生物化學(xué)與分子生物學(xué)(全套課件127P)

1、一生物化學(xué)與分子生物學(xué)的定義生物化學(xué)與分子生物學(xué)的定義 生物化學(xué)是用化學(xué)的理論和方法研究生命現(xiàn)象的科學(xué)。+分子生物學(xué)是研究生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的學(xué)科。+生物化學(xué)與分子生物學(xué)是同一個二級學(xué)科,在大學(xué)本科階段可以作為兩門課開設(shè), 也可以作為一門課開設(shè).緒論二生物化學(xué)與分子生物學(xué)的研究范疇（一）生物體的組成物質(zhì)復(fù)雜性組成物質(zhì)多；分子大；空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。規(guī)律性元素構(gòu)件小分子聚合物（生物大分子）；結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)。（二）物質(zhì)和能量代謝 復(fù)雜性 多步化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成代謝途徑； 多條代謝途徑相互交織成網(wǎng)； 物質(zhì)代謝和能量代謝相互交織； 調(diào)節(jié)控制有條不紊。 規(guī)律性 反應(yīng)類型不多； 反應(yīng)機理符合有機化學(xué)理論； 調(diào)節(jié)控

2、制與生物學(xué)功能相適應(yīng)。 （三）信息分子的生物合成 復(fù)雜性合成過程復(fù)雜；調(diào)節(jié)控制復(fù)雜；與生命現(xiàn)象的關(guān)系復(fù)雜。規(guī)律性遺傳密碼已經(jīng)破譯；基因表達的基本過程已經(jīng)清楚；生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系逐漸明晰；研究方法日新月異。 三. .生物化學(xué)與分子生物學(xué)同生產(chǎn)實踐的關(guān)系 啟蒙階段 食品選擇和加工； 醫(yī)療。發(fā)展階段 維生素、抗生素醫(yī)療； 代謝食品、醫(yī)療； 分子生物學(xué) 基因工程、蛋白質(zhì)工程。發(fā)展前景生物制品；轉(zhuǎn)基因動植物；基因芯片；基因診斷；基因治療。四.生物化學(xué)的發(fā)展史1.1.煉金術(shù)階段: : 現(xiàn)代化學(xué)起源于煉金術(shù)(alchemy)。換言之，煉金活動是化學(xué)的前史。“ chemistry” 一詞也來自alch

3、emy, 而alchemy = al (the) + chem, 其中的chem來自中國的“ 金” 的古漢語發(fā)音。煉金術(shù)在各個古代文明中都占重要位置, 并不是中國特有, 一般而言都是如何將銅, 鉛, 錫變成金、銀這樣的貴金屬的實用學(xué)問。在西方, 煉金術(shù)從公元前幾百年開始到17世紀為止, 延續(xù)了2000年；在中國也生存了差不多同樣長的時間。中國的煉金術(shù)除了得到貴金屬以外，還致力于研制長生不老之藥“ 金丹”。因此, 中國的煉金術(shù)的化學(xué)成份比其他古代文明要濃。 中國的煉金術(shù)隨絲綢之路傳到了阿拉伯文化圈, 所以有了alchemy這個行業(yè)。 西臘文明在歐州歷史上曾一度失傳, 幸好阿拉伯人繼承了其精華(7

4、14世紀), 1113世紀十字軍的侵略將散落在阿拉伯文化中的希臘文化又帶回了歐洲, 也順便將中國的煉金術(shù)帶進入了西方文明。此后，西方的煉金術(shù)活動朝著獨自的方向發(fā)展，特別是對酸, 堿, 鹽等物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)有了相當?shù)闹R積累。2.2.從煉金術(shù)到化學(xué): : 17世紀興起的文藝復(fù)興活動使alchemy真正向現(xiàn)代的chemistry過渡。 當時的化學(xué)家, 要么是貴族, 要么是業(yè)余愛好。在與英國的Newton同時期的貴族Robert Boyle (1627-1691) 對氣體和真空進行了研究, 寫了“ The Sceptical Chymist (1661)” 一書, 主張決別帶有神秘色彩的煉金術(shù), 而以

