生化蛋白质结构与功能

生化蛋白质结构与功能第1页，课件共134页，创作于2023年2月主要参考书生物化学第三版

王镜岩朱圣庚许长法主编高等教育出版社生物化学第五版周爱儒主编人民卫生出版社第2页，课件共134页，创作于2023年2月一、概念二、组成化学组成组成氨基酸三、结构共价结构空间结构四、功能五、蛋白质结构与功能的关系六、蛋白质的理化性质七、研究基因功能的方法蛋白质的结构和功能第3页，课件共134页，创作于2023年2月

Protein

这个词来自希腊文Proteios，英文含义是Primary，就是首要的、主要的、初级的意思，可见蛋白质的重要性。一、蛋白质

protein第4页，课件共134页，创作于2023年2月什么是蛋白质?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5页，课件共134页，创作于2023年2月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6页，课件共134页，创作于2023年2月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.蛋白质具有重要的生物学功能第7页，课件共134页，创作于2023年2月

碳（C）50％氢（H）7％氧（O）23％

氮（N）16％凯氏定氮依据硫（S）0～3％其他（磷、铁、铜、碘、锌和钼等）含量较固定二、蛋白质的组成化学组成第8页，课件共134页，创作于2023年2月组成蛋白质的氨基酸（一）氨基酸的结构1、结构通式

2、结构特点：①每种氨基酸分子中至少都含有一个氨基和一个羧基，并且连接在同一个碳原子上，故称α-氨基酸（脯氨酸除外）。②R基的不同，决定氨基酸的不同种类。羧基氨基侧链基团第9页，课件共134页，创作于2023年2月（二）氨基酸的分类各种生物体中发现的氨基酸有180种，组成大多数蛋白质的氨基酸有20种,这20种氨基酸被称为基本氨基酸。1、根据是否组成蛋白质来分蛋白质中常见氨基酸(基本氨基酸)蛋白质中稀有氨基酸非蛋白氨基酸第10页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白质中几种重要的稀有氨基酸在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为稀有氨基酸;这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的;其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。第11页，课件共134页，创作于2023年2月非蛋白氨基酸

广泛存在于各种细胞和组织中，呈游离或结合态，但并不组成蛋白质，大部分也是蛋白质氨基酸的衍生物。

H2N-CH2-CH2-COOHH2N-CH2-CH2-CH2-COOH-丙氨酸-氨基丁酸第12页，课件共134页，创作于2023年2月2、从营养学角度分必需氨基酸人体内不能合成，必需从食物中获得的一类氨基酸，共有8种:Leu、Ile、Met、Val、Trp、Phe、Thr、Lys。非必需氨基酸

人体内能够合成的一类氨基酸。第13页，课件共134页，创作于2023年2月3、按R基的化学结构分（1）脂肪族氨基酸

Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Ser、Thr、Cys、Met、Asp、Glu、Asn、Gln、Lys、Arg（2）芳香族氨基酸

Phe、Tyr、Trp（3）杂环类氨基酸

His、Pro第14页，课件共134页，创作于2023年2月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4、按R基极性分蛋白质亲水性、疏水性结构区的预测：依据氨基酸的极性。第15页，课件共134页，创作于2023年2月甘氨酸

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第16页，课件共134页，创作于2023年2月色氨酸

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.极性中性氨基酸第17页，课件共134页，创作于2023年2月天冬氨酸

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.碱性氨基酸第18页，课件共134页，创作于2023年2月（三）氨基酸的理化性质（1）氨基酸的旋光性（除Gly外）L－型（2）高熔点一般在200℃以上（3）除胱氨酸和酪氨酸外，一般均溶于水，脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中（4）每种氨基酸都有特殊的结晶形状，利用这点可以鉴别各种氨基酸（5）氨基酸一般有味第19页，课件共134页，创作于2023年2月（6）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20页，课件共134页，创作于2023年2月（7）氨基酸的两性性质和等电点氨基酸的兼性离子形式

