生物化学 蛋白质

1、第一章第一章蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能structure and function of proteinthe biochemistry and molecular biology department of jmu蛋白质蛋白质(protein)是由许多是由许多氨基酸氨基酸(amino acids)通过通过肽键肽键(peptide bond)相连形成的高分子含相连形成的高分子含氮氮化合物。化合物。n蛋白质蛋白质研究研究的的历史历史18331833年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。分离到类似胃蛋白酶的物质。18641864

2、年，血红蛋白被分离并结晶。年，血红蛋白被分离并结晶。1919世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽。了多种短肽。2020世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。素一级结构测定。2020世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展；促进了蛋白质研究迅速发展；19621962年，确定了血红蛋白的四级结构。年，确定了血红蛋白的四级结构。2020世纪世纪9090年代，功能基因组与蛋白质组研究年代，功能基因组与蛋白质组研究展展开。开。n蛋白质的生物学

3、重要性蛋白质的生物学重要性分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。的各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的占人体干重的4545，某些组织含量更高，例如，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达脾、肺及横纹肌等高达8080。1. 蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分1 1）酶的生物催化作用）酶的生物催化作用2 2）调控作用）调控作用参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等参与代谢调控：如激素或生长因子等参与代谢调控：

4、如激素或生长因子等3 3）运动与支持）运动与支持机体的结构蛋白：机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等头发、骨骼、牙齿、肌肉等4 4）参与运输贮存的作用）参与运输贮存的作用5 5）免疫保护作用）免疫保护作用抗原抗体反应抗原抗体反应凝血机制凝血机制6 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递信号传导中的受体、信息分子等信号传导中的受体、信息分子等作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）代谢调节作用代谢调节作用免疫保护作用免疫保护作用物质的转运和存储物质的转运和存储运动与支持作用运动与支持作用参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3. 氧

5、化供能氧化供能蛋白质的分子组成the molecular component of protein第第 一一 节节 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成主要有主要有c、h、o、n和和s。 有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量p或金属元素或金属元素fe、cu、zn、mn、co、mo，个别蛋白质还，个别蛋白质还含有含有 i 。 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为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克样品中蛋白质的含量 (g %)= 每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6

6、.251001/16%n蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、氨基酸一、氨基酸 蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，种，且均属且均属 l- -氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。镜子镜子coohnh2cnh2coohcrl-构型构型d-构型构型hrhh甘氨酸甘氨酸ch3丙氨酸丙氨酸l-氨基酸的通式氨基酸的通式rc+nh3coo-h非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极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碱性氨基酸碱性氨

7、基酸二、氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质可根据侧链结构和理化性质进行分类进行分类* * 20 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下: :( (一一) )侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸氨基酸( (二二) )侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸中性氨基酸( (三三) )侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸( (四四) )侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸( (五五) )侧链含正性解离基

8、团的氨基酸属于碱性侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸氨基酸lys, karg, rhis, hguanidylimidazolasp, dglu, ecarboxylcarboxylmethylthiomercaptocys,cmet,mhydroxyser,sthr,ttyr,yhydroxyphenyl phe,ftyr,ytrp,wval,vleu,lile,igly,gala,apro,pcarbonylcarbonylasn,ngln,q习惯分类方法习惯分类方法1.芳香族氨基酸芳香族氨基酸：trp、tyr、phe2.含羟基氨基酸含羟基氨基酸：ser、thr、tyr3.含硫氨基酸

9、含硫氨基酸：cys、met4.杂环族氨基酸：杂环族氨基酸：his5.杂环族亚氨基酸：杂环族亚氨基酸：pro6.支链氨基酸支链氨基酸：val、leu、ile氨基酸分类归纳：氨基酸分类归纳：碱性赖精组，酸性天和谷碱性赖精组，酸性天和谷芳香苯色酪，分支缬亮异芳香苯色酪，分支缬亮异含硫半甲硫，羟基酪苏丝含硫半甲硫，羟基酪苏丝you should know names, structures, 3-letter codes几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）ch2chcoo-nh2+ch2ch2ch2chcoo-nh2+ch2ch2甘氨酸甘氨酸（无手性碳原子）（无手性碳原子

