《生物化学》-绪论和蛋白质.ppt

目目 录录目目 录录本期教学安排w总学时：总学时：100学时学时 学分学分:5.5w理论：理论：76学时学时w实验：实验：24学时学时 理论考试理论考试:75%w分数分数:实验考核实验考核:25%目目 录录绪绪 论论Introduction to biochemistry目目 录录l 什么是生物化学什么是生物化学?化学分子化学分子化学分子化学分子化学反应化学反应化学反应化学反应是从是从是从是从分子水平分子水平分子水平分子水平探讨探讨探讨探讨生物体内生物体内生物体内生物体内的的的的医学生物化学研究的对象为人体医学生物化学研究的对象为人体。l 研究对象研究对象 生物化学发展史生物化学发展史 18世纪中到世纪中到19世纪末世纪末 初期发展阶段初期发展阶段 主要研究生物体的化学组成主要研究生物体的化学组成 20世纪初到中期世纪初到中期 快速发展阶段快速发展阶段 多方面研究都取得重大进展，主要在营养生化、代谢生化、酶多方面研究都取得重大进展，主要在营养生化、代谢生化、酶学、内分泌研究学、内分泌研究 20世纪世纪50年代到现在年代到现在分子生物学时期分子生物学时期 1953年年 Watson 和和Crick 提出提出DNA双螺旋模型双螺旋模型 1973年年 重组重组DNA技术的建立技术的建立（基因工程诞生）（基因工程诞生）2003年年 HGP完成，蛋白组学、代谢组学及它组学研究完成，蛋白组学、代谢组学及它组学研究 于于2003完成的人类基因组计划完成的人类基因组计划(HGP)是由美国科学家于是由美国科学家于1985年年率先提出，于率先提出，于1990年正式由美国年正式由美国能源部和国立卫生研究院启动，能源部和国立卫生研究院启动，随后英、日、法、德、中也先后随后英、日、法、德、中也先后参与进来，共耗时参与进来，共耗时13年、耗资约年、耗资约30亿美元。亿美元。HGP完成了对构成人完成了对构成人类基因组的类基因组的30多亿个多亿个碱基碱基对对进行进行了精确测序。与曼哈顿原子弹计了精确测序。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学划和阿波罗计划并称为三大科学计划。计划。Human Karyotype中国科学家在生化领域取得的成就中国科学家在生化领域取得的成就中国科学家在生化领域取得的成就中国科学家在生化领域取得的成就中国科学家在生化领域取得的成就中国科学家在生化领域取得的成就 我国生化学界的先驱我国生化学界的先驱吴宪吴宪教授在教授在2020年代初由美回国后，在协年代初由美回国后，在协和医科大学生化系与汪猷、张昌颖等人完成了和医科大学生化系与汪猷、张昌颖等人完成了蛋白质变性理论蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究。等一系列有重大影响的研究。19651965年我国在世界上年我国在世界上首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素岛素；19831983年又通过大协作完成了年又通过大协作完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工合成工合成。19991999年中国获准加入人类基因组计划年中国获准加入人类基因组计划，承担，承担1 1的测序任务，成的测序任务，成为参与这一计划的唯一发展中国家。此外，我国科学家在酶学研为参与这一计划的唯一发展中国家。此外，我国科学家在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有举世瞩目的研究究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有举世瞩目的研究成果。成果。奖奖 励励 等等 级：一等奖级：一等奖主要完成单位：主要完成单位：上海生物化学研究所上海生物化学研究所 北京大学北京大学 上海有机化学研究所上海有机化学研究所主要完成者：主要完成者：钮经义，龚岳亭，邹承鲁，钮经义，龚岳亭，邹承鲁，杜雨苍，季爱雪杜雨苍，季爱雪,邢其毅，汪猷，徐杰诚邢其毅，汪猷，徐杰诚 19811981年年,我国科学家在世界上首次人工合成酵母我国科学家在世界上首次人工合成酵母 Ala-tRNA.王德宝院士王德宝院士，1940年毕业于中央大学。年毕业于中央大学。1951年获美年获美国西部保留地大学博士学位。国西部保留地大学博士学位。19511954年在美国年在美国约翰约翰.霍普金斯大学从事博士后研究。首创了从辅酶霍普金斯大学从事博士后研究。首创了从辅酶I直接合成辅酶直接合成辅酶II的方法，的方法，30年来为世界各大药厂采年来为世界各大药厂采用；在我国最早开展核酸生化研究工作，是我国生用；在我国最早开展核酸生化研究工作，是我国生产核苷酸类助鲜剂的创始人；参加并领导产核苷酸类助鲜剂的创始人；参加并领导世界首次世界首次人工合成了具有生物活性酵母丙氨酸转移核糖核酸人工合成了具有生物活性酵母丙氨酸转移核糖核酸的工作；使我国人工合成生物大分子的水平居于世的工作；使我国人工合成生物大分子的水平居于世界领先地位。界领先地位。杨焕明杨焕明（Huan ming Yang）19991999年年中国获准加入人类基因组计划，承担1的测序任务，成为参与这一计划的唯一发展中国家。生化研究内容生化研究内容 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能蛋白质、核酸、糖类、脂类的结构组成与功能蛋白质、核酸、糖类、脂类的结构组成与功能 物质代谢和调节物质代谢和调节生物大分子（糖、脂、蛋白质）的代谢及其调控过程生物大分子（糖、脂、蛋白质）的代谢及其调控过程DNA是遗传物质，基因作为是遗传物质，基因作为DNA的功能片段是如何将其所携的功能片段是如何将其所携带的遗传信息准确无误地传递给后代？