蛋白质的结构和功能

1、蛋白质的结构和功能绪绪 论论生物化学生物化学n早期主要是用化学、生物学、物理学以及数早期主要是用化学、生物学、物理学以及数学原理研究各种形式的生命现象。学原理研究各种形式的生命现象。n至至20世纪下半叶，生物化学进入分子生物学世纪下半叶，生物化学进入分子生物学时期，融入了遗传学、细胞生物学、生物工时期，融入了遗传学、细胞生物学、生物工程学、免疫学和生物信息学等理论和技术。程学、免疫学和生物信息学等理论和技术。n因此，生物化学是一门边缘学科，也是生命因此，生物化学是一门边缘学科，也是生命科学领域重要的领头学科。科学领域重要的领头学科。 n生物化学，是研究生物体内化学分子与化学生物化学，是研究生物

2、体内化学分子与化学反应的科学，从分子水平探讨生命现象的本反应的科学，从分子水平探讨生命现象的本质。质。n分子生物学，研究核酸、蛋白质等生物大分分子生物学，研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控，子的结构、功能及基因结构、表达与调控，揭示了生命本质的高度有序性和一致性。揭示了生命本质的高度有序性和一致性。生物化学生物化学生物化学发展简史生物化学发展简史分为三个阶段：分为三个阶段：n叙述生物化学阶段叙述生物化学阶段(18世纪中世纪中19世纪末世纪末)主要研究生物体的化学组成：系统研究了脂类、主要研究生物体的化学组成：系统研究了脂类、糖类、氨基酸；发现了核酸；分离了糖类、氨基

3、酸；发现了核酸；分离了Hb；证实；证实了肽键；合成了多肽了肽键；合成了多肽生物化学发展简史生物化学发展简史分为三个阶段：分为三个阶段：n动态生物化学阶段动态生物化学阶段(20世纪初世纪初)营养方面：必需氨基酸、营养必需脂肪酸及多营养方面：必需氨基酸、营养必需脂肪酸及多种维生素种维生素内分泌方面：激素的发现、分离、合成内分泌方面：激素的发现、分离、合成酶学方面：酶晶体酶学方面：酶晶体物质代谢方面：主要物质代谢途径物质代谢方面：主要物质代谢途径生物化学发展简史生物化学发展简史n分子生物学的崛起分子生物学的崛起(20世纪后半叶世纪后半叶)DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现 遗传信息传递的中心法则

4、遗传信息传递的中心法则 蛋白质的蛋白质的 -螺旋结构、胰岛素的序列分析螺旋结构、胰岛素的序列分析DNA克隆（重组克隆（重组DNA技术）技术） 转基因、基因敲除、基因诊断和治疗、转基因、基因敲除、基因诊断和治疗、PCR基因组学和其他组学基因组学和其他组学人类基因组计划人类基因组计划 HGP(human genome project)是由美国科是由美国科学家于学家于1985年率先提出，于年率先提出，于1990年正式启动年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人亿美元的人类基因组计划。与曼哈

5、顿原子弹计划和阿波类基因组计划。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。罗计划并称为三大科学计划。研究内容：遗传图谱，物理图谱，序列图谱，基因图谱研究内容：遗传图谱，物理图谱，序列图谱，基因图谱 研究人员曾经预测人类约有研究人员曾经预测人类约有710万个基因，万个基因，但人类基因总数实际在但人类基因总数实际在2.6383万到万到3.9114万个之间，不超过万个之间，不超过40,000，只是线虫或果，只是线虫或果蝇基因数量的两倍，人有而鼠没有的基因蝇基因数量的两倍，人有而鼠没有的基因只有只有300个。个。蛋白质组学蛋白质组学转录组学转录组学功能功能RNARNA组学组学代谢组学代谢组学糖

6、组学糖组学 生物化学研究的主要内容生物化学研究的主要内容n生物分子的结构与功能生物分子的结构与功能n物质代谢及其调节物质代谢及其调节n基因信息传递及其调控基因信息传递及其调控生物化学与医学生物化学与医学n生物化学是联系生物学各学科的生物化学是联系生物学各学科的“桥梁桥梁”n生物化学是生命科学的基础学科，是现代生物化学是生命科学的基础学科，是现代医学发展的医学发展的“催化剂催化剂”n生物化学的发展推动临床医学诊断、检验、生物化学的发展推动临床医学诊断、检验、治疗手段的发展，加速了生物产业的崛起治疗手段的发展，加速了生物产业的崛起教材纲要教材纲要n生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能蛋白质

