\18点6分2.蛋白质的生物学重要性2-1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织、细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：占人体干重的45％；脾、肺及横纹肌等高达80％。本文档共99页；当前第2页；编辑于星期三\18点6分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）参与细胞间信息传递2-2.蛋白质具有重要的生物学功能2-3.氧化供能本文档共99页；当前第3页；编辑于星期三\18点6分第1节蛋白质的分子组成Section1theMolecularComponentofProtein本文档共99页；当前第4页；编辑于星期三\18点6分蛋白质的元素组成蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近且恒定，平均为16％。通过测定生物样品中的含氮量，再根据以下公式推算蛋白质的大致含量：主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%本文档共99页；当前第5页；编辑于星期三\18点6分1.氨基酸氨基酸是组成蛋白质的基本单位。组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且多属L-氨基酸（仅甘氨酸除外）。L-glyceraldehyde(anL-sugar)L-serine(anL-AA)本文档共99页；当前第6页；编辑于星期三\18点6分氨基酸的结构通式H甘氨酸CH3丙氨酸氨基酸的通式R本文档共99页；当前第7页；编辑于星期三\18点6分1-1氨基酸的分类1）非极性脂肪族氨基酸2）极性中性氨基酸3）芳香族氨基酸4）酸性氨基酸5）碱性氨基酸*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:｝本文档共99页；当前第8页；编辑于星期三\18点6分1-1-1非极性脂肪族氨基酸(侧链含烃链)本文档共99页；当前第9页；编辑于星期三\18点6分1-1-2极性中性氨基酸(侧链有极性但不带电荷)本文档共99页；当前第10页；编辑于星期三\18点6分1-1-3芳香族氨基酸(侧链含芳香基团)本文档共99页；当前第11页；编辑于星期三\18点6分1-1-4酸性氨基酸(侧链含负性解离基团)本文档共99页；当前第12页；编辑于星期三\18点6分1-1-5碱性氨基酸(侧链含正性解离基团)本文档共99页；当前第13页；编辑于星期三\18点6分几种特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸）半胱氨酸(含巯基)本文档共99页；当前第14页；编辑于星期三\18点6分+胱氨酸二硫键-HH本文档共99页；当前第15页；编辑于星期三\18点6分1-2氨基酸的理化性质1-2-1.两性解离及等电点等电点(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。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。本文档共99页；当前第16页；编辑于星期三\18点6分pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子本文档共99页；当前第17页；编辑于星期三\18点6分怎样确定氨基酸pI酸碱滴定根据酸碱基团pKa计算中性氨基酸pI酸性氨基酸pI碱性氨基酸pI本文档共99页；当前第18页；编辑于星期三\18点6分1-2-2.紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收Trp、Tyr(含共轭双键)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。本文档共99页；当前第19页；编辑于星期三\18点6分1-2-3茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，大多可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此峰值与氨基酸的含量存在正比关系，可作为氨基酸定量分析方法。(氧化脱羧脱氨)本文档共99页；当前第20页；编辑于星期三\18点6分2.肽2-1肽(peptide)*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*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。本文档共99页；当前第21页；编辑于星期三\18点6分+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键本文档共99页；当前第22页；编辑于星期三\18点6分*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)。本文档共99页；当前第23页；编辑于星期三\18点6分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。本文档共99页；当前第24页；编辑于星期三\18点6分N末端C末端牛核糖核酸酶本文档共99页；当前第25页；编辑于星期三\18点6分2-2几种重要的生物活性肽2-2-1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)本文档共99页；当前第26页；编辑于星期三\18点6分GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换本文档共99页；当前第27页；编辑于星期三\18点6分

体内许多激素属寡肽或多肽神经肽(neuropeptide)2-2-2.多肽类激素及神经肽本文档共99页；当前第28页；编辑于星期三\18点6分第2节蛋白质的分子结构Section2theMolecularStructureofProtein本文档共99页；当前第29页；编辑于星期三\18点6分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)高级结构本文档共99页；当前第30页；编辑于星期三\18点6分1.蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序。稳定蛋白质一级结构的主要化学键是肽键，有些蛋白质还包括二硫键。蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础，但不是唯一的因素。本文档共99页；当前第31页；编辑于星期三\18点6分本文档共99页；当前第32页；编辑于星期三\18点6分2.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链中某个肽段的主链骨架原子的相对空间位置。主链骨架原子包括N(H)，C(O)和相邻的2个C。稳定蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。本文档共99页；当前第33页；编辑于星期三\18点6分2-1肽单元或肽单位(peptideunit)57°47°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。本文档共99页；当前第34页；编辑于星期三\18点6分2-2二级结构的主要形式

