生物化学第二章蛋白质化学

1、第二章第二章 蛋白质蛋白质 (Protein)(Protein)主要内容主要内容v2.1 2.1 蛋白质的分类蛋白质的分类v2.2 2.2 蛋白质的组成单位蛋白质的组成单位- -氨基酸氨基酸v2.3 2.3 肽肽v2.4 2.4 蛋白质的结构蛋白质的结构v2.5 2.5 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系v2.6 2.6 蛋白质的性质与分离、分析技术蛋白质的性质与分离、分析技术需要掌握的内容需要掌握的内容v蛋白质的元素组成和分类蛋白质的元素组成和分类v氨基酸的分类和性质氨基酸的分类和性质v肽的结构肽的结构v蛋白质的结构，以及结构与功能的关系蛋白质的结构，以及结构与功能的关系v蛋白质的

2、性质蛋白质的性质思考思考v什么是蛋白质？什么是蛋白质？v蛋白质的生物学意义？蛋白质的生物学意义？2.1 2.1 蛋白质的分类蛋白质的分类 元素分析发现蛋白质一般含碳元素分析发现蛋白质一般含碳 5055%，氢氢 68%，氧，氧 2023%，氮，氮 1518%，硫，硫04%。有些蛋白质还含有微量的磷、铁、铜、。有些蛋白质还含有微量的磷、铁、铜、碘、锌和钼等元素。碘、锌和钼等元素。 蛋白质的平均含氮量为蛋白质的平均含氮量为16%，即每，即每1g蛋白蛋白质中的氮相当于质中的氮相当于6.25g蛋白质。蛋白质。 样品中蛋白质含量样品中蛋白质含量=样品中的含氮量样品中的含氮量 根据分子形

3、状分类根据分子形状分类球状蛋白质球状蛋白质(globular protein)(globular protein)l分子形状接近球形分子形状接近球形, ,水溶性好水溶性好, ,种类多种类多, ,可行使多可行使多种多样的生物学性能。种多样的生物学性能。纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous protein)(fibrous protein)l分子外形呈棒状或纤维状，多数不溶于水，重要分子外形呈棒状或纤维状，多数不溶于水，重要的结构成分，或对生物体起保护作用。的结构成分，或对生物体起保护作用。膜蛋白质膜蛋白质(membrane protein)(membrane protein)l一般折叠成近球

4、形，插入生物膜，也有一些通过一般折叠成近球形，插入生物膜，也有一些通过非共价键或共价键结合在生物膜表面。生物膜多非共价键或共价键结合在生物膜表面。生物膜多数功能通过膜蛋白实现。数功能通过膜蛋白实现。 2.1.2 根据分子组成分类根据分子组成分类v简单简单蛋白质蛋白质(simple protein)v结合结合蛋白质蛋白质(conjugated protein) 核蛋白核蛋白 糖蛋白与蛋白聚糖糖蛋白与蛋白聚糖 脂蛋白脂蛋白 色蛋白色蛋白 磷蛋白磷蛋白2.1.3 根据功能分类根据功能分类v酶酶 v调节蛋白调节蛋白v贮存蛋白质贮存蛋白质v转运蛋白质转运蛋白质v运动蛋白运动蛋白v防御蛋白和毒蛋白防御蛋白

5、和毒蛋白v受体蛋白质受体蛋白质v支架蛋白支架蛋白v结构蛋白结构蛋白v异常蛋白异常蛋白 2.2 2.2 蛋白质的组成单位蛋白质的组成单位 - - 氨基酸氨基酸 (amino acid)存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余种，但组成人体余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有蛋白质的氨基酸仅有2020种，除脯氨酸外，其余种，除脯氨酸外，其余1919种种都是氨基位于都是氨基位于 - -碳原子上的碳原子上的 - -氨基酸。氨基酸。除甘氨酸外，所有除甘氨酸外，所有-氨基酸分子中的氨基酸分子中的-碳原碳原子都为不对称碳原子。因此，除甘氨酸外的所有子都为不对称碳原子。因此，除甘氨酸外的所有