7、的结构与功能蛋白质的结构与功能核酸的结构与功能核酸的结构与功能酶酶教材纲要教材纲要n专题篇专题篇细胞信号转导细胞信号转导癌基因、抑癌基因癌基因、抑癌基因周一周一周二周二周三周三/周四周四周四周四/周五周五第第1周周15/1019/10细胞基本结构与细胞基本结构与化学组成化学组成蛋白化学蛋白化学蛋白化学蛋白化学蛋白化学蛋白化学第第2周周22/1026/10酶酶酶酶酶酶核酸核酸第第3周周29/1002/11核酸核酸细胞膜结构与功能细胞膜结构与功能细胞膜结构与功能细胞膜结构与功能生物氧化生物氧化第第4周周05/1109/11生物氧化生物氧化糖代谢糖代谢糖代谢糖代谢糖代谢糖代谢第第5周周12/1116

8、/11脂代谢脂代谢脂代谢脂代谢脂代谢脂代谢氨基酸代谢氨基酸代谢第第6周周19/1123/11氨基酸代谢氨基酸代谢核苷酸代谢核苷酸代谢核苷酸代谢核苷酸代谢细胞核细胞核第第7周周26/1130/11细胞核细胞核复制复制复制复制复制复制第第8周周03/1207/12转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译第第9周周10/1214/12基因表达调控基因表达调控基因表达调控基因表达调控基因工程基因工程基因工程基因工程第第10周周17/1221/12癌基因抑癌基因癌基因抑癌基因细胞区室化与蛋白质的运输细胞区室化与蛋白质的运输细胞区室化与蛋白质的运输细胞区室化与蛋白质的运输细胞区室化与蛋白质的运输细胞区室化与蛋白质

9、的运输第第11周周24/1228/12细胞运动与细胞连接细胞运动与细胞连接细胞运动与细胞连接细胞运动与细胞连接细胞运动与细胞连接细胞运动与细胞连接细胞信息传递细胞信息传递第第12周周31/1204/01细胞信息传递细胞信息传递细胞信息传递细胞信息传递细胞增殖、凋亡和癌变细胞增殖、凋亡和癌变细胞增殖、凋亡和癌变细胞增殖、凋亡和癌变第第13周周07/0111/01细胞增殖、凋亡和癌变细胞增殖、凋亡和癌变细胞分子生物学技术细胞分子生物学技术细胞分子生物学技术细胞分子生物学技术细胞生物细胞生物第一章第一章蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能Structure and Function of Prote

10、in 蛋白质蛋白质(protein)是许多氨基酸是许多氨基酸(amino acid)通过肽键通过肽键(peptide bond)相连形成的高分相连形成的高分子含氮化合物。子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性n蛋白质是生物体的基本组成部分蛋白质是生物体的基本组成部分含量高含量高人体固体成分的人体固体成分的45%，细胞干重的，细胞干重的70%以上以上分布广分布广所有的器官组织都含有蛋白质，细胞的各个部所有的器官组织都含有蛋白质，细胞的各个部分都含有蛋白质分都含有蛋白质p种类多种类多蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性n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生物催

11、化剂生物催化剂代谢调节代谢调节免疫防护免疫防护物质的转运与存储物质的转运与存储运动与支持运动与支持细胞间信息传递细胞间信息传递n氧化供能氧化供能第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成主要元素主要元素C (5055%), H (67%), O (1924%), N (1319%), S (04%) 次要元素次要元素P, Fe, Cu, Zn, I, n体内主要的含氮物质是蛋白质体内主要的含氮物质是蛋白质n各种蛋白质的平均含各种蛋白质的平均含氮氮量为量为16% 100g样品中蛋白质的含量样品中蛋白质的含量 =每克样品中含氮克数每克样品中含氮克数6.25 10