5、理性思考的態(tài)度來研究化學(xué)。他發(fā)現(xiàn)了波以爾法則 PV=Const, 實際上就是現(xiàn)代物理化學(xué)的起點。1662英國設(shè)立了 Royal Society, 1666年 Paris Academia 分別設(shè)立, 為科學(xué)研究和交流提供了土壤。這是化學(xué)與煉金術(shù)決別的標志。 隨后,空氣中含有不同成分1764年CO2 (Black), 1766年H2 (Canvendish), 1772年O2 (Sheele), 1772年N2 (Ratherford) , 1774年Cl2 (Sheele), 相繼被發(fā)現(xiàn)。1774年Lavoisier確立了物質(zhì)不滅定理, 1777年確立了燃燒理論。此后的化學(xué)反應(yīng)的定比例法則 (

6、Joseph Louis Proust, 1799) 及化學(xué)元素分析方法的發(fā)展, 為有機化學(xué)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。3.3.有機化學(xué)的發(fā)展 簡單的說, 有機化學(xué)就是H, C, N, O的化學(xué)。 其發(fā)展是必然的, 因為人對生命物質(zhì)的興趣要比對非生命物質(zhì)更濃?；瘜W(xué)分析的手段發(fā)展后, 勢必要用來研究有機的物質(zhì)。通過有機化學(xué)研究知道的物質(zhì)結(jié)構(gòu), 成為生物化學(xué)研究的起點。 有機化學(xué)的發(fā)展, 是從尿素的合成開始的。 1828年 Wohler (德) 從無機鹽合成了尿素 1831年 Liebig (德) 有機物元素分析定量法的發(fā)明 1840年 有機基團 (group) 的概念的形成 1848年 Pasteur (

7、法) 酒石酸的光學(xué)異構(gòu)體的發(fā) 1858年 Kekule (德) C原子的四價理論 1865年 Kekule (德) Benzen環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn) 1869年 元素周期表的確立 1874年 vant Hoff (荷) C4的正四面體結(jié)構(gòu) 1884年 Fischer (德) 糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)研究的開始4.生物化學(xué)重大發(fā)展年代表1897年 Buchner 發(fā)現(xiàn)酵母細胞質(zhì)能使糖發(fā)酵1902年 Fischer 肽鍵理論1926年 Sumner結(jié)晶得到了脲酶,證明酶就是蛋白質(zhì)1935年 Schneider將同位素應(yīng)用于代謝的研究 1944年 Avery等人證明遺傳信息在核酸上 1953年 Sanger的胰島素氨基

8、酸序列測定 Waston-Click提出DNA 雙螺旋模型 1958年 Perutz等解明肌紅蛋白的立體結(jié)構(gòu) 1970年 發(fā)現(xiàn)了DNA限制性內(nèi)切酶 1972年 DNA重組技術(shù)的建立 1978年 DNA雙脫氧測序法的成功 1990年 人類基因組計劃的實施,2003年完成,進入 后基因組時代生物化學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù) 電泳（電泳（19231923） 生物大分子的分離、分析生物大分子的分離、分析 超離心（超離心（19251925）蛋白質(zhì)、細胞亞器官的）蛋白質(zhì)、細胞亞器官的 分離；分子量的確定分離；分子量的確定 同位素標記（同位素標記（19341934）物質(zhì)代謝途徑、生物大分子結(jié)構(gòu)測定）物質(zhì)代謝途徑、生物大

