生物化学 蛋白质的结构与功能

生物化学蛋白质的结构与功能第1页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。第2页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体的重要组成成分2.蛋白质具有重要的生物学功能

1）作为生物催化剂

2）代谢调节作用

3）免疫保护作用

4）物质的转运和存储

5）运动与支持作用

6）参与细胞间信息传递3.氧化供能第3页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein第一节第4页，共121页，2023年，2月20日，星期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P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还含有I

。第5页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的含氮量平均为16％。通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量(g%)=含氮量(g%)

×6.25蛋白质元素组成的特点第6页，共121页，2023年，2月20日，星期一一、氨基酸

——蛋白质的基本组成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仅有20种，且均属L--氨基酸（甘氨酸除外）。第7页，共121页，2023年，2月20日，星期一H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第8页，共121页，2023年，2月20日，星期一非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸的分类第9页，共121页，2023年，2月20日，星期一非极性疏水性氨基酸第10页，共121页，2023年，2月20日，星期一2.极性中性氨基酸第11页，共121页，2023年，2月20日，星期一3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸第12页，共121页，2023年，2月20日，星期一

习惯分类方法芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr含硫氨基酸：Cys、Met杂环族氨基酸：His杂环族亚氨基酸：Pro支链氨基酸：Val、Leu、Ile第13页，共121页，2023年，2月20日，星期一

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。第14页，共121页，2023年，2月20日，星期一修饰氨基酸：

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（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。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，是代谢途径中产生的。

第15页，共121页，2023年，2月20日，星期一（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点2.紫外吸收3.茚三酮反应第16页，共121页，2023年，2月20日，星期一H3N—CH—COOHR+（pH＜pI）H3N—CH—COO-R+（pH=pI）H2N—CH—COO-R（pH＞pI）氨基酸的解离第17页，共121页，2023年，2月20日，星期一氨基酸的等电点当溶液为某一pH值时，AA主要以兼性离子的形式存在，分子中所含的正负电荷数目相等，净电荷为0。这一pH值即为AA的等电点（pI）。在pI时，AA在电场中既不向正极也不向负极移动，即处于两性离子状态。第18页，共121页，2023年，2月20日，星期一Ka1*Ka2=……侧链不含离解基团的中性AApI=(pK’1+pK’2)/2第19页，共121页，2023年，2月20日，星期一甘氨酸滴定曲线第20页，共121页，2023年，2月20日，星期一对于侧链含有可解离基团的AApI取决于两性离子两边pK’值的算术平均值酸性AA：pI=(pK’1+pK’R-COO-

)/2碱性AA：pI=(pK’2+pK’R-NH2)/2第21页，共121页，2023年，2月20日，星期一第22页，共121页，2023年，2月20日，星期一第23页，共121页，2023年，2月20日，星期一氨基酸的光谱性质可见光区：无吸收远紫外和红外区：都吸收近紫外区（200—400nm）：Tyr/Trp/Phe

原因：-C=C-C=C-C=C-C=C-紫外吸收光谱第24页，共121页，2023年，2月20日，星期一Trp280nmTyr275nmPhe257nm蛋白质含量测定280nm第25页，共121页，2023年，2月20日，星期一弱酸加热与茚三酮生成蓝紫色化合物第26页，共121页，2023年，2月20日，星期一二、肽*肽键(peptidebond)：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(peptide)第27页，共121页，2023年，2月20日，星期一+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键第28页，共121页，2023年，2月20日，星期一肽键有部分双键性质肽键由于共振而具有部分双键性质，因此，肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面相邻的a碳原子呈反式构型第29页，共121页，2023年，2月20日，星期一肽键比一般C-N键短肽键为一平面相邻的a碳原子呈反式构型第30页，共121页，2023年，2月20日，星期一*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(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。第31页，共121页，2023年，2月20日，星期一N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端多肽链有两端*多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。第32页，共121页，2023年，2月20日，星期一多肽链第33页，共121页，2023年，2月20日，星期一

