第二章蛋白质结构与功能

蛋白质的结构与功能第二章StructureandFunctionofProtein1科学出版社案例式教材《生物化学》课件第二章蛋白质结构与功能第一节蛋白质的分子组成第二节蛋白质的分子结构第三节蛋白质结构与功能的关系第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化2科学出版社案例式教材《生物化学》课件概述蛋白质（protein）是生命的物质基础。蛋白质是由DNA编码的氨基酸组成的。3科学出版社案例式教材《生物化学》课件蛋白质的重要性：1.含量大：占人体固体成分的45%2.分布广：遍及全身各组织细胞。3.种类多：人体内有10万余种。自然界有100万之多。4.功能繁（复）杂：每种蛋白质都有其特异功能。蛋白质是生命的物质基础，一切生命现象都离不开蛋白质。4蛋白质的分子组成

第一节5科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。6科学出版社案例式教材《生物化学》课件各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。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%7科学出版社案例式教材《生物化学》课件一、氨基酸（aminoacid）

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，除甘氨酸外，均属L-α-氨基酸。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。8科学出版社案例式教材《生物化学》课件（一）氨基酸的一般结构中心一个α碳原子-----Cα连接一个氨基基团------NH2一个羧基基团------COOH一个氢原子---------H一个不同的R基团---侧链

NH2HRCOOHCα9科学出版社案例式教材《生物化学》课件L-氨基酸和D-氨基酸蛋白质中只存在L-氨基酸10科学出版社案例式教材《生物化学》课件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（二）氨基酸的分类11科学出版社案例式教材《生物化学》课件表2-1氨基酸的分类中文名英文名缩写pKapI三字符一字符pK1（-COOH）pK2（-NH3+）pKR（R基）非极性疏水性氨基酸甘氨酸glycineGlyG2.349.605.97丙氨酸alanineAlaA2.349.696.01脯氨酸prolineProP1.9910.966.48缬氨酸valineValV2.329.625.97亮氨酸leucineLeuL2.369.605.98异亮氨酸isoleucineIleI2.369.686.02蛋氨酸methionineMetM2.289.215.74苯丙氨酸phenylalaninePheF1.839.135.48极性中性氨基酸酪氨酸tyrosineTyrY2.209.1110.075.66色氨酸tryptophanTrpW2.389.395.89丝氨酸serineSerS2.219.155.68苏氨酸threonineThrT2.119.625.87半胱氨酸cysteineCysC1.9610.288.185.07天冬酰胺asparagineAsnN2.028.805.41谷氨酰胺glutamineGlnQ2.179.135.65带正电的碱性氨基酸赖氨酸lysineLysK2.188.9510.539.74组氨酸histidineHisH1.829.176.007.59精氨酸arginineArgR2.179.0412.4810.76带负电的酸性氨基酸天冬氨酸asparticacidAspD1.889.603.652.77谷氨酸glutamicacidGluE2.199.674.253.2212科学出版社案例式教材《生物化学》课件1.非极性疏水性氨基酸13科学出版社案例式教材《生物化学》课件2.极性中性氨基酸14科学出版社案例式教材《生物化学》课件3.带正电荷的碱性氨基酸15科学出版社案例式教材《生物化学》课件4.带负电荷的酸性氨基酸16科学出版社案例式教材《生物化学》课件+胱氨酸二硫键-HH二硫键的形成17科学出版社案例式教材《生物化学》课件记忆口诀甘、丙、缬、亮、异，三、四碳烃基。丙、丁羟丝、苏。（半）胱、蛋含有硫。酸有天冬、谷；碱有精、赖、组。苯、酪、色、脯环；中性天、谷胺。18科学出版社案例式教材《生物化学》课件1.组成蛋白质的编码氨基酸只有20种。2.除G外，其他编码氨基酸均为L-型。3.P为环状亚氨基酸。4.含羟基氨基酸有：S、T、Y。5.含硫氨基酸有：C、M。6.芳香族氨基酸有：F、Y、W。7.支链氨基酸有：V、L、I。8.酸性氨基酸有：D、E。9.碱性氨基酸有：R、K、H。要点：19（三）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。20科学出版社案例式教材《生物化学》课件在某一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。等电点(isoelectricpoint,pI)21科学出版社案例式教材《生物化学》课件pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI兼性离子阳离子阴离子22科学出版社案例式教材《生物化学》课件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23科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。24科学出版社案例式教材《生物化学》课件二、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)氨基酸通过肽键缩合而成的化合物称为肽。25科学出版社案例式教材《生物化学》课件+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键26科学出版社案例式教材《生物化学》课件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……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)。27科学出版社案例式教材《生物化学》课件多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。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)。28科学出版社案例式教材《生物化学》课件氨基末端（N末端）：多肽链中有自由氨基的一端羧基末端（C末端）：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-亮氨酸(ser-gly-tyr-ala-leu)29科学出版社案例式教材《生物化学》课件先写骨架N－C－C，再写氨羧两末端；然后配平酰胺键，最后才是侧链上。30科学出版社案例式教材《生物化学》课件肽单元（peptideunit）