9、分子結(jié)構(gòu)測定 層析（層析（1944 1944 ） 生物大分子的分離純化生物大分子的分離純化 X-X-光衍射、光衍射、NMRNMR：生物大分子結(jié)構(gòu)測定生物大分子結(jié)構(gòu)測定五生物化學(xué)與分子生物學(xué) 同有關(guān)學(xué)科的關(guān)系 生物化學(xué)與分子生物學(xué)是生物學(xué)的最深層次； 生物化學(xué)與分子生物學(xué)是化學(xué)的最高層次； 生物化學(xué)與分子生物學(xué)為農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)和食品科學(xué)提供理論依據(jù)和研究手段； 物理學(xué)、信息科學(xué)和數(shù)學(xué)為生物化學(xué)與分子生物學(xué)提供研究手段。課外閱讀書籍 Lehninger Lehninger ：Principles of BiochemistryPrinciples of Biochemistry StryerStrye

10、r：BiochemistryBiochemistry 王鏡巖生物化學(xué) 沈仁權(quán)生物化學(xué)教程 鄭集普通生物化學(xué) Garrett,and Grisham: Biochemistry (Garrett,and Grisham: Biochemistry (影印版) ) 羅紀盛等 生物化學(xué)簡明教程 朱玉賢 李毅 現(xiàn)代分子生物學(xué) Robert F.Weaver: Molecular biology (Robert F.Weaver: Molecular biology (影印版) )六學(xué)習方法 積極培養(yǎng)學(xué)習的興趣； 記憶與理解相互促進； 注重閱讀和練習； 注重學(xué)習科學(xué)思維的方法和實驗技能； 注重與數(shù)理化特

11、別是化學(xué)知識的聯(lián)系； 注重與生物學(xué)功能的聯(lián)系。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章第一章Structure and Function of Proteinn什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。n蛋白質(zhì)研究的歷史18331833年年，PayenPayen和和PersozPersoz分離出淀粉酶。分離出淀粉酶。18381838年年，荷蘭科學(xué)家，荷蘭科學(xué)家 G. J. MulderG. J. Mulder引入引入“protein”protein”（源自希臘字（源自希臘字proteiosproteios，意為

12、，意為primaryprimary）一詞）一詞 18641864年年，Hoppe-SeylerHoppe-Seyler從血液分離出血紅蛋白，并將從血液分離出血紅蛋白，并將其制成結(jié)晶。其制成結(jié)晶。1919世紀末世紀末，F(xiàn)ischerFischer證明蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的，證明蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的，并將氨基酸合成了多種短肽并將氨基酸合成了多種短肽 。 19511951年年, PaulingPauling采用采用X X（射）線晶體衍射發(fā)現(xiàn)了蛋白（射）線晶體衍射發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)-螺旋螺旋(-helix)(-helix)。 19531953年年，F(xiàn)rederick SangerFr

13、ederick Sanger完成胰島素一級序列測定。完成胰島素一級序列測定。 19621962年年，John KendrewJohn Kendrew和和Max PerutzMax Perutz確定了血紅蛋白確定了血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)。的四級結(jié)構(gòu)。2020世紀世紀9090年代以后年代以后，隨著人類基因組計劃實施，功，隨著人類基因組計劃實施，功能基因組與蛋白質(zhì)組計劃的展開能基因組與蛋白質(zhì)組計劃的展開 ，使蛋白，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究達到新的高峰質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究達到新的高峰 。蛋白質(zhì)的分子組成The Molecular Component of Protein第一節(jié)第一節(jié)n蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性分布

14、廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細胞中可達細胞干重的70%以上。 1. 蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分作為生物催化劑（酶）作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護作用免疫保護作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲運動與支持作用運動與支持作用參與細胞間信息傳遞參與細胞間信息傳遞2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3. 氧化供能氧化供能n組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和 S。 有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別

15、蛋白質(zhì)還含有碘 。 各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16。 由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量克樣品中蛋白質(zhì)的含量 (g %)= 每克樣品含氮克數(shù)每克樣品含氮克數(shù) 6.251001/16%n蛋白質(zhì)元素組成的特點一、組成人體蛋白質(zhì)的20種L-氨基酸 存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H 除了除了2020種基本的氨基