氨基酸在中性pH时，羧基以-COO-，氨基以-NH3+形式存在，这样的氨基酸分子含有一个正电荷和一个负电荷，称为兼性离子。氨基酸的等电点（isoeletricpoint）当外液pH为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0，这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。第21页，课件共134页，创作于2023年2月pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子CHNH2COO-RCHNH2COO-RCHNH2COOHRCHNH2COOHRCHNH3+COO-RCHNH3+COO-RCHCOOHRNH3+CHCOOHRNH3+第22页，课件共134页，创作于2023年2月（四）氨基酸的化学反应用途：常用于氨基酸的定性或定量分析；用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸；用于修饰蛋白质。亚硝酸盐反应烃基化反应酰化反应脱氨基反应西佛碱反应成盐成酯反应成酰氯反应脱羧基反应叠氮反应侧链反应COOHCHH2NR第23页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白质的结构分成四种层次:由氨基酸序列的一级结构开始，先卷绕成几种固定的二级结构，若干二级结构再组合成完整的三级结构，成为蛋白质的一个分子。三级结构已经是蛋白质的独立单位，可以具有其生物活性；但有些蛋白质分子，可以再次聚合若干其它的单元分子成为聚合体，进而形成四级结构，有更复杂的调节功能。三、蛋白质的结构第24页，课件共134页，创作于2023年2月一级结构(primarystructure)共价结构二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)蛋白质的分子结构高级结构蛋白质的共价结构有时称为蛋白质的一级结构，但多数场合把蛋白质的一级结构看成是氨基酸序列的同义词。第25页，课件共134页，创作于2023年2月定义：多肽链共价主链的氨基酸顺序。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。两个氨基酸脱去一个水分子形成二肽（dipeptide），若有多个氨基酸串在一起则为多肽（polypeptide）。蛋白质由一条或多条多肽（polypeptide）组成，为长链状分子（不会分叉）。由氨基端开始到羧基端的氨基酸顺序，称为蛋白质的氨基酸序列（aminoacidsequence）。。（一）蛋白质一级结构第26页，课件共134页，创作于2023年2月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*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27页，课件共134页，创作于2023年2月PrimaryStructure主要的化学键：肽键（有些蛋白包括二硫键）第28页，课件共134页，创作于2023年2月直接测定多肽链上的氨基酸种类；许多化学反应(如Edmandegradation)可由蛋白质的N-端开始，依次切下一个氨基酸，再测定每轮切下的氨基酸，即可推得此蛋白的氨基酸序列；若蛋白质太长，则无法有效测定后面的氨基酸序列；要先用蛋白质水解酶把目标蛋白质切成小肽段，各小肽段分别测序，然后再组合成长链；为了排列上述各小段多肽的先后次序，要使用两种不同的蛋白质水解酶，得到两套不同长短的多肽，分别测序后，比较各片段重叠部分，即可判断肽段先后次序。3、蛋白质一级结构的测定(1)传统氨基酸测序法第29页，课件共134页，创作于2023年2月1955年FrederickSanger测出胰岛素（insulin）的一级结构，获得1958年诺贝尔化学奖。方法：先将胰岛素多肽链切成小段，以化学方法定出小段序列后，由各小段重叠的部分将原序列重组出来。Insulinproteinsequence第30页，课件共134页，创作于2023年2月(2)由cDNA序列确定蛋白序列

知道某蛋白质的cDNA序列，依照遗传密码可以得到氨基酸序列。由于分子生物学的快速发展，获得某蛋白质的cDNA序列非常方便，使得这种获得蛋白质序列的方法应用很普遍。第31页，课件共134页，创作于2023年2月通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列按照三联体密码的原则推演出氨基酸的序列分离编码蛋白质的基因测定DNA序列排列出mRNA序列第32页，课件共134页，创作于2023年2月

质谱仪是利用分子的质量大小来检定样本，因此可以精确测出某分子的质量。若把蛋白质在质谱仪中撞击，产生一群具有各种不同长短的片段，每一片段都刚好少一个氨基酸，然后用质谱仪一一测出这些片段的分子量，由所得各种片段分子量的差别，就可推出相差氨基酸的种类，乃至整段氨基酸的序列。质谱只限检测能够形成离子并且离子能够被传送入真空系统的分子的质量，随着80年代末两种软电离技术：电喷雾电离（ESI）和基质辅助激光解吸/电离（MALDI）的发明，质谱变得更适合蛋白质序列的测定。(3)以质谱仪测定蛋白序列第33页，课件共134页，创作于2023年2月MassSpecPrinciplesIonizerSample+_MassFilterDetector第34页，课件共134页，创作于2023年2月一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。蛋白质的一级结构中，一段固定的氨基酸序列可能有某种特定的生理功能，称之为signalpeptide(信号肽)，例如蛋白质在C-端若有Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)的序列，则会被回收到内质网去。同一信号肽可以在许多不同的蛋白质分子上重复出现。4、信号肽signalpeptide第35页，课件共134页，创作于2023年2月信号肽分类进入各种细胞器的信号肽

