緒論蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能09級課件

主講許靜洪教授

生物化學生命的化學，應用化學的理論、技術(shù)及物理學、免疫學等原理和方法研究生物體（植物、動物、微生物、人體等）的化學組成和生命過程中化學變化規(guī)律的一門基礎生命科學。分子生物學

是從生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學等多種學科經(jīng)過相互雜交、相互滲透而形成的，主要研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息傳遞和細胞信息轉(zhuǎn)導過程中的作用。第一篇

生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能

構(gòu)件分子生物大分子細胞器 細胞組織器官生物體

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。1）作為生物催化劑（酶）2）代謝調(diào)節(jié)作用3）免疫保護作用4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲5）運動與支持作用6）參與細胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)重要的生物學功能3.氧化供能蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)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，個別蛋白質(zhì)還含有碘

。一、氨基酸

——組成蛋白質(zhì)的基本單位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CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R極性中性氨基酸非極性疏水性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸（一）氨基酸的分類色氨酸

tryptophanTryW

5.89絲氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTyrY

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

蘇氨酸

threonineThrT5.602.極性中性氨基酸目錄天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22賴氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76組氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.堿性氨基酸目錄幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度和帶電性質(zhì)取決于其所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectricpoint,pI)

在某一pH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，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸兼性離子

陽離子陰離子2.紫外吸收

色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰分別280nm和275nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。二、肽

肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵N末端C末端牛核糖核酸酶（二）幾種生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括

一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)高級 結(jié)構(gòu)定義

指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學鍵

肽鍵，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)象和特異生物學功能的基礎。目錄二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)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間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義

主要的化學鍵：

氫鍵

（一）肽單元參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）-螺旋目錄（三）-折疊（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是指沒有規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。（五）模體在許多蛋白質(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，形成一個具有特殊功能的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體

鋅指結(jié)構(gòu)

三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵等。

主要的化學鍵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。（一）定義

目錄肌紅蛋白(Mb)

N端C端纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（二）結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。（三）分子伴侶通過提供一個保護環(huán)境而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)。

可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。

與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。

折疊中對二硫鍵的正確形成起重要。

(chaperon)亞基之間的結(jié)合力主要是離子鍵，其次是氫鍵和疏水作用。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)

五、蛋白質(zhì)的分類

根據(jù)折疊方式和復雜程度

一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)

根據(jù)功能

活性蛋白質(zhì)非活性蛋白質(zhì)

根據(jù)組成成分

單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分

根據(jù)外觀形狀

纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎

一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關系

牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性（二）一級結(jié)構(gòu)與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)

二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關系

目錄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）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧

肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線

協(xié)同效應(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。

如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)

如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應

(negativecooperativity)O2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。變構(gòu)效應(allostericeffect)在變構(gòu)劑的作用下，變構(gòu)蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象發(fā)生改變，導致其功能發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為變構(gòu)效應。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病

蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(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)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導致疾病的機理：

有些蛋白質(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)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。

這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein（一）蛋白質(zhì)的兩性解離

一、理化性質(zhì)

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pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)當?shù)鞍踪|(zhì)處于某一pH時，解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)

蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。

蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理或化學因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。

造成變性的因素如加熱,乙醇等有機溶劑,強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。

應用舉例

臨床醫(yī)學上,變性常被應用來消毒及滅菌。此外,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。

若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復或部分恢復其原有的構(gòu)象和功能，稱為復性(renaturation)。

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，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。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。蛋白質(zhì)的凝固作用蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不再溶于強酸和強堿中。

（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關系，可作蛋白質(zhì)定量測定。（五）蛋白質(zhì)的呈色反應⒈茚三酮反應(ninhydrinreaction)

蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸可發(fā)生茚三酮反應。⒉雙縮脲反應(biuretreaction)蛋白質(zhì)和多肽中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫紅色，用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。二、蛋白質(zhì)的分離和純化（一）透析及超濾法

透析(dialysis)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。

超濾法

應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)溶液的目的。（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀

丙酮(或乙醇）沉淀時，必須在0～4℃低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應立即分離。鹽析法(saltprecipitation)，是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等中性鹽加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和及水化膜被破壞，導致蛋白質(zhì)沉淀。

免疫沉淀法：

將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體