6、- -氨氨基酸均有旋光性。蛋白质水解得到的均为基酸均有旋光性。蛋白质水解得到的均为 L-L- - -氨氨基酸。基酸。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸 2.2.1 氨基酸的结构通式氨基酸的结构通式RC+NH3COO-H（1）蛋白质中常见的氨基酸）蛋白质中常见的氨基酸（20种）种）根据根据R基的化学结构基的化学结构,可将氨基酸分为可将氨基酸分为脂肪族氨脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环氨基酸和杂环亚基酸、芳香族氨基酸、杂环氨基酸和杂环亚氨基酸氨基酸四类。四类。按照按照R基的极性，和在中性条件下带电荷的情基的极性，和在中性条件下带电荷的情况分为四类：况分为四类： 非极性非极性R基氨基酸、不带电荷基氨基

7、酸、不带电荷的极性的极性R基氨基酸、极性带负电荷的基氨基酸、极性带负电荷的R基氨基氨基酸、极性带正电荷的基酸、极性带正电荷的R基氨基酸基氨基酸 2.2.2 2.2.2 氨基酸的分类氨基酸的分类非极性非极性R基氨基酸基氨基酸不带电荷的不带电荷的R R基氨基酸基氨基酸极性带负电荷的极性带负电荷的R R基氨基酸基氨基酸极性带正电荷的极性带正电荷的R R基氨基酸基氨基酸Aspartic acid (Asp)Glutamic acid (Glu)天天冬冬氨氨酸酸谷谷氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COOOOCOOC CH2Lysine (Lys)精精氨氨酸酸赖赖氨氨酸酸Arginine (

8、Arg) 组组氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COONH2CH2CH2CH2CH2CHNH3COONH2CNHCH2CH2NHHCNCHNHCHistidine (His)习惯分类方法1.芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe2.含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr3.含硫氨基酸：Cys、Met4.杂环族氨基酸：His5.杂环族亚氨基酸：Pro6.支链氨基酸：Val、Leu、Ile 人体所需的八种必需氨基酸人体所需的八种必需氨基酸 赖氨酸赖氨酸(Lys) 缬氨酸缬氨酸(Val) 蛋氨酸蛋氨酸(Met) 色氨酸色氨酸(Trp) 亮氨酸亮氨酸(Leu) 异亮氨酸异亮氨酸(Ile) 苏氨

9、酸苏氨酸(Thr) 苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe) 婴儿时期所需婴儿时期所需: 精氨酸精氨酸(Arg)、组氨酸、组氨酸(His) 早产儿所需：色氨酸早产儿所需：色氨酸(Trp)、半胱氨酸、半胱氨酸(Cys)v必需氨基酸 凡人体自身不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸。v半必需氨基酸 在人体内合成速度很低，特别是新生儿或患病期，但又需要给予补充的氨基酸。v非必需氨基酸 人体自身能够合成的氨基酸。几种特殊氨基酸Gly：无手性碳原子。Pro：为环状亚氨基酸。Cys：可形成二硫键。NH2CHCOOHCH2NH2CHCOOHCH22Cys胱氨酸二硫键SHSSCH2CHNH2COOH2HCH2CHCOO-NH2

10、+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2 （2 2）蛋白质中不常见的氨基酸（修饰氨基酸）：）蛋白质中不常见的氨基酸（修饰氨基酸）： 有些氨基酸存在于某些蛋白质中，但不常见。它们都是由有些氨基酸存在于某些蛋白质中，但不常见。它们都是由相应的常见氨基酸在蛋白质合成后通过修饰加工生成的。如：相应的常见氨基酸在蛋白质合成后通过修饰加工生成的。如：胱氨酸、羟脯氨酸（胱氨酸、羟脯氨酸（HypHyp）、羟赖氨酸（）、羟赖氨酸（HylHyl）。）。 （3 3）非蛋白质氨基酸：）非蛋白质氨基酸： 一些氨基酸及其衍生物不参与构建蛋白质，但却具有重要一些氨基酸及其衍生物不参与构建蛋白质，但却具有重要的作

