绪论、蛋白质的结构与功能2013本科.pptVIP

生物化学,授课人：王 俐 教授 E-mail： 3029127 生物化学与分子生物学教研室,第一章 绪 论,2013级本科各专业,绪 论,生物化学的概念 生物化学的发展简史 生物化学的研究内容 生物化学与医学 生物化学的学习方法,一、 生物化学的概念,生物 有生命现象的物体 （新陈代谢、遗传与繁殖等）,化学 研究物质的组成、结构、性质、功能、变化规律,什么是生物化学？,生物化学（biochemistry） 是研究生命化学的科学，它在分子水平上探讨生命现象的本质，即研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节，以及遗传信息传递的分子基础与调控规律。,生物化学（Biochemistry）是生命的化学，研究生物体（动物、植物、微生物及人类）的化学组成、化学反应及其变化规律的科学， 从分子角度用化学语言来揭示生命现象的本质。,人为什么要吃饭、要呼吸？什么食物有营养？ 抗生素为什么能抑制细菌？遗传的本质是什么？ 为什么不吃肥肉也会胖？ 生老病死的机制？,生物化学是从分子水平上探讨生命的本质，即研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节、及其遗传信息传递的分子基础和调控规律。,生物化学已成为生命科学的共同语言，也是生命科学的领头学科。,研究方法化学、物理、遗传学、细胞生物学、生理学、免疫学、生物信息学等,二、生物化学研究的内容,第一部分 生物分子结构与功能 人体是有生物分子按一定的布局和严格的规律组合而成。主要研究生物大分子的组成、结构、功能及结构与功能的关系（结构是功能的基础，功能是结构的体现） 第二部分 物质代谢、能量代谢及代谢调节 生物体的基本特征是新陈代谢，代谢停止，生命告终。 第三部分 基因信息传递及调控 基因信息传递不但与遗传、变异、生长、分化密切相关，也与遗传性疾病、恶性肿瘤、代谢异常性疾病、免疫缺陷性疾病、心血管疾病等发病机制有关。,三、生物化学发展简史,第一阶段 静态生物化学阶段 （18世纪中叶到19世纪末） 也称叙述生物化学阶段。,主要研究生物体的化学组成。 糖类、脂类、氨基酸研究比较彻底，发现了核酸； 酶学研究得到了初步成果； 主要停留于对生物体化学组成的研究。,第二阶段 动态生物化学阶段 （20世纪初1953年）,在营养学、内分泌学、酶学、物质代谢等方面取得了很大进展； 人类必需氨基酸、必需脂肪酸、维生素、多种激素被发现； 酶学的研究继续深入，进一步证明酶的化学本质是蛋白质；,生物化学进入了蓬勃发展阶段。,同位素示踪技术的发展，并应用于物质代谢的研究； 糖代谢途径、脂肪酸-氧化、三羧酸循环、尿素合成途径等基本确定。,这个阶段，基本上阐明了酶的化学本质以及与能量代谢有关的物质代谢途径。,确定生物体的代谢途径：,第三阶段 分子生物学阶段 （1953年至今）,詹姆斯沃森（James D. Watson）,1953年 Watson（美）与 Crick（英）提出DNA分子的双螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。,弗朗西斯克里克（Francis H. Crick）,1958年，Crick提出“中心法则” 1966年，Nirenberg & Khorana 破译了遗传密码 1973年， Berg、Cohen等建立了DNA重组技术；促进对基因表达调控机制的研究，使基因操作无所不能，获得多种基因工程产品，推动了医药工业和农业的发展。 1990年，人类基因组研究计划启动； 2001 Venter（美）等报道完成了人类基因组草图测序。,中心法则、遗传密码、复制机制,我国对生物化学发展的贡献,公元前21世纪，我国人民已经能酿酒； 1919年，生物化学家吴宪创立血滤液制备法和血糖测定法；1931年提出了蛋白质变性的理论。,吴宪(1893-1959),1965年，我国首次合成了结晶牛胰岛素。 1981年，我国合成了具有天然生物活力的酵母丙氨酸tRNA。 2000年，我国完成人类基因组计划的1。,四、 生物化学与医学,生物化学是生物学和医学各学科之间的共同语言，是联系各学科的桥梁，交叉学科。 生物化学有力地推动医学各学科的发展 利用生化理论和技术，在疾病发生发展、诊断、预防、治疗方面取得了很大进步。 吸取各科之长，生物化学更具生命力,五、 生物化学的学习方法,生物化学是医学生的必修课,学习生物化学，不仅能掌握关于生命现象本质的基本知识，还为学习其他医学课程打下扎实的基础。 一定要把生物化学学好！,在理解的基础把握知识框架，抓住主线。 关注重点、善于比较、联系、总结。 要舍得花时间，适当做些习题巩固学过的知识。 重视实验课，理论联系实际。,生物化学课程特点：,学习方法：,本书概要,生物大分子的结构与功能 物质代谢及其调节 分子生物学基础 专题篇,蛋白质、核酸、酶,糖代谢、脂类代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核苷酸代谢等,复制、转录、翻译、基因表达调控、基因组、重组DNA,细胞信号转导、癌基因、血液生化、肝生化、维生素与微量元素、常用分子生物学技术等,参考文献,1.王镜岩等，生物化学 第三版，北京：高等教育出版社 2.张乃蘅等，生物化学，第二版，北京：北京医科大学出版社 3.徐晓利等，医用生物化学，北京：人民卫生出版社 4.药利波等，医学分子生物学，第二版，北京：人民卫生出版社 5.Meisenberg G et al.Principles of Medical Biochemistry, St.Louis:Mosby Inc,1998 6.Berg JM et al.Biochemistry.5th ed.New Yok:W.H.Freeman and Company,2002,蛋白质的结构与功能,第 一 章,Structure and Function of Protein,授课人：王俐 (教授) E-mail： 3029127 生物化学与分子生物学教研室,主要内容,概述 蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的理化性质与分离纯化 蛋白质的结构分析,概 述,蛋白质（protein）是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物,是生命的物质基础。