12、01/16%n三聚氰胺的含氮量为三聚氰胺的含氮量为66%左右。左右。n三聚氰胺的价格只有蛋白三聚氰胺的价格只有蛋白原料的原料的1/5。 n三聚氰胺作为一种白色结三聚氰胺作为一种白色结晶粉末，无特殊气味，水晶粉末，无特殊气味，水溶性好，掺杂后不易被发溶性好，掺杂后不易被发现。现。 一、氨基酸一、氨基酸n蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位n组成人体蛋白质的氨基酸只有组成人体蛋白质的氨基酸只有20种，且都种，且都是是L- -氨基酸氨基酸(甘氨酸甘氨酸除外除外)H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( (一一) )氨基酸的分类氨基酸的分类n根据侧链的结

13、构和理化性质分五类根据侧链的结构和理化性质分五类：非极性脂肪族氨基酸：侧链含烃链的氨基酸非极性脂肪族氨基酸：侧链含烃链的氨基酸极性中性氨基酸：侧链有极性但不带电荷极性中性氨基酸：侧链有极性但不带电荷芳香族氨基酸：侧链含芳香基团芳香族氨基酸：侧链含芳香基团酸性氨基酸：侧链含负性解离基团酸性氨基酸：侧链含负性解离基团碱性氨基酸：侧链含正性解离基团碱性氨基酸：侧链含正性解离基团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 碱性氨基酸碱性氨基酸n特殊氨基酸特殊氨基酸脯氨酸脯氨酸(Pro)，环型结构，属于亚氨基酸，环型结构，属于亚氨基酸脯

14、氨酸在蛋白质合成加工时可被羟基化修饰成脯氨酸在蛋白质合成加工时可被羟基化修饰成羟脯氨酸羟脯氨酸甘氨酸甘氨酸(Gly)无旋光性、无无旋光性、无L-、D-型之分型之分CHH-OOC+H3N半胱氨酸半胱氨酸(Cys)+-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3胱氨酸胱氨酸-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3n修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工修饰氨基酸：蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没

15、有相应的编码。如胱氨生成的氨基酸。没有相应的编码。如胱氨酸、羟脯氨酸酸、羟脯氨酸(Hyp)、羟赖氨酸、羟赖氨酸(Hyl)n非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基酸。如瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，酸。如瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，这些氨基酸是在代谢途径中产生的。这些氨基酸是在代谢途径中产生的。n习惯分类法习惯分类法：芳香族氨基酸芳香族氨基酸: Trp, Tyr, Phe含羟基氨基酸含羟基氨基酸: Tyr, Thr, Ser含硫氨基酸含硫氨基酸: Cys, Met支链氨基酸支链氨基酸: Val, Leu, Ile杂环族氨基酸杂环族氨基酸: His, Trp杂环

16、族亚氨基酸杂环族亚氨基酸: Pro( (二二) )氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点n紫外吸收性质紫外吸收性质n茚三酮反应：当氨基酸与茚三酮共热时，茚三酮反应：当氨基酸与茚三酮共热时，AA被氧化脱氨、脱羧，而茚三酮被还原，被氧化脱氨、脱羧，而茚三酮被还原，其还原产物与氨结合，再与另一分子茚三其还原产物与氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色化合物，测酮缩合成为蓝紫色化合物，测A570nm二、肽二、肽(一一)肽肽(peptide) 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 -氨基脱水缩氨基脱

17、水缩合而形成的化学键合而形成的化学键NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸 多肽链多肽链n二肽、三肽、五肽二肽、三肽、五肽n寡肽寡肽(oligopeptide)、多肽、多肽(polypeptide)n氨基末端氨基末端(amino terminal)，也叫，也叫N-端端n羧基末端羧基末端(carboxyl terminal)，也叫，也叫C-端端n氨基酸残基氨基酸残基(residue)n多肽链多肽链(

18、polypeptide chain)n多肽链从氨基末端走向羧基末端多肽链从氨基末端走向羧基末端n多肽与蛋白质的分界多肽与蛋白质的分界N末端末端C C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶(二二)生物活性肽生物活性肽n谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)n谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽n谷氨酸的谷氨酸的 -羧基羧基形成肽键形成肽键n-SH为活性基团为活性基团n为酸性肽为酸性肽n是体内重要是体内重要的还原剂的还原剂GSH的生物学功能的生物学功能nGSH的巯基具有还原性，保护体内蛋白质或的巯基具有还原性，保护体内蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于