16、酸外，近年發(fā)現(xiàn)硒代半種基本的氨基酸外，近年發(fā)現(xiàn)硒代半胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質(zhì)。硒胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質(zhì)。硒代半胱氨酸從結(jié)構(gòu)上來看，硒原子替代了半胱代半胱氨酸從結(jié)構(gòu)上來看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少數(shù)天然蛋白質(zhì)中，包括過氧化物酶和電子傳遞數(shù)天然蛋白質(zhì)中，包括過氧化物酶和電子傳遞鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質(zhì)合鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質(zhì)合成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體機制尚不完全清楚。機制尚不完全清楚。體內(nèi)也存在若干不參與蛋白質(zhì)合成但

17、具有體內(nèi)也存在若干不參與蛋白質(zhì)合成但具有重要生理作用的重要生理作用的L-L-氨基酸，如參與合成尿素的氨基酸，如參與合成尿素的鳥氨酸（鳥氨酸（ornithineornithine）、瓜氨酸（）、瓜氨酸（citrullinecitrulline）和精）和精氨酸代琥珀酸（氨酸代琥珀酸（argininosuccinateargininosuccinate）。）。非極性脂肪族氨基酸非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進行分類性質(zhì)進行分類( (一一) )側(cè)鏈含烴鏈的氨基

18、酸屬于非極性脂肪族側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸氨基酸( (二二) )側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸中性氨基酸甲硫氨酸( (三三) )側(cè)鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸側(cè)鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸( (四四) )側(cè)鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸側(cè)鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸( (五五) )側(cè)鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性側(cè)鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸氨基酸n幾種特殊氨基酸幾種特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亞氨基酸）（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2 半

19、胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫鍵二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3 在蛋白質(zhì)翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸在蛋白質(zhì)翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸可分別被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸?？煞謩e被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸。 蛋白質(zhì)分子中蛋白質(zhì)分子中2020種氨基酸殘基的某些基團還可被種氨基酸殘基的某些基團還可被甲基化、甲酰化、乙?；?、異戊

20、二烯化和磷酸化甲基化、甲?；?、乙?；?、異戊二烯化和磷酸化等。等。 這些翻譯后修飾，可改變蛋白質(zhì)的溶解度、穩(wěn)定這些翻譯后修飾，可改變蛋白質(zhì)的溶解度、穩(wěn)定性、亞細胞定位和與其他細胞蛋白質(zhì)相互作用的性、亞細胞定位和與其他細胞蛋白質(zhì)相互作用的性質(zhì)等，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)生物多樣性的一個方面。性質(zhì)等，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)生物多樣性的一個方面。三、三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)n兩性解離及等電點兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。處溶液的酸堿度。等電點等電點(isoelectric point, pI) 在某

21、一在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的中性。此時溶液的pH值值稱為該氨基酸的稱為該氨基酸的等電點等電點。（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性離子氨基酸的兼性離子 陽離子陽離子陰離子陰離子CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+（二）含共軛雙

22、鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍紫色化合物（三）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍藍紫色紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大

23、吸收峰在570nm處。處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白質(zhì)或活性肽肽鍵肽鍵( (peptide bond) )是由一個氨基酸的是由一個氨基酸的 - -羧基與另一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的 - -氨基脫水縮合而形成氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。的化學(xué)鍵。（一）（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽氨基酸通過肽鍵連接而形成肽NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘

24、氨酰甘氨酸肽鍵NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO肽肽(peptide)是由氨基酸通過肽鍵縮合而形是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽酸縮合則形成三肽肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多