线粒体signal

核定位signal

内质网signal蛋白水解酶的识别位点PESTsite第36页，课件共134页，创作于2023年2月（1）线粒体信号肽线粒体前体蛋白信号序列的特点：①多位于肽链的N端，由大约20个氨基酸构成；②形成一个两性α螺旋，没有带负电荷的氨基酸，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧，现在认为这个螺旋与转位因子的识别有关；③对所牵引的蛋白质没有特异性要求，非线粒体蛋白连接上此类信号序列，也会被转运到线粒体。此外有些信号序列位于蛋白质内部，完成转运后不被切除；还有些信号序列位于前体蛋白C端，如线粒体的DNA解旋酶Hmil。第37页，课件共134页，创作于2023年2月（2）核定位信号（NLS）

蛋白在细胞核和细胞质之间的运输称为入核和出核，它是维持细胞内动态稳定的重要因素。这些细胞成分的进核、出核是蛋白合成、细胞增殖和细胞凋亡的关键步骤。这种运输需要一些其它蛋白因子的辅助并要求这些被运输物质上有一特定的可识别定位序列。入核信号称为核定位信号(NLS)，出核信号称为核输出信号(NES)。

第38页，课件共134页，创作于2023年2月NLS的分类①单一型NLS由4-8个氨基酸残基组成的短肽，富含带正电荷的Lys和Arg，通常含有Pro。含有此类NLS的蛋白有：SV40大Ｔ抗原，MDM2，NF-kB，CDC25C等。②双分型NLS此种NLS是由两簇碱性氨基酸被中间10~12个非保守性氨基酸所分隔而形成的序列。含有此类NLS的蛋白有MTA1、帽结合蛋白、CBP80等。③无一定序列特征的NLS，它们主要存在于能在细胞核和细胞质间穿梭的蛋白质中，如M9、Rev、hTAP等蛋白均含有这种NLS。需要强调的是：并不是所有的符合典型NLS序列特征的氨基酸序列都有核定位功能，例如IL-1β和Gp130上的NLS序列并不具有核定位功能，人们把这种NLS序列称为假定NLS(putativenNLS)。第39页，课件共134页，创作于2023年2月信号肽序列在基因工程中的应用体外基因表达系统包括原核细胞系统和真核细胞系统。大肠杆菌细胞、哺乳动物细胞、酵母细胞和昆虫细胞等。重组蛋白的表达形式一般可分为细胞外的分泌表达、细胞内可溶性表达、细胞内不溶性表达（包涵体）。利用信号肽来引导外源蛋白定位分泌到细胞特定区间，提高可溶性，可避免因包涵体复性带来的困难。信号肽没有严格的专一性，因而可利用宿主细胞本身信号序列或在表达载体的启动子后加入一个编码信号肽的序列，分泌外源蛋白。第40页，课件共134页，创作于2023年2月原核表达系统采用的信号肽一般来自大肠杆菌的外膜蛋白(如外膜蛋白AOmpA、热稳定肠毒素STⅡ等)或周质蛋白(如碱性磷酸酶PhoA、麦芽糖结合蛋白MBP等)，此外金黄色葡萄球菌蛋白A和果胶酶裂解酶(PelB)的信号肽也常被采用。酵母表达系统中常使用的信号肽包括某些外源蛋白自身的天然信号肽，如α-因子信号肽(α-MF)。第41页，课件共134页，创作于2023年2月5、天然存在的活性肽有许多多肽具有重要的生理功能，而且作用强大。这些多肽的合成方式不尽相同，有些是是由mRNA为模板直接翻译而成；有些是蛋白质翻译后经蛋白酶切所产生的片段，但它们的基本作用机制都很相似，都是以该多肽所组成的特殊立体结构与目标细胞膜上的受体结合，进而对细胞产生作用。另一方面，很多单独氨基酸也有生物活性，例如味素的成分是谷氨酸，也是神经传导物质的一种；而色氨酸有安眠的作用，牛奶中含有很多色氨酸。第42页，课件共134页，创作于2023年2月

（1）谷胱甘肽(glutathione,GSH)功能：（1）解毒

（2）辐射防护

（3）保护肝脏

（4）抗过敏

（5）改善某些疾病的病程和症状

（6）美容护肤

（7）增加视力

（8）抗衰老作用

第43页，课件共134页，创作于2023年2月体内许多激素属寡肽或多肽神经肽(neuropeptide)脑啡肽、内啡肽（2）多肽类激素及神经肽第44页，课件共134页，创作于2023年2月（3）多肽类药物多肽类药物的研究一直是药物研究中的一个活跃领域,如何从动物、植物、微生物中发现活性多肽物质,使之成为新药研究中的先导化合物一直是肽类研究中的一个方向。分子生物学的发展，以及基因工程和多肽合成技术的兴起,使人们根据自己的意志合成或表达出各种蛋白、多肽物质,但其中真正成药的还是那些在天然产物中发现的活性成分或经基因工程技术重新合成或表达的产物。

