大学生物化学《蛋白质的结构与功能》教学课件

蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能组成·结构·功能·应用2026年课程导览01组成与分类氨基酸基础与蛋白质分类框架02结构层次一级至四级结构的逐级剖析03结构功能结构决定功能的核心逻辑04性质应用理化性质与分离纯化技术蛋白质01组成与分类一切生命活动的物质基础从基本单位出发，认识蛋白质家族蛋白质是生命活动的基础蛋白质是生命活动的物质基础蛋白质的六大生命功能，贯穿催化、运输、免疫与结构支撑催化作用绝大多数酶的本质是蛋白质运输作用血红蛋白运输氧气与二氧化碳免疫作用抗体抵御外来病原体入侵调节作用多肽类激素参与代谢调控运动作用肌动蛋白与肌球蛋白参与收缩结构作用胶原蛋白构成机体支架蛋白质的元素组成含氮量恒定是蛋白质区别于糖类与脂类的关键特征元素组成主要元素：碳、氢、氧、氮，多数还含硫特殊元素：磷、铁、锌、铜等含氮量特征13%–19%平均约16%含氮量相对恒定，是区别于糖类与脂类的关键特征凯氏定氮法：该特征的测定理论依据氨基酸的基本结构氨基酸是蛋白质的基本组成单位组成蛋白质的氨基酸主要为

20种

L型α氨基酸氨基酸·基本结构共同结构α碳原子与羧基相连的碳原子称为

α碳原子，其上连接

氨基、羧基、氢原子

和

侧链基团。侧链R基团差异所在各氨基酸的差别仅在于

侧链R基团

的不同，侧链结构决定了氨基酸的

理化性质与功能。氨基酸的分类侧链性质决定氨基酸的极性与带电状态类别侧链特征举例非极性脂肪族疏水侧链甘氨酸、丙氨酸芳香族含苯环结构苯丙氨酸、酪氨酸极性不带电含极性基团丝氨酸、半胱氨酸酸性带负电荷天冬氨酸、谷氨酸碱性带正电荷赖氨酸、精氨酸肽键与肽链的连接肽键是氨基酸连接成肽链的核心机制键肽键的形成脱水缩合前一个氨基酸的羧基与后一个氨基酸的氨基结合形成肽键刚性平面肽键具有部分双键性质，构成刚性平面结构链肽链的方向与层级方向性肽链从氨基端到羧基端具有方向层级少数氨基酸连成寡肽，多个连成多肽骨架肽链骨架由重复的氨基酸残基序列构成蛋白质的组成分类按化学组成2类单纯蛋白质仅由氨基酸组成，如清蛋白结合蛋白质含非蛋白辅基，如糖蛋白、脂蛋白按分子形状2类球状蛋白质近似球形，多具生理活性纤维状蛋白质呈长纤维状，多起结构支撑作用按功能划分4类酶运输蛋白免疫蛋白调节蛋白蛋白质02结构层次从线性序列到空间构象逐级拆解蛋白质的结构密码一级结构：氨基酸序列一级结构是蛋白质最基本的结构层次一级结构核心要义一级结构是蛋白质的氨基酸排列顺序，由基因编码决定，并决定高级结构与功能一级结构的构成与意义5项氨基酸排列顺序指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序肽键连接由肽键连接构成，部分还含二硫键二硫键形成由两个半胱氨酸残基的巯基氧化形成基因编码决定是遗传信息的直接体现决定高级结构决定了蛋白质的高级结构与生物学功能二级结构：α螺旋α螺旋是球状蛋白质中常见的二级结构形式。维持力量相邻圈之间由主链上的

