生物大分子的结构与功能专家讲座

第一篇生物大分子结构与功效

生物大分子的结构与功能第1页学习“生物大分子结构与功效”关键点结构特征主要功效基本理化性质与应用生物大分子的结构与功能第2页1、蛋白质是生命活动基本物质基础分布广：全部器官、组织都含有蛋白质；细胞各个部分都含有蛋白质。含量高：占人体干重45％；一些组织含量更高，比如脾、肺及横纹肌等高达80％；占细胞干重70%。概述蛋白质在生命活动中主要性第一章蛋白质结构与功效生物大分子的结构与功能第3页2、蛋白质主要生物学功效3、氧化供能1）生物催化剂：酶2）代谢调整作用：激素，受体，G蛋白，等3）防御作用：免疫球蛋白，等4）物质转运：血红蛋白，等5）运动与支持：肌动蛋白，等6）营养和存放：酪蛋白，卵清蛋白，等7）结构蛋白：胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白，等生物大分子的结构与功能第4页元素组成：C50-55％H6-7％O19-24％N13-19％S0-4％其它微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等第一节蛋白质分子组成生物大分子的结构与功能第5页

其中N平均含量％＝16％蛋白质含量＝样品含氮量/16％＝样品含氮量×6.25凯氏定氮法测定蛋白质含量理论依据生物大分子的结构与功能第6页一、蛋白质基本结构单位——氨基酸(aminoacids)存在于自然界中氨基酸有300各种，但组成人体蛋白质氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。蛋白质肽氨基酸水解水解酸/碱/酶生物大分子的结构与功能第7页氢原子氨基羧基侧链基团α-碳原子氨基酸基本结构生物大分子的结构与功能第8页----C-C-C-C-COOHγβα----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸----C-C-C(NH2)-C-COOHβ-氨基酸----C-C(NH2)-C-C-COOHγ-氨基酸什么是L-α-氨基酸？生物大分子的结构与功能第9页H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸通式R生物大分子的结构与功能第10页脯氨酸（亚氨基酸）几个特殊氨基酸生物大分子的结构与功能第11页半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH生物大分子的结构与功能第12页二、氨基酸分类（p9-10表1-1）非极性脂肪族氨基酸：含有非极性R侧链，呈疏水性，包含脂肪族氨基酸。（6种）极性中性氨基酸：含有极性R侧链，呈亲水性，通常含羟基、巯基、酰胺基等。（6种）芳香族氨基酸：含有苯环（3种）酸性氨基酸：R侧链含羧基（2种）碱性氨基酸：R侧链含氨基、胍基或咪唑基（3种）生物大分子的结构与功能第13页(zwitterion)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸兼性离子

阳离子阴离子三、氨基酸理化性质1、两性解离生物大分子的结构与功能第14页纯晶体状态COO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷0加酸H+H+H+H总电荷“+”生物大分子的结构与功能第15页COO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷0加碱OH－OH－OH－总电荷“-”

H2NH2O生物大分子的结构与功能第16页氨基酸等电点pH<pIpH=pIpH>pI正电荷两性离子负电荷负极移动（电场中）不移动正极移动等电点（isoelectricpoint,pI）：在某一pH溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子趋势及程度相等，成为兼性离子，所带净电荷为零，呈电中性，在电场中不泳动。此时溶液pH值称为该氨基酸等电点。生物大分子的结构与功能第17页pI值决定于两性离子两边pK值算术平均值。等电点计算2222RNHRCOOHNH2COOHpKpKpIpKpKpIpKpKpI+=+=+=----aaaa碱性酸性中性生物大分子的结构与功能第18页R为极性基团（兼性离子两边pK值平均值）酸性aa：pI=1/2（pK-COOH+pKR）如：天冬氨酸pI=½

