蛋白質的結構及功能

生物化學就是生命的化學。它是研究活細胞和有機體中存在的各種化學分子及其所參與的化學反應的科學。當前第1頁\共有104頁\編于星期六\11點

一、生物化學發(fā)展簡史二、生物化學研究內容三、生物化學與醫(yī)學四、本課內容簡介當前第2頁\共有104頁\編于星期六\11點

生物化學研究內容

生物分子的結構與功能物質代謝及其調節(jié)遺傳信息的傳遞及其調控當前第3頁\共有104頁\編于星期六\11點

生物化學與醫(yī)學

生物化學的理論與技術已滲透到醫(yī)學科學的各個領域生物化學在生命科學中占有重要的地位生物化學的發(fā)展促進了疾病病因、診斷和治療的研究當前第4頁\共有104頁\編于星期六\11點

本課內容簡介（一）蛋白質的結構與功能酶生物氧化糖代謝脂類代謝氨基酸代謝當前第5頁\共有104頁\編于星期六\11點

本課內容簡介（二）核酸的結構與功能核苷酸代謝基因信息的傳遞細胞信息傳遞癌基因、抑癌基因與生長因子血液的生化當前第6頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的結構與功能第一章StructureandFunctionofProtein當前第7頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質(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。當前第8頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的生物學重要性1.蛋白質是生物體的重要組成成分2.蛋白質具有重要的生物學功能

1）作為生物催化劑

2）代謝調節(jié)作用

3）免疫保護作用

4）物質的轉運和存儲

5）運動與支持作用

6）參與細胞間信息傳遞3.氧化供能當前第9頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)當前第10頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的元素組成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質含有少量P或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個別蛋白質還含有I。當前第11頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的含氮量平均為16％。通過樣品含氮量計算蛋白質含量的公式：蛋白質含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25蛋白質元素組成的特點當前第12頁\共有104頁\編于星期六\11點一、氨基酸

——蛋白質的基本組成單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬L--氨基酸（甘氨酸除外）。當前第13頁\共有104頁\編于星期六\11點H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R當前第14頁\共有104頁\編于星期六\11點非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸（一）氨基酸可根據(jù)側鏈結構和理化性質進行分類當前第15頁\共有104頁\編于星期六\11點1.側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸當前第16頁\共有104頁\編于星期六\11點2.側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸當前第17頁\共有104頁\編于星期六\11點3.側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸當前第18頁\共有104頁\編于星期六\11點4.側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸當前第19頁\共有104頁\編于星期六\11點5.側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸當前第20頁\共有104頁\編于星期六\11點

幾種特殊氨基酸Gly：無手性碳原子。Pro：為環(huán)狀亞氨基酸。Cys：可形成二硫鍵。當前第21頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第22頁\共有104頁\編于星期六\11點修飾氨基酸：蛋白質合成后通過修飾加工生成的氨基酸。沒有相應的編碼。如：胱氨酸、羥脯氨酸（Hyp）、羥賴氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白質中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鳥氨酸、同型半胱氨酸，是代謝途徑中產(chǎn)生的。

當前第23頁\共有104頁\編于星期六\11點（二）氨基酸的理化性質1.兩性解離及等電點2.紫外吸收3.茚三酮反應當前第24頁\共有104頁\編于星期六\11點二、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)當前第25頁\共有104頁\編于星期六\11點多肽鏈(polypeptidechain)二肽，三肽……寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide)氨基酸殘基(residue)：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(residue)。氨基末端（aminoterminal）和羧基末端（carboxylterminal）主鏈和側鏈當前第26頁\共有104頁\編于星期六\11點多肽鏈當前第27頁\共有104頁\編于星期六\11點

多肽鏈當前第28頁\共有104頁\編于星期六\11點（二）幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)結構:當前第29頁\共有104頁\編于星期六\11點谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽谷氨酸的-羧基形成肽鍵－SH為活性基團為酸性肽是體內重要的還原劑當前第30頁\共有104頁\編于星期六\11點GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+主要功能:當前第31頁\共有104頁\編于星期六\11點肽類激素：如促甲狀腺素釋放激素（TRH）神經(jīng)肽(neuropeptide)2.肽類激素及神經(jīng)肽當前第32頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的分子結構