是如何指导蛋白质合带的遗传信息准确无误地传递给后代？是如何指导蛋白质合成的？这些过程又是如何进行精确调控？以及由此衍生出的成的？这些过程又是如何进行精确调控？以及由此衍生出的现代分子生物学技术。现代分子生物学技术。遗传信息的传递及调控遗传信息的传递及调控病因与机制病因与机制病因与机制病因与机制诊断与检测诊断与检测诊断与检测诊断与检测治治治治 疗疗疗疗疾病疾病医学医学医学医学 生化与医学之间的关系生化与医学之间的关系生生化化与与分分子子生生物物学学目目 录录掌握掌握熟悉熟悉了解了解怎样学习生物化学怎样学习生物化学目目 录录一些建议一些建议认真阅读教科书，不懂即问不要犹豫。认真阅读教科书，不懂即问不要犹豫。不要单纯地死记硬背，要在理解的基础上不要单纯地死记硬背，要在理解的基础上 加深记忆。加深记忆。作好准备学习新词汇。作好准备学习新词汇。横向、纵向综合所学知识。横向、纵向综合所学知识。通过练习，运用所学知识来解决相关问题。通过练习，运用所学知识来解决相关问题。通过实验，加深理解所学知识。通过实验，加深理解所学知识。目目 录录第一章第一章蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and function of protein目目 录录1.蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成2.蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构3.蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系4.蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质5.蛋白质的分离、纯化与结构分析蛋白质的分离、纯化与结构分析本本 章章 内内 容容目目 录录蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第第 一一 节节目目 录录 什么是蛋白质什么是蛋白质?蛋蛋白白质质(protein)是是由由许许多多氨氨基基酸酸(amino acids)通通过过肽肽键键(peptide bond)相相连连形形成成的的高高分分子含氮化合物。子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分分分布布广广：所所有有器器官官、组组织织和和细细胞胞中中都都含含有有蛋蛋白质。白质。含含量量高高：蛋蛋白白质质是是细细胞胞内内最最丰丰富富的的有有机机分分子子，占占人人体体干干重重的的45，某某些些组组织织含含量量更更高高，例例如如脾脾、肺及横纹肌等高达肺及横纹肌等高达80。目目 录录1 1）作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）2 2）代谢调节作用）代谢调节作用3 3）免疫保护作用）免疫保护作用4 4）物质的转运和存储）物质的转运和存储5 5）运动与支持作用）运动与支持作用6 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的蛋白质具有重要的生物学功能生物学功能3.氧化供能氧化供能 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由于食物由于食物中含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的中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，就可以推算出蛋白质的大致含量：含氮量，就可以推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%主要有主要有C、H、O、N和和S。有些蛋白质含有少量。有些蛋白质含有少量磷磷或金属元或金属元素素铁、铜、锌、锰、钴铁、铜、锌、锰、钴、钼钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘。组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点 婴儿因长期服食含三聚氰胺的婴儿因长期服食含三聚氰胺的“三鹿三鹿”婴幼儿配方奶粉，患有婴幼儿配方奶粉，患有“双肾多发性结石双肾多发性结石”和和“输尿管结石输尿管结石”症。三聚氰胺的致病机理是症。三聚氰胺的致病机理是在尿路结晶形成结石阻塞泌尿系，导致肾衰。在尿路结晶形成结石阻塞泌尿系，导致肾衰。三聚氰胺其分子中含有大量氮元素三聚氰胺其分子中含有大量氮元素。用普通的全氮测定法测饲。用普通的全氮测定法测饲料和食品中的蛋白质数值时，根本不会区分这种伪蛋白氮。添加在料和食品中的蛋白质数值时，根本不会区分这种伪蛋白氮。添加在食品中，可以提高检测时食品中蛋白质检测数值。食品中，可以提高检测时食品中蛋白质检测数值。目目 录录一、氨基酸一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位存存在在自自然然界界中中的的氨氨基基酸酸有有300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸仅仅有有20种种（编编码码氨氨基基酸酸），且且均均属属 L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。