参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2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。31科学出版社案例式教材《生物化学》课件肽键(C-N)具有部分双键的性质32科学出版社案例式教材《生物化学》课件绝大多数肽单元中Cα1和Cα2在平面所处的位置为反式（trans），即在连接它们的肽键的相反方向。顺式(cis)肽单元和反式(trans)肽单元

33科学出版社案例式教材《生物化学》课件（二）天然存在的活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)34科学出版社案例式教材《生物化学》课件GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+35科学出版社案例式教材《生物化学》课件

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36科学出版社案例式教材《生物化学》课件3.抗生素肽抗生素肽是一类能抑制或杀死细菌的多肽。如短杆菌肽A、短杆菌素S、缬氨霉素（valinomycin）和博来霉素（blemycin）等。

37科学出版社案例式教材《生物化学》课件38科学出版社案例式教材《生物化学》课件蛋白质的分子结构

第二节39科学出版社案例式教材《生物化学》课件蛋白质的结构层次40科学出版社案例式教材《生物化学》课件第二节蛋白质的分子结构

一级结构（基本结构）高级结构（空间构象）二级结构三级结构四级结构α-螺旋β-折叠β-转角不规则卷曲分子结构41科学出版社案例式教材《生物化学》课件定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的数目及排列顺序，包括二硫键的数目和位置。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。42科学出版社案例式教材《生物化学》课件一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。目录牛胰岛素的一级结构

43科学出版社案例式教材《生物化学》课件二、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

44科学出版社案例式教材《生物化学》课件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)

45科学出版社案例式教材《生物化学》课件（一）

-螺旋目录46科学出版社案例式教材《生物化学》课件

α-螺旋要点①呈右手螺旋（棒状）②螺旋一圈含3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm。③螺旋稳定靠氢键，氢键方向与螺旋长轴平行④R侧链对螺旋的形成和稳定有影响。

47科学出版社案例式教材《生物化学》课件二、

-折叠反平行

-折叠和平行

-折叠48科学出版社案例式教材《生物化学》课件

β-折叠要点①呈伸展、锯齿状结构。②有顺向平行和反向平行两种构象。③折叠的稳定靠氢键。④R侧链对折叠形成、稳定有影响。49科学出版社案例式教材《生物化学》课件（三）

-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。50科学出版社案例式教材《生物化学》课件（四）超二级结构（模体motif）指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体。51科学出版社案例式教材《生物化学》课件钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构52科学出版社案例式教材《生物化学》课件三、蛋白质的三级结构(tertiarystructure)疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。主要的化学键是次级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整体排布。（一）定义53科学出版社案例式教材《生物化学》课件目录54科学出版社案例式教材《生物化学》课件纤连蛋白分子的结构域（二）结构域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(domain)。55科学出版社案例式教材《生物化学》课件细胞表面蛋白CD4分子4个相似结构域56科学出版社案例式教材《生物化学》课件肌红蛋白(Mb)血红素铁原子57科学出版社案例式教材《生物化学》课件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)。58科学出版社案例式教材《生物化学》课件血红蛋白的四级结构α链β链血红素59科学出版社案例式教材《生物化学》课件五、蛋白质的分类根据蛋白质的分子组成进行分类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和空间构象进行分类纤维状蛋白质球状蛋白质60科学出版社案例式教材《生物化学》课件根据蛋白质功能进行分类酶蛋白调节蛋白根据蛋白质分布进行分类膜蛋白质核蛋白质运输蛋白结构蛋白61科学出版社案例式教材《生物化学》课件蛋白质结构与功能的关系第三节62科学出版社案例式教材《生物化学》课件一、蛋白质一级结构与功能的关系一级结构是空间构象和功能的基础63科学出版社案例式教材《生物化学》课件（一）一级结构是空间构象的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键64科学出版社案例式教材《生物化学》课件有活性无活性有活性65科学出版社案例式教材《生物化学》课件蛋白质的空间结构除一级结构和溶液环境为决定因素外，大多数蛋白质的正确折叠还需要一类称为分子伴侣的蛋白质参与。66科学出版社案例式教材《生物化学》课件分子伴侣分子伴侣(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。*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保证二硫键的正确形成起了重要的作用。67科学出版社案例式教材《生物化学》课件（二）一级结构是功能的基础