（pK-COOH+pKR）=½（2.09+3.86）=2.98碱性aa：pI=1/2（pK-NH2+pKR）如：赖氨酸pI=½

（pK-NH2+pKR）=½（8.95+10.53）=9.74R为非极性基团（R为非游离基团）pI=1/2（pK1+pK2）如：甘氨酸pK-COOH=2.34，pK-NH2=9.60pI=1/2（2.34+9.6）=5.97生物大分子的结构与功能第19页2、紫外吸收Trp、Tyr和Phe在280nm波长附近含有最大吸收峰，其中Trp最大吸收最靠近280nm蛋白质定量生物大分子的结构与功能第20页3、显色反应：茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰为570nm，可用于氨基酸定量分析。例外：Pro黄色；Asn棕色生物大分子的结构与功能第21页四、肽键和多肽链+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键生物大分子的结构与功能第22页1、肽键：一个氨基酸羧基和另一个氨基酸氨基之间脱去一分子水形成酰胺键，是蛋白质中氨基酸间最基本连接方式。生物大分子的结构与功能第23页肽分类、命名*肽是由氨基酸经过肽键缩合而形成化合物。*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肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多氨基酸相连形成肽称多肽(polypeptide)。甘氨酰甘氨酸生物大分子的结构与功能第24页多肽链——蛋白质基本结构形式多肽链(…NHCHCONHCHCO…)多肽链方向性：从N末端指向C末端。肽链两端：氨基末端（N-端）和羧基末端（C-端）生物大分子的结构与功能第25页Ser-Val-Tyr-Asp-Gln丝－缬－酪－天－谷SVTDE以下述五肽可表示为：生物大分子的结构与功能第26页2、生物活性肽：谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+生物大分子的结构与功能第27页神经肽：脑啡肽、内啡肽、强啡肽、P物质、Y肽肽类激素：催产素、加压素等其它：生长因子；短杆菌S；甜味肽等生物大分子的结构与功能第28页

+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-

+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Met-脑啡肽Leu-脑啡肽

L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val

L-OrnL-Orn

L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu

短杆菌肽S(环十肽)由细菌分泌多肽，含有D-氨基酸和一些稀有氨基酸，如鸟氨酸（Ornithine,缩写为Orn）。

生物大分子的结构与功能第29页第二节 蛋白质分子结构生物大分子的结构与功能第30页一、蛋白质一级结构(primarystructure)蛋白质分子中从N端到C端氨基酸排列次序生物大分子的结构与功能第31页

510152025301AASXDXSLVEVHXXVFIVPPXILQAVVSIA31TTRXDDXDSAAASIPMVPGWVLKQVXGSQA61GSFLAIVMGGGDLEVILIXLAGYQESSIXA91SRSLAASMXTTAIPSDLWGNXAXSNAAFSS121XEFSSXAGSVPLGFTFXEAGAKEXVIKGQI151TXQAXAFSLAXLXKLISAMXNAXFPAGDXX181XXVADIXDSHGILXXVNYTDAXIKMGIIFG211SGVNAAYWCDSTXIADAADAGXXGGAGXMX241VCCXQDSFRKAFPSLPQIXYXXTLNXXSPX271AXKTFEKNSXAKNXGQSLRDVLMXYKXXGQ301XHXXXAXDFXAANVENSSYPAKIQKLPHFD331LRXXXDLFXGDQGIAXKTXMKXVVRRXLFL361IAAYAFRLVVCXIXAICQKKGYSSGHIAAX391GSXRDYSGFSXNSATXNXNIYGWPQSAXXS421KPIXITPAIDGEGAAXXVIXSIASSQXXXA451

XXSAXXA酵母己糖激酶一级结构生物大分子的结构与功能第32页N末端C末端牛核糖核酸酶二硫键生物大分子的结构与功能第33页一级结构表达生物信息：20n………….多样一级结构是空间结构及生物活性基础…..特异一级结构连接键：肽键（主要）、二硫键小结生物大分子的结构与功能第34页二、蛋白质二级结构(secondarystructure)蛋白质分子中某一段肽链局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子相对空间位置，不包括氨基酸残基侧链构象。肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和CO（羰基碳）3原子依次重复排列。生物大分子的结构与功能第35页α-螺旋(α-helix)β-折叠(β-

pleatedsheet)β-转角(β-turn)无规则卷曲（randomcoil）生物大分子的结构与功能第36页肽键具部分双键性，不能自由旋转肽键中四个原子（-CO-NH-）和与之相邻两个α碳原子（C1、C2）位于同一刚性平面内，称为肽单元。肽键上H与O方向几乎总是相反，称反式肽单元（trans-peptideunit），该构型更稳定。CNHHHORRCNHHHORR（一）肽单元（peptideunit）生物大分子的结构与功能第37页生物大分子的结构与功能第38页（二）、-螺旋（-helix）特点（1）多肽链主链围绕中心轴螺旋式上升，3.6个氨基酸/圈，螺距0.54nm；生物大分子的结构与功能第39页（2）氢键维系：链内氢键（AA1…AA4,第1个肽平面羰基上O，与第4个肽平面亚氨基上H形成氢键)，方向与螺旋长轴平行；（3）普通为右手螺旋。侧链伸出，在螺旋外侧生物大分子的结构与功能第40页1、多肽链充分伸展，每个肽单元以C为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链位于锯齿状结构上下方；2、两条以上肽链或一条肽链内若干肽段平行排列，其结构靠链间氢键维系（羰基上氧和亚氨基上氢），方向垂直长轴特点（三）、β-折叠(β-pleatedsheet)生物大分子的结构与功能第41页3、顺平行折叠：两条肽链走向相同；反平行折叠：两条肽链走向相反。反平行折叠顺平行折叠