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)當前第33頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的分子結構包括：

一級結構(primarystructure)二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)高級結構當前第34頁\共有104頁\編于星期六\11點定義：蛋白質分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、蛋白質的一級結構主要化學鍵：肽鍵二硫鍵的位置屬于一級結構研究范疇。當前第35頁\共有104頁\編于星期六\11點一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。胰島素的一級結構3021當前第36頁\共有104頁\編于星期六\11點二、蛋白質的二級結構蛋白質分子中某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

。定義：穩(wěn)定因素：

氫鍵

當前第37頁\共有104頁\編于星期六\11點多肽鏈當前第38頁\共有104頁\編于星期六\11點（一）肽單元(peptideunit)參與組成肽鍵的6個原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質構象的基本結構單位。當前第39頁\共有104頁\編于星期六\11點肽單元HHHH當前第40頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第41頁\共有104頁\編于星期六\11點

蛋白質二級結構的主要形式

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)

-轉角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

當前第42頁\共有104頁\編于星期六\11點（二）-螺旋結構要點:

①多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋，側鏈伸向螺旋外側。②每圈螺旋含3.6個氨基酸，螺距為0.54nm。③每個肽鍵的氨基氫和第四個肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長軸基本平行。當前第43頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第44頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第45頁\共有104頁\編于星期六\11點（三）-折疊①多肽鏈充分伸展，相鄰肽單元之間折疊成鋸齒狀結構，側鏈位于鋸齒結構的上下方。②兩段以上的β-折疊結構平行排列，兩鏈間可順向平行，也可反向平行。③兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵，以穩(wěn)固β-折疊結構。氫鍵與螺旋長軸垂直。

當前第46頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第47頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第48頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成-螺旋或β-折疊，它就會出現(xiàn)相應的二級結構。當前第49頁\共有104頁\編于星期六\11點（四）-轉角和無規(guī)卷曲-轉角：無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結構。①肽鏈內形成180o回折。②含4個氨基酸殘基，第一個殘基的羰基氧與第四個殘基的氨基氫形成氫鍵。③第二個氨基酸殘基常為Pro。當前第50頁\共有104頁\編于星期六\11點-轉角：當前第51頁\共有104頁\編于星期六\11點（五）模體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)則的二級結構組合，被稱為超二級結構。細胞色素C的αα結構細胞核抗原的βαβ結構

纖溶酶原的ββ結構當前第52頁\共有104頁\編于星期六\11點模體蛋白質分子中，二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構象，被稱為模體(motif)。當前第53頁\共有104頁\編于星期六\11點鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體EFhandα-螺旋-β轉角（或環(huán)）-α-螺旋模體當前第54頁\共有104頁\編于星期六\11點鋅指結構zincfingerDNA結合蛋白α-螺旋-β折疊-β折疊模體當前第55頁\共有104頁\編于星期六\11點三、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。穩(wěn)定因素：整條肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。定義當前第56頁\共有104頁\編于星期六\11點

肌紅蛋白(Mb)myoglobin153AA1HemeA~H八段α-螺旋無-S-S-鍵功能：儲存O2當前第57頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第58頁\共有104頁\編于星期六\11點結構域(domain)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，稱為結構域(domain)。3-磷酸甘油醛脫氫酶當前第59頁\共有104頁\編于星期六\11點分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構的一類蛋白質。*可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可使肽鏈正確折疊。（粘扣帶）*與錯誤聚集的肽段結合，誘導其正確折疊。*對蛋白質分子中二硫鍵的正確形成起重要的作用。作用：當前第60頁\共有104頁\編于星期六\11點亞基之間的結合力主要是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質的四級結構蛋白質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，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每條具有完整三級結構的多肽鏈，稱為亞基(subunit)。當前第61頁\共有104頁\編于星期六\11點血紅蛋白（Hb）的四級結構當前第62頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第63頁\共有104頁\編于星期六\11點血紅蛋白的一、二、三、四級結構一級結構：相鄰AA間的共價結合二級結構：短距離AA之間的非共價連接三級結構：遠距離AA之間的非共價連接四級結構：多肽鏈之間的非共價連接當前第64頁\共有104頁\編于星期六\11點含有二條以上多肽鏈的蛋白質一定具有四級結構。亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵（非共價鍵）只有一條多肽鏈的蛋白質肯定沒有四級結構。多分子聚合物不屬于四級結構當前第65頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質結構與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)當前第66頁\共有104頁\編于星期六\11點（一）一級結構是空間構象的基礎一、蛋白質一級結構與功能的關系牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵當前第67頁\共有104頁\編于星期六\11點