自自然然界界中中的的D-氨氨基基酸酸不不参参与与蛋蛋白白质质的的构构成成，主主要要分布于较低等的生物中（抗生素、生物碱、细胞壁）。分布于较低等的生物中（抗生素、生物碱、细胞壁）。目目 录录氨基酸的一般结构通式氨基酸的一般结构通式-羧基羧基-氨基氨基-碳原子碳原子侧链或侧链或 R基团基团目目 录录 COO lH3N C H l CH3 CHO l HOC H l CH2OH L-丙氨酸丙氨酸L-甘油醛甘油醛_+H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式R1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸3.芳香族氨基酸芳香族氨基酸4.酸性氨基酸酸性氨基酸5.碱性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸的分类二、氨基酸的分类*2020种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸甘氨酸甘氨酸(Gly,G)丙氨酸丙氨酸(Ala,A)缬氨酸缬氨酸(Val,V)脯氨酸脯氨酸(Pro,P)亮氨酸亮氨酸(Leu,L)异亮氨酸异亮氨酸(Ile,I)2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸半胱氨酸半胱氨酸(Cys,C)甲硫氨酸甲硫氨酸(Met,M)丝氨酸丝氨酸(Ser,S)苏氨酸苏氨酸(Thr,T)天冬酰胺天冬酰胺(Asn,N)谷氨酰胺谷氨酰胺(Gln,Q)目目 录录苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe,F)酪氨酸酪氨酸(Tyr,Y)色氨酸色氨酸(Trp,W)3.芳香族氨基酸芳香族氨基酸吲哚吲哚4.酸性氨基酸酸性氨基酸天冬氨酸天冬氨酸(Asp,D)谷氨酸谷氨酸(Glu,E)5.碱性氨基酸碱性氨基酸赖氨酸赖氨酸(Lys,K)精氨酸精氨酸(Arg,R)组氨酸组氨酸(His,H)胍基胍基胍基胍基咪唑咪唑 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸:半胱氨酸半胱氨酸 二硫键二硫键胱氨酸胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸 在生理在生理pH条件下，组氨酸的条件下，组氨酸的咪唑环咪唑环既可作为质子受体也可作既可作为质子受体也可作为质子供体。因此，组氨酸经常会存在酶的活性中心部位。为质子供体。因此，组氨酸经常会存在酶的活性中心部位。组氨酸，组氨酸，Histidine+组氨酸组氨酸三、氨基酸的理化性质三、氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决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。于所处溶液的酸碱度。R CH COOH COO-+H+l NH2+H+NH3+氨基酸即可作酸也可作碱氨基酸即可作酸也可作碱非离子状态非离子状态非离子状态非离子状态两性离子状态两性离子状态两性离子状态两性离子状态目目 录录等电点等电点(isoelectric point,pI)在在某某一一pH的的溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼兼性性离离子子，呈呈电电中中性性。此此时时溶溶液液的的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子氨基酸的滴定曲线氨基酸的滴定曲线1.-COOH 首先被解离，随后首先被解离，随后-NH3 被解离，解离常数分别为被解离，解离常数分别为pK1和和pK2。2.等电点等电点(pI)3.pI1/2*（pK1 pK2）4.3.pH低于低于pI 氨基酸带正电荷氨基酸带正电荷5.4.pH高于高于 pI 氨基酸带负电氨基酸带负电荷荷2.紫外吸收紫外吸收 色氨酸、酪氨酸的最色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在大吸收峰在 280 nm 附近附近。大多数蛋白质含有这大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液蛋白质溶液280nm的光吸收的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反应茚三酮反应 氨氨基基酸酸与与茚茚三三酮酮水水合合物物共共热热，可可生生成成蓝蓝紫紫色色化化合合物物，其其最最大大吸吸收收峰峰在在570nm处处。由由于于此此吸吸收收峰峰值值与与氨氨基基酸酸的的含含量量存存在在正正比比关关系系，因因此此可可作作为为氨基酸定量分析方法。氨基酸定量分析方法。脯氨酸与茚三酮反应后生成脯氨酸与茚三酮反应后生成黄色黄色化合物。化合物。四、肽（四、肽（peptide）与多肽（）与多肽（polypeptide)*肽肽键键是是由由一一个个氨氨基基酸酸的的-羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的-氨氨基基脱脱水水缩缩合合而而形形成成的的化化学学键键，具具有有部部分分双双键键性性能能，不不能自由旋转。能自由旋转。