19、活性状酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。态。n还原细胞内产生的还原细胞内产生的H2O2，使其变成，使其变成H2O。nGSH的巯基有嗜核特性，能与外源的嗜电子的巯基有嗜核特性，能与外源的嗜电子毒物结合，阻断这些化合物与毒物结合，阻断这些化合物与DNA、RNA或或蛋白质结合，保护机体免遭毒物损害。蛋白质结合，保护机体免遭毒物损害。GSH过氧化物酶过氧化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+ NADP+ 肽类激素：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. 多肽类激素及神经肽多肽类激素及神

20、经肽第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构n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)高级结构高级结构或或空间构象空间构象一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构n定义：定义： 在蛋白质分子中，从在蛋白质分子中，从N-端至端至C-端的氨基酸排列顺端的氨基酸排列顺序序n主要化学键：主要化学键： 主要化学键是主要化学键是肽键肽键，蛋白质分子中，蛋白质分子中二硫键的

21、位置二硫键的位置也属于一级结构的范畴也属于一级结构的范畴胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构3021二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构n定义：定义： 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该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间位置，并不涉及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氨基酸残基侧链的构象n主要化学键：主要化学键：氢键氢键 ( (一一) )肽单元肽单元 参与肽键的参与肽键的6个原个原子子C 1，C，O，N，H，C 2位于同一位于同一平面，平面， C 1和和C 2在平面上所处的位在平面上所处的位置为反式构型，此置为反式构型，此

22、同一平面上的同一平面上的6个个原子构成了所谓的原子构成了所谓的肽单元肽单元CNHH0.1320.1460.151CR20.124R1CHO相邻肽单元的旋转性相邻肽单元的旋转性NH3+CO2-C肽链骨架肽单元蛋白质二级结构的模型蛋白质二级结构的模型n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)无规则卷曲无规则卷曲(random coil)n维系二级结构稳定性的主要化学键维系二级结构稳定性的主要化学键氢键氢键(二二) -螺旋螺旋( -helix)左手螺旋和右手螺旋左手螺旋和右手螺旋: :p多

23、肽链主链围绕中心轴形成右手螺多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧。旋，侧链伸向螺旋外侧。p每圈螺旋含每圈螺旋含3.6个氨基酸，螺个氨基酸，螺距为距为0.54nm。p每个肽键的羰基氧和第四个每个肽键的羰基氧和第四个肽键的氨基氢形成的氢键保肽键的氨基氢形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行轴基本平行。*Pro的的N上缺少上缺少H，不能形成，不能形成氢键，经常出现在氢键，经常出现在 -螺旋的螺旋的末端，它改变多肽链的方向末端，它改变多肽链的方向并终止螺旋并终止螺旋 脯氨酸脯氨酸(Pro)(三三) -折叠折叠( -pleated sheet)n结构要点：结

24、构要点：多肽链充分伸展，每个肽单元以多肽链充分伸展，每个肽单元以C 为旋转点，为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，侧链交替地位于锯齿依次折叠成锯齿状结构，侧链交替地位于锯齿状结构的上下方状结构的上下方两段以上两段以上 -折叠结构平行排列，可以顺向平行，折叠结构平行排列，可以顺向平行，也可以反向平行也可以反向平行每两链之间的肽键形成氢键，从而维持每两链之间的肽键形成氢键，从而维持 -折叠折叠结构的稳定结构的稳定NNCN N C CC顺向平行顺向平行 反向平行反向平行(四四) -转角和无规卷曲转角和无规卷曲n -转角转角( -turn)肽链内形成肽链内形成180回折回折通常含有通常含有4个氨基酸残基，

25、第一个残基的羰个氨基酸残基，第一个残基的羰基氧与第四个残基的氨基氢形成氢键基氧与第四个残基的氨基氢形成氢键第二个氨基酸残基通常为脯氨酸第二个氨基酸残基通常为脯氨酸n无规卷曲无规卷曲没有确定规律性的肽链结构没有确定规律性的肽链结构 N4CHCC3CHNHO=C2CHNC1CHNRRHOHRROHO( (五五) )模体模体在蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽在蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为合，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种：种： 模体模体