10、）-ooc-ch-ch2-s+nh3s-ch2-ch-coo-+nh3-ooc-ch-ch2-s+nh3s-ch2-ch-coo-+nh3 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-hh-ooc-ch-ch2-sh+nh3-ooc-ch-ch2-sh+nh3hs-ch2-ch-coo-+nh3hs-ch2-ch-coo-+nh3修饰氨基酸：修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（酸（hyp）、羟赖氨酸（）、羟赖氨酸（hyl）。）。非生蛋白氨基酸：非生蛋白氨基酸：蛋白质中不

11、存在的氨基酸。如：瓜氨酸、蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生的。的。 modified amino acids修饰氨基酸，无密码子编码修饰氨基酸，无密码子编码selenium, sesulfur, s羟脯氨酸羟脯氨酸羟赖氨酸羟赖氨酸amino acids not-presented in proteins鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸不出现在蛋白质结构中的氨基酸不出现在蛋白质结构中的氨基酸三、三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质种氨基酸具有共同或特异的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离

12、程度取决于所氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。处溶液的酸碱度。 等电点等电点(isoelectric point, pi) 在某一在某一ph的溶液中，氨基酸解离成阳离子和的溶液中，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。此时溶液的中性。此时溶液的ph值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。（一）氨基酸具有两性解离的性质（一）氨基酸具有两性解离的性质ph=pi+oh-phpi+h+oh-+h+phpi氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子chnh2coohr chnh2coohrc

13、hnh3+coo-r chnh3+coo-rchnh2coo-r chnh2coo-rch coohrnh3+ch coohrnh3+the pi is the ph midway between pk value on either side of the isoelectric species. for example glycine glutamate histidinepi的的计计算算:pi = (pk1+pk2)/2an acidic amino acid pi=(pk1+pkr)/2a basic amino acid pi=(pkr+pk2)/2（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸

14、收性质（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、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。大多数蛋白质含大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝蓝紫色紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm处

15、。处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。茚三酮反应茚三酮反应 四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链的多肽链肽键肽键( (peptide bond) )是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 - -羧基与另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氨基脱水缩合而形成的化学键。的化学键。（一）（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide)nh2-ch-chooh甘甘氨氨酸酸nh2-ch-chooh甘甘氨氨酸酸nh

16、-ch-choho oh甘甘氨氨酸酸+-hoh甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键nh2-ch-c-n-ch-coohhhhonh2-ch-c-n-ch-coohhhho肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基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肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基不全，被称为氨基酸残基(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

17、连形成的肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽称多肽(polypeptide)。n 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端c 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端n多肽链有两端：多肽链有两端：多肽链多肽链(polypeptide chain)是指许多氨是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。基酸之间以肽键连接而成的一种结构。多肽链多肽链 多肽链多肽链n末端末端c末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二）（二） 几种生物活性肽几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, gsh)结构结构: : 谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的谷氨

18、酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽三肽 谷氨酸的谷氨酸的 -羧基羧基形成肽键形成肽键 sh为活性基团为活性基团 为为酸性肽酸性肽 是体内重要的是体内重要的还原剂还原剂gsh过氧过氧化物酶化物酶h2o2 2gsh 2h2o gssg gsh还原酶还原酶nadph+h+ nadp+ 主要功能主要功能: : gsh 有抗氧化剂的作用，可还原细胞有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢内产生的过氧化氢谷胱甘肽的生理功用：谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：解毒作用：参与氧化还原反应：参与氧化还原反应：保护巯基酶的活性：保护巯基酶的活性：抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定：抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定： 肽

19、类激素：如促甲状腺素释放激素（肽类激素：如促甲状腺素释放激素（trh）神经肽神经肽(neuropeptide)2. 肽类激素及神经肽肽类激素及神经肽蛋 白 质 的 分 子 结 构the molecular structure of protein 第第 二二 节节蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子结构包括： 一级结构一级结构 (primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)四级结构四级结构 (quaternary structure)高级结构高级结构定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中

20、氨基酸蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。的排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要化学键：主要化学键：肽键肽键二硫键二硫键的位置属于一级结构研究范畴。的位置属于一级结构研究范畴。 胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构3021一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能功能的基础的基础，但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素。二、二、多肽链的局部主链构象为蛋白质多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空间蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空结构，即该段

21、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间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。n定义定义: : n主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 （一）参与肽键形成的（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子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在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同构型，此同一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。 由于由于c=oc=o双键中的双键中的电子云电子云与与n n原子上的未共