,Whats Protein?,二、蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物 体重要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。 “没有蛋白质就没有生命”,2、蛋白质的生物学功能,催化功能 酶 运输功能 血红蛋白 运动功能 肌球蛋白和肌动蛋白 防御功能 免疫球蛋白 调节功能 代谢调控、基因表达调控 信息传递功能 激素 机械支持与保护功能 肌腱、韧带、头发、指甲、皮肤等 血液凝固 供能,蛋 白 质 的 分 子 组 成 The Molecular Component of Protein,第 一 节,一、 蛋白质的元素组成,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 。,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要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 6.25100,1/16%, 蛋白质元素组成的特点,二、氨基酸（amino acid） 组成蛋白质的基本单位,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有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,（一）氨基酸的结构通式,-氨基酸的立体异构体,非极性脂肪族氨基酸(水溶性小于极性中性氨基酸) 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸(苯基的疏水性较强) 酸性氨基酸(侧链含羧基) 碱性氨基酸(侧链含氨基、胍基、咪唑基),（二）氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,目 录,（三）特殊氨基酸,1.基本氨基酸 除20种基本氨基酸外，机体还有多种特殊氨基酸，发挥不同的功能。 硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸 此两种氨基酸是近年发现的机体内组成蛋白质的第21种和第22种基本氨基酸。即1986年发现了第21种硒半胱氨酸，2002年发现了第22种吡咯赖氨酸.但目前发现这两种氨基酸存在的范围有限，有关其分类、理化性质、合成方式等尚待进一步研究确定。,（三）特殊氨基酸,甘氨酸：R基为H。 脯氨酸：亚氨基酸，氨基含有一个氢原子， 形成肽键后无氢原子而引起折叠。 含羟基氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸。 含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）。 半胱氨酸：含-SH，具有还原性，两个-SH靠近，失去氢原子，形成胱氨酸。,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,（三）特殊氨基酸,2.非基本氨基酸 除上述直接由遗传密码编码的基本氨基酸外，机体还有多种非基本氨基酸，主要是蛋白质分子中的氨基酸衍生物，如羟脯氨酸、羟基谷氨酸、羧基谷氨酸、磷酸丝氨酸、乙酰赖氨酸等，这些氨基酸一般是肽链合成后通过对基本氨基酸残基专一修饰而成。,（四）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，其解离程取决于所处溶液的酸碱度。,等电点(isoelectric point, pI) 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。,两性解离及等电点的本质： 氨基酸分子是一种两性电解质，既可以在酸性溶液中结合H而带正电荷（-NH2 H - NH3），也可在碱性溶液中失去H带负电荷。（-COOH - COO ）。 氨基酸的解离方式取决于溶液的酸碱度和自身的等电点。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸对紫外光有较强的光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。 大多数蛋白质含有色氨酸和酪氨酸残基，可利用此性质采用紫外分光光度法测定蛋白质的含量。,2紫外吸收性质：,3茚三酮反应：,氨基酸与茚三酮反应，最终产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。,三、肽键、肽和多肽链,* 肽键(peptide bond)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）肽键(peptide bond)及氨基酸的成肽反应,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,* 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,* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团残缺，称为氨基酸残基(residue)。,* 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)。,（二）肽 (peptide),肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团残缺，被称为氨基酸残基。 