第45页，课件共134页，创作于2023年2月（二）蛋白质的空间结构蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠、盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于完整的空间结构，因此仅仅测定蛋白质分子的一级结构并不能完全了解蛋白质分子的生物活性和理化性质。例如球状蛋白质(如血浆中的白蛋白、球蛋白和酶等)和纤维状蛋白质(角蛋白、胶原蛋白和纤维蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。蛋白质的空间结构是指蛋白质的二级、三级和四级结构。第46页，课件共134页，创作于2023年2月1、构成蛋白质空间结构的作用力稳定蛋白质空间结构的作用力是一些所谓弱的相互作用或称非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和离子键（盐键）。次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。维持蛋白质二级、三级和四级结构的化学键主要是氢键、范德华力和疏水作用，在某些蛋白分子中，离子键、二硫键也参与维持蛋白质的空间结构。第47页，课件共134页，创作于2023年2月共价键次级键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键盐键范德华力三、四级结构蛋白质的分子结构与共价键和次级键第48页，课件共134页，创作于2023年2月范德华力（vanderWaalsforce）：这种力为原子团相互接近时诱导所至，是偶极子与偶极子之间的微弱引力。它瞬息变化，时过境迁，但对维持活性中心的构象尤为重要。第49页，课件共134页，创作于2023年2月氢键（hydrogenbond)：N-H…O

或是O-H…O，虚线代表氢键，氢与N、O、Cl、F

之类体积小、电子亲和力大的原子形成共价键，氢附近电子云密度小而略成正电性，这一带正电荷的氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键。第50页，课件共134页，创作于2023年2月疏水键疏水键并不是一种真正的相互作用力，而是一种等效意义上的力。由于生物体中的分子都处于水的环境中，所以分子与水之间的相互作用特别重要。如果水与非极性基团混合，由于两者无法形成氢键，故水分子为了增加自己的氢键数，会将非极性基团排斥，故看起来好象是水与非极性基团之间有排斥力，故称疏水作用。第51页，课件共134页，创作于2023年2月离子键（盐键）：带电荷氨基酸之间的一种相互作用，如NH4+与COO－。二硫键：两个硫原子之间形成的共价键。此键很强，可把不同肽链和同一条肽链的不同部分连在一起，对稳定蛋白质构象起重要作用。多数蛋白的二硫键断裂后，活性中心的构象会发生改变，导致其生物活性的丧失。第52页，课件共134页，创作于2023年2月第53页，课件共134页，创作于2023年2月2、蛋白质二级结构

（SecondaryStructure）二级结构：由蛋白质的一级结构决定的，它是主链原子的局部空间排布，不涉及侧链部分的构象，是多肽链借助氢键排列成沿一维方向具有周期性结构的构象。形成：肽平面第54页，课件共134页，创作于2023年2月肽平面参与肽键的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)。由于肽键（peptidebond）具有双键特性，所以主链中只有两个单键可以旋转。第55页，课件共134页，创作于2023年2月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56页，课件共134页，创作于2023年2月a-螺旋(a-helix)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。由于这种结构可以产生许多氢键，所以是一种相当稳定的结构。最常见的螺旋称为α-螺旋，n＝3.6残基/每圈，螺距p＝0.54nm。侧链向外排布以减少空间障碍，长度为4-50个残基，平均为12个残基。第57页，课件共134页，创作于2023年2月a-helixSideviewofa-helixα-helix形成最为相关的作用力：氢键。topviewofa-helix第58页，课件共134页，创作于2023年2月b-折叠(b-sheet)b-sheet的b表示这是第二种规则的二级结构，呈现折板状，如同α螺旋，依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与H形成氢键，使构象稳定。第59页，课件共134页，创作于2023年2月b-sheet

和α-螺旋不同的是，b-折叠并不一定要在一级结构（序列）上连续，而是各片段可以来自不同的一级结构区，而且相对于α-螺旋的紧密结构，b-折叠是完全伸展的。

第60页，课件共134页，创作于2023年2月β-转角(β-turn)

蛋白质分子中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β－转角(β－turn或β－bend)，一般含有2～16个氨基酸残基。含有5个氨基酸残基以上的转角又常称之环（loops）。

第61页，课件共134页，创作于2023年2月无规卷曲(randomcoil)无规卷曲没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲(randomcoil)。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位，例如铁氧还蛋白和红氧还蛋白中结合铁硫串的肽环以及许多钙结合蛋白中结合钙离子的E-F手结构的中央环。第62页，课件共134页，创作于2023年2月超二级结构

