第01章蛋白質的結構與功能.

1、丫生化世界之大門在此為你開啟凌敏Lingmin70緒論生物化學(biochemistry)是一門研究生物體內化學分子與化學反應.以及這些分子的代謝變化.調節(jié)與功能關系的學科。主要任務：從分子水平探討生命現(xiàn)象本質。分子生物學：研究核酸、蛋白質等生物大分子的結構、功 能及基因表達調控生物化學發(fā)展簡史水初始階段（敘述生化18至20世紀初，主要研究生物體的化學組成。研究了脂類、糖類.氨基酸； 發(fā)現(xiàn)核酸，分離了血紅蛋白，證實了肽鍵 發(fā)現(xiàn)酵母中有可溶性催化劑酶學基礎；水發(fā)展階段（動態(tài)生化）2（）世紀初期開始,發(fā)現(xiàn)必需AA、FA和維生素:發(fā)現(xiàn)激素:酶結晶成功；代謝途徑確定。蟲理程碑階段（分子生物學）20世紀

2、后半葉，分子生物學崛起:1953年watson和crick建立DNA雙螺旋結構模型 遺傳中心法則的提出，遺傳密碼破譯： 70年代，DNA重組技術建立.應用；80年代，核酶發(fā)現(xiàn)，PCR技術建立，90年代，人類基因組計劃實施，后基因組計劃,我國科學家對生化發(fā)展的貢獻公元21世紀，釀酒：用“曲”作“媒”近代，北大吳憲教授創(chuàng)立了血濾液的制備和血 糖測定法，提岀了蛋白變性學說 1965年，首次合成了牛胰島素 1981年，合成了酵母丙氨酸t(yī)RNA 1994年，我國參與人類基因組計劃生物化學的主要內容1. 生物體的化學組成、結構及功能。2. 物質代謝及其調控。3. 遺傳信息的貯存.傳遞和表達。生物化學與醫(yī)學

3、生物化學是重要的醫(yī)學基礎課程，和醫(yī)學相互促進。本課程成績評定: 段考：20%期考：60%平時:實驗、小測驗等第1章養(yǎng)囪質的律枸場功催Structure and Function of Protein什么是蛋白質？蛋白質(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。蛋白質的生物學重要性1.蛋白質是生物體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細 胞的各個部分都含有蛋白質。含童高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子, 占人體干重的45%,某些組織含童更高，例 如脾、肺及橫紋肌等高達80%。2-蛋白質具有重要的生物學功

4、能A作為生物催化刑（醸）»代謝調節(jié)作用免疫保護作用A物質的轉運和存儲»運動與支持作用參與細胞間信息傳遞3.氧化供能組成蛋白質的元素主要有C、H、O、N和S。有些蛋白質含有少童另或金屬元素烘、銅、鋅、猛、牯、鈕，個別餐白質還含有碘。蛋白質元素組成的特點各種蛋白質的含氮重彳艮換近，平均為"。由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此, 只要測定生物樣品中的含氮童，就可以根據以 下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣晶中蛋白質的含量(g %)=每克樣品金氮克數X 6.25X100二、氨基酸可根據側鏈結構和理化性質進行分類非極性脂肪族氨基酸極柱中牲氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸

5、.堿性氨基酸1(-)側鏈含婭鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族 氨基酸結構式中文笛英文名三字一字尊電點符號捋號(pl)甘氨酸glycineGlyG5.97ahlciicooMb1alanineAlaA6.00f: valineValV5,96CH>- CM OVKweU. 1亮氨酸leucineLeuL5.98ch,chf:rr并亮缺破isolcucincHeI6.02xJ脯缺絞prolineProp6.30M» W Hl（二）側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸納構式-Mi.,O<：屮o叩文名英文輕三7字等電點符號符號(pl)serineSerS5.68cysteine