22、用电子对原子上的未共用电子对发生发生“电子共振电子共振”，使肽键具有，使肽键具有部分双键部分双键的性质，的性质，不能自由旋转不能自由旋转。肽单元肽单元rcccoorncn肽单元肽单元hhhh（一）参与肽键形成的（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子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在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同构型，此同一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。 - -螺旋螺旋 ( -helix)

23、- -折叠折叠 ( -pleated sheet) - -转角转角 ( -turn) 无规卷曲无规卷曲 (random coil) （二）（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构螺旋结构是常见的蛋白质二级结构n蛋白质二级结构蛋白质二级结构n - -螺旋螺旋0.54nm-helixr-residue stretch out ,steric interactionstop view -螺旋螺旋: 多肽链主链围绕中心轴形成多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋右手螺旋，侧链侧链伸向螺旋外侧。伸向螺旋外侧。 每圈螺旋含每圈螺旋含3.6个氨基酸个氨基酸，螺距为，螺距为0.54nm。 每个肽键的亚氨氢和第四个肽键

24、的羰基氧形每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。成的氢键保持螺旋稳定。氢键氢键与螺旋长轴基本平与螺旋长轴基本平行。行。（三）（三） - -折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽链形成片层结构 -pleated sheet -pleated sheet（三）（三） - -折叠折叠多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。 两段以上的两段以上的 -折叠结构平行排列折叠结构平行排列 ，两链间可，两链间可顺向平行，也可反向平行顺向平行，也可反向平行 。两链间的肽键之间形成氢键，以

25、稳固两链间的肽键之间形成氢键，以稳固 -折叠折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。结构。氢键与螺旋长轴垂直。 pro存在处往往形成存在处往往形成-转角。转角。（四）（四） - -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 - -转角：转角： - -转角：转角： 肽链内形成肽链内形成180180回折。回折。含含4 4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。第四个形成氢键。 第二个氨基酸残基常为第二个氨基酸残基常为propro。无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。 （五）模体（五）模体是具有特殊功能的超二级结构是具有特殊功能的超二级结构在许多蛋

26、白质分子中，可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个个有规则的二级结构组合，被称为有规则的二级结构组合，被称为超二级结构超二级结构。二级结构组合形式有二级结构组合形式有3 3种：种：，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间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，称为上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体模体(motif) 。模体是具有特殊功能的超二级结构。模体是具有特殊功能的超二级结构。钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构

27、- -螺旋螺旋-转角（或转角（或环）环）-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角- -链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角- -链模体链模体n模体常见的形式模体常见的形式螺旋折叠折叠螺旋折叠折叠2 2个个hishis和和2 2个个cyscys 与与znzn离子结合离子结合螺旋区螺旋区 与与 dna dna 结合结合（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响（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。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一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 - -螺旋螺旋或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠

28、，它就会出现相应的二级结构。 影响二级结构形成的因素影响二级结构形成的因素氨基酸侧链所带电荷氨基酸侧链所带电荷 、大小及形状。、大小及形状。影响影响-螺旋形成的因素：螺旋形成的因素： -折叠形成条件：折叠形成条件：要求氨基酸侧链较小。要求氨基酸侧链较小。妨碍妨碍-螺旋形成的主要因素：螺旋形成的主要因素：（1）多个酸性）多个酸性aa相邻或多个碱性相邻或多个碱性aa相邻，相邻，r带同种电荷相斥。带同种电荷相斥。（2）asn , leu存在处，存在处，r侧链大。侧链大。（3）pro存在，存在，pro的的n原子位于刚性五元环中，原子位于刚性五元环中，妨碍盘曲而使肽链走向转折，不能形成妨碍盘曲而使肽链走

29、向转折，不能形成-螺旋螺旋-折叠形成的条件：折叠形成的条件：较小的较小的r r（如（如glygly , ala , ala）容许两条肽段彼此）容许两条肽段彼此接近。接近。蚕丝蛋白中含大量蚕丝蛋白中含大量gly,alagly,ala，故富含，故富含-折叠。折叠。pro存在处往往形成存在处往往形成-转角。转角。三、三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构形成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 van der waals力等。力等。n主要的化学键主要的化学键:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空

30、间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。n定义定义:（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置残基的相对空间位置noncovalent bond 肌红蛋白肌红蛋白 (mb) n 端端 c端端纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域（二）结构域（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域密的区域，并各行其功能，称为结构域 ( (domain) ) 。（三）（三）