11、用。如：瓜氨酸、鸟氨酸等是氨基酸代谢过程中重要的中的作用。如：瓜氨酸、鸟氨酸等是氨基酸代谢过程中重要的中间体。间体。2.2.3 2.2.3 氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质(1)(1)两性解离和等电点两性解离和等电点(2)(2)光学活性和光谱性质光学活性和光谱性质 (3)(3)氨基酸的重要化学反应氨基酸的重要化学反应与水合茚三酮反应与水合茚三酮反应: :用于氨基酸定量定性测定用于氨基酸定量定性测定与甲醛反应与甲醛反应 与与2,42,4一二硝基氟苯一二硝基氟苯(DNFB) (DNFB) 反应反应: :用于蛋白质用于蛋白质N-N-端测定端测定 与异硫氰酸苯酯反应：用于蛋白与异硫氰酸苯酯反应：用于蛋

12、白N-N-端测定及氨基酸排序。端测定及氨基酸排序。 与亚硝酸反应与亚硝酸反应与荧光胺反应与荧光胺反应与与5 5，5-5-双硫基双硫基- -双（双（2-2-硝基苯甲酸）反应硝基苯甲酸）反应氨基酸的两性解离性质及等电点氨基酸的两性解离性质及等电点（pIpI）pH = pI 净电荷净电荷=0 pH pI净电荷为负净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3+ + H+ OH- + H+ OH-(pK 1)(pK 2) 当氨基酸溶液在某一定当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，主要以两性离子存在时，在电场中，不向任

13、何一极移动，电荷相等，主要以两性离子存在时，在电场中，不向任何一极移动，此时溶液的此时溶液的pH值即为该氨基酸的值即为该氨基酸的等电点等电点(isoelctric point，PI)。甘甘氨氨酸酸滴滴定定曲曲线线甘氨酸盐酸盐（甘氨酸盐酸盐（A+）等电点甘氨酸（等电点甘氨酸（A ）甘氨酸钠（甘氨酸钠（A-）一氨基一羧基一氨基一羧基AA的的等电点计算：等电点计算：pI=2pK 1+pK 2谷氨酸（谷氨酸（A）和赖氨酸（）和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算）滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基一氨基二羧基AA的的等电点计算：等电点计算：pI=2pK 1+pK 2二氨基一羧基二氨基一羧基AA的的等电点计算

14、：等电点计算：pI=2pK 2+pK 3BApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的加入的OH-mL数数加入的加入的OH-mL数数pHpH氨基酸光学活性和光谱性质1、旋光性旋光性：除：除甘氨酸甘氨酸外，所有天然外，所有天然-氨基酸都有不对称碳原子，氨基酸都有不对称碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性。因此所有天然氨基酸都具有旋光性。2、紫外吸收光谱紫外吸收光谱：参与蛋白质组成的：参与蛋白质组成的20种氨基酸中种氨基酸中色氨酸色氨酸(Trp)、酪氨酸酪氨酸(Tyr)和和苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe)的的R基团中含有苯环共轭双基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光

15、吸收（键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收（ max）分别为分别为280、275、和和257nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。TryTyrPhe的 紫外吸收光谱摩尔吸收系数摩尔吸收系数波长波长氨基酸与茚三酮反应氨基酸与茚三酮反应+3H20茚三酮茚三酮(无色无色)NH3CO2 RCHO+还原性茚三酮还原性茚三酮紫色化合物紫色化合物(弱酸弱酸)加热加热+ 2NH3 +还原性茚三酮还原性茚三酮水合茚三酮水合茚三酮与与2,4一二硝基氟苯一二硝基氟苯(DNFB)反应反应