氢键

维持稳定氢键方向与螺旋轴基本平行多肽链主链局部盘绕形成规则的螺旋结构每圈氨基酸残基数3.6个螺距0.54纳米侧链基团朝向螺旋外侧二级结构：β折叠与转角β折叠主链呈锯齿状伸展的片层结构分为平行与反平行两种排列方式相邻肽链间以氢键连接维持稳定侧链基团交替伸向片层上下方β转角与无规卷曲β转角使肽链发生回折，多含脯氨酸与甘氨酸无规卷曲为无规则但相对稳定的构象区域三级结构：完整空间构象三级结构是整条肽链完整的三维空间构象在二级结构基础上进一步盘曲折叠形成空间排布特征形成相对疏水的内部核心与亲水的表面。疏水作用通常是维持三级结构的主要动力。结构与功能部分蛋白质含相对独立的结构域功能区域。三级结构形成后蛋白质才具备生物学活性。四级结构：亚基与聚合体四级结构描述亚基之间的聚合关系核心定义四级结构由两条或多条多肽链组成，每条独立多肽链称为亚基四级结构特征4项组成由两条或多条具有三级结构的多肽链组成亚基每条独立的多肽链称为亚基结合亚基之间通过非共价键相互结合功能单独亚基通常无活性，聚合后形成完整功能01典型案例血红蛋白四亚基蛋白质代表亚基聚合后形成完整功能维持结构的化学键不同结构层次依靠不同的化学键维系化学键类型主要维系层次特点肽键一级结构共价键，稳定牢固二硫键一级、三级结构共价键，连接肽链氢键二级结构非共价，方向性强疏水作用三级、四级结构非共价，主要动力离子键三级、四级结构非共价，静电吸引结构层次的内在联系多个亚基的聚合组装，逐级递进，结构决定功能贯穿始终01一级结构基础，决定后续所有高级结构02二级结构主链局部的规则构象03三级结构整条肽链的完整空间构象04四级结构多个亚基的聚合组装各层次逐级递进，结构决定功能贯穿始终蛋白质03结构功能结构决定功能构象改变如何影响生命活动一级结构决定功能氨基酸序列的改变可能引起功能变化“序列与功能的对应关系是分子生物学的基础”01一级结构氨基酸排列顺序决定肽链骨架02高级结构多肽链折叠形成空间构象03生物学功能构象赋予蛋白质特定活性关键证据关键位点突变：单个氨基酸替换即可导致活性丧失序列保守性：胰岛素序列高度保守以维持功能稳定血红蛋白与肌红蛋白结构差异带来氧结合特性的差异肌红蛋白·单条肽链储氧氧合曲线：双曲线型·无协同效应血红蛋白·四个亚基运氧氧合曲线：S形曲线·具协同效应对比项肌红蛋白血红蛋白肽链数目单条肽链四个亚基辅基含血红素含四个血红素氧合曲线双曲线型S形曲线对比项肌红蛋白血红蛋白氧结合特点无协同效应具协同效应主要功能肌肉储氧血液运氧变构效应与协同作用一个亚基结合配体可改变其他亚基的亲和力变构效应与协同作用，是蛋白质功能调节的重要方式机制链条01氧结合血红蛋白结合氧后构象发生改变02构象改变首个氧结合后，其余亚基的氧亲和力显著增强03协同效应亚基间的相互影响称为协同效应功能意义变构效应蛋白质功能调节的重要方式运氧保障保证血红蛋白在肺与组织间高效运氧蛋白质变性的本质变性破坏的是

空间构象

而非肽键变性因素2类物理与化学刺激高温、强酸碱、重金属离子环境与机械作用有机溶剂、紫外线、剧烈振荡变性结果3项功能与溶解性生物学活性丧失，溶解度降低理化性质变化黏度增加，更易被蛋白酶水解结构特征一级结构通常保持不变蛋白质构象病蛋白质错误折叠可引发严重疾病蛋白质的正确折叠是其发挥生物学功能的前提，构象异常将破坏结构与功能的统一。构象病揭示了

结构与功能

关系的深刻意义1步骤01折叠异常蛋白质折叠异常时形成错误构象2步骤02聚集沉积错误构象的蛋白易聚集沉积，损伤组织疯牛病与朊蛋白的错误折叠相关疯牛病（牛海绵状脑病）由朊蛋白错误折叠引发，异常朊蛋白可诱导正常蛋白构象改变，导致神经系统退行性病变。老年痴呆症与β淀粉样蛋白沉积相关老年痴呆症（阿尔茨海默病）与β淀粉样蛋白沉积密切相关，错误折叠蛋白在脑内聚集形成斑块，损伤神经元功能。蛋白质04性质应用从性质到技术掌握蛋白质研究的基本工具两性解离与等电点蛋白质既能解离出氢离子，也能结合氢离子调节溶液pH使蛋白质净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点两性解离3项表面含可解离极性基团蛋白质分子表面多种基团共存酸性溶液带正电，碱性带负电电荷性质随pH变化调节pH使净电荷为零由此定义等电点01应用价值等电点的应用价值等电点时溶解度最低，蛋白质易沉淀析出是分离纯化的重要依据蛋白质的胶体性质蛋白质溶液是稳定的高分子胶体溶液蛋白质溶液的稳定性，源于其胶体颗粒的本征属性破坏水化膜或中和电荷即可使蛋白质沉淀，这是盐析与分离技术的基础。稳定因素·胶体粒径分子直径处于胶体颗粒范围，属于典型的胶体分散体系。稳定因素·水化膜表面水化膜包裹颗粒，保持分散、不易聚集。稳定因素·同种电荷同种电荷相互排斥，进一步增强体系稳定性。沉淀与变性的应用沉淀是分离蛋白质的重要手段方法原理特点盐析高浓度盐破坏水化膜可逆，不变性有机溶剂沉淀降低介电常数需低温操作重金属沉淀与带负电基团结合多致变性加热沉淀破坏空间构象不可逆变性盐析为可逆沉淀的代表，加热沉淀为不可逆变性。分离纯化关键技术电泳技术依据电荷与分子大小差异进行分离等电聚焦凝胶电泳层析技术凝胶过滤：按分子大小分离离子交换：按电荷性质分离亲和层析：按特异性结合分离离心技术超速离心可依据沉