31、分子伴侣分子伴侣参与蛋白质折叠参与蛋白质折叠分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而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。加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分与未折叠肽段的疏水部分结合随结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，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。使肽链正确折叠。 分子伴侣也可分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合与错误聚集的肽段结合，使之解聚，使之解聚后，再诱导其正确折叠。后，再诱导其正确折叠。 分子伴侣在蛋白质分子分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中折叠过程中

32、二硫键的正确二硫键的正确形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用亚基之间的结合主要是亚基之间的结合主要是氢键氢键和和离子键离子键。四、四、含有二条以上多肽链的蛋白质含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构具有四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，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，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的质的亚基亚

33、基 (subunit)。 胰岛素受体：胰岛素受体：由由4 4个亚个亚基组成基组成(2 22 2) ) ，亚基与亚基与亚基形成单体亚基形成单体(monomer)(monomer)，2 2个单体形成二聚体个单体形成二聚体(dimer(dimer) )。 由由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为结构相同，称之为同二聚体同二聚体(homodimer)，若亚基分子，若亚基分子结构不同，则称之为结构不同，则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。 血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构4 subunits血红蛋白血红蛋白的四级结构的四级

34、结构血红蛋白的四个亚基紧密结合，血红蛋白的四个亚基紧密结合，亚基之间的维系键是亚基之间的维系键是亚基之间亚基之间的的8 8个盐键个盐键 * * 根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质：单纯蛋白质：如，血清清蛋白如，血清清蛋白结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分 如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等* * 根据蛋白质形状根据蛋白质形状 纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：多为多为结构蛋白结构蛋白，难溶于水，难溶于水球状蛋白质：球状蛋白质：多数具有多数具有生理活性，生理活性，多数可溶多数可溶 如酶、免疫球蛋白

35、等等如酶、免疫球蛋白等等分类分类辅基辅基举例举例脂蛋白脂蛋白脂类脂类血浆脂蛋白（血浆脂蛋白（vldl、ldl、hdl等）等）糖蛋白糖蛋白糖基或糖链糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等胶原蛋白、纤连蛋白等核蛋白核蛋白核酸核酸核糖体核糖体磷蛋白磷蛋白磷酸基团磷酸基团酪蛋白（酪蛋白（casein）血红素蛋白血红素蛋白血红素（铁卟啉）血红素（铁卟啉） 血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素c黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸（黄素核苷酸（fad、fmn）琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶金属蛋白金属蛋白铁铁铁蛋白铁蛋白锌锌乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶钙钙钙调蛋白钙调蛋白锰锰丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶铜铜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶结合蛋

36、白质及其辅基结合蛋白质及其辅基 六、蛋白质组学六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的一种基因组所表达的全套蛋白质全套蛋白质”。 （二）蛋白质组学研究技术平台（二）蛋白质组学研究技术平台 蛋白质组学是高通量，高效率的研究蛋白质组学是高通量，高效率的研究: :双向电泳分离样品蛋白质双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点的定位、切取蛋白质点的定位、切取 蛋白质点的质谱分析蛋白质点的质谱分析 （三）蛋白质组学研究的科学意义（三）蛋白质组学研究的科学意义蛋白质结构

37、与功能的关系the relation of structure and function of protein第第 三三 节节（一）一级结构是空间构象的基础（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 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能结构与功能胰岛素氨基酸残基序号a5a6a10b30人th

38、rserilethr猪thrserileala狗thrserileala兔thrglyileser牛alaglyvalala羊alaservalala马thrserilealaprimary structure determines function similar primary structure, similar spatial conformation, similar function（三）（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色物界的蛋白质如细胞色素素(cytochrome c)，比，比较它们的一级结

39、构，可较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间以帮助了解物种进化间的关系。的关系。 （四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病n例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血n-val his leu thr pro glu glu c(146)hbs 肽链肽链hba 肽肽 链链n-val his leu thr pro val glu c(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。n肌红蛋白肌红蛋白/ /血红蛋白血红蛋白含有血红素辅基含有血红素辅基血红素结构血红素结构 二、二、蛋白质的功

40、能依赖特定空间结构蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似hemefe2+his(f8)structure of mb and hb conjugated protein: aa+ hemecomparation of mb and hbprimary structure (consensus sequence)spacial structure myoglobulin:globular protein, 153aa, 8 helix a-h, hemecrystalmolecular structure of hemoglobinc