（一）肽键（一）肽键（peptide bond）目目 录录肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。两分子氨基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酸缩合形成二肽二肽，三分子氨基酸缩合则形成，三分子氨基酸缩合则形成三肽三肽几个概念：几个概念：由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽寡肽(oligopeptide)，由，由10个以上但不足个以上但不足50个氨基酸相连形成的肽称个氨基酸相连形成的肽称多肽多肽(polypeptide),50个以上氨基酸构成的肽称为个以上氨基酸构成的肽称为蛋白质蛋白质。肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨氨基酸残基基酸残基(residue)。多肽链多肽链,N端端,C端端,多肽链书写及命名；多肽链书写及命名；主链主链及及侧链侧链的概念的概念N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由氨基自由氨基的一端的一端C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由羧基自由羧基的一端的一端肽链有两端：肽链有两端：R1NH3CCOOHR2NH3CCOOHH2OH2OR1NH3CCOHR2NHCCOHR3NHCCOHPeptide bondPeptide bondN 末端末端C末端末端（二）（二）几种生物活性肽几种生物活性肽 1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSHGSH具有还原性，可作为还原剂保护重要蛋白质或具有还原性，可作为还原剂保护重要蛋白质或酶分子中的酶分子中的-SH-SH免受氧化，还可保护机体免遭毒物损害。免受氧化，还可保护机体免遭毒物损害。还原型还原型GSHGSH可被氧化成氧化型可被氧化成氧化型GSSGGSSG，GSSGGSSG也可在还原酶也可在还原酶的催化下重新生成的催化下重新生成GSHGSH。GSHGSH缺少会怎样？缺少会怎样？GSH还原酶还原酶GSH过氧化物酶过氧化物酶体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)-神经细胞之间传递信息的肽类。神经细胞之间传递信息的肽类。2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽Thyrotropin-releasing hormone Tropic hormones 目目 录录蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 第第 二二 节节目目 录录一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)高级结构高级结构或空间构象或空间构象蛋白质的分子结构包括两个层次：蛋白质的分子结构包括两个层次：目目 录录定义定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的化学键主要的化学键肽键肽键，也包括，也包括二硫键二硫键 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构“for his work on the structure of proteins,especially that of insulin”（1958）Frederick SangerMRC,Cambridge,United kingdom二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链主主链链原原子子的的局局部部空间结构，并不涉及氨基酸残基侧链的构象空间结构，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。定义定义 主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 （一）肽单元（一）肽单元参参与与肽肽键键的的6个个原原子子C 1、C、O、N、H、C 2位位于于同同一一平平面面，此此同同一一平平面面上上的的6个个原原子子构构成成了了所谓的所谓的肽单元肽单元(peptide unit)。phiphipsipsi 蛋白质二级结构的主要形式：蛋白质二级结构的主要形式：-螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)（二）（二）-螺旋螺旋-螺旋的主要特征螺旋的主要特征是蛋白质二级结构的主要形式，螺旋走是蛋白质二级结构的主要形式，螺旋走向为右手螺旋；螺旋每上升一圈含有向为右手螺旋；螺旋每上升一圈含有3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基上升的个氨基酸残基，每个氨基酸残基上升的距离为距离为0.15nm，螺距为，螺距为0.54nm；氨基酸侧链伸向螺旋外侧，侧链性质会氨基酸侧链伸向螺旋外侧，侧链性质会影响螺旋的形成。影响螺旋的形成。-螺旋的每个肽键的螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽键和第四个肽键的羰基的羰基O形成氢键，形成氢键，氢键氢键是稳定螺旋的是稳定螺旋的最重要化学键；最重要化学键；（三）（三）-折叠折叠-折叠呈锯齿状排列，氨基酸侧链交替位于锯齿面的上下侧；折叠呈锯齿状排列，氨基酸侧链交替位于锯齿面的上下侧；-折叠是充分伸展的二级结构；折叠是充分伸展的二级结构；氢键氢键是维持是维持-折叠稳定的主要作折叠稳定的主要作用力；用力；-折叠结构中肽链走向可平行排列，也可反向排列折叠结构中肽链走向可平行排列，也可反向排列。