16、（sanger反应）反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色黄色)+ HF弱碱中弱碱中氨基酸氨基酸与异硫氰酸苯酯（与异硫氰酸苯酯（PITC）反应）反应（Edman反应）反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA) （phenylisothiohydantion-AA）弱碱中弱碱中(400 C)(硝基甲烷硝基甲烷 400 C)H+氨基酸的成肽反应2H20甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸二酮吡嗪二酮吡嗪肽键肽键肽键肽键加加 热乙热乙二醇二醇2.3 2.3 肽肽* 一个氨基酸的一个氨基酸的 - -羧基与另

17、一个氨基酸羧基与另一个氨基酸的的 - -氨基脱水缩合而形成的共价键氨基脱水缩合而形成的共价键肽肽键键(peptide bond)，由此形成的化合由此形成的化合物称物称肽肽。2.3.1 肽肽的结构的结构H2N C CHR1OHO+N CHHHR2COOHH2OH2N CCHR1ONCHR2COOHH肽键 多肽链多肽链(polypeptide chain) 二肽二肽(bipeptide)，三肽，三肽(tripeptide) 寡肽寡肽(oligopeptide)，多肽，多肽(polypeptide) 氨基酸残基氨基酸残基(amino acid residue) 氨基末端（氨基末端（amino ter

18、minal）和羧基末端）和羧基末端（carboxyl terminal） 主链和侧链主链和侧链多肽链多肽链 多肽链多肽链v生物活性肽生物活性肽（biological active peptide，BAP）是是能够调节生物机体的生命活动或具有某些生理活能够调节生物机体的生命活动或具有某些生理活性的寡肽和多肽的总称。性的寡肽和多肽的总称。v生物活性肽大多以非活性状态存在于蛋白质长链生物活性肽大多以非活性状态存在于蛋白质长链中，被酶解成适当的长度时，其生理活性才会表中，被酶解成适当的长度时，其生理活性才会表现出来。现出来。v已在生物体内发现了几百种活性肽，参与调解物已在生物体内发现了几百种活性肽，参

19、与调解物质代谢、激素分泌、神经活动、细胞生长及繁殖质代谢、激素分泌、神经活动、细胞生长及繁殖等几乎所有的生命活动。等几乎所有的生命活动。2.3.2 2.3.2 生物活性肽的功能生物活性肽的功能2.3.2 2.3.2 生物活性肽的功能生物活性肽的功能 （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 SHSH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 GS

20、H还原酶还原酶NADPH+H+ NADP+ 主要功能主要功能: :（2 2）催产素和加压素）催产素和加压素（3 3）促肾上腺皮质激素）促肾上腺皮质激素（4 4）脑肽）脑肽（5 5）胰高血糖素）胰高血糖素（6 6）胃肠道活性肽）胃肠道活性肽 2.4 蛋白质的结构蛋白质的结构 为研究方便，将蛋白质分为四个层次进行探讨。为研究方便，将蛋白质分为四个层次进行探讨。 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

21、)高级结构高级结构.1 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构v蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(primary structure)(primary structure)指多指多肽链中的肽链中的氨基酸序列氨基酸序列。 N 端（端（ “H”） C 端（端（“OH”） 其其 中中 的的 氨氨 基基 酸酸 称称 氨氨 基基 酸酸 残残 基基( NHCO) R A链链 Gly.Tle.Val.Glu.Gln.Cys.Cys.Aln.Ser.Val.Cys.Ser.Leu.Tyr.Gln.Leu.Glu.Asn.Tyr.Cys.Asn OH 1 2 6 7 11 20 B链链Phe.Val.