41、ovalent noncovalent bond bondhb 2 2 2 141aa 2 146aa 4 heme 4o2 8 pairs of salt bond tense state relaxed staten肌红蛋白肌红蛋白( (myoglobin，mb) ) 肌红蛋白是一个只有三级肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有结构的单链蛋白质，有8 8段段 - -螺螺旋结构。旋结构。血红素分子中的两个丙酸血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的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两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的荷相连，加之肽链中的f8f8组氨组氨

42、酸残基还与酸残基还与fefe2+2+形成配位结合，形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。稳定结合。 n血红蛋白血红蛋白( (hemoglobin，hb) )血红蛋白具有血红蛋白具有4个亚个亚基组成的四级结构，基组成的四级结构，每每个亚基可结合个亚基可结合1 1个血红素个血红素并携带并携带1 1分子氧分子氧。hb亚基之间通过亚基之间通过8对盐键，使对盐键，使4个亚基紧密个亚基紧密结合而形成亲水的球状结合而形成亲水的球状蛋白。蛋白。 肌红蛋白肌红蛋白 mbmb血红蛋白血红蛋白 hbhbhb与与mb一样能可逆地与一样能可逆地与o2结合，结合， hb与与o2 2结

43、合后称为结合后称为氧合氧合hb。氧合。氧合hb占总占总hb的百分数（称的百分数（称百分饱和度百分饱和度）随）随o2 2浓度浓度变化而改变。变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合与氧结合肌红蛋白肌红蛋白(mb)和血红蛋白和血红蛋白(hb)的氧解离曲线的氧解离曲线n协同效应协同效应( (cooperativity) )一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配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，称为与配体结合能力的现象，称为协同效应协同效应。 如果是促进作用则称为如

44、果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 ( (positive cooperativity) )如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应( (negative cooperativity) )two status of hblow o2 affinity t-state and high affinity r-state.hbhb 未与未与o o2 2结合的时候，结合的时候，fefe2+2+位于卟啉环平面外侧，位于卟啉环平面外侧，与与f8his f8his 连接，当第一个连接，当第一个 o o2 2与与 fefe2+2+结合后，被拉到结合后，被拉到平面中，使得牵动平面中，使

45、得牵动f8f8螺旋片段，导致亚基之间盐键螺旋片段，导致亚基之间盐键断裂、结合变松弛，使易于与第二个亚基结合断裂、结合变松弛，使易于与第二个亚基结合n变构效应变构效应(allosteric effect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为的变化，称为变构效应变构效应。变构效应与协同效应变构效应与协同效应协同效应：协同效应：一个亚基与其配体（一个亚基与其配体（o2）结合后，）结合后，可影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力可影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力的现象称为的现象称为协同效应协同效应 起促进作用的，为起促进作用的，为正协同效应正协同效应 起抑制作用的

46、，为起抑制作用的，为负协同效应负协同效应变构效应：变构效应：由于小分子（由于小分子（o2）与大分子（）与大分子（hbhb）亚基结合，导致蛋白质分子构象改变及功能亚基结合，导致蛋白质分子构象改变及功能变化的现象称为变化的现象称为变构效应变构效应。 小分子物质，称为小分子物质，称为变构效应剂变构效应剂（三）蛋白质构象改变（三）蛋白质构象改变可引起疾病可引起疾病蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生：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，严重时可导象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。致疾病发生

47、。蛋白质构象改变导致疾病的机理蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解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。为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病是由朊病毒蛋白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。引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的正常

48、的prp富含富含-螺旋，称为螺旋，称为prpc。prpc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为为-折叠的折叠的prpsc，从而致病。，从而致病。prpc-螺旋螺旋prpsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病n疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病中的蛋白质构象改变 1986, england mad cow disease (牛脑海绵样病) prion relative protein, prp（朊病毒蛋白） m.w. 33 35 kd. normal prpc，40% -helix, little -folding sensitive to proteinaseabnor