6、Cysc5.07methionineMetM5.74asparagineAsnN5.41谷氛靦胺glutamineGinQ5.6SthreonineI hrT5.60（三）側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸結構式中文名一 .羸栽丙氨陵皿色氨陵>0叭|嚴t 矽氨酸英文名三字Y符號零電點（pl）phenylalaninePhcF5.48tryptophanTryW5.89tyrosineTryY5.66（四）側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸結構式屮文名英文名三字-7等電點（pl）符號符號天冬氨酸aspartic acidAspD2.97谷氨腋glutamic acidGluE3.22

7、（五）側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸結構式中立名 英立名胳氨陵arginineHOC-CHjhistidineN NH /NHCHH-CHCOO 敘氨酸三字一字等電點符號符號(pl)ArgR10.76HisH7.59LysK9.74<1 g IB幾種特殊氨基酸脯氨酸（亞氨基酸半胱氨酸Pg嚴曲王險件CH-C。-叫-hh+nh3OOC-CH-CHSlCH.-CH-COO-+NH3 I +NH3三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質<->氨基酸具有兩性解離的性質兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所 處溶液的酸堿度。等電點(isoelectric poi

8、nt, pl)在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和 陰離子的趨勞及程度相竽，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。R-CH-COOHnh2+OH"和.+ OH*R-CH -COOHj RYH-C00毛'IR-CH-COO'1NHJ+屮nh3-+H +nh2pH<pIpH=pIpH>pI陽離子氨基酸的兼性離子陰離子<> Ml!2!I（二含共軌雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質芳香族氨基酸的紫外吸收色氨酸、酪氨酸的 最大吸收*在280 nm 附近。大多數蛋白質含有 這兩種氨基酸殘基，所 權測定蛋白質溶液 2X0nm的光吸收值

9、是分 析溶液中蛋白質含童的 快速簡便的方法。（三）氨基酸與苗三酮反應生成藍紫色化合物氨雇酸與帶三酮水合物共熱，可生成藍 紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收*值與氨基酸的含量存在正 比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。蛋白質是由許多氨基酸殘基組成的多肽鏈(一)氨基酸通過肽鍵連接而形成肽(peptide)肽(peptide bond)是由一個氨基酸的a-菽基與另一個氨基酸的e氨基脫水縮合而形成 的化學鍵。9nh2-c hcH+9十 NH-CH-C尺.|OH _ _H H OH甘氨酸HCIH2HN:hih甘氨酰甘氨酸肽是由氨基咬通過肽鍵縮合而形成的化 合物。兩分子氨基酸編合形成二肽

10、，三分子氨基 酸縮合則形成三肽由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽 (oligopeptide),由更多的氨基酸和連形成的肽 稱多肽(polypeptide)。肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團 不全，被箱為氨基酸殘1.(residue)o多flk(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間 以馱鍵連接而成的一種結構。R 0 R o R 0R°'IIII ? III II-N Ca Y NCa C N Ca C 一 . NCa Y OH HHHH多肽鏈有兩端：N末端：多肽鏈中有游離1 氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離心竣基的一端（-）體內存在多種重要的生物活性肽

11、1.谷胱甘£1(glutathione, GSH)h-c-nh2HOOCHHag谷気酸 半胱氨酸甘氨腋第二節(jié)蛋白質的分子結構The Molecular Structure of Protein蛋白質的分子結構包括:一級結構(primary structure)高級結構二級結 (secondary structure) 三級結 (tertiary structure)(quaternary structure)一、氨基酸的排列順序決定蛋白質的一級結構定必蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從N 端至 G端的氨基帔排列順序。主要的化學鍵：肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍍。26 17 a M W牛K

12、»«w-S結構一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能 的基礎，但不是決定蛋白質空間構象的唯一因素。二、多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質二級結構定義:蛋白質分子中臬一段肽鏈的局部空間 結構，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鏈的構象0主要的化學鍵；氫鍵(一)肽單元It單元與駄徒的6個廉子C. O、N Hv位于利一平 面.C.和C邊在平面上所處的 位為反式(tnms)構SL此同 一平面上的6個原子構成了所訊 的Jtt單元(peptide unit) <-> a-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構蛋白質二級結構> a-螺旋(a-helix)&