22、Asn.Gln.His.Leu.Cys.Gly.Ser.His.Leu.Val.Glu.Ala.Leu.Tyr.Leu.Val.Cys.Gly.Glu.Arg. 1 2 7 19 Gly.Phe.Phe.Tyr.Thr.Pro.Lys.Ala OH 30 牛牛胰胰岛岛素素的的化化学学结结构构SSSSSS我国我国19651965年在世界上第一个用化学方法人工年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。 半半 胱胱 氨氨 酸酸 半半 胱胱 氨氨 酸酸 胱胱 氨氨 酸酸-SH -SH 巯（巯（ 读读“ “ qiuqiu”, , 音音 同同 球球 ) )基

23、基 价价 键键 牢牢 固，固， 稳稳 定定 蛋蛋 白白 质质 结结 构构提问：提问： 维持蛋白质一级结构的作用力是维持蛋白质一级结构的作用力是? ?键。键。 答答 案：案： 肽肽 键、二硫键键、二硫键+CHNH2COOHCH2SHCHNH2COOHCH2SHH H2 2CHNH2COOHCH2SCHNH2COOHCH2S二二 硫硫 键键一级结构是蛋白质空间构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。象和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构30212.4.2 2.4.2 蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构v蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构通常称作蛋白质的通常称作蛋白质的构象

24、构象，或，或高级结构，是指蛋白质分子中高级结构，是指蛋白质分子中所有原子在三维所有原子在三维空间空间的分布和肽链的走向。的分布和肽链的走向。v（1 1）维持蛋白质空间构象的作用力）维持蛋白质空间构象的作用力 主要是主要是次级键次级键，即，即氢键氢键和和盐键盐键等非共价键，以等非共价键，以及及疏水作用疏水作用（疏水键）和（疏水键）和范德华力范德华力等。等。v构象构象是由于分子中是由于分子中存在可自由旋转的原子存在可自由旋转的原子，形形成的分子空间特殊的结构状态。成的分子空间特殊的结构状态。v肽肽 键键氨基酸残基氨基酸残基nCHCONHRxCH3CH3 多肽链多肽链 肽键中肽键中C-NC-N键具有

25、部分双键性质，因此组键具有部分双键性质，因此组成酰胺的原子处于同一平面成酰胺的原子处于同一平面CONCON+-CON+- 共振形式共振形式vC C是否可旋转呢是否可旋转呢? ?v多肽链通过可旋转的多肽链通过可旋转的-碳原子连接的酰碳原子连接的酰胺平面链胺平面链 w提提 问：是不是蛋白质可以有无数种构象？问：是不是蛋白质可以有无数种构象？在特定状态下呢？与什么有关在特定状态下呢？与什么有关w答答 案：案： 是；一种，是；一种， 受力受力 v提问：提问：影响蛋白质构象的作用力有哪些？影响蛋白质构象的作用力有哪些？v内力（内因）内力（内因）v蛋白质分子内各原子间作用力蛋白质分子内各原子间作用力v外力

26、（外因）外力（外因）v与溶剂及其他溶质作用力与溶剂及其他溶质作用力v原理原理“内因为主，外因通过改变内因起作用内因为主，外因通过改变内因起作用”v按按不同种类内力不同种类内力以及以及产生的构象变化产生的构象变化把构象把构象划分为二、三、四级层次。划分为二、三、四级层次。（2 2）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（蛋白质的二级结构（secondary secondary structurestructure）指多肽主链有一定周期性的，）指多肽主链有一定周期性的，由氢键维持的局部空间结构。由氢键维持的局部空间结构。定义：定义：稳定因素稳定因素： 氢键氢键 肽单元肽单元 ( (pep

27、tide unit)peptide unit) 参与组成肽键的参与组成肽键的6 6个原子位于同一平面，个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。象的基本结构单位。肽单元肽单元RCCCOORNCN肽单元肽单元HHHH 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( -pleated sheet ) -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) -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

28、。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。v O （ 氢 键 ）Hv C（NHCHCO） Nv RwOHN由同一条肽由同一条肽链内链内每隔每隔3 3个氨基酸残基的个氨基酸残基的两两个肽键衍生个肽键衍生而来而来 - -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

29、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，两链间可顺向平行，也可反向平行可顺向平行，也可反向平行 。两链间的肽键之间形成氢键，以稳固两链间的肽键之间形成氢键，以稳固 - -折折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。 - -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 - -转角：转角：无规卷曲：无规卷曲：指没有一定规律的松散肽链结构，指没有一定规律的松散肽链结构，但对一定的球蛋白而言，特定的区域有特定的卷但对一定的球蛋白而言，特定的区域有特定的卷曲方式，因此，将其归入二级结构。曲方式，因此，将其归入二级结构。 肽链内形成肽链内形成180180 回折。回折。 含含4 4个