49、mal prpsc 30% -helix 45% -folding (- pleated-sheet ) prpsc(-pleated sheet)normalprpc(-helix)mad cow disease 正常朊病毒蛋白与朊病毒空间结构的差异正常朊病毒蛋白与朊病毒空间结构的差异 朊病毒（朊病毒（prpsc）是蛋白质，不含核酸。它是正常朊病毒蛋白（）是蛋白质，不含核酸。它是正常朊病毒蛋白（prpc）的空间）的空间构象由构象由 -螺旋变成螺旋变成 -片层结构所致。因此，这类疾病又称蛋白质构象病。朊病毒片层结构所致。因此，这类疾病又称蛋白质构象病。朊病毒本身不能复制，但它却可以攻击大脑的正

50、常朊病毒蛋白，使其发生构象改变，本身不能复制，但它却可以攻击大脑的正常朊病毒蛋白，使其发生构象改变，并与其结合，成为致病的朊病毒二聚体。此二聚体再攻击正常的朊病毒蛋白。这并与其结合，成为致病的朊病毒二聚体。此二聚体再攻击正常的朊病毒蛋白。这样，脑组织中的朊病毒不断积蓄，造成脑组织发生退行性变。样，脑组织中的朊病毒不断积蓄，造成脑组织发生退行性变。 正常朊病毒蛋白结构正常朊病毒蛋白结构 （显示（显示 -螺旋螺旋） 朊病毒结构朊病毒结构（显示（显示 -片层结构片层结构）第四节第四节蛋白质的理化性质the physical and chemical characters of protein一、一、

51、蛋白质具有两性电离的性质蛋白质具有两性电离的性质蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，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，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液ph条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 prnh3+coohprnh3+coo- -prnh2coo- -oh- -h +oh- -h +兼性离子ph=pi阳离子phpi当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一ph时，蛋白质解离成时，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，此时溶液的荷为零

52、，此时溶液的ph称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。n蛋白质的等电点蛋白质的等电点( isoelectric point, pi)利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。二、蛋白质具有胶体性质二、蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。为胶粒范围之内。 颗粒表面电荷颗粒表面电荷 水化膜水化膜n蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素:

53、+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉三、蛋白质空间结构破坏而引起变性三、蛋白质空间结构破坏而引起变性在某些物理和化学因素作用下，其特定的在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生序的空间结构，从而导致其

54、理化性质改变和生物活性的丧失。物活性的丧失。n蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)我国生物化学的开拓者吴宪吴宪教授蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书述性丛书advances in protein chemistry第第47卷（卷（1995年）发表了美国年）发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈j. t. eddsall的文章的文章“吴宪与第一个蛋白质变性吴宪与第一个蛋白质变性理论（理论（1931）hsien wu and the first theory of protein denatura

55、tion(1931)”，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于蛋白质变性的论文。一篇在蛋白质变性的论文。一篇在1931年发表的年发表的论文居然在论文居然在1995年仍然值得在第一流的丛年仍然值得在第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界的一件极为罕见的大事。的一件极为罕见的大事。n造成变性的因素造成变性的因素: :如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等重金属离子及生物碱试剂等 。

56、 n变性的本质变性的本质: :破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。质的一级结构。 应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。灭菌。防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。（如疫苗等）的必要条件。 蛋白质变性后的性质改变：蛋白质变性后的性质改变：溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。生物活性丧失及易受蛋白酶水解。若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋

57、白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为象和功能，称为复性复性(renaturation) 。 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。淀，但并不变性。 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固蛋白质

58、变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。 n蛋白质沉淀蛋白质沉淀n蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation)蛋白质的变性、沉淀和凝固蛋白质的变性、沉淀和凝固沉淀的蛋白质不一定变性，也不一定凝固；沉淀的蛋白质不一定变性，也不一定凝固； 变性的蛋白质易于沉淀，但也不一定沉淀；变性的蛋白质易于沉淀，但也不一定沉淀； 凝固的蛋白质一般沉淀，同时变性。凝固的蛋白质一般沉淀，同时变性。四、蛋白质四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰在紫外光谱区有特征性吸收峰由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸由于蛋白质分子中

59、含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收波长处有特征性吸收峰。蛋白质的峰。蛋白质的od280与其浓度呈正比关系，因此与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。可作蛋白质定量测定。目录目录蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。三酮反应。 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。程度。五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质

60、五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量溶液含量1. 茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)2. 双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)目录目录第五节第五节蛋白质的分离纯化与结构分析蛋白质的分离纯化与结构分析the separation and purification and structure analysis of protein目录目录一、一、透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物小分子化合物应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一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定截留