生物化学课件：02 多肽与蛋白质下

蛋白质结构与功能的关系StructureandFunctionofProteins第三节（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键

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，无活性角蛋白keratin和胶原蛋白collagen甘氨酸在内部

-螺旋亚胺氨酸在拐角处（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能────────────────────────

氨基酸残基序号胰岛素───────────────

A8A9A10B30────────────────────────

人ThrSerIleThr

牛AlaSerValAla

猪ThrSerIleAla

羊AlaGlyValAla

马Thr

GlyIleAla

狗ThrSerIleAla────────────────────────中心紫色的是二价锌离子和与其配位的6个组氨酸咪唑基，黄色的是二硫键第一代胰岛素-动物胰岛素第二代胰岛素-人胰岛素第三代胰岛素-胰岛素类似物NPY(α-MSH,β-MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成，但作用较弱。(三)氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochromeC)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。Why鉴于细胞色素C分子在呼吸电子传递链中不可或缺的地位，其分子结构是相对保守的。但随着生物的进化，其分子组成结构也必将出现变异，只是相对于其他蛋白来说，细胞色素C分子的很多变异可能导致生物体的电子传递出现问题而导致死亡，因此，其分子进化要缓慢而保守（四）重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbS

β肽链HbA

β肽链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疾病，称为“分子病”。20-30%的蛋白质具有多态性镰状红细胞性贫血镰状细胞贫血是一种常染色体显性遗传血红蛋白(Hb)病。因β-肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸所代替，构成镰状血红蛋白(HbS),取代了正常Hb(HbA)。患者是黑人或与黑人有血缘关系。异常血红蛋白β链的第6位谷氨酸被缬氨酸所代替。这个疏水氨基酸正好适合另一血红蛋白分子β链EF角上的“口袋”，这使两条血红蛋白链互相“锁”在一起，最终与其他血红蛋白链共同形成一个不溶的长柱形螺旋纤维束，使红细胞扭旋成镰刀形。反例细胞色素(cytochromeC)1.肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基

二、蛋白质空间结构表现功能血红素结构Fe2+6个配位键四个吡咯环(一)血红蛋白构象改变引起功能变化血红蛋白亚基与肌红蛋白结构类似都含有血红素辅基肌红蛋白(myoglobin，Mb)

肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。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。2.血红蛋白的构象变化影响结合氧的能力

肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线协同效应(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。如果是促进作用则称为正协同效应(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应

(negativecooperativity)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。别构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应。在氧分子导致Hb亚基构象改变的例子中，小分子O为别构效应剂，Hb为别构蛋白。（二）蛋白质构象改变可导致构象病蛋白质构象疾病（ProteinConformationalDiseases）

：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。蛋白质构象改变导致疾病的机制：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、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。Aggregationofamyloidbetaproteinfragments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-折叠正常疯牛病疯牛病三、蛋白质的化学修饰、相互作用可改变其功能最初基因表达的产物——蛋白质，并不一定为具有生物学功能的成熟蛋白质，新生蛋白质通常还需要进行蛋白质翻译后的化学修饰（第十八章）。四、生物信息学探讨蛋白质的结构与功能关系

生物信息学（bioinformatics）是一门基于信息学和计算的新兴交叉学科，应用计算机程序法将复杂的生物学数据进行整合与分析，从而阐明生命现象中难以解释的复杂分子机制。人类蛋白质组折叠计划/项目（ThehumanProteomeFoldingProject）Folding@home第四节蛋白质的理化性质Chemical

andPhysicalPropertiesofProteins

一、蛋白质具有两性电离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。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。蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)

人体体液pH7.4蛋白质大多pI5.0,大多解离为阴离子碱性蛋白质：鱼精蛋白；组蛋白酸性蛋白质：胃蛋白酶，丝蛋白

二、蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之间，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（防止析出）：颗粒表面电荷亲水（水化膜）+++++++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去水去电后溶液中蛋白质的聚集和沉淀三、很多因素可引起蛋白质变性在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。蛋白质的变性(denaturation)