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)无规卷曲(randomcoil)

本文档共99页；当前第35页；编辑于星期三\18点6分2-2-1-螺旋肽段主链围绕中心轴做有规律的螺旋式上升,螺旋走向为顺时针(右手螺旋).肽单位(肽平面)围绕N-Cα键旋转57°(Phi角)或绕C-Cα键旋转47°(Psi角).氨基酸侧链伸向螺旋外侧.每3.6个氨基酸残基上升一圈(360°),螺距为0.54nm.每个肽键的N-H和第四个肽键的C=O形成与长轴平行的氢键.2Cα间距0.15nm。本文档共99页；当前第36页；编辑于星期三\18点6分本文档共99页；当前第37页；编辑于星期三\18点6分影响-螺旋形成的因素氨基酸结构刚性(Pro)氨基酸形成离子键或静电斥力

(Glu/Asp/His/Lys/Arg)氨基酸侧链大小(Val/Ile)本文档共99页；当前第38页；编辑于星期三\18点6分2-2-2-折叠

伸展(2C间的距离达0.35nm)

瘦长/弯曲/桶状，两链同向或反向在不同链或同一条链不同片段形成氢键侧链突出在折叠的上方或下方强度大,有刚性本文档共99页；当前第39页；编辑于星期三\18点6分2-2-3-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。

常由4个AA残基组成

1stAA-C=O与4thAA-N-H形成氢键

2ndAA是Pro或Gly/Asp/Asn/Trp

形似发夹反向常见于反向平行末端本文档共99页；当前第40页；编辑于星期三\18点6分2-3超二级结构(模体/模序，motif)二级结构组合形式如：

，β

β，ββ。在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近所形成的有规则的二级结构组合，被称为模体(motif)。模体是赋予功能含义的超二级结构。本文档共99页；当前第41页；编辑于星期三\18点6分

本文档共99页；当前第42页；编辑于星期三\18点6分钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构本文档共99页；当前第43页；编辑于星期三\18点6分2-4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。本文档共99页；当前第44页；编辑于星期三\18点6分theconformationalpreferencesofthe20AAsforthe

-helixGlu、Met、Ala、LeuLys、Phe、Gln、Trp、Ile、ValAsp、HisCys、Ser、Thr、ArgAsn、TyrGly、ProStrongWeakWeak(usuallyfoundinthebeta-reverseturn)本文档共99页；当前第45页；编辑于星期三\18点6分3.蛋白质的三级结构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。在二级结构基础上进一步折叠形成天然结构/功能结构稳定因素：疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。本文档共99页；当前第46页；编辑于星期三\18点6分本文档共99页；当前第47页；编辑于星期三\18点6分肌红蛋白(Mb)三级结构N端

C端本文档共99页；当前第48页；编辑于星期三\18点6分3-1结构域(domain)较大的蛋白质分子中折叠形成的

结构较为紧密的具独特空间构象的并各行其功能的局部区域称之纤连蛋白分子的结构域本文档共99页；当前第49页；编辑于星期三\18点6分3-2分子伴侣(chaperon)*热休克蛋白70(Hsp70)*伴侣蛋白(chaperonin)(如Hsp60/GroEL、GroES)*核质蛋白(nucleoplasmin)是为加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构提供合适微环境的一类蛋白质。本文档共99页；当前第50页；编辑于星期三\18点6分*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。本文档共99页；当前第51页；编辑于星期三\18点6分本文档共99页；当前第52页；编辑于星期三\18点6分4.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。含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每条具有完整三级结构的多肽链称为蛋白质的亚基(subunit)。亚基间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。本文档共99页；当前第53页；编辑于星期三\18点6分血红蛋白的四级结构本文档共99页；当前第54页；编辑于星期三\18点6分5.蛋白质组学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”。蛋白质组学是研究细胞或机体全部蛋白质的表达及其活动方式(包括翻译后修饰、转运定位、结构变化、蛋白质间相互作用等)，揭示蛋白质功能与生命活动规律的一个新的研究领域。本文档共99页；当前第55页；编辑于星期三\18点6分蛋白质组学是高通量，高效率的研究，其研究技术平台：双向电泳分离样品蛋白质蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析蛋白质组学研究的科学意义阐明生命在生理或病理状态下的变化规律疾病诊断、新药筛选、农业、环保等本文档共99页；当前第56页；编辑于星期三\18点6分第3节蛋白质结构与功能的关系Section3TheRelationofStructure&FunctionofProtein本文档共99页；当前第57页；编辑于星期三\18点6分1.蛋白质一级结构与功能的关系1-1一级结构是空间结构的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键本文档共99页；当前第58页；编辑于星期三\18点6分天然状态，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，无活性牛核糖核酸酶本文档共99页；当前第59页；编辑于星期三\18点6分1-2一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构和功能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本文档共99页；当前第60页；编辑于星期三\18点6分1-3一级结构提供重要的生物进化信息细胞色素(cytochromeC)的进化树本文档共99页；当前第61页；编辑于星期三\18点6分表：细胞色素C的种属差异量（以人CytC为参照）生物名称黑猩猩恒河猴兔袋鼠鲸牛猪羊狗骡马残基差异数0191010