25、肽稱多肽(polypeptide)。N 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有游離游離-氨基氨基的一端的一端C 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有游離游離-羧基羧基的一端的一端n多肽鏈有兩端：多肽鏈有兩端：多肽鏈多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶 蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成、折疊蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成、折疊成特定的空間結(jié)構(gòu)、并具有特定生物學(xué)功能成特定的空間結(jié)構(gòu)、并具有特定生物學(xué)功能的多肽。一般而論，蛋白質(zhì)的氨基酸殘基數(shù)的多肽。一般而論，蛋白質(zhì)的氨基酸殘基

26、數(shù)通常在通常在50個以上，個以上，50個氨基酸殘基以下則仍個氨基酸殘基以下則仍稱為多肽。稱為多肽。（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)GSH過氧過氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH還原酶還原酶NADPH+H+ NADP+ nGSH與與GSSG間的轉(zhuǎn)換間的轉(zhuǎn)換 體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽 神經(jīng)肽神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽多肽類激素及神經(jīng)肽蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)The Molecular Structure of Protein 第二節(jié)第二節(jié)n蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括蛋白質(zhì)的分子結(jié)

27、構(gòu)包括: 高級高級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)(primary structure)二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure)n定義定義:蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至端至C-端的端的氨基酸排列順序氨基酸排列順序。一、一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)n主要的化學(xué)鍵主要的化學(xué)鍵:肽鍵肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。 一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)一級結(jié)構(gòu)是

28、蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能功能的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素唯一因素。 目前已知一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)數(shù)量已相當可觀，并且還以更快的速度增加。 國際互聯(lián)網(wǎng)有若干重要的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，例如 EMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library） Genbank （Genetic Sequence Databank） PIR（Protein Identification Resource Sequence Database） 收集了大量最新的蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)及其他資料，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的深入研究提供了

29、便利。 二、二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象 。n定義定義: : n主要的化學(xué)鍵主要的化學(xué)鍵：氫鍵氫鍵 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折疊折疊 ( -pleated sheet) - -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 ( -turn) 無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲 (random coil) n蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)n所謂肽鏈主鏈骨架原子即所謂肽鏈主鏈骨架原子即

30、N N（氨基氮）、（氨基氮）、 CC（- -碳原子）和碳原子）和CoCo（羰基碳）（羰基碳）3 3個原子個原子依次重復(fù)排列。依次重復(fù)排列。 （一）參與肽鍵形成的（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上個原子在同一平面上參與肽鍵的參與肽鍵的6個原子個原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平位于同一平面，面，C 1和和C 2在平面上所處的位置為反式在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同構(gòu)型，此同一平面上的一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的個原子構(gòu)成了所謂的肽單元肽單元 (peptide unit) 。 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折疊折疊 ( -pleated sheet)

31、 - -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 ( -turn) 無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲 (random coil) （二）（二）-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)n蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（二）（二）-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（三）（三） - -折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)（四）（四） - -轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在普遍存在 - -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。分肽鏈結(jié)構(gòu)。（五）（五）二級結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子中的二級結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子

32、中的模體模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有二級結(jié)構(gòu)組合形式有3 3種：種：， 。二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象，稱為上相互接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象，稱為模體模體(motif) 。模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鈣離

33、子的模體鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu)- -螺旋螺旋-轉(zhuǎn)角（或轉(zhuǎn)角（或環(huán)）環(huán)）-螺旋模體螺旋模體鏈鏈-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角- -鏈模體鏈模體鏈鏈-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-螺旋螺旋-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角- -鏈模體鏈模體n模體常見的形式模體常見的形式（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈影響二級結(jié)構(gòu)的形成（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈影響二級結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成 - -螺旋螺旋或或-折疊，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。折疊，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。 三、多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步折疊形成三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 范

34、德華力等。范德華力等。n主要的化學(xué)鍵主要的化學(xué)鍵:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。n定義定義:（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置殘基的相對空間位置 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C端端（二）結(jié)構(gòu)域（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的獨立功能區(qū)是三級結(jié)構(gòu)層次上的獨立功能區(qū)分子量較大的蛋白質(zhì)常可折疊成多個結(jié)構(gòu)較分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個結(jié)構(gòu)較為緊密且穩(wěn)定的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)為緊密且穩(wěn)定的區(qū)域，并各行