多肽链第34页，共121页，2023年，2月20日，星期一N末端C末端牛核糖核酸酶第35页，共121页，2023年，2月20日，星期一（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)结构:第36页，共121页，2023年，2月20日，星期一谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸的-羧基形成肽键－SH为活性基团为酸性肽是体内重要的还原剂第37页，共121页，2023年，2月20日，星期一GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+主要功能:第38页，共121页，2023年，2月20日，星期一肽类激素：如促甲状腺素释放激素（TRH）神经肽(neuropeptide)2.肽类激素及神经肽第39页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein

第二节第40页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的分子结构包括：

一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构第41页，共121页，2023年，2月20日，星期一定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。一、蛋白质的一级结构主要化学键：肽键

二硫键的位置属于一级结构研究范畴。第42页，共121页，2023年，2月20日，星期一一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。胰岛素的一级结构3021第43页，共121页，2023年，2月20日，星期一二、蛋白质的二级结构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，并不涉及氨基酸残基侧链的构象

。定义：稳定因素：

氢键

第44页，共121页，2023年，2月20日，星期一（一）肽单元(peptideunit)

参与组成肽键的6个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。第45页，共121页，2023年，2月20日，星期一肽单元HHHH第46页，共121页，2023年，2月20日，星期一第47页，共121页，2023年，2月20日，星期一

蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

第48页，共121页，2023年，2月20日，星期一（二）-螺旋第49页，共121页，2023年，2月20日，星期一-螺旋结构要点:

①多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧。②每圈螺旋含3.6个氨基酸，螺距为0.54nm。③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。氢键与螺旋长轴基本平行。第50页，共121页，2023年，2月20日，星期一第51页，共121页，2023年，2月20日，星期一第52页，共121页，2023年，2月20日，星期一（三）-折叠①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。②两段以上的β-折叠结构平行排列，两链间可顺向平行，也可反向平行。③两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β-折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。

第53页，共121页，2023年，2月20日，星期一第54页，共121页，2023年，2月20日，星期一第55页，共121页，2023年，2月20日，星期一（四）-转角和无规卷曲-转角：无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。①肽链内形成180º回折。②含4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。③第二个氨基酸残基常为Pro。第56页，共121页，2023年，2月20日，星期一-转角：第57页，共121页，2023年，2月20日，星期一超二级结构(supersecondarystructure)

超二级结构：是指在多肽链内顺序上相互靠近的二级结构常常在空间折叠中彼此相互作用，形成规则的二级结构聚合体。它是蛋白质构象中二级和三级结构之间的一个层次，故称超二级结构。通常类型有：1、2、3、第58页，共121页，2023年，2月20日，星期一第59页，共121页，2023年，2月20日，星期一（五）模体蛋白质分子中，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间构象，被称为模体(motif)。第60页，共121页，2023年，2月20日，星期一螺旋－环－螺旋

锌指第61页，共121页，2023年，2月20日，星期一（六）影响二级结构形成的因素氨基酸侧链所带电荷、大小及形状。影响α-螺旋形成的因素：β-折叠形成条件：要求氨基酸侧链较小。第62页，共121页，2023年，2月20日，星期一三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等。稳定因素：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。定义第63页，共121页，2023年，2月20日，星期一第64页，共121页，2023年，2月20日，星期一

肌红蛋白(Mb)N端C端第65页，共121页，2023年，2月20日，星期一纤连蛋白分子的结构域结构域(domain)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，各行其功能，称为结构域。第66页，共121页，2023年，2月20日，星期一结构域约含100-200个氨基酸残基，各自有独特的空间够象，并承担不同的生物学功能。第67页，共121页，2023年，2月20日，星期一轻链

抗体分子中结构域示意图重链第68页，共121页，2023年，2月20日，星期一四种类型结构域示意图反平行反平行平行/小的不规则结构第69页，共121页，2023年，2月20日，星期一结构域Triosephosphateisomerase第70页，共121页，2023年，2月20日，星期一分子伴侣(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，如此重复进行可使肽链正确折叠。*与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。*对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。作用：第71页，共121页，2023年，2月20日，星期一亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构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，称为蛋白质的四级结构。每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基(subunit)。第72页，共121页，2023年，2月20日，星期一血红蛋白（Hb）的四级结构第73页，共121页，2023年，2月20日，星期一第74页，共121页，2023年，2月20日，星期一从一级结构到四级结构血红蛋白第75页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠Primary

structureSecondary

structure第76页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构蛋白质的四级结构是亚基的空间排列Polypeptide