10

101112生物名称鸡、火鸡响尾蛇乌龟狗、鱼蛾小麦面包霉酵母残基差异数1314153131354345同一种蛋白质一级结构差异愈小，物种间进化愈接近本文档共99页；当前第62页；编辑于星期三\18点6分1-4一级结构改变可引起疾病例如：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)由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。本文档共99页；当前第63页；编辑于星期三\18点6分2.蛋白质空间结构与功能的关系2-1Hb亚基与Mb空间结构相似，都具有运输氧气的功能MbHbαHbβHbA本文档共99页；当前第64页；编辑于星期三\18点6分2-2Hb亚基构象变化可影响亚基与氧结合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。O2saturationpO2(mmHg)P50P50Hb和Mb的氧结合/解离曲线S型矩型本文档共99页；当前第65页；编辑于星期三\18点6分变构效应(allostericeffect)又称别构效应。是指寡聚体蛋白质与其配体结合后，引起该蛋白质分子的构象变化，而导致其活性改变的现象。本文档共99页；当前第66页；编辑于星期三\18点6分*协同效应(cooperativity)寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中其他亚基与配体结合能力的现象，称之。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)本文档共99页；当前第67页；编辑于星期三\18点6分Deoxy-HbOxy-Hb本文档共99页；当前第68页；编辑于星期三\18点6分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。本文档共99页；当前第69页；编辑于星期三\18点6分2-3蛋白质构象改变与疾病

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。这类疾病如：人纹状体脊髓变性病、脑退行性疾病、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。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。本文档共99页；当前第70页；编辑于星期三\18点6分PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病本文档共99页；当前第71页；编辑于星期三\18点6分第4节蛋白质的理化性质Section4ThePhysical&ChemicalCharactersofProtein本文档共99页；当前第72页；编辑于星期三\18点6分1.蛋白质的两性解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条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团。

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(isoelectricpoint,pI)

。本文档共99页；当前第73页；编辑于星期三\18点6分2.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1万至数百万kD，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。

稳定蛋白质胶体的因素：颗粒表面电荷、水化膜。本文档共99页；当前第74页；编辑于星期三\18点6分+++++++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本文档共99页；当前第75页；编辑于星期三\18点6分3.蛋白质的变性、凝固和沉淀蛋白质的变性(denaturation)是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。

变性蛋白质的特征：（二硫键、非共价键破坏，溶解度降低，黏度增加，不易结晶，易沉淀，易被蛋白酶水解，生物学活性丧失）本文档共99页；当前第76页；编辑于星期三\18点6分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。本文档共99页；当前第77页；编辑于星期三\18点6分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。

本文档共99页；当前第78页；编辑于星期三\18点6分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)。天然状态，有催化活性非折叠状态，无活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素、β-巯基乙醇本文档共99页；当前第79页；编辑于星期三\18点6分*蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融合相互缠绕继而聚集，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。

本文档共99页；当前第80页；编辑于星期三\18点6分4.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。本文档共99页；当前第81页；编辑于星期三\18点6分5.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。本文档共99页；当前第82页；编辑于星期三\18点6分△本文档共99页；当前第83页；编辑于星期三\18点6分Peptidesandproteins(long-chainpolypeptides)reactwithCu2+inalkalinitytocreateablueviolet/redcolor.Thepeptidemusthaveatleast2peptidebonds.So,aminoacids…本文档共99页；当前第84页；编辑于星期三\18点6分第5节蛋白质的分离纯化与结构分析Section5Separation,Purification&AnalysisofProtein（自学）本文档共99页；当前第85页；编辑于星期三\18点6分1.透析及超滤*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。本文档共99页；当前第86页；编辑于星期三\18点6分2.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。本文档共99页；当前第87页；编辑于星期三\18点6分*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。本文档共99页；当前第88页；编辑于星期三\18点6分3.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)