平行平行平行平行-折叠折叠折叠折叠反平行反平行反平行反平行反平行反平行 -折叠折叠折叠折叠折叠折叠 反平行反平行-折叠比平行折叠更稳定。折叠比平行折叠更稳定。（四）（四）-转角和无规卷曲转角和无规卷曲-转角转角无规卷曲是用来阐述没有特定规律性的肽链结构。无规卷曲是用来阐述没有特定规律性的肽链结构。氢键氢键无规卷曲无规卷曲-转角转角:-折叠折叠 -螺旋螺旋（五）模体（五）模体（motif）在许多蛋白质分子中，二个或二个以上具有二级结构的在许多蛋白质分子中，二个或二个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个具有一定功能的特殊空间构肽段在空间上相互接近，形成一个具有一定功能的特殊空间构象，被称为模体。象，被称为模体。超二级结构示意图超二级结构示意图钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结合钙离子的模体合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 目目 录录影响二级结构的因素影响二级结构的因素 氨基酸侧链的大小氨基酸侧链的大小 氨基酸所带电荷的性质氨基酸所带电荷的性质 脯氨酸不利于脯氨酸不利于-螺旋的形成螺旋的形成目目 录录上次课重点内容复习上次课重点内容复习w蛋白质元素组成特点及应用w组成蛋白质的基本单位-L-氨基酸 氨基酸结构特点 氨基酸分类：酸性氨基酸，碱性氨基酸 氨基酸理化性质 两性电离及等电点 紫外吸收 茚三酮反应三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。范德华力等。二硫键二硫键(共价键共价键)也具有重要作用。也具有重要作用。主要的化学键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。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布。（一）（一）定义定义 肌红蛋白的三级结构示意图肌红蛋白的三级结构示意图肌红蛋白肌红蛋白血红素辅基血红素辅基肌红蛋白可在肌肉中储存运输氧气，由肌红蛋白可在肌肉中储存运输氧气，由153153个个AAAA组成，含有一个血红素辅基，组成，含有一个血红素辅基，共有共有8 8个个-螺旋区，螺旋间有无规卷曲连接。肌红蛋白多肽链缠绕形成球状结螺旋区，螺旋间有无规卷曲连接。肌红蛋白多肽链缠绕形成球状结构，亲水基团位于表面，而疏水基团则掩埋于分子内部。构，亲水基团位于表面，而疏水基团则掩埋于分子内部。His64His64His93His93血红素是血红素是4 4个吡咯环相连形成的平板状铁卟啉化合物，个吡咯环相连形成的平板状铁卟啉化合物，FeFe2 2居居于卟啉环的中央，铁离子有于卟啉环的中央，铁离子有6 6个配位键，其中个配位键，其中4 4个与吡咯环的个与吡咯环的N N原子相连，原子相连，1 1个与多肽链的个与多肽链的组氨酸组氨酸残基结合，氧分子则与第残基结合，氧分子则与第6 6个配位键相结合。个配位键相结合。（二）结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状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，各行使其功能，称为或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域。结构域。3-磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构域示意图磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构域示意图 3-3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶有四个相同的亚基，每有四个相同的亚基，每个亚基由两个结构域组个亚基由两个结构域组成，成，N N端（形成的第一个端（形成的第一个结构域能与结构域能与NADNAD+结合，第结合，第二个结构域（二个结构域（147-333147-333氨氨基酸）能与底物基酸）能与底物3-3-磷酸磷酸甘油醛结合。甘油醛结合。（三）（三）分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速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。蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。*分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。*分子伴侣可与错误聚集的肽段结合，使之解聚并诱导其正分子伴侣可与错误聚集的肽段结合，使之解聚并诱导其正确折叠。确折叠。*分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。了重要的作用。目目 录录四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基亚基 (subunit)。蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局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，称为和相互作用，称为蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构。亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是次级键次级键，包括氢键、离子键。，包括氢键、离子键。血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构血红蛋白是红细胞运输血红蛋白是红细胞运输O2和和CO2 的功能蛋白，含四个亚基：的功能蛋白，含四个亚基：2 2，每个，每个亚亚基都含有一个血基都含有一个血红红素素辅辅基，基，亚基和亚基和亚基相间排列，亚亚基相间排列，亚基间通过基间通过8个离子键相连。个离子键相连。目目 录录五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类 *根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 =蛋白质部分蛋白质部分 +非蛋白质部分非蛋白质部分*根据蛋白质形状根据蛋白质形状 纤维状蛋白质纤维状蛋白质 多为结构蛋白，难溶于水多为结构蛋白，难溶于水球状蛋白质球状蛋白质 多为功能蛋白，易溶于水多为功能蛋白，易溶于水目目 录录蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 节节（一）一级结构是空间构象的基础（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牛核糖核酸酶的一级结构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性牛核糖核酸酶变性试验牛核糖核酸酶变性试验（Anfinsen，1960）Christian Boehmer Anfinsen(19161995)1972 Nobel Prize in Chemistry for work on ribonuclease,especially concerning the connection between the amino acid sequence and the biologically active conformation 目目 录录（二）一级结构相似的蛋白具有相似的结构和功能（二）一级结构相似的蛋白具有相似的结构和功能 1、同源蛋白、同源蛋白 由同一基因进化而来，在不同生物种行使相同或相似功由同一基因进化而来，在不同生物种行使相同或相似功能的蛋白质。对不同生物种同源蛋白质一级结构的研究，能的蛋白质。对不同生物种同源蛋白质一级结构的研究，可用于预测蛋白质之间结构与功能的相似性。可用于预测蛋白质之间结构与功能的相似性。B30ThrAlaAlaSerAlaAlaAlaA10 Ile Ile Ile IleValValIleA6Ser SerSerGlyGlySerSerA5ThrThrThrThrAlaAlaThr 氨基酸残基序列号氨基酸残基序列号人猪狗兔牛羊马哺乳动物胰岛素氨基酸序列差异哺乳动物胰岛素氨基酸序列差异胰岛素胰岛素目目 录录2 2、氨基酸序列提供生物进化信息、氨基酸序列提供生物进化信息 细胞色素细胞色素C是广泛存在于生物体内的蛋白是广泛存在于生物体内的蛋白,比较不同物种比较不同物种的细胞色素的细胞色素C结构，可以帮助了解物种间的进化关系。物种结构，可以帮助了解物种间的进化关系。物种越接近，则细胞色素越接近，则细胞色素C的一级结构越相似，其空间构象和功的一级结构越相似，其空间构象和功能也相似。能也相似。例如：猕猴与人的细胞色素例如：猕猴与人的细胞色素C一级结构只相差一个氨基一级结构只相差一个氨基酸残基；人类和黑猩猩的细胞色素酸残基；人类和黑猩猩的细胞色素C一级结构完全相同。一级结构完全相同。不同生物细胞色素不同生物细胞色素C C的进化树的进化树 3、一级结构重要序列改变会引起疾病、一级结构重要序列改变会引起疾病例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血HbSHbAHbA():N NVal-His-Leu Thr Pro Glu Glu Lys C HbS():NVal His Leu Thr Pro Val Glu Lys C“Uniform,Cup-shaped,Normal Erythrocyte”“The Variably Shaped Erythrocytes seen in Sickle Cell Anemia”146aa这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病分子病”。（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构（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二、蛋白质空间结构与功能的关系 肌红蛋白结构肌红蛋白结构血红蛋白血红蛋白亚亚基基结构结构目目 录录 肌红蛋白、肌红蛋白、肌红蛋白、肌红蛋白、血红蛋白血红蛋白血红蛋白血红蛋白 -亚亚亚亚基及基及基及基及 亚亚亚亚基基基基肌红蛋白肌红蛋白 亚基亚基亚基亚基 亚基亚基亚基亚基Hb与与Mb一一样样能能可可逆逆地地与与O2结结合合，Hb与与O2结结合合后后称称为为氧氧合合Hb。