35、其功能，稱為結(jié)構(gòu)域域 ( (domain) ) 。 大多數(shù)結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的大多數(shù)結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的100100至至200200個氨基酸殘個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)常分解出常分解出獨立獨立的結(jié)構(gòu)域，而各結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象可以基本的結(jié)構(gòu)域，而各結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象可以基本不改變，并保持其功能。不改變，并保持其功能。 超二級結(jié)構(gòu)則不具備這種特點。超二級結(jié)構(gòu)則不具備這種特點。 因此，結(jié)構(gòu)域也可看作是球狀蛋白質(zhì)的獨立折疊單位，因此，結(jié)構(gòu)域也可看作是球狀蛋白質(zhì)的獨立折疊單位，有較為獨立的三維空間結(jié)構(gòu)。有較為獨立的三維空間結(jié)構(gòu)。 3-磷

36、酸甘油醛脫氫酶亞基的結(jié)構(gòu)示意圖 （三）（三）蛋白質(zhì)的多肽鏈須折疊成正確的空間構(gòu)象蛋白質(zhì)的多肽鏈須折疊成正確的空間構(gòu)象分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)。加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復(fù)進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，后松開，如此重復(fù)進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。使肽鏈正確折疊。 分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。后，再誘導(dǎo)其

37、正確折疊。 分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)具有四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。許多功能性蛋白質(zhì)分子含有許多功能性蛋白質(zhì)分子含有2 2條或條或2 2條以上條以上多肽鏈。每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，多肽鏈。每一條多肽鏈都有完整

38、的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的稱為蛋白質(zhì)的亞基亞基 (subunit)。由由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體同二聚體(homodimer)，若亞基分子，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體異二聚體(heterodimer)。 血紅蛋白的血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)五、蛋白質(zhì)的分類n根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì) = = 蛋白質(zhì)部分蛋白質(zhì)部分 + + 非蛋白質(zhì)部分非蛋白質(zhì)部分n根據(jù)蛋白質(zhì)形狀根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)

39、n蛋白質(zhì)家族（蛋白質(zhì)家族（protein family） : 氨基酸序列相氨基酸序列相似而且空間結(jié)構(gòu)與功能也十分相近的蛋白質(zhì)。似而且空間結(jié)構(gòu)與功能也十分相近的蛋白質(zhì)。n屬于同一蛋白質(zhì)家族的成員，稱為屬于同一蛋白質(zhì)家族的成員，稱為同源蛋白質(zhì)同源蛋白質(zhì)（homologous protein） 。 n蛋白質(zhì)超家族蛋白質(zhì)超家族（superfamily） : 2 2個或個或2 2個以上的蛋個以上的蛋白質(zhì)家族之間，其氨基酸序列的相似性并不高，白質(zhì)家族之間，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有發(fā)揮相似作用的同一模體結(jié)構(gòu)。但含有發(fā)揮相似作用的同一模體結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系The Re

40、lation of Structure and Function of Protein第三節(jié)第三節(jié)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)與功能的基礎(chǔ)牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)二二硫硫鍵鍵 天然狀態(tài)，天然狀態(tài)，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性非折疊狀態(tài)，無活性（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象一級結(jié)構(gòu)相似的多

41、肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象以及功能也相似。以及功能也相似。 氨基酸殘基序號氨基酸殘基序號胰島素胰島素 A5 5 A6 6 A10 10 A3030 人人 Thr Ser Ile Thr 豬豬 Thr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Ala 兔兔 Thr Gly Ile Ser 牛牛 Ala Gly Val Ala 羊羊 Ala Ser Val Ala 馬馬 Thr Ser Ile Ala（三）（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息氨基酸序列提供重要的生物進化信息一些廣泛存在于生一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細胞色物界的蛋白質(zhì)如細胞色素素(cytochrome C)，比，比較它