26、(motif)具有特殊功能的超二级结构，它是由蛋白质分子中二个或具有特殊功能的超二级结构，它是由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，形成一个特殊功能的空间构象特殊功能的空间构象一些常见的模体：一些常见的模体：锌指锌指螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链DNA结合蛋白的锌指结构结合蛋白的锌指结构模体模体钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙结合蛋白中结合钙离子的模体亮亮氨氨酸酸拉拉链链(六六)侧链对二级结构形成的影响侧链对二级结构形成的影响n影响影响 -螺旋形成的因素螺旋形成的因素p脯氨

27、酸的刚性五元环，影响氢键的形成，不脯氨酸的刚性五元环，影响氢键的形成，不形成形成-螺旋。螺旋。p多个酸性或碱性氨基酸残基相邻，由于同性多个酸性或碱性氨基酸残基相邻，由于同性电荷彼此相斥，妨碍电荷彼此相斥，妨碍-螺旋的形成。螺旋的形成。p侧链较大的氨基酸残基，如天冬酰胺、亮氨侧链较大的氨基酸残基，如天冬酰胺、亮氨酸等，也影响酸等，也影响-螺旋形成。螺旋形成。n影响影响 -折叠形成的因素折叠形成的因素p要求氨基酸的侧链较小要求氨基酸的侧链较小三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构n定义：定义： 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，也就是整条肽链所有原子

28、在三维空间的排布位也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置置n稳定因素：稳定因素： 次级键次级键疏水作用疏水作用、离子键、离子键(盐键盐键)、氢键和、氢键和Van der Waals力力 共价键共价键二硫键也参与维持三级结构二硫键也参与维持三级结构N 端端 C端端肌红蛋白肌红蛋白(Mb)3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶磷酸丙糖异构酶磷酸丙糖异构酶结构域结构域 分子量较大的蛋白质三级结构常可折叠成分子量较大的蛋白质三级结构常可折叠成多个结构较为紧密的区域，各行其功能，多个结构较为紧密的区域，各行其功能，称为称为结构域结构域(domain)纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 分子伴侣分

29、子伴侣(chaperon)n定义：定义： 通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折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叠成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质质 许多分子伴侣是许多分子伴侣是ATP酶酶n作用：作用：可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合后松开，可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合后松开，如此反复进行可防止错误的聚集发生，使肽链如此反复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠正确折叠与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠其正确折叠对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要作用对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要作用

30、四、四级结构四、四级结构n亚基亚基(subunit)： 每条具有完整的三级结构的多肽链，称为亚基每条具有完整的三级结构的多肽链，称为亚基n四级结构四级结构： 蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触 部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构n各亚基间的结合力主要是氢键、离子键各亚基间的结合力主要是氢键、离子键五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类n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n根据蛋白质形状根据蛋白质形状

31、纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质 （辅基）（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（蛋白质组（proteome）是指一种细胞或一）是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基一种基因组所表达的全套蛋白质因组所表达的全套蛋白质”。 蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）以细胞内全部）以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象。蛋白质的存在及其活动方式为研究对象。蛋白质组学研究内容：蛋白质组学研究内容：蛋白质表达谱蛋白质表达谱蛋白质翻译后修饰谱蛋白质翻译后修饰谱蛋白质亚细胞定位图蛋白质亚

32、细胞定位图蛋白质蛋白质相互作用图蛋白质蛋白质相互作用图蛋白质组生物信息学及数据库蛋白质组生物信息学及数据库（二）蛋白质组学研究技术平台（二）蛋白质组学研究技术平台 技术路线：技术路线： 双向电泳技术双向电泳技术 基质辅助激光解析飞行时间质谱技术基质辅助激光解析飞行时间质谱技术（MALDI-TOF） 电喷雾质谱技术（电喷雾质谱技术（ES-MS） 液相层析质谱技术（液相层析质谱技术（LS/MS/MS） 蛋白质芯片蛋白质芯片 蛋白质组学的研究是高通量，高效率的。蛋白质组学的研究是高通量，高效率的。 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

33、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解析蛋白质的表达与功能的全貌，为生解析蛋白质的表达与功能的全貌，为生命活动规律提供物质基础；为多种疾病发生命活动规律提供物质基础；为多种疾病发生发展机制的阐明及攻克提供理论根据和解决发展机制的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。途径。第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质的一级结构是高级结构与功能的一、蛋白质的一级结构是高级结构与功能的基础基础( (一一) )一级结构是空间构象的基础一级结构是空间构象的基础牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性