13、gt; 卩折疊(0pleated sheet)> B轉角”無規(guī)卷曲(random coil)< VI（三）卩-折疊使多肽鏈形成片層結構（四卩-轉角和無規(guī)卷曲在蛋白質分子中 普遍存在HE |2卜特角< VI< VI無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部 分肽鏈結構。(五)模體(motif)是具有特殊功能的超二級結構在許多蛋白質分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具 有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一 個有規(guī)則的二級結枸組合，被稱為超二級結枸。模體是具有特珠功能的超二級結枸。一個模體總有其特征性的氨基酸序列，并發(fā)揮其 特殊的功能。鈣培合爰白中結合 鈣離子的模體鋅指結構<

14、VI（六氨基酸殘基的側鏈對二級結構形成的影響蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。-段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成螺旋或P折疊，它就會出現(xiàn)相應的二級結構。形響（I 螺旋形成的因素，同種電荷、大基團、脯氨酸三、在二級結構基礎上多肽鏈進一步折疊形成蛋白質三級結構（-）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸 殘基的相對空間位置定義：整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間住置。即肽鏈中所有原于在三維空間的排布位置。主要的化學鍵：疏禾鍵、離子鍵、氫鍵和VenderWaak力等。肌紅蛋白(Mb(二結構域是三級結構層次上的局部折疊區(qū)分子量較大的蛋白質?？烧郫B成多個結構較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結枸域(doma

15、in) 0COOHB”Ktt白KM白軒Ml蚩白mnt纖連蛋白分子的結枸城(三)分子伴侶參與蛋白質折疊分子伴侶(chaperon )ifii±提供一個保護環(huán)境從而 加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構?！狈肿影閭H可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨 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。»分于伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚 后，再誘導其正確折疊。”分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫黃的正確 形成起了重吳的作用。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質具有四級結構有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈， 每一條多肽鏈都有克藝的三級結構，稱為蛋白 質的亞基(sub

16、unit)o蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接 舷部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級 結構。亞基之間的結合主要是氫鍍和離子鍵。由2個亞基組成的蛋白質四級結構中，若亞基分子 結構相同，稱之為同二聚(lioniodiiner),若亞基分子 結構不同，則稱之為異二聚(heterodiincr)6血紅蛋白的 四級結構五、蛋白質的分類根據蛋白質組成成分：單純蛋白質結合蛋白質二蛋白質部分+非蛋白質部分根據蛋白質形狀：i纖維狀蛋白質1球狀蛋白質第三節(jié)蛋白質結構與功能的關系The Relation of Structure and Functionof Protein一、蛋白質一級結構是高級結構與功能的

17、基礎a（二）一級結構相似的蛋白質具有相似的高級 結構與功能胰島素-氨基酸殘基序號A5A6A10B30人ThrSerHeThr豬ThrSerlieAla狗ThrSerHeAla兔ThrGlyHeSer牛AlaGlyVaiAla羊AlaSerVaiAla馬ThrSerXieAla（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息1些廣泛存在于生 物界的蛋白虞如細胞色 -（cytochrome C）,比 校它們的一級結構，可 以幫助了解物種進化間 的關系。(四)重要蛋白質的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細胞貧血HbA卩肽鏈N-val his leu thr - pro glu gluC(146)HbS p

18、肽鏈N-val his leu thr pro val gluC( 146)這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病, 稱為“分子病”。二、蛋白質的功能依賴特定空間結構(-)血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似肌紅蛋白/血紅蛋白 含有血紅素輔基血紅素結構肌紅蛋白(myoglobin, Mb)肌紅去自是一個只有三級 結構的單鏈妥白廈，有8段*螺 蛙結構。血紅素分子中的兩個丙St 側鏈以壽子鐵形式與肽鏈中的 兩個竦性氨基釀側鏈上的正電 荷相連，加之肽鏈中的F8組氨 酸殘基還與F/+形成配位結合, 所以血紅素械基與妥白廉部分 穩(wěn)定結合。血紅蛋白(hemoglobin> Hb)血紅爰白具有4個亞 基組成的