（SupersecondaryMotifs）1973年由Rossman提出。许多球蛋白中，α-helix或β-sheet二级结构可以形成所谓的超二级结构，在不同的蛋白质中重复出现。超二级结构的单位有aa，bb，bab，b曲折和希腊钥匙拓扑结构。超二级结构的形成主要是氨基酸残基侧链基团间相互作用的结果。第63页，课件共134页，创作于2023年2月模体(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)。第64页，课件共134页，创作于2023年2月钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构Zn-fingermotif第65页，课件共134页，创作于2023年2月3、三级结构

（TertiaryStructure）

蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构(tertiarystructure)。蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力(VanderWasls)等。这些次级键可存在于一级结构中相隔很远的氨基酸残基的R基团之间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合。二硫键不属于次级键，但对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用。第66页，课件共134页，创作于2023年2月三级结构

具备三级结构的蛋白质从其外形上看，有的细长(长轴比短轴大10倍以上)，属于纤维状蛋白质(fibrousprotein)，如丝心蛋白；有的长短轴相差不多基本上呈球形，属于球状蛋白质(globularprotein)，如血浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白。球状蛋白的疏水基多聚集在分子的内部，而亲水基则多分布在分子表面，因而球状蛋白质是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此盘曲后，可形成某些发挥生物学功能的特定区域，例如酶的活性中心等。第67页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白三级结构肌红蛋白(Myoglobin)是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。由一条多肽链和一个辅基血红素构成，呈扁平的梭形。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白（globin），它和血红蛋白的亚基在序列上有明显的同源性，所以构象和功能也相似。

N端

C端第68页，课件共134页，创作于2023年2月结构域(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，各自行使功能，称为结构域。结构域(domain)第69页，课件共134页，创作于2023年2月一般每个结构域约由100-200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能。如免疫球蛋白(IgG)由12个结构域组成，其中两个轻链上各有2个，两个重链上各有4个，补体结合部位与抗原结合部位处于不同的结构域。蛋白质分子中的几个结构域有的相同，有的不同；而不同蛋白质分子之间肽链中的各结构域也可以相同。结构域第70页，课件共134页，创作于2023年2月4、四级结构

（QuaternaryStructure）

具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构(quarternarystructure)。血红蛋白的四级结构第71页，课件共134页，创作于2023年2月四级结构四级结构中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基(subunit)。四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可不同。有人将具有全套不同亚基的最小单位称为原聚体(protomer)，如一个催化亚基与一个调节亚基结合成天冬氨酸氨甲酰基转移酶的原聚体。第72页，课件共134页，创作于2023年2月构型（configuration）：一个有机分子中各个原子特有的固定的空间排列。这种排列不经过共价键的断裂和重新形成是不会改变的。构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。氨基酸就有L型、D型之分。构象（conformation）：指一个分子中，不改变共价键结构，靠单键的旋转所产生的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成，只是次级键断裂。构象改变不会改变分子的光学活性。第73页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白质分子多样性氨基酸种类不同氨基酸数目不同氨基酸序列不同肽链空间结构不同蛋白质的结构多样性蛋白质的种类多样性蛋白质功能的多样性第74页，课件共134页，创作于2023年2月四、蛋白质的功能生物反应的催化作用（biologicalcatalysis)：这种蛋白质称为酶（enzyme），几乎所有的生物体中的化学反应都是由酶催化。（例外：有些RNA－核糖核酸，也有催化能力，称为ribozyme，但它并不是蛋白质，如四膜虫的L19RNA分子）。贮存（storage）：生物体内的离子、小分子、代谢物（metabolite）可与蛋白质结合贮存于体内，如血红蛋白通过血红素（haemoglobin）携带氧分子、肝脏中的铁蛋白（ferritin）贮存铁质。

第75页，课件共134页，创作于2023年2月3.运输（transport）：运输小至电子，大至巨型分子等各种物质到体内各处，例如运铁蛋白（transferrin）运送铁质；血红蛋白运送氧气；有些蛋白质在细胞膜上形成气孔或通道让离子通过细胞膜；而蛋白质本身要穿过细胞膜时，也需要其它蛋白质的帮助。4.传递信息（message）：在神经细胞的接合处，蛋白质担任某些传递神经信号所需的小分子的接受器；另外，一些生物反应的进行必须由组织、器官之间的信号来控制，携带这些信号的分子称为激素（hormone），大部分的激素是蛋白质，如胰岛素（insulin）；也有一些蛋白质担任激素的接受器。