34、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( (二二) )一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系 大量实验证明，一级结构相似的多肽和蛋大量实验证明，一级结构相似的多肽和蛋白质，其空间构象以及功能也相似白质，其空间构象以及功能也相似n蛋白质的一级结构是由遗传信息决定的蛋白质的一级结构是由遗传信息决定的 氨基酸残基序号氨基酸残基序号 胰岛素胰岛素 A5 A6 A10 B30 人人 Thr Ser Ile Thr 猪猪 Thr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Ala 兔兔 Thr Gly Ile Ser 牛牛 A

35、la Gly Val Ala 羊羊 Ala Ser Val Ala 马马 Thr Ser Ile Ala不不同同生生物物来来源源的的细细胞胞色色素素c中中不不变变的的AA残残基基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素血红素细胞色素细胞色素c分子的空间结构分子的空间结构不变的不变的AA残基残基 35个不变

36、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。不同种属不同种属氨基酸残基的差异数目氨基酸残基的差异数目分歧时间分歧时间(百万年百万年)人人-猴猴150-60人人-马马1270-75人人-狗狗1070-75猪猪-牛牛-羊羊0马马-牛牛360-65哺乳类哺乳类-鸡鸡10-15280哺乳类哺乳类-猢猢17-21400脊椎动物脊椎动物-酵母酵母43-481,10

37、0细胞色素细胞色素C分子中氨基酸残基的差异数目及分歧时间分子中氨基酸残基的差异数目及分歧时间 （三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息物种进化过程中越接物种进化过程中越接近的生物，它们的细胞色近的生物，它们的细胞色素素c一级结构越近似一级结构越近似n蛋白质的一级结构是空间构象和特异生物蛋白质的一级结构是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学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素象的唯一因素（四）重要的氨基酸序列改变可引起疾病（四）重要的氨基酸序列改变可引起疾病 镰刀形红细胞贫血镰刀形红细胞贫血-链链 1 2 3 4 5 6 7Hb-

38、A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-LysHb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys镰刀形细胞贫血病是一种致死性镰刀形细胞贫血病是一种致死性疾病，但它能抵抗疟疾。疾病，但它能抵抗疟疾。 分子病：分子病： 由蛋白质分子发生变异所导致的疾病。由蛋白质分子发生变异所导致的疾病。 病因：基因突变所致病因：基因突变所致二、蛋白质功能依赖特定的空间结构二、蛋白质功能依赖特定的空间结构( (一一) )相似的空间结构有相似的功能相似的空间结构有相似的功能 肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧

39、结合 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体结合一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合 后，后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的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)(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)(negative cooperativity)变构效应变构效应(allosteric effect)

40、凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质（或亚基）功用而发生构象变化，导致蛋白质（或亚基）功能的变化，称为蛋白质的能的变化，称为蛋白质的变构效应变构效应。( (三三) )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： 若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，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重时可导致疾病发生。n蛋白质构象病的机理：有些蛋白质错误折叠后相蛋白质构象病的机理：有些蛋白质错误折

41、叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，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的病理改变n这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病 疯牛病：由朊病毒蛋白疯牛病：由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起引起的一组人和动物神经退行性病变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在某在某 种未知的蛋白的作用下可转变为全为种未知的

42、蛋白的作用下可转变为全为 -折叠的折叠的PrPsc，从而致病。，从而致病。 PrPc PrPsc -螺旋螺旋 -折叠折叠 水溶性差，对蛋白酶不敏感，对热稳定水溶性差，对蛋白酶不敏感，对热稳定第四节第四节蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质及其分离纯化及其分离纯化一、蛋白质的理化性质一、蛋白质的理化性质( (一一) )蛋白质的两性电离性质蛋白质的两性电离性质 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，在一定的溶氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液液pH条件条件下可解离成带负电荷或正电荷的下可解离成带负电荷或正电荷的基团。基团。 蛋白质的等电点

43、蛋白质的等电点(isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的子，净电荷为零，此时溶液的pH成为蛋白成为蛋白质的等电点。质的等电点。PrNH3+COOHPrNH3+COO- -PrNH2COO- -OH- -H +OH- -H +兼性离子pH=pI阳离子pHpIAmino acidpIM.W.Glycine5.9775Alanine6.0089Valine5.96117Leucine5.98131Isoleucine6.021

