生物化学课件：蛋白质结构与功能 2015

1828年，在哥廷根大学任教的化学家弗里德利克.魏勒（FriedrickWohler）将氰氢铵（ammoniumcyanate）加热产生了尿素（urea）。Wohler's1828synthesisofurea（二）“燃烧”学说使“活力论”再次遭遇重创

尤斯图斯・冯・李比希（JustusVonLiebig）在19世纪20年代替除了注明的“燃烧”学说----------动物通过呼吸获取空气中的O2，氧化分解摄取的食物，产生水和CO2，并且释放热量，保持体温，维持活力。李比希将食物分为糖，脂和蛋白质三大类主要成分，并提出物质在生物体内可进行合成和分解两种化学过程。物质代谢（metabolism）的概念就这样产生了。（三）细胞是生命体的基本结构单位

既然生命活动是以化学反应为基础的，化学反应又是在何处进行的？

1665年，马尔赛罗・马琵李（Marcello

Malpighl）发现红血球（细胞）。同年，罗泊特・胡克（Robert

Haoke）发现植物树皮细胞。

（四）血红蛋白赋予血液红色化学家恩斯特・霍普・席勒（ErnstHoppe-Seyler）首次从血液中飞离出血红蛋白，证明“血液的红色是由血红蛋白的颜色引起的”，并在1864年将血红蛋白制成了结晶（crystal）。

1877年，霍普・席勒创立了德文

《生理化学杂志》

（ZeitschriftfurPhysiologischeChemie

）这时，生物化学从生理学分出作为一门新的独立学科诞生。

（五）酶的化学本质是蛋白质在20世纪头20~30年，“酶的非蛋白质性质”一直束缚着人们的科学思维，是詹姆斯.萨姆奈（JamesBSumner）（1946年诺贝尔奖）解除了这一科学禁锢。1926年萨姆奈第一个成功地制备了尿素酶（urease）结晶并首次证明了酶是蛋白质（六）酶是生物化学反应的主宰路易斯.巴斯德（LouisPasteur）首次证明，只有活的酵母细胞才能进行发酵。

1833年，在巴黎一个糖厂工作的安塞尔.佩国(AnselmePayen)和简-弗朗休斯.波骚兹（Jean-FrancoisPersoz）从麦芽中分离出一种可使淀粉转变为糖的可溶性物质，即淀粉酶(diastase，后来改名为amylase）。随后，细胞的发现人施旺又从胃液中分离出类似于如今胃蛋白酶的物质，并证明这种酶是由胃细胞产生的

。（一）糖酵解又称恩伯登-麦耶霍夫途径

细胞是如何通过分解反应获得能量的？由于同位素示踪技术的应用，在很多早期工作基础上，终于在20世纪30年代末，科学家们详细描述了无氧时葡萄糖的分解途径——(糖)酵解（glycolysis）的酶促反应顺序。古斯塔夫·恩伯登(GustavEmbden)和奥托·麦耶霍夫(OttoMeyerhof)(诺贝尔奖，1922)对葡萄糖酵解的分子演绎过程贡献最大，因此酵解途径又称恩伯登-麦耶霍夫途径(Embden-Meyerhofpathway)。OttoMeyerhofGustavEmbden二20世纪上半叶是动态生物化学阶段(二)三羧酸循环是物质氧化分解的最终途径1932年，HansA.Krebs,KurtHenseleit发现了尿素循环(ureacycle)反应途径。1937年，Krebs又揭示了三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle)机制(诺贝尔奖，1953)。

这些生物化学知识详尽描绘了物质氧化分解的过程，揭示了生命特征——新陈代谢的化学本质，为认识细胞的功能提供了极有价值的线索，极大地推动了生命科学领域的进步。(三)物质代谢与能量代谢偶联

1929年，CyrusH.Fiske,YellapragadaSubbarow和KarlLohman分别发现了腺苷三磷酸(ATP)。

1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger证明，催化三羧酸循环反应的酶都分布在线粒体(mitochondrion)，线粒体内膜分布有电子传递体，可进行氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)反应。(四)合成代谢和分解代谢组成“中间代谢”网络

50年代末，由于很多代谢途径被揭示，确立了由合成代谢(anabolism)和分解代谢网络组成的“中间代谢”(intermediarymetabolism)概念。三20世纪50年代生物化学发展进入分子生物学时期(一)α螺旋是蛋白质分子二级结构形式之一

1951年，LinusPauling(诺贝尔奖，1954)和RobertB.Corey采用X射线衍射(X-raydiffraction)技术研究蛋白质结晶，发现了蛋白质分子的二级结构形式α-螺旋(α-helix)。

1953年，FrederickSanger采用化学方法完成了胰岛素(insulin)序列分析(诺贝尔奖,1958)。(三)DNA双螺旋是揭示遗传信息传递的“敲门砖”

在威尔金斯和弗兰克林工作的基础上，沃森和克里克在1953年提出了DNA双螺旋结构模型(doublehelixmodel)(诺贝尔奖，1962)。他们的原创著作在世界著名杂志«自然»(Nature)上发表，具有划时代的意义；DNA双螺旋结构是揭示遗传信息传递规律的“敲门砖”和联系生物化学与遗传学的“桥梁”。