第76页，课件共134页，创作于2023年2月5.抗体（antibody）：免疫系统的产物，可以用来与外部入侵的细菌或是病毒结合。6.调控（regulation）：在合成蛋白质的过程中，有许多蛋白质必须适时、适量加入反应。酶在转录翻译过程中，由多种蛋白质通过复杂的反馈机制来促进或是抑制一翻译过程。7.结构（structure）：构成生物体的力学支架，例如胶原蛋白（collagen），约占哺乳类蛋白质含量的1/4，这类蛋白质称为结构蛋白（structuralprotein）。

蛋白质是一切生命活动的体现者！第77页，课件共134页，创作于2023年2月五、蛋白质结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系前体与活性蛋白质分子病蛋白质空间结构与功能的关系血红蛋白的结构与功能第78页，课件共134页，创作于2023年2月

(一)蛋白质一级结构与功能的关系1.一级结构是空间构象的基础

在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中多肽链和侧链R基团形成的次级键来维持的。蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构。、第79页，课件共134页，创作于2023年2月ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY一级结构二级结构蛋白质的结构基础三级结构四级结构第80页，课件共134页，创作于2023年2月一级结构是空间构象的基础牛核糖核酸酶的结构二硫键第81页，课件共134页，创作于2023年2月天然状态，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第82页，课件共134页，创作于2023年2月

胰岛素（Insulin）首先合成108个氨基酸的前胰岛素元（pre-proinsulin），随即切去N-端的24个氨基酸信号肽，形成84个氨基酸的胰岛素元（proinsulin），形成正确的二硫键，在包装分泌时，A、B链之间的33个氨基酸C肽残基被切除，才形成胰岛素。人工合成的胰岛素，A、B链分别合成后，等比例混合后就有活性。2.前体与活性蛋白质一级结构的关系第83页，课件共134页，创作于2023年2月胰岛素的体内合成胰岛素基因mRNA核糖体SSSSSSBchainSSSSSSAchain胰岛素元9kDa胰岛素5.5kDaC肽GOLGI分泌颗粒血液Zn2+MICROCRYSTALS切割位点A肽B肽30aa33aa21aa前胰岛素元11.5kDaRER600核苷酸C肽24aa信号肽第84页，课件共134页，创作于2023年2月3.蛋白质一级结构的种属差异与分子进化

对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异，这种差异可能是分子进化的结果，但与功能相关的结构总是有高度的保守性。

以细胞色素C为例：细胞色素C广泛存在于真核生物细胞的线粒体中，是一种含有血红素辅基的单链蛋白质。在生物氧化时，细胞色素C在呼吸链的电子传递系统中起传递电子的作用，使血红素上铁原子的价数发生变化。

第85页，课件共134页，创作于2023年2月脊椎动物的细胞色素C由l04个氨基酸残基组成；昆虫有108个氨基酸残基组成；植物则有112个氨基酸残基组成。对不同生物的细胞色素C的一级结构分析表明，大约有28个氨基酸残基是各种生物共有的，表明这些氨基酸残基是规定细胞色素C的生物功能所必需的。其中包括第14和17位上两个半胱氨酸残基是细胞色素C与辅基血红素共价相连的位置；第70-80位上成串的不变氨基酸残基可能是细胞色素C与酶结合的部位。在分子进化过程中，细胞色素C分子中保持氨基酸残基不变的区域称为保守部位。保守部位的氨基酸都是细胞色素C完成其生物学功能所必需的。

第86页，课件共134页，创作于2023年2月同源蛋白质的物种差异与生物进化同源蛋白质：在生物体中行使相同或相似功能的蛋白质。不变残基可变残基来自任两个物种的同源蛋白质，其序列之间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统差异成比例。即在进化位置上相差愈远，其氨基酸序列差别愈大。第87页，课件共134页，创作于2023年2月4.蛋白质的一级结构与分子病几乎所有遗传病都与蛋白质分子结构改变有关，称之为分子病。在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响，导致疾病的发生。这种变异来源于基因上遗传信息的突变，所以是可遗传的。与血红蛋白相关的分子病镰刀状细胞贫血病血红蛋白或链突变地中海贫血血红蛋白或链缺失第88页，课件共134页，创作于2023年2月被称之为“分子病”的镰刀状细胞贫血仅仅是血红蛋白（Hb）β亚基574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即N端的第6位的谷氨酸被缬氨酸取代，发生了变异所造成的。突变导致本是可溶性的血红蛋白聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形而成镰刀状，极易破碎导致贫血。镰刀状细胞贫血病血红蛋白分子病第89页，课件共134页，创作于2023年2月地中海贫血产生原因：缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因；一个或多个基因无义突变－缩短的蛋白链；发生移码突变－不能合成正确的多肽链；编码区外突变－转录阻断或mRNA不能正确加工。类型：-地中海贫血-地中海贫血第90页，课件共134页，创作于2023年2月(二)蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复。在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应(allostery)。蛋白质(或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。第91页，课件共134页，创作于2023年2月血红蛋白(hemoglobin,Hb)结构与功能