44、31Phenylalanine5.48165Proline6.30115tryptophan5.89204serine5.68105tyrosine5.66181Amino acidpIM.W.cystein5.07121methionine5.74149asparagine5.41132glutamine5.65146cystein5.60119a s p a r t i c acid2.97133g l u t a m i c acid3.22147Lysine9.74146Arginine10.76174Histidine7.59155n人体大部分蛋白质的人体大部分蛋白质的pI 为为 5

45、.0左右左右, 因此在生因此在生理理pH7.4环境下带负电荷。环境下带负电荷。 npI 7.4: 碱性蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白碱性蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白npI 7.4: 酸性蛋白质，如胃蛋白酶、丝蛋白酸性蛋白质，如胃蛋白酶、丝蛋白 利用蛋白质两性电离的性质，可以通过电泳、利用蛋白质两性电离的性质，可以通过电泳、离子交换层析等技术分离蛋白质。离子交换层析等技术分离蛋白质。( (二二) )蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质n蛋白质属于生物大分子之一，分子量可蛋白质属于生物大分子之一，分子量可 自自1万至万至100万万KD之间，其分子的直径之间，其分子的直径 可达可达1100nm，为胶粒范围之内

46、。，为胶粒范围之内。n胶体性质：布朗运动、丁达尔现象、电胶体性质：布朗运动、丁达尔现象、电 泳现象、不能透过半透膜、具有吸附能力泳现象、不能透过半透膜、具有吸附能力维持蛋白质胶体稳定性的因素：维持蛋白质胶体稳定性的因素：n表面电荷表面电荷n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( (三三) )蛋白质

47、的变性蛋白质的变性n蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)(denaturation) 在某些物理和化学因素的作用下，蛋白质在某些物理和化学因素的作用下，蛋白质分子的空间构象被破坏，从而导致其理化分子的空间构象被破坏，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，称为蛋白性质的改变和生物活性的丧失，称为蛋白质的变性。质的变性。n变性的本质：变性的本质： 二硫键和非共价键的破坏二硫键和非共价键的破坏n蛋白质变性后性质的改变：蛋白质变性后性质的改变： 溶解度降低，粘性增加，结晶能力消失，溶解度降低，粘性增加，结晶能力消失， 生物活性丧失，易被蛋白酶水解生物活性丧失，易被蛋白酶水解n导致变

48、性的因素：导致变性的因素： 加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂子及生物碱试剂n临床应用：临床应用：变性因素常被应用来消毒及灭菌变性因素常被应用来消毒及灭菌防止蛋白质变性是有效保存蛋白质制剂防止蛋白质变性是有效保存蛋白质制剂( (如疫苗如疫苗等等) )的必要条件的必要条件n蛋白质沉淀：蛋白质沉淀： 蛋白质变性后，蛋白质疏水侧链暴露在外蛋白质变性后，蛋白质疏水侧链暴露在外肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出，这一现象被称为蛋白质沉淀。中析出，这一现象被称为蛋白质沉淀。变性的蛋白质易于发生沉淀变

49、性的蛋白质易于发生沉淀沉淀的蛋白质不一定变性沉淀的蛋白质不一定变性变性的蛋白质也不一定沉淀变性的蛋白质也不一定沉淀n复性复性(renaturation)： 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后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蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。和功能，称为复性。 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性变性（尿素、变性（尿素、-巯基乙醇）巯基乙醇）复性（去除尿素、复性（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n蛋白质的凝固蛋白质的凝固(protein coagulation)： 蛋白质变性后的

50、絮状物经加热后可变成比蛋白质变性后的絮状物经加热后可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强碱和较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强碱和强酸中，这种现象称为蛋白质的凝固。强酸中，这种现象称为蛋白质的凝固。 ( (四四) )、蛋白质的紫外、蛋白质的紫外吸收吸收蛋白质分子中含有蛋白质分子中含有共轭共轭双键结构双键结构的的色氨酸色氨酸和和酪酪氨酸氨酸，因此在，因此在280nm波波长处有特征性吸收。在长处有特征性吸收。在此波长范围内，蛋白质此波长范围内，蛋白质的的OD280与其浓度呈正比与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质关系，因此可作蛋白质定量测定定量测定( (五五) )、蛋白质的呈色反应、蛋白质的呈色反应