30、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。 - -转角：转角：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。（3 3）超二级结构和结构域）超二级结构和结构域超二级结构和结构域是介于蛋白质二级结构和超二级结构和结构域是介于蛋白质二级结构和三级结构层次的过渡态构象。三级结构层次的过渡态构象。超二级结构指若干相邻

31、的二级结构中的构象单超二级结构指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。二级结构组合体。蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体间构象，被称为模体(motif)(motif)。模体也属于超二级结。模体也属于超二级结构。构。超二级结构可以作为蛋白质的结构单元，组装超二级结构可以作为蛋白质的结构单元，组装成结构域或三级结构，也可作为蛋白质结构中有某种成结构

32、域或三级结构，也可作为蛋白质结构中有某种特定功能的区域。特定功能的区域。纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 结构域结构域 (domain) 指多肽链在超二级结构基础上进一步盘绕折指多肽链在超二级结构基础上进一步盘绕折叠成的近似球状的紧密结构。叠成的近似球状的紧密结构。结构域在空间上彼此分隔，各自有部分生物结构域在空间上彼此分隔，各自有部分生物学功能。学功能。结构域结构域Triose phosphate isomerase(4)(4)蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der WaalsVan der Waals力等。力等。 稳定因素稳定因

33、素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。 定义定义 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端分子伴侣分子伴侣 (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的一类蛋白质。成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质。* * 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可使肽链正确折叠。如此重复进行可使肽链正确折叠。 * * 与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折

34、叠。与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。 * * 对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。 作用：作用：亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。(5)(5)蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚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，称为蛋白质的基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。四级结构。每条具有完整三级结构的多肽链，称为每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基亚基 (subunit)(subunit)。血红蛋白（血红蛋白（HbHb）的四级结构）的四级结

35、构1.1.一级结构是空间构象的基础一级结构是空间构象的基础 2.5.1 2.5.1 蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶的一级结构的一级结构二二硫硫键键2.5 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 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742. 同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化相关同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化相关例例 同源细胞色素同源细胞色素c的种属差异与分子进化的种属差异与分子进化(1) 细胞色素细胞色素c的氨基酸序列的

36、种属差异和分子进化的氨基酸序列的种属差异和分子进化(2) 细胞色素细胞色素c的三级结构的活性部位的保守性的三级结构的活性部位的保守性75环境科学与工程系环境科学与工程系生物生物 与人不同的与人不同的AAAA数目数目黑猩猩黑猩猩 0恒河猴恒河猴 1兔兔 9袋鼠袋鼠 10牛、猪、羊、狗牛、猪、羊、狗 11马马 12鸡、火鸡鸡、火鸡 13响尾蛇响尾蛇 14海龟海龟 15金枪鱼金枪鱼 21角饺角饺 23小蝇小蝇 25蛾蛾 31小麦小麦 35粗早链孢霉粗早链孢霉 43酵母酵母 44 不同生物与人的不同生物与人的CytcCytc的的AAAA差异数目差异数目根据细胞色素根据细胞色素 C的的顺序种属差异建立顺

37、序种属差异建立起来的进化树起来的进化树104AAs76不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素血红素细胞色素细胞色素c c分子的空间结构分子的空间结构不变不变的的AAAA残基残基 35个不变的个不变的AA残基，是残基，是Cyt C 的生物功能所不的生物功能所不可缺少

38、的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与可能参与电子传递；有的可能参与“识别识别”并结合并结合细胞色素还原酶和氧化酶。细胞色素还原酶和氧化酶。104AAs中35AAs不变3.3.一级结构的变异与分子病有关一级结构的变异与分子病有关例：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这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为疾