多肽链有两个末端（特殊氨基酸残基）： 氨基端：多肽链中有游离-氨基的一端 羧基端：多肽链中有游离-羧基的一端 多肽链的表示方法：从氨基端开始到羧基端,H2N-GIVEQCCTSICSLYQLENYCN-COOH,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,多肽链的结构,主链骨架 NCCNCC NCCNCC NCC,（三） 几种生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH), 半胱氨酸,胱氨酸,参与氧化还原反应：保护巯基酶的活性， 使其活性基团-SH维持还原状态； 解毒作用：嗜核特性与与外源的嗜电子毒物或药物结合，阻断这些毒物与DNA、RNA或蛋白质的结合，消除其毒性作用； 维持红细胞膜的稳定： 消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。,谷胱甘肽的生理功能：,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,2. 多肽类激素：体内许多激素属寡肽或多肽,体内常见的一些肽类激素如催产素、加压素；抗生素肽类如短杆菌肽S、短杆菌肽A、 缬氨霉素、博来霉素等。此外，通过重组DNA技术还可得到肽类药物、疫苗等。,神经肽(neuropeptide)：神经传导过程中起信号转导作用。如：脑啡肽、内啡肽、强啡肽、孤啡肽等，与中枢神经产生痛觉抑制有关。,3. 神经肽,根据蛋白质组成成分:,根据蛋白质形状:,纤维状蛋白质：长短10；如角蛋白,球状蛋白质：多数；,三、蛋白质的分类,（核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、金属蛋白、磷蛋白等）,根据蛋白质功能:,根据“家族”（结构功能）:,酶蛋白、调节蛋白、运输蛋白、防御蛋白、结构蛋白等,免疫球蛋白超家族、热休克蛋白家族、锌指蛋白家族等,根据蛋白质溶解性质:,白蛋白、球蛋白、谷蛋白、精蛋白、组蛋白、醇溶蛋白和硬蛋白等,小 结, 蛋白质的分子组成, 前 言,蛋白质的定义、重要性,元素组成、分子组成(20种基本氨基酸)、 理化性质(两性解离、pI、紫外吸收、茚三酮反应) 肽键、生物活性肽、分类,蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein,第 二 节,蛋白质的分子结构包括 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),第三节 蛋白质的分子结构,（1952年Linderstrom-Lang建议将蛋白质结构分为4个层次）,一、蛋白质分子的一级结构,定义：蛋白质分子中从氨基端至羧基端的氨基酸排列顺序 主要化学键：肽键、部分二硫键 意义：是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,一级结构变化会引起空间结构和生物学功能的改变,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,定义：指蛋白质多肽链在一级结构基础上折叠、盘曲成特定的空间结构。 蛋白质特定的空间构象是生物学功能的基础,二、蛋白质分子的空间结构,蛋白质的二级结构,定义：蛋白质分子中某一段肽链的局部结构，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 。 二级结构的形式 螺旋、折叠、转角、无规卷曲 主要的化学键 氢键,多肽链的结构,主链骨架 NCCNCC NCCNCC NCC,（一）肽单元,参与肽键的4个原子（C、O、N、H）与相邻的 C1、C2位于同一刚性平面，构成了一个肽单元 (peptide unit) 。,肽单元的特点,肽键（-CO-NH-）中的四个原子和与之相邻的两个-碳原子（C）位于同一刚性平面，构成一个肽单元。 肽键上-NH-的H与-C=O上的O，它们的方向几乎总是相反。 肽单元中的C-N不能自由旋转，它们有部分双键的性质。,肽单元,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2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 (peptide unit) 。,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),（二） -螺旋,目 录,-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象。 螺旋以氢键维系，即第一个肽平面羰基上的氧与第四个肽平面亚氨基上的氢形成氢键，氢键的方向与与螺旋轴基本平行。 多为右手螺旋。 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm。,-螺旋的结构特征,（三）-折叠,-折叠（-pleated sheet）,反平行,-折叠的顺平行式与反平行式排列,0.70nm,0.65nm,多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状结构，侧链R基交错位于锯齿状结构的上下方。 两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，它们之间靠肽键羰基氧和亚氨基氢形成链间氢键维系，氢键的方向与-折叠的长轴垂直。 若两条肽链走向相同即均从N端指向C端，称顺向平行折叠；平行链的间距为0.65nm。反之，若两条肽链走向相反，即一条从N端指向C端，另一条从C端指向N端，称反向平行折叠，链的间距平行链的间距为0.70nm。,-折叠的结构特征,（四）-转角,-转角,-转角（-turn）是一种非重复二级结构,-转角（ -turn）是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为： 主链骨架本身以大约180回折; 回折部分通常由四个氨基酸残基构成；脯氨酸和甘氨酸经常在转角中存在 构象依靠第一残基的-CO基的O与第四残基-NH基的H之间形成氢键来维系。,-转角的结构特征,无规卷曲 是另一种非重复二级结构,无规卷曲是用来描述没有确定规律性的那部分肽链结构。 在球蛋白中，含有大量的不规则的卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。