4个亚基组成，两两相同，每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。Hb分子近似球形，4个亚基占据相当于四面体的四个顶角。第92页，课件共134页，创作于2023年2月辅基血红素（heme）氧与蛋白不能直接结合；借助过渡金属的低氧态（Fe2＋）和有机分子原卟啉IX；卟啉化合物着色力强，血红蛋白的铁卟啉使血液呈红色；原卟啉IX和Fe的络合物成为血红素（heme）。第93页，课件共134页，创作于2023年2月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。卟啉平面卟啉平面Fe第94页，课件共134页，创作于2023年2月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。血红蛋白存在两种主要构象态：T态（tensestate）和R态（relaxedstate），T态和R态之间能互换，而且均能结合氧，但R态的结合能力要强。作为T态的去氧血红蛋白有专一性的氢键和盐桥起着稳定作用，4个亚基的C末端处于受束缚的状态。血红蛋白除运输氧外，还运输H＋和CO2。血红蛋白的构象变化与结合氧第95页，课件共134页，创作于2023年2月肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线第96页，课件共134页，创作于2023年2月HbT态和R态互变Hb氧合与脱氧构象转换示意第97页，课件共134页，创作于2023年2月协同效应(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)血红蛋白的氧合具有正协同性同促效应，也即一个O2的结合增加同一Hb分子中其余空的氧结合部位对O2的亲和力。第98页，课件共134页，创作于2023年2月变构效应(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与O2结合后，Hb的构象发生变化，这类变化称为变构效应，即通过构象变化影响蛋白质的功能，Hb称为变构蛋白（allostericprotein）。酶与变构剂、配体与受体第99页，课件共134页，创作于2023年2月4、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100页，课件共134页，创作于2023年2月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101页，课件共134页，创作于2023年2月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。这种α-螺旋在某种未知蛋白质的作用下可转变成β-折叠，空间结构也由单个球状分子变成了纤维状的聚集态。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病单个球状分子纤维状的聚集态第102页，课件共134页，创作于2023年2月疯牛病的prion蛋白构象的改变正常prion异常prion蛋白质构象改变与疾病第103页，课件共134页，创作于2023年2月老年性痴呆（AD,Alzheimei'sdisease）老年性痴呆:即阿尔茨海默病，是一种大脑细胞退化萎缩，细胞密度降低的器质性疾病。患者部分或者全部的丧失记忆能力和认识能力。分子机理：2个和AD有关的蛋白质：β淀粉样蛋白和Tau蛋白，在病变时发生聚集。这些蛋白质在病变时的一个共同特点是，分子中β折叠增加，进而导致分子聚集，对蛋白水解酶的抗性增大。

里根第104页，课件共134页，创作于2023年2月（一）两性解离和等电点六、蛋白质的理化性质

蛋白质同氨基酸一样也是两性电解质，即能和酸作用，也能和碱作用。蛋白质分子中可解离的基团除肽链末端的-氨基和-羧基外，主要还是多肽链中氨基酸残基上的侧链基团如-氨基、-羧基、-羧基、咪唑基，胍基、酚基、疏基等。在一定的pH条件下，这些基团能解离为带电基团从而使蛋白质带电。

第105页，课件共134页，创作于2023年2月在等电点时(Isoelectricpoint，pI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。在不同的pH环境下，蛋白质的电化学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。这种现象称为蛋白质电泳。蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化，如SDS。第106页，课件共134页，创作于2023年2月（二）胶体性质

蛋白质的分子量1万-100万之间，其分子直径1-100nm之间，在胶体颗粒的范围。蛋白质的水溶液是一种比较稳定的亲水胶体，这是因为在蛋白质颗粒表面带有很多极性基团，如NH3、COO-、OH-、SH等，和水有高度亲和性，当蛋白质与水相遇时，就很容易在蛋白质颗粒外面形成一层水膜。

第107页，课件共134页，创作于2023年2月胶体性质蛋白质具有胶体性质，如布朗运动、光散射、电泳、不能透过半透膜及具有吸附能力等。利用蛋白质不能透过半透膜的性质，可用羊皮纸、火棉胶、玻璃纸等来分离纯化蛋白质，这个方法称透析（dialysis）。蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。第108页，课件共134页，创作于2023年2月