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)，無活性當前第68頁\共有104頁\編于星期六\11點（二）一級結構與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血（SickleCellAnemia）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)

這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。當前第69頁\共有104頁\編于星期六\11點使血紅蛋白的溶解度下降。在氧張力低的毛細血管區(qū),HbS形成凝膠化導致紅細胞扭曲、僵硬，不能通過毛細血管,凝膠狀HbS使血液的黏滯度增大,阻塞毛細血管,引起局部組織器官缺血缺氧,產(chǎn)生脾腫大、胸腹疼痛。非洲40%攜帶，患者對瘧疾的感染有顯著抵抗力。

當前第70頁\共有104頁\編于星期六\11點（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結構二、蛋白質空間結構與功能的關系當前第71頁\共有104頁\編于星期六\11點Hb與Mb一樣能可逆地與O2結合，Hb與O2結合后稱為氧合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）血紅蛋白的構象變化與結合氧當前第72頁\共有104頁\編于星期六\11點肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線當前第73頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第74頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第75頁\共有104頁\編于星期六\11點當前第76頁\共有104頁\編于星期六\11點*協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。促進作用稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)抑制作用稱為負協(xié)同效應(negativecooperativity)當前第77頁\共有104頁\編于星期六\11點變構效應(allostericeffect)凡蛋白質（或亞基）因與某小分子物質相互作用而發(fā)生構象變化，導致蛋白質（或亞基）功能的變化，稱為蛋白質的變構效應。當前第78頁\共有104頁\編于星期六\11點（三）蛋白質構象改變與疾病蛋白質構象?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。當前第79頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質構象病的機理：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(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。當前第80頁\共有104頁\編于星期六\11點瘋牛病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在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病當前第81頁\共有104頁\編于星期六\11點PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病當前第82頁\共有104頁\編于星期六\11點第四節(jié)蛋白質的理化性質與分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein當前第83頁\共有104頁\編于星期六\11點（一）蛋白質的兩性電離一、理化性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。當前第84頁\共有104頁\編于星期六\11點蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。利用蛋白質兩性電離的性質，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術分離蛋白質。當前第85頁\共有104頁\編于星期六\11點（二）蛋白質的膠體性質蛋白質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。*蛋白質膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜當前第86頁\共有104頁\編于星期六\11點+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩(wěn)定的蛋白質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的聚沉+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－當前第87頁\共有104頁\編于星期六\11點（三）蛋白質的變性、沉淀和凝固*蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，蛋白質分子的特定空間構象被破壞，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。當前第88頁\共有104頁\編于星期六\11點

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：——

破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質的一級結構。當前第89頁\共有104頁\編于星期六\11點

應用舉例臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。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。

蛋白質變性后的性質改變：溶解度降低、粘度增加、結晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。當前第90頁\共有104頁\編于星期六\11點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功能，稱為復性。復性(renaturation)當前第91頁\共有104頁\編于星期六\11點

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)，無活性當前第92頁\共有104頁\編于星期六\11點*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。*蛋白質的凝固作用(proteincoagulation)蛋白質變性后的絮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。

當前第93頁\共有104頁\編于星期六\11點（四）蛋白質的紫外吸收由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。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。當前第94頁\共有104頁\編于星期六\11點（五）蛋白質的呈色反應⒈茚三酮反應(ninhydrinreaction)

蛋白質經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。藍紫色⒉雙縮脲反應(biuretreaction)蛋白質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，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解程度。當前第95頁\共有104頁\編于星期六\11點二、蛋白質的分離和純化（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溶液透