,核糖核酸酶分子中的二级结构,超二级结构、结构域、模体,超二级结构： 蛋白质分子中两个或两个以上的二级结构单元在空间上接近形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构。 形式： 、 、 等 模体是具有特定功能的超二级结构。如亮氨酸拉链和锌指结构。,（五）模体是具有特殊功能的超二级结构,二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，并具有特殊功能的超二级结构称为模体(motif) 。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,-螺旋-转角（或环）-螺旋模体 链-转角-链模体 链-转角-螺旋-转角-链模体,模体常见的形式,（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响,蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或-折叠，它就会出现相应的二级结构。,三、蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构是指一条多肽链中所有原子的空间排布（包含主链和侧链），也就是一条多肽链的完整三维结构。 主要的化学键 二硫键、氢键、离子键、疏水键、范德华力等 通常亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部。,目 录,肌红蛋白 (Mb),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) 。它是三级结构层次上的局部折叠。,结构域,随着对蛋白质空间结构研究的深入，在二级结构和三级结构之间还可以进一步细分为超二级结构和结构域。,例如：3-磷酸甘油醛脱氢酶，含两个亚基，每个亚基有两个结构域，分别是NAD+结合结构域和底物结合结构域。,（三）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二硫键的正确形成起了重要的作用。,四、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）。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。 亚基可相同，也可不同；单独一个亚基一般没有生物活性。 化学键：非共价键（氢键、离子键）,由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。,血红蛋白的四级结构,小 结, 蛋白质的分子结构,一级结构：肽键，二硫键 二级结构：氢键 肽单元和模体 三级结构：疏水作用、离子键、氢键和范德华力 结构域、分子伴侣 亚基 四级结构：氢键和离子键，疏水键,第三节 蛋白质结构与功能的关系,一级结构是高级结构与功能的基础 蛋白质的功能依赖特定的空间结构,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,一、蛋白质一级结构与功能的关系,蛋白质一级结构是空间结构的基础,核糖核酸酶的变性和复性 （Anfinsen的实验）,天然状态，有催化活性,非折叠状态，无活性,去除尿素、 -巯基乙醇,尿素、 -巯基乙醇,（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,(三)氨基酸序列提供重要的生物进化信息,一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。,亲缘关系越近，顺序同源性越大。同源蛋白质序列的相似性大小反映蛋白质之间进化关系的近远。,（四）蛋白质重要的氨基酸序列发生改变可引起疾病,镰状红细胞贫血,镰状红细胞贫血,患者的血红蛋白（用Hb-S 表示）与正常人的血红蛋白（ 用Hb-A 表示）相比，只有1个氨基酸的差异（ -链的第六位）。 Hb-A 缬-组-亮-苏-脯-谷-谷-赖- Hb-S 缬-组-亮-苏-脯-缬-谷-赖- 1 2 3 4 5 6 7 8,疏水性侧链的缬氨酸取代亲水性谷氨酸，亚基易于聚合，红细胞形态改变，较脆，易于破裂，导致贫血。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,二、蛋白质空间构象与功能的关系,蛋白质的功能依赖特定的空间构象。,血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素均以血红素为辅基与氧可逆结合，具有相似的构象变化。,（1）153Aa； （2）含1个血红素； （3） 8个螺旋 （占85）；,肌红蛋白和血红蛋白具有相似的空间结构,二、蛋白质空间构象与功能的关系,肌红蛋白的三级结构：,成年人的血红蛋白（Hb）是一个由两个亚基和两个亚基亚基组成的四聚体。每个亚基是由141个氨基酸残基组成，而每个亚基有146个氨基酸残基。,肌红蛋白(myoglobin，Mb),肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段-螺旋结构。 血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。,血红蛋白(hemoglobin，Hb),血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。 Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。,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。,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,* 协同效应(cooperativity),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体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 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity),血红蛋白的构象变化与结合氧,2/2旋转15度，由紧张型（T型）转变为松弛型（R型）。