（三）蛋白质的沉淀

加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层，蛋白质的胶体溶液就不在稳定并将产生沉淀。可逆沉淀：在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。一般是在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。（可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等）第109页，课件共134页，创作于2023年2月不可逆沉淀：强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水，由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。第110页，课件共134页，创作于2023年2月能使蛋白质沉淀的试剂：1.高浓度中性盐

（NH4)2SO4、Na2SO4、NaCl中和蛋白质的电荷，这种加入盐使蛋白质沉淀析出的现象称为盐析，用于蛋白质分离制备。2.有机溶剂丙酮、乙醇破坏蛋白质水膜3.重金属盐

Hg2+、Ag+、Pb+与蛋白质中带负电基团形成不易溶解的盐4.生物碱试剂苦味酸、三氯乙酸、目酸、钨酸等与蛋白质中带正电荷的基团生成不溶性盐第111页，课件共134页，创作于2023年2月（四）蛋白质的变性

蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。变性产生因素：

物理：X-ray、热、紫外光、激烈的搅拌、高压等化学：有机溶剂、强酸、强碱、脲、胍等

变性剂：尿素、盐酸胍、SDS（十二烷基硫酸钠）变性实质：蛋白质中次级键的破坏，不涉及共价键（肽键和二硫键等），一级结构保持完好。第112页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白变性的特征：生物活性的丧失－主要特征侧链基团的暴露一些物理化学性质的改变：溶解度降低、粘度增加、扩散系数降低生物化学性质的改变：易被蛋白酶水解蛋白质复性：当变性因素除去以后，变性蛋白质又可重新回复到天然构象，这一现象称为renaturation。蛋白质变性是否都是可逆的，目前没有定论。有些蛋白质的变性是可逆的，变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白。第113页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白质变性和复性核糖核酸酶A

第114页，课件共134页，创作于2023年2月（五）蛋白质的紫外吸收

大部分蛋白质均含有带苯环的酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）。这三种氨基酸在近紫外区280nm

附近有最大光吸收。因此，大多数蛋白质在280nm附近显示强的吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定或定量分析。第115页，课件共134页，创作于2023年2月（六）蛋白质的颜色反应第116页，课件共134页，创作于2023年2月

1、蛋白质定量法：染料CoomassieBrilliantBlue与蛋白质侧链基团结合后，会由褐色变为蓝色；由反应前后蓝色吸光度的改变，与已知蛋白质的标准曲线比较，即可推知样本中蛋白质的浓度，一般称之为Bradfordmethod。2、分子量测定法：可利用胶体过滤法、超高速离心法(ultracentrifugation)、或胶体电泳法(gelelectrophoresis)来测定蛋白质的原态分子量；SDS胶体电泳则可测定次体分子量。电泳同时可以检定蛋白质的纯度如何，是极佳的分析工具。（七）蛋白质理化性质测定第117页，课件共134页，创作于2023年2月3、等电点(pI)：等电聚焦法(isoelectricfocusing)极类似胶体电泳，但可测得蛋白质的等电点。等电点是蛋白质带电性质的重要指针，当环境的pH等于其等电点时，此蛋白质的净电荷为零；大于其等电点时，净电荷为负，反之则为正电荷。4、氨基酸组成：蛋白质以盐酸水解成游离氨基酸，再分析各种氨基酸的含量。蛋白质理化性质测定第118页，课件共134页，创作于2023年2月5、蛋白质立体结构：以X光衍射法分析蛋白质结晶，可计算出其分子的细微立体结构；近来应用核磁共振法(NMR)测定水溶液中蛋白质的立体结构。6、质谱分析：目前的质谱仪分析技术，已经能够处理分子量较大的蛋白质，可以定出蛋白质的精确分子量；可以检查该蛋白质所产生的各个肽片段，推出其氨基酸序列。蛋白质理化性质测定第119页，课件共134页，创作于2023年2月（八）蛋白质工程与分子设计:

蛋白质工程：是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过有控制的修饰和合成，对现有蛋白质加以定向改造，设计、构建并最终生产出性能比自然界中存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。第120页，课件共134页，创作于2023年2月蛋白质结构与功能关系的认识对蛋白质设计是至关重要的，蛋白质的结构涉及一级结构(序列)及三维结构。即使蛋白质的三维结构是已知的，选择一个合适的突变体仍很困难，这说明蛋白质设计工作的艰巨性，它涉及多种学科的配合，如计算机模拟、X射线晶体学、蛋白质化学、生物技术等。

蛋白质分子设计是一门新兴的研究领域，其本身在不断地发展，其内容也在不断地更新。第121页，课件共134页，创作于2023年2月设计目标及解决办法蛋白质结构与功能的关系对于蛋白质工程及蛋白质分子设计都是至关重要的。如果我们想改变蛋白质的