19、四級結構，每 個亞基可結合1個血紅素 并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8 對使4個亞基索密 結合而形成親水的球狀(二)血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基與氧結合Hb與Mb-樣能可逆地與結合，Hb與結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(稱百分飽和度)隨濃度變化而改變。肌紅委白(Ib)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線協(xié)同效應(c(X)perativity)一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結 合后，能彬響此寨聚體中另一個亞懇與配體結 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(positive cooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(negative coop

20、erativity)第一個亞基血 紅素Fc與氧結合后, 鐵原子半徑變小， 就能逬入嚇咻環(huán)的 小孔中，繼而引起 肽鏈位置的變動， 影響了附近肽段的 構彖。<Ml<Ml<Ml<Ml變構效應(alk)§twic effect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的 變化，稱為變構效應。<Ml（三）蛋白質構象改變可引起疾病蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生 錯謀，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構 象發(fā)生改變，仍可彩響其功能，嚴重時可導 致疾病發(fā)生。垂白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋 白質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，產生辛性而致病，表現(xiàn)

21、為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體井就變性病、老 年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由骯病毒蛋白(prion protein, PrP) 引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含1 螺謹，稱為PrPoPrl"在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全 為卩折疊的PPJ從而致病。PrP6 螺旋正常瘋牛病第四節(jié)蛋白質的理化性質The Physical and Chemical Characters ofProtein一、蛋白質具有兩性電離的性質蛋白質分子除兩端的氨基和竣基可解離外， 氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條 件下

22、都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。蛋白質的等電點（isoelectrit point, pl>當蛋白質溶液處于某一pH時，罷白質解離成 正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電 荷為家，此時溶液的pH稱為蛋白質的竽電點。二、蛋白質具有膠體性質蠶白質屬于生物大分子之一，分子量可自1 萬至10«萬之巨，其分子的直徑可達1lOOnm, 為膠粒范圍之內。蛋白質膠體穩(wěn)定的因素：»顆粒表面電荷>水化膜溶液中蛋白質的聚沉三. 蛋白質空間結構破壞而引起變性蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的 空間構象被玻壞，也即有序的空間結構變成無 序

23、的空間結構，從而導致其理化性質改變和生 物活性的喪失。變性的本質：破壞非共價型和二硫快，不改變蛋白 質的一級結枸。造成變性的因素：加熱、加壓、紫外線乙醇、強酸、強堿等有機溶劑重金厲離子及生物威試刑等。變性表現(xiàn)：（1）物理性質的改變：洛解度下降；粘度 増加，結晶能力消失（2化學性質的改變：易微蛋白酶 消化；（3）生物功能的改變；諄喪失活性.XXS白喪 失生理調節(jié)作用、抗體失去與抗原專一性結合能力.應用舉例：上臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及 滅瓠此外，防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質 制劑（如疫苗等）的必要條件。若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素 后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構 象和

24、功能，稱為復性(renaturation) o蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽 鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發(fā)生沉 淀，但并不變性。蛋白質的凝t作用(protein coagulation)董白質炎性后的絮狀物加熱可變成比校堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強瑕中。四、蛋白質在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰由于蛋白質分子中含有共鉅雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因 此可作蛋白質定量測定。五、應用蛋白質呈色反應可測定蛋白質 溶液含量1. 葩二酮反應(ninhvdrin react

25、ion)蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發(fā)生蒂 三酮反應。2. 雙縮腮反應(biuret reaction)蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與 疏酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應稱為雙 縮腺反應，雙縮軀反應可用來檢測蛋白質水解 程度。*9 »! BBa逮第五節(jié)蛋白質的分離純化與結構分析 The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用的蛋白質沉淀方法"使用丙酮沉淀時，必須在04C低溫下進行， 丙酮用量一般10倍于蛋白質溶液體積。蛋白質 被丙陰沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外， 也可用乙薛沉淀。d鹽f(salt precipitation)是將硫酸錢、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，使蛋白質表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。廠免疫沉淀法：將某一純化蛋白質免疫動物可獲得 抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的 抗原蛋白，并