,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。,变构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。,（三）蛋白质构象改变与疾病,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。,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，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。,这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,疯牛病中的蛋白质构象改变 疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。 正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。 PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。,第四节,蛋白质的理化性质与分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白质的两性电离,一、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( isoelectric point, 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。,应用,1、等电点沉淀法分离蛋白质 等电点时，蛋白质溶解度最小。 2、蛋白质电泳分离和分子量测定 带电粒子在电场中移动的现象称为电泳。 V与电荷量呈正比，与分子半径呈反比,（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1100nm，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,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,透析与超滤法分离纯化蛋白质,透析(dialysis) 利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。透析袋是半透膜、具有微孔；10kD以下的分子可通过。用于蛋白质的纯化、浓缩。,超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。,（三）、蛋白质的沉淀,指蛋白质从溶液中析出的现象。 沉淀蛋白质的方法有,盐析在高浓度的中性盐存在下，蛋白质脱去水化膜、表面电荷被中和，在水溶液中的溶解度降低，产生沉淀的过程。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等 分段盐析：调节盐浓度，使混合蛋白分离。如血清白 蛋白、球蛋白分离。 盐析的蛋白质通常不变性，但需去盐。,有机溶剂沉淀蛋白质 降低溶液的介电常数，使溶质分子之间的静电引力增加，聚集形成沉淀；有机溶剂与水互溶，从蛋白质分子的水化膜中夺走水分子，引起蛋白质沉淀。 常用有机溶剂：丙酮、甲醇、乙醇等 免疫法沉淀蛋白质 将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。,金属盐沉淀,溶液pH在蛋白质等电点以上时，重金属盐类（如Pb2+ 、Cu2+ 、Hg2+及Ag+等）易与蛋白质结合成不溶性盐而沉淀（蛋白质均已变性）。 重金属盐类沉淀蛋白质通常比较完全，故常用于除去液体中的蛋白质。 用酪蛋白、清蛋白抢救重金属盐中毒。,（四）、蛋白质的变性、絮凝、凝固,蛋白质的变性某些理化因素使蛋白质的空间构象破坏，导致其理化性质改变和生物活性的丧失。 变性因素：物理因素（高温、高压、紫外线、剧烈震荡等）、化学因素（强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、浓尿素、SDS等） 蛋白质变性后的改变：粘度增加、溶解度降低（易于沉淀）、结晶能力消失、易被蛋白酶水解等；空间结构改变、生物学功能丧失； 不可逆变性和可逆变性,蛋白质的絮凝作用 蛋白质被强酸或强碱变性后，仍能溶解，若将pH调至等电点，变性的蛋白质立即结成絮状的不容物。 蛋白质的凝固蛋白质加热变性后成为固体凝块，称为蛋白质的凝固。此凝块不易再溶于强酸和强碱中。凝固是蛋白质变性后进一步发展的结果。,蛋白质变性的实际意义,蛋白质的复性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。,(五)、蛋白质的呈色反应,1、茚三酮反应 蛋白质水解产生的氨基酸也具茚三酮反应。,2、双缩脲反应(biuret reaction) 双缩脲在稀碱溶液中与硫酸铜共热呈现紫色或红色，称为双缩脲反应。蛋白质和多肽也有此反应(蛋白质和多肽有肽键)，但氨基酸无。可用来检测蛋白质含量及水解程度。,（六）电泳,蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳(elctrophoresis) 。 根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。,几种重要的蛋白质电泳 *SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。 *等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。 *双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。,（七）层析,层析(chroma