反平行折叠顺平行折叠

生物大分子的结构与功能第42页（四）、-转角普通由四个氨基酸组成，常见氨基酸：Pro,Gly以主链间氢键维持稳定。多肽链中180度回折处形成特定构象。没有确定规律性肽链结构

无规卷曲生物大分子的结构与功能第43页1、α-螺旋(α-helix)右手螺旋：3.6个AA/圈，螺距0.54nm；氢键维系：链内氢键（AA1…AA4），平行长轴；侧链伸出螺旋蛋白质二级结构是指多肽链骨架中原子局部空间排列，不包括侧链构象，也就是该肽段主链骨架原子相对空间位置，主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。维持二级结构力量为氢键。小结生物大分子的结构与功能第44页2、β-折叠(β-pleatedsheet)多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；侧链交织位于锯齿状结构上下方；氢键维系：氢键方向垂直长轴；可有顺平行片层和反平行片层结构。3、其它（1）肽链主链出现180°回折部分称β-转角。（2）蛋白质分子中那些没有确定规律性部分肽链构象称为无规卷曲。生物大分子的结构与功能第45页

蛋白质分子中，2个或2个以上含有二级结构肽段在空间上相互靠近，形成规则二级结构组合。有三种形式：-螺旋组合（

）、-折叠组合（）、-螺旋-折叠组合（

）（五）、超二级结构生物大分子的结构与功能第46页钙结合蛋白中结合钙离子模体锌指结构模体（motif）

是含有特殊功效超二级结构，是由二个或三个含有二级结构肽段，在空间上相互靠近，形成一个特殊空间构象。一个模体有其特征性氨基酸序列，并发挥特殊功效。

生物大分子的结构与功能第47页三、蛋白质三级结构

（TertiaryStructure）

（一）

整条肽链中全部氨基酸残基相对空间位置，也就是全部原子在三维空间整体排布，称为三级结构，包含主、侧链构象。生物大分子的结构与功能第48页特点（Features）:空间长度缩短，呈球状、棒状、纤维状三级结构主要靠次级键（非共价键）维系固定：疏水键、盐键、氢键、范德华力；二硫键（共价键）也参加维系三级结构疏水基团在分子内部，亲水基团在分子表面功效区形成：三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位。生物大分子的结构与功能第49页次级键介导蛋白质高级结构形成生物大分子的结构与功能第50页生物大分子的结构与功能第51页（二）、结构域（Domain）分子量较大蛋白质可折叠成多个结构较为紧密区域，并各行其功效，称为结构域。70结构域与分子整体以共价键相连含有相对独立空间构象和生物学功效同一蛋白质中结构域能够相同或不一样，不一样蛋白质中结构域也可能相同或不一样生物大分子的结构与功能第52页（三）、分子伴侣（Chaperon）能提供保护环境，从而加速蛋白质折叠整天然构象或形成四级结构蛋白质分子。生物大分子的结构与功能第53页Features:含有独立三级结构多肽链单位，称为亚基或亚单位（subunit），亚基能够相同，亦能够不一样次级键维系，主要是氢键和离子键单独亚基，多无生物学功效，二个以上亚基聚合成为有完整四级结构蛋白质，才有功效四、蛋白质四级结构

QuaternaryStructure

二个或二个以上含有独立三级结构多肽链，彼此借次级键相连，形成一定空间构象，称为四级结构。生物大分子的结构与功能第54页血红蛋白（Hb）两个α链与两个β链组成四聚体