(singlesubunit

oftransthyretin)Transthyretin,withfour

identicalpolypeptidesubunitsTertiary

structureQuaternary

structure第77页，共121页，2023年，2月20日，星期一五、蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分*根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质第78页，共121页，2023年，2月20日，星期一双向电泳六、蛋白质组学二维电泳第79页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三节第80页，共121页，2023年，2月20日，星期一（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牛核糖核酸酶的一级结构二硫键第81页，共121页，2023年，2月20日，星期一

天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性第82页，共121页，2023年，2月20日，星期一（二）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Glu·Glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-Val·His·Leu·Thr·Pro·Val

·Glu·····C(146)第83页，共121页，2023年，2月20日，星期一

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。第84页，共121页，2023年，2月20日，星期一

狗人猴

马骡

鲸兔猪袋鼠企鹅鸡鸭响尾蛇龟苍蝇蛾脉孢菌属念珠菌属面包酵母菌小麦牛蛙金枪鱼动物爬行动物两栖动物鱼哺乳动物鸟昆虫植物脊椎动物从细胞色素C的一级结构看生物进化第85页，共121页，2023年，2月20日，星期一（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构二、蛋白质空间结构与功能的关系第86页，共121页，2023年，2月20日，星期一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）血红蛋白的构象变化与结合氧第87页，共121页，2023年，2月20日，星期一肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线第88页，共121页，2023年，2月20日，星期一*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。促进作用称为正协同效应(positivecooperativity)抑制作用称为负协同效应(negativecooperativity)第89页，共121页，2023年，2月20日，星期一第90页，共121页，2023年，2月20日，星期一O2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。第91页，共121页，2023年，2月20日，星期一变构效应(allostericeffect)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）功能的变化，称为蛋白质的变构效应。第92页，共121页，2023年，2月20日，星期一（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，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。第93页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质构象病的机理：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。第94页，共121页，2023年，2月20日，星期一疯牛病疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病第95页，共121页，2023年，2月20日，星期一第四节蛋白质的理化性质与分离纯化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein第96页，共121页，2023年，2月20日，星期一（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。第97页，共121页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的等电点(isoelectricpoint,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。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。第98页，共121页，2023年，2月20日，星期一（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1～100nm，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第99页，共121页，2023年，2月20日，星期一+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉第100页，共121页，2023年，2月20日，星期一（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固*蛋白质的变性(denaturation)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，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。第101页，共121页，2023年，2月20日，星期一

造成变性的因素：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。

变性的本质：——破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。第102页，共121页，2023年，2月20日，星期一

应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。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。

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、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。第103页，共121页，2023年，2月20日，星期一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，称为复性。复性(renaturation)第104页，共121页，2023年，2月20日，星期一

天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性第105页，共121页，2023年，2月20日，星期一*蛋白质沉淀在一定条件下，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。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。*蛋白质的凝固作用(proteincoagulation)

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。

第106页，共121页，2023年，2月20日，星期一（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。第107页，共121页，2023年，2月20日，星期一（五）蛋白质的呈色反应⒈茚三酮反应(ninhydrinreaction)

蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。⒉双缩脲反应(biuretreaction)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，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。第108页，共121页，2023年，2月20日，星期一二、蛋白质的分离和纯化（一）透析及超滤法*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。*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。第109页，共121页，2023年，2月20日，星期一（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀*使用丙酮沉淀时，必须在0～4℃低温下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。*盐析(saltprecipitation)是将硫酸铵、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化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。第110页，共121页，2023年，2月20日，星期一*免疫沉淀法：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。第111页，共121页，2023年，2月20日，星期一（三）电泳蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