相似的一级结构具有相似的功能，不同的一级结构具有不同的功能。

不同种属来源的胰岛素氨基酸序列的高度同源性决定了它们都具有调节血糖功能。人类和黑猩猩的细胞色素c一级结构相同和猕猴相差1个氨基酸。68科学出版社案例式教材《生物化学》课件

促肾上腺皮质激素和促黑激素有共同的一段氨基酸序列，因此ACTH有较弱的促黑色素生成作用。69科学出版社案例式教材《生物化学》课件（三）一级结构改变与分子病案例：镰刀状红细胞性贫血

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”。70科学出版社案例式教材《生物化学》课件71科学出版社案例式教材《生物化学》课件（a）正常红细胞（b）镰型红细胞72科学出版社案例式教材《生物化学》课件二、蛋白质空间结构与功能的关系目录空间结构是功能的基础73科学出版社案例式教材《生物化学》课件（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构胰岛素原转变成胰岛素74科学出版社案例式教材《生物化学》课件肌红蛋白与血红蛋白的结构（二）血红蛋白的空间构象变化与结合氧75科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。76科学出版社案例式教材《生物化学》课件肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线77科学出版社案例式教材《生物化学》课件协同效应(cooperativity)蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响其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)78科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。79科学出版社案例式教材《生物化学》课件变构效应(allostericeffect)配体与亚基结合后引起亚基构象变化的效应称为变构效应。80科学出版社案例式教材《生物化学》课件（三）蛋白质空间结构改变与疾病蛋白质构象病：因蛋白质折叠错误或折叠导致构象异常变化引起的疾病，称为蛋白质构象病（proteinconformationaldiseases）。

81科学出版社案例式教材《生物化学》课件案例：克-雅氏(CJD)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82科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。83科学出版社案例式教材《生物化学》课件朊病毒病

已发现的人类朊病毒病有：库鲁病（kurudisease）、脑软化病（GSS）、纹状体脊髓变性病或克-雅氏病（Creutzfeldt-Jakobdisease,CJD）、新变异型CJD（newvariantCJD,nvCJD）或称人类疯牛病和致死性家族性失眠症（fatalfamilialinsomnia,FFI）。

动物的朊病毒病有：牛海绵状脑病或称疯牛病（bovinespongiformencephalopathy,BSE）、羊骚痒症（scrapie,SC）等。与朊病毒蛋白构象相关的疾病统称为朊病毒病。84科学出版社案例式教材《生物化学》课件第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化85科学出版社案例式教材《生物化学》课件（一）两性电离及等电点一、蛋白质的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。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。86科学出版社案例式教材《生物化学》课件（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87科学出版社案例式教材《生物化学》课件+++++++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88科学出版社案例式教材《生物化学》课件（三）蛋白质的变性与沉淀1、蛋白质的变性(denaturation)在某些理化因素的作用下，蛋白质中维系其空间结构的次级键（甚至二硫键）断裂，使其空间结构遭受破坏，造成其理化性质的改变和生物活性的丧失。89科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。90科学出版社案例式教材《生物化学》课件

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。

91科学出版社案例式教材《生物化学》课件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。蛋白质的复性(renaturation)

92科学出版社案例式教材《生物化学》课件93科学出版社案例式教材《生物化学》课件2、蛋白质沉淀蛋白质从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。94科学出版社案例式教材《生物化学》课件3、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。

95科学出版社案例式教材《生物化学》课件（四）蛋白质的光谱吸收及呈色反应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。1．蛋白质的光谱吸收96科学出版社案例式教材《生物化学》课件2.蛋白质的呈色反应茚三酮反应(ninhydrinreaction)

蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。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。97科学出版社案例式教材《生物化学》课件酚试剂呈色反应

是最为常用的蛋白质定量方法（Lowry法）

98科学出版社案例式教材《生物化学》课件二、蛋白质的分离和纯化蛋白质的各种理化性质和生物学性质是提取与纯化的依据99科学出版社案例式教材《生物化学》课件（一）改变蛋白质的溶解度常用方法有：盐析有机溶剂沉淀调节pH改变温度等100科学出版社案例式教材《生物化学》课件盐析(saltprecipitation)

是