α链：141aa；β链：146aa;每条链各含一个血红素辅基α链β链生物大分子的结构与功能第55页五、蛋白质分类1、按照组成份类：单纯蛋白质、结合蛋白质单纯蛋白：只有氨基酸组分结合蛋白：氨基酸组分＋其它组分（辅基）2、依据形状分类：纤维状蛋白、球状蛋白3、按照结构分类：单体蛋白、寡聚蛋白单体蛋白：只有一条多肽链寡聚蛋白：数条多肽链非共价相互作用超家族（super-）、家族（family）、亚家族（sub-）

4、按照生物功效分类：酶、调整蛋白、转运蛋白、运动蛋白、防御蛋白、营养蛋白、储存蛋白、结构蛋白、毒蛋白生物大分子的结构与功能第56页六、蛋白质组学（proteomics）

定义：以细胞内全部蛋白质存在及其活动方式为研究对象研究内容：蛋白质表示谱、翻译后修饰谱、亚细胞定位图、相互作用图、生物信息学及数据库技术平台：双向电泳蛋白质点定位、切取蛋白质点质谱分析研究意义生物大分子的结构与功能第57页RNase是由124aa残基组成单肽链，分子中8个Cys-SH组成4对二硫键，形成含有一定空间构象蛋白质。（一）一级结构是空间构象基础第三节蛋白质结构与功效关系

一.蛋白质一级结构是高级结构与功效基础

生物大分子的结构与功能第58页

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，无活性生物大分子的结构与功能第59页人VETSISLYQNFVNQSHEAYGERTPKT马---G---------------------A猪–------------------------A牛--A-V--------------------T羊--AGV--------------------A天竺鼠-DAGT*RH-S--SR-N-TSQDDI--D鲸–------------------------A鸡--HNT-----AA----------S--A3489101213141518123491013141620212227282930A链B链一些脊椎动物胰岛素一级结构部分氨基酸残基差异“-”为与人相同；*为芳香族氨基酸；未列出为相同序列（二）一级结构相同，高级结构和功效也相同生物大分子的结构与功能第60页

生物名称不一样氨基酸数生物名称不一样氨基酸数黑猩猩0恒河猴1猪、牛、羊10马12鸡13海龟15金枪鱼21小蝇25小麦35酵母44不一样生物和人细胞色素c中氨基酸组成差异（三）氨基酸序列提供主要生物进化信息

生物界不一样种属起源蛋白质，比较一级结构，可反应物种进化关系生物大分子的结构与功能第61页生物大分子的结构与功能第62页N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSHbAN-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)分子病（moleculardisease）

：因为蛋白质分子发生变异所造成疾病。病因为基因突变所致。镰刀形红细胞贫血病（四）主要蛋白质氨基酸序列改变可引发疾病生物大分子的结构与功能第63页正常红细胞镰刀形红细胞生物大分子的结构与功能第64页生物大分子的结构与功能第65页肌红蛋白

血红蛋白α

血红蛋白β二、蛋白质功效依赖特定空间结构（一）血红蛋白与肌红蛋白结构相同生物大分子的结构与功能第66页肌红蛋白血红蛋白生物大分子的结构与功能第67页血红素结构生物大分子的结构与功能第68页肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)氧解离曲线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百分数（称百分饱和度）随O2浓度改变而改变。（二）血红蛋白亚基构象改变影响亚基与氧结合

生物大分子的结构与功能第69页Hb4个亚基与4个O2结合平衡常数不一样，第一个亚基结合O2后，可促进其它亚基与O2结合。协同效应90一个亚基与其配体（Hb中配体为O2)结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力，称为协同效应(cooperativity)。正协同效应(positivecooperativity)：促进作用负协同效应(negativecooperativity)：抑制作用生物大分子的结构与功能第70页Hb结合氧理论解释生物大分子的结构与功能第71页变构效应变构剂变构蛋白由一个O2与Hb亚基结合后引发亚基构象改变变构效应（allostericeffect）：蛋白质分子特定部位与小分子化合物结合后，引发蛋白质分子空间构象改变，从而促使生物学活性改变现象。小分子O2或其它化合物称为变构剂。Hb或其它构象改变蛋白质称为变构蛋白。生物大分子的结构与功能第72页疯牛病由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引发一组人和动物神经退行性病变。正常PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质作用下可转变成全为β-折叠PrPsc，从而致病。疾病与核酸无关。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病（三）蛋白质构象改变引发疾病生物大分子的结构与功能第73页朊病毒致病过程中构象改变示意图蛋白质构象疾病：错误构象相互聚集，形成抗蛋白水解酶淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病。老年痴呆(Alzheimer’sdisease)疯牛病(Madcowdisease,orbovinespongiformencephalopathyorBSE)亨汀顿舞蹈病(Huntington’sdisease)生物大分子的结构与功能第74页一、蛋白质两性电离性质体内多数蛋白质pI为pH5.0，体液pH7.4,阴离子？阳离子?pH<pIpH=pIpH>pI蛋白质等电点（pI）：在某一pH溶液中，蛋白质解离成阴、阳离子趋势相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液pH值称为该蛋白质等电点。第四节蛋白质理化性质生物大分子的结构与功能第75页二、蛋白质含有胶体性质1.有许多高分子溶液性质（Mr1万-100万kD，直径1-100nm，为胶粒范围之内），如：扩散慢易沉降粘度大不能透过半透膜2.蛋白质胶体溶液稳定原因：水化膜颗粒表面电荷生物大分子的结构与功能第76页三、蛋白质变性（Denaturation）