39、病，称为“分子病分子病”。(1) (1) 肌红蛋白与血红蛋白的结构肌红蛋白与血红蛋白的结构 2.5.2 2.5.2 蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质空间结构与功能的关系 HbHb与与MbMb一样能可逆地与一样能可逆地与O O2 2结合，结合， HbHb与与O O2 2结结合后称为合后称为氧合氧合HbHb。氧合。氧合HbHb占总占总HbHb的百分数（称的百分数（称百分饱和度百分饱和度）随）随O O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。(2)(2)血红蛋白的正协同效应和变构效应血红蛋白的正协同效应和变构效应 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲

40、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，称为力的现象，称为协同效应协同效应。 促进作用称为促进作用称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity)抑制作用称为抑制作用称为负协同效应负协同效应(negative cooperativity)变构效应变构效应(allosteric effect)凡蛋白质（或亚基）因与某小分子凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致物质相互作用而

41、发生构象变化，导致蛋白质（或亚基）功能的变化，称为蛋白质（或亚基）功能的变化，称为蛋白质的蛋白质的变构效应变构效应。(3)(3)蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象改变与疾病 蛋白质构象病蛋白质构象病：若蛋白质的折叠发：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白生错误，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，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。严重时可导致疾病发生。蛋白质构象病的机理：蛋白质构象病的机理：有些蛋白质错误折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

42、淀纤维沉淀，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。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。 疯牛病疯牛病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。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。PrPc在在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的折叠的PrPsc，从而致病，从而致病。PrPc-螺旋螺旋PrP

43、sc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病2.6.1 蛋白质的性质蛋白质的性质（1）蛋白质的两性电离蛋白质的两性电离 2.6 2.6 蛋白质的性质与蛋白质的性质与分离、分析技术分离、分析技术 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pHpH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 蛋白质的等电点蛋白质的等电点 (isoel

44、ectric point, pI)(isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pHpH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，此时溶液的pHpH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。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。（2 2）蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可

45、自1 1万至万至100100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1 1100nm100nm，为胶粒范围之内。为胶粒范围之内。 * * 蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜+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（3 3）蛋白质的变性、沉淀和凝固蛋白质的变性、沉淀和凝固

46、 * * 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。质改变和生物活性的丧失。 造成变性的因素：造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、如加热、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 。 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

47、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因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为原有的构象和功能，称为复性复性。 复性复性(renaturation)(renat

48、uration) 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 * * 蛋白质沉淀蛋白质沉淀在一定条件下，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，有时蛋白质发生沉淀，变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。但并不变性。 * * 蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation)(protein coagulation) 蛋白质变性

49、后的絮状物加热可变成比较坚固的蛋白质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。凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。 （4 4）蛋白质的紫外吸收蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含由于蛋白质分子中含有共轭双键的有共轭双键的酪氨酸酪氨酸和和色色氨酸氨酸，因此在，因此在280nm波长波长处有特征性吸收峰。蛋白处有特征性吸收峰。蛋白质的质的OD280与其浓度呈正比与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定关系，因此可作蛋白质定量测定。量测定。（5 5）蛋白质的呈色反应）蛋白质的呈色反应茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的蛋白质经水解后产

50、生的氨基酸氨基酸也可发生茚也可发生茚三酮反应。三酮反应。 双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中蛋白质和多肽分子中肽键肽键在稀碱溶液中与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。2.6.2 蛋白质的分离和蛋白质的分离和分析技术分析技术（1 1）透析及超滤法）透析及超滤法* * 透析透析(dialysis)(dialysis)：利用利用透析袋把大分子蛋白质与透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。小分子化合物分开的

51、方法。* * 超滤法：超滤法：应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有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一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。目的。（2 2）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀 *使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀时，必须在时，必须在0 044低温下进行，低温下进行，丙酮用量一般丙酮用量一般1010倍于蛋白质溶液体积。蛋白倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。外，也可用乙醇沉淀。 *盐析盐析(salt precipitation)(salt precipitation)是将硫酸铵、硫是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。白质沉淀。 * *免疫沉淀法：