51、n茚三酮反应：茚三酮反应： 蛋白质经水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应蛋白质经水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应n双缩脲反应：双缩脲反应： 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共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，称为双缩脲反应热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应 * *双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度 思考题：思考题： 某研究生利用紫外分光光度法测量一个八某研究生利用紫外分光光度法测量一个八肽分子在溶液中的含量，测量得到的肽分子在溶液中的含量，测量得到的OD280的值接近于的值接近于0，该研究生认为溶液中不含有，该研究生认为

52、溶液中不含有此八肽分子。其检测结果是否可信？为什此八肽分子。其检测结果是否可信？为什么？么？(八肽序列如下：八肽序列如下：Ser-Leu-Glu-Pro-Asn-Thr-Gly-Met)第五节第五节蛋白质的分离、纯化蛋白质的分离、纯化与结构分析与结构分析一、透析及超滤法一、透析及超滤法n透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法子化合物分开的方法n超滤法：超滤法： 应用正压或离心力使蛋白质溶液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缩蛋白质溶液的目的透析、超滤透析、超滤

53、二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀n丙酮沉淀：丙酮沉淀： 使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀时，必须在时，必须在04低温低温下进行，丙酮用量一般下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀n盐析盐析(salt precipitation)： 将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白将硫酸铵、硫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，导致蛋白质沉淀化膜被破坏，导致蛋白质沉淀n免疫沉淀：免

54、疫沉淀： 将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗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性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白原蛋白三、电泳三、电泳(electrophoresis) 蛋白质在高于或低于其蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。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，称为电泳各种

55、蛋白质的技术，称为电泳n几种重要的蛋白质电泳：几种重要的蛋白质电泳：SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳：常用于蛋白质分子聚丙烯酰胺凝胶电泳：常用于蛋白质分子量的测定。量的测定。等电聚焦电泳：通过蛋白质等电点的差异而分等电聚焦电泳：通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。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双向凝胶电泳：是蛋白质组学研究的重要技术。SDS-PAGE电泳电泳等电聚焦电泳等电聚焦电泳：当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不再移动。再移动。+5.06.07.0稳定pH梯度5.06.07.0稳定pH梯度通电+双向电泳

56、双向电泳四、层析四、层析 层析层析(chromatography)分离蛋白质的原理分离蛋白质的原理 待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的离蛋白质的目的OD280nmElution volumeElutionbufferProtein mixtureProtein 2

57、Protein 1Solidphasecapableofreactingwithproteinsto beseparatedn蛋白质分离常用的层析方法蛋白质分离常用的层析方法离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。不同进行分离。凝胶过滤凝胶过滤(gel filtration)又称分子筛层析：利用又称分子筛层析：利用各蛋白质分子大小不同分离。各蛋白质分子大小不同分离。亲和层析：利用对配体的特异生物学亲和力的亲和层析：利用对配体的特异生物学亲和力的纯化方法纯化方法离子交换层析离子交换层析Ionic exchangecolumn withposi

58、tive chargeMore negatively chargedproteins bind to the solidphase tightly, and strongerelution buffer is needed toelute them out the columnLess negatively chargedproteins bind to the solidphase loosely, and weakelution buffer can be used toelute them out the columnLarge proteins thatare unable to en

59、terthe porous beads willpass by and flow outdirectlySmall proteins canenter the porousbeads, and have alonger stationarytimePorous beadsallow the smallproteins enter凝胶过滤层析（分子筛层析）凝胶过滤层析（分子筛层析）Exchange columnwith the ligandsfor bindingspecial proteinsProteins havingstrong bindingaffinity with theligad

60、sProteins havingweak bindingaffinity with theligads亲和层析亲和层析五、超速离心五、超速离心 超速离心法超速离心法(ultracentrifugation)既可既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量白质的分子量* 蛋白质在离心场中的行为用蛋白质在离心场中的行为用沉降系数沉降系数(sedimentation coefficient, S)表示表示,沉降沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。系数与蛋白质的密度和形状相关。supernatantPellet(nuclei)600 g，3 minPellet