42、們的一級結(jié)構(gòu)，可較它們的一級結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進化間以幫助了解物種進化間的關(guān)系。的關(guān)系。 （四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾?。ㄋ模┲匾鞍踪|(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病n例：鐮刀形紅細胞貧血例：鐮刀形紅細胞貧血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽鏈肽鏈HbA 肽肽 鏈鏈N-val his leu thr pro val glu C(146) 這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為稱為“分子病分子病”。n肌紅蛋白肌紅蛋白/ /血紅蛋白血紅蛋白含有血紅素輔基含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu)血紅素結(jié)構(gòu) 二、二、

43、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似n肌紅蛋白肌紅蛋白( (myoglobin，Mb) ) 肌紅蛋白是一個只有三級肌紅蛋白是一個只有三級結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8 8段段 - -螺螺旋結(jié)構(gòu)。旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個丙酸血紅素分子中的兩個丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電兩個堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的荷相連，加之肽鏈中的F8F8組氨組氨酸殘基還與酸殘基還與FeFe2+2+形成配位結(jié)合，形成配位結(jié)合，所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分

44、所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分穩(wěn)定結(jié)合。穩(wěn)定結(jié)合。 n血紅蛋白血紅蛋白( (hemoglobin，Hb) )血紅蛋白具有血紅蛋白具有4個亞個亞基組成的四級結(jié)構(gòu)，基組成的四級結(jié)構(gòu)，每每個亞基可結(jié)合個亞基可結(jié)合1 1個血紅素個血紅素并攜帶并攜帶1 1分子氧分子氧。Hb亞基之間通過亞基之間通過8對鹽鍵，使對鹽鍵，使4個亞基緊密個亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。蛋白。 脫氧脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵 Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合， Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基

45、（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合與氧結(jié)合肌紅蛋白肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線的氧解離曲線n協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。 如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(yīng) (positive cooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(yīng)(negative cooperativity)血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。n別

46、構(gòu)效應(yīng)(allosteric effect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為別構(gòu)效應(yīng)。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導(dǎo)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機理蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機理：有些蛋：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)酶的淀粉

47、樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病是由朊病毒蛋白瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，稱為螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為為-折疊的折疊的PrPsc，從而致病。，從而致病。n瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變

48、瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變第四節(jié)第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Protein一、一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液pH條條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。 當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電正、負離子的趨勢相等，即成

49、為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的荷為零，此時溶液的pH稱為稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點。n蛋白質(zhì)的等電點蛋白質(zhì)的等電點( isoelectric point, pI)二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至萬至100萬之巨，其分子的直徑可達萬之巨，其分子的直徑可達1100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。為膠粒范圍之內(nèi)。 顆粒表面電荷顆粒表面電荷 水化膜水化膜n蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:+帶正電荷的蛋白質(zhì)帶正電荷的蛋白質(zhì)帶負電荷的蛋白質(zhì)帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜水化膜+帶正

50、電荷的蛋白質(zhì)帶正電荷的蛋白質(zhì)帶負電荷的蛋白質(zhì)帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸酸堿堿酸酸堿堿酸酸堿堿脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉溶液中蛋白質(zhì)的聚沉三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。物活性的喪失。n蛋白質(zhì)的變性蛋白質(zhì)的變性(denaturation)n造成變性的因素造

51、成變性的因素: :如如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等重金屬離子及生物堿試劑等 。 n變性的本質(zhì)變性的本質(zhì): :破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。n 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例: :臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。滅菌。此外此外, , 防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。制劑（如疫苗等）的必要條件。 若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或

52、部分恢復(fù)其原有的構(gòu)后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為象和功能，稱為復(fù)性復(fù)性(renaturation) 。 天然狀態(tài)，天然狀態(tài)，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性非折疊狀態(tài)，無活性在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。淀，但并不變性。 蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固蛋白質(zhì)變性后的絮