从此，生物化学发展进入了以生物大分子结构与功能研究为主体的分子生物学时期。詹姆斯·沃森（JamesD.Watson）

1953年Watson（美）与Crick（英）提出DNA分子的双螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。弗朗西斯·克里克（FrancisH.Crick）（四）遗传信息按中心法则传递认知论的两大杰出成就：一，生物大分子三维结构与功能关系的认识；

二，对生命同一性的认识，即生命的基本功能表现为基本相同的生化过程。

复制

DNA

转录

RNA

翻译

蛋白质

复制中心法则：DNA是主宰性的信息的载体（六）DNA“克隆”使基因操作无所不能1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。HamiltonO.SmithDanielNathansWernerArberPaulBergHerbertBoyerStanleyCohen1973年，PaulBerg，HerbertBoyer和StanleyCohen首次在体外将重组的DNA分子形成无形繁殖系——DNA“克隆”（clone）（诺贝尔奖，1980）。1973Cohen等用核酸限制性内切酶EcoR1，首次基因重组成功。1985年，KaryMullis发明了一种体外扩增DNA的专门技术——聚合酶链式反应（PCR）（诺贝尔奖，1993）。从此，以重组DNA(RecombinantDNA)操作为核心的重组DNA技术(RecombinantDNATechnology)迅速发展，科学家们分离及操作基因的能力几乎达到无所不能的地步。

也正是有了重组DNA工艺学才使人类基因组计划得以实施，并对基因组学（genomics）诞生，工农业产业革命产生巨大影响。20世纪20-30年代，我国生物化学家吴宪等在血液分析方面，创立了血液的制备及血糖测定方法。1931年，吴宪还提出了国际公认的蛋白质变性学说。1940我国生物化学家刘思职发现抗体、抗原反应存在定量关系。首先采用定量分析方法研究抗原抗体反应机制。我国科学家对生物化学发展也有贡献吴宪刘思职人工合成胰岛素

1965年，中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学的科学家首先采用人工方法合成了具有生物活性的牛胰岛素。在50-60年代，我国生物化学家就开始了蛋白质化学研究，系统地提出了蛋白质折叠与酶活性调节的理论。在1981年，又合成了酵母丙氨酸tRNA。生物化学研究生命体的物质组成，代谢与功能的关系

生命的化学，即生物化学，就是以生物（包括人）为研究对象或研究材料。主要以化学科学特有的理论，技术和方法，还要综合生物学，物理学，数学，计算科学等的理论和方法，…研究生命个体的物质化学组成，化学变化及其调节，阐明生物体（从受精卵开始）的发育，生长，衰老，死亡全过程和生殖，遗传的本质和规律。蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein什么是蛋白质?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。蛋白质的生物学重要性分布广：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。含量高：蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上。1.蛋白质是生物体重要组成成分作为生物催化剂（酶）代谢调节作用免疫保护作用物质的转运和存储运动与支持作用参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。

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(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%蛋白质元素组成的特点一、组成人体蛋白质的20种氨基酸

均属于L-

-氨基酸

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-α-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸甲硫氨酸(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质两性解离及等电点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。等电点(isoelectricpoint,pI)

在某一pH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，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。（一）氨基酸具有两性解离的性质pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。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氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。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。

体内存在多种重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换

体内许多激素属寡肽或多肽

神经肽(neuropeptide)多肽类激素及神经肽C（谷氨酸）几种特殊氨基酸

脯氨酸（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链肽键(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）氨基酸通过肽键连接而形成肽+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键肽(peptide)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)。N末端：多肽链中有游离α-氨基的一端C末端：多肽链中有游离α-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。N末端C末端牛核糖核酸酶蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein蛋白质的分子结构包括:

高级结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质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象的唯一因素。二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是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

。所谓肽链主链骨架原子即N（氨基酸）、Ca（a－碳原子）和Co（定义:

主要的化学键：氢键

（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元

(peptideunit)

。蛋白质的分子结构包括:

高级结构一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。二、多肽链的局部主链构象为蛋白质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:

主要的化学键：氢键

（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元

(peptideunit)

。

-螺旋(

-helix)

-折叠(

-pleatedsheet)

-转角(

-turn)

无规卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构蛋白质二级结构■α-螺旋（三）

-折叠使多肽链形成片层结构

-折叠

（四）

-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在

-转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。胰岛素1胰岛素2（五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体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，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ。（五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体模体－三维空间中有两个或者三个二级结构的肽段，空间相互接近，形成特殊的构想完成特殊的功能。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体链-β转角-链模体链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体模体常见的形式模体－三维空间中有两个或者三个二级结构的肽段，空间相互接近，形成特殊的构想完成特殊的功能。（六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成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

-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成三级结构疏水键、离子键、氢键和范德华力等。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。定义:（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

肌红蛋白(Mb)N端C端ab（二）结构域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密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域(domain)。纤连蛋白分子的结构域（三）分子伴侣参与蛋白