造成变性的因素

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。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。

应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,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。

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。蛋白质的复性(renaturation)

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，无活性分子伴侣，热激蛋白。。。。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（结晶）。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。

蛋白质沉淀蛋白质的凝固作用(proteincoagulation)

四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰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。五、蛋白质呈色反应可用于溶液蛋白质测定（一）蛋白质经水解后产生茚三酮反应蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应(ninhydrinreaction)。（二）肽链中的肽键可与双缩脲试剂反应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(biuretreaction)。双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。蛋白质的分离、纯化、鉴定和结构分析Isolation,Purification,IdentificationandStructuralAnalysisofProteins第五节一、透析及超滤法可清除蛋白质溶液中的小分子化合物利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。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。超滤法

透析(dialysis)二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质沉淀方法使用丙酮沉淀时，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。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。免疫沉淀法（immunoprecipitation）三、电泳是蛋白质分离与鉴定的常用方法蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，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各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)

。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。

SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。IEE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。2-DGE双向凝胶电泳，蛋白质组学研究的重要技术。几种重要的蛋白质电泳：2-DGE双向凝胶电泳气相色谱-质谱联用仪吸附力质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。四、应用相分配或亲和原理可将蛋白质进行层析分离待分离蛋白质溶液（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分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的。层析(chromatography)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。凝胶过滤(gelfiltration)又称分子筛层析，利用各蛋白质分子大小不同分离。蛋白质分离常用的层析方法五、利用蛋白质颗粒沉降行为不同可进行超速离心分离超速离心法(ultracentrifugation)既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。蛋白质在离心场中的行为用沉降系数(sedimentationcoefficient,S)表示,沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。因为沉降系数S大体上和分子量成正比关系，故可应用超速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状的高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。s=v/ω2r。s是沉降系数，ω是离心转子的角速度（弧度/秒），r是到旋转中心的距离，v是沉降速度。六、用化学或反向遗传学方法可分析或演绎多肽链的氨基酸序列分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成（离子交换层析）测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基把肽链水解成片段，分别进行分析测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用Edman降解法一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基酸顺序的结果。化学法溶解法二硝基氟苯法（DNP法）肼解法二甲基氨基萘磺酰氯法（Dansyl-氯法）还原成氨基醇法亮氨酸氨肽酶法细胞外氨肽酶法羧肽酶A法羧肽酶B法羧肽酶C法氨基酸和肽的末端测定法通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列：按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列分离编码蛋白质的基因测定DNA序列排列出mRNA序列七、应用物理学、生物信息学原理可进行蛋白质空间结构测定或预测通常采用圆二色光谱(circulardichroism，CD)测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。

-螺旋的CD峰有222nm处的负峰、208nm处的负峰和198nm处的正峰3个成分；而

-折叠的CD谱不很固定。（一）圆二色光谱可估算蛋白质二级结构比例X射线衍射法(X-raydiffraction)和核磁共振技术(nuclearmagneticresonance,NMR)是研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。（二）X射线衍射法和核磁共振技术用于三维空间结构分析*用分子力学、分子动力学的方法，根据物理化学的基本原理，从理论上计算蛋白质分子的空间结构。（三）根据蛋白质的氨基酸序列预测三维空间结构*通过对已知空间结构的蛋白质进行分析，找出一级结构与空间结构的关系，总结出规律，用于新的蛋白质空间结构的预测。第六节

血浆蛋白质

PlasmaProteins一、采用电泳法可将血浆蛋白质分成若干组分

电泳法是分离、分析血浆蛋白质的主要方法。采用醋酸纤维素膜电泳，可将血浆蛋白质分为5个组分。按泳动快慢依次为：清蛋白、α1-、α2-、β-和γ-球蛋白（globulin）。而采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)可将血浆蛋白分离出100种以上。A

白蛋白

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