在一些物理和化学原因作用下，蛋白质特定空间构象被破坏，即有序空间结构变成无序空间结构，从而造成其理化性质改变和生物活性丧失。生物大分子的结构与功能第77页变性原因：1）物理原因：高温、高压、射线等2）化学原因：强酸、强碱、重金属盐等变性后表现：1）生物学活性消失2）理化性质改变变性意义：1）利用变性：酒精消毒，高温高压灭菌，血滤液制备2）预防变性：低温保留蛋白质制剂3）取代变性：乳品解毒(用于抢救重金属中毒)生物大分子的结构与功能第78页复性-恢复活性：

去除变性原因后，变性蛋白恢复原来空间结构，恢复生物活性现象。是否全部蛋白质变性都是可逆？为何？

理论上能够，但极难使外界原因完全复原。有些蛋白质变性作用是可逆，其变性如不超出一定程度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。生物大分子的结构与功能第79页四、蛋白质紫外吸收特征因为蛋白质分子中含有共轭双键色氨酸和酪氨酸，所以在280nm波优点有特征性吸收峰。蛋白质A280与其浓度呈正比关系，所以可作蛋白质定量测定。生物大分子的结构与功能第80页1、茚三酮反应(ninhydrinreaction)

蛋白质水解后产生氨基酸可发生茚三酮反应。2、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，展现紫色或红色，称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。五、蛋白质呈色反应

OOO||||||2H2N—C—NH2---------→2H2N—C—NH—C—NH2+NH3

尿素双缩脲氨双缩脲

紫色

NaOHCuSO4生物大分子的结构与功能第81页一、透析及超滤法分离蛋白质与小分子化合物*透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开方法。*超滤法

(ultrafiltration)应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量超滤膜，到达浓缩蛋白质溶液目标。第五节蛋白质分离、纯化与结构分析生物大分子的结构与功能第82页血液透析小分子溶出小分子被带出透析机透析液加压血液透析：利用蛋白质分子较大，不能透过半透膜性质，用半透膜将蛋白质与无机盐、单糖等小分子物质分开生物大分子的结构与功能第83页二、有机溶剂沉淀、盐析及免疫沉淀*丙酮、乙醇等有机溶剂，可破坏蛋白质水化层，在0～4℃低温下，使蛋白质沉淀。环境温度高等不良原因影响下，有机溶剂可促使蛋白质变性。*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且水化膜被破坏，造成蛋白质沉淀。*

免疫沉淀法：利用特异抗体识别对应抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物性质，可从蛋白质混合溶液中分离取得抗原蛋白。生物大分子的结构与功能第84页三、电泳法分离蛋白质蛋白质在高于或低于其pI溶液中为带电颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种经过蛋白质在电场中泳动而到达分离各种蛋白质技术,称为电泳(elctrophoresis)

。依据支撑物不一样，分为薄膜电泳、凝胶电泳等生物大分子的结构与功能第85页生物大分子的结构与功能第86页几个主要蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，惯用于蛋白质分子量测定。*等电聚焦电泳，经过蛋白质等电点差异而分离蛋白质电泳方法。*双向凝胶电泳是蛋白质组学研究主要技术。生物大分子的结构与功能第87页四、层析(chromatography)或色谱法分离蛋白质待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，依据待分离蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离蛋白质组分在两相中重复分配，并以不一样速度流经固定相而到达分离蛋白质目标。生物大分子的结构与功能第88页离子交换：蛋白质电荷量及性质不一样。阳离子交换剂：CM-纤维素阴离子交换