53、狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。 n蛋白質(zhì)沉淀蛋白質(zhì)沉淀n蛋白質(zhì)的凝固作用蛋白質(zhì)的凝固作用(protein coagulation)四、蛋白質(zhì)四、蛋白質(zhì)在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的峰。蛋白質(zhì)的A280與其濃度呈正比關(guān)系，因此與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定?？勺鞯鞍踪|(zhì)定量測定。蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基

54、酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。三酮反應(yīng)。 蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應(yīng)稱為硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應(yīng)稱為雙雙縮脲反應(yīng)縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來檢測蛋白質(zhì)水解，雙縮脲反應(yīng)可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。程度。五、應(yīng)用蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)可測定蛋白質(zhì)五、應(yīng)用蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)可測定蛋白質(zhì)溶液含量溶液含量1. 茚三酮反應(yīng)茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction)2. 雙縮脲反應(yīng)雙縮脲反應(yīng)(biuret reaction)第五節(jié)第五節(jié)蛋白質(zhì)的分離純化與結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)的分離純化與結(jié)構(gòu)分析The Separation and Purif

55、ication and Structure Analysis of Protein一、一、透析及超濾法可去除蛋白質(zhì)溶液中的透析及超濾法可去除蛋白質(zhì)溶液中的小分子化合物小分子化合物應(yīng)用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一應(yīng)用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。的目的。n透析透析(dialysis)n超濾法超濾法利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法物分開的方法。二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用的蛋白質(zhì)濃縮方法的蛋白質(zhì)濃縮方法使用使用丙酮

56、沉淀丙酮沉淀時，必須在時，必須在04低溫下進行，低溫下進行，丙酮用量一般丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應(yīng)立即分離。除了丙酮以外，被丙酮沉淀后，應(yīng)立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。也可用乙醇沉淀。 鹽析鹽析(salt precipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。 免疫沉淀法：免疫沉淀法：將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得抗該蛋白的特

57、異抗體。利用特異抗體識別相應(yīng)的抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應(yīng)的抗原蛋白，并形成抗原抗體復(fù)合物的性質(zhì)，可從抗原蛋白，并形成抗原抗體復(fù)合物的性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。 三、利用荷電性質(zhì)可電泳分離蛋白質(zhì)三、利用荷電性質(zhì)可電泳分離蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)在高于或低于其蛋白質(zhì)在高于或低于其pIpI的溶液中為帶電的的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質(zhì)在電場中泳動而達到分離各種蛋白質(zhì)的技蛋白質(zhì)在電場中泳動而達到分離各種蛋白質(zhì)的技術(shù)術(shù), , 稱為稱為電泳電泳(elctrophoresis)

58、。根據(jù)支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠根據(jù)支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。電泳等。 SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質(zhì)分子，常用于蛋白質(zhì)分子量的測定。量的測定。等電聚焦電泳等電聚焦電泳，通過蛋白質(zhì)等電點的差異而分，通過蛋白質(zhì)等電點的差異而分離蛋白質(zhì)的電泳方法。離蛋白質(zhì)的電泳方法。雙向凝膠電泳雙向凝膠電泳是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要技術(shù)。是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要技術(shù)。n幾種重要的蛋白質(zhì)電泳幾種重要的蛋白質(zhì)電泳:四、四、應(yīng)用相分配或親和原理可將蛋白質(zhì)應(yīng)用相分配或親和原理可將蛋白質(zhì)進行層析分離進行層析分離待分離蛋白質(zhì)溶液（流動相）經(jīng)過一個固待分離蛋白質(zhì)溶液（流動相）經(jīng)過一個固態(tài)物質(zhì)（固定相）時，根據(jù)溶液中待分離的蛋態(tài)物質(zhì)（固定相）時，根據(jù)溶液中待分離的蛋白質(zhì)顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待分白