氧氧合合Hb占占总总Hb的的百百分分数数（称称百百分分饱饱和和度度）随随O2浓浓度变化而改变。度变化而改变。Hb与与O2的的结结合合呈呈现现协协同同效效应应：第第一一个个亚亚基基与与O2结结合合后后能能促促进进以以后后其其它它亚亚基基与与O2结结合合的的效效应应称称为为协协同同效效应应。这这种种效效应应是是促促进进作作用用的的所所以以又又称称为为正正协协同同效效应应。反反之之称称为为负负协协同同效效应。应。协同效应曲线呈协同效应曲线呈S型。型。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧（二）血红蛋白的构象变化与结合氧 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线组织组织组织组织肺部肺部肺部肺部脱氧脱氧 Hb亚基间和亚基内的盐键亚基间和亚基内的盐键Hb与与O2结合前为紧张态（结合前为紧张态（T态），当态），当Hb的第一个亚基与的第一个亚基与O2结合，造成结合，造成4个个亚基羧基端盐键断裂，造成亚基羧基端盐键断裂，造成Hb空间结构变的松弛，称为松弛态（空间结构变的松弛，称为松弛态（R态），态），有利于有利于O2与其它亚基的进一步结合。与其它亚基的进一步结合。紧张态紧张态紧张态紧张态松弛态松弛态松弛态松弛态目目 录录O2血血红红素素与与氧氧结结合合后后，铁铁原原子子半半径径变变小小，就就能能进进入入卟卟啉啉环环的的小小孔孔中中，继继而而引引起起肽链位置的变动。肽链位置的变动。血红素与血红素与O2结合结合*变构效应变构效应(allosteric effect)蛋蛋白白质质空空间间结结构构的的改改变变伴伴随随其其功功能能的的变变化化，称称为为变变构构效应效应。（变构效应剂、变构蛋白、变构激活、变构抑制）。（变构效应剂、变构蛋白、变构激活、变构抑制）*协同效应协同效应(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，称为协同效协同效应应。如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应 目目 录录（三）蛋白质构象改变与疾病（三）蛋白质构象改变与疾病 蛋蛋白白质质构构象象疾疾病病：若若蛋蛋白白质质的的折折叠叠发发生生错错误误，尽尽管管其其一一级级结结构构不不变变，但但蛋蛋白白质质的的构构象象发发生生改改变变，仍仍可可影影响响其其功功能能，严重时可导致疾病发生。严重时可导致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠：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。毒性而致病。这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病中的蛋白质构象改变：疯牛病中的蛋白质构象改变：疯牛病是由朊病毒蛋白疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一引起的一组人和动物神经退行性病变。组人和动物神经退行性病变。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折折叠的叠的PrPsc，从而致病。从而致病。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病目目 录录第四节第四节蛋白质的理化性质与分离纯化蛋白质的理化性质与分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein（一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的两性电离 一、理化性质一、理化性质 *蛋白质的等电点蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)当当蛋蛋白白质质溶溶液液处处于于某某一一pH时时，蛋蛋白白质质解解离离成成正正、负负离离子子的的趋趋势势相相等等，即即成成为为兼兼性性离离子子，净净电电荷荷为为零零，此此时时溶溶液的液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。（二）蛋白质的胶体性质（二）蛋白质的胶体性质 蛋蛋白白质质属属于于生生物物大大分分子子其其分分子子的的直直径径可可达达1100nm，属于胶体颗粒范围。，属于胶体颗粒范围。蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素:颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固 *蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象遭在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象遭到破坏，使其理化性质发生改变并丧失生物活性。到破坏，使其理化性质发生改变并丧失生物活性。变性的本质变性的本质 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。造成变性的因素造成变性的因素如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等及生物碱试剂等。变性造成蛋白的溶解度下降，黏度升高，结晶能变性造成蛋白的溶解度下降，黏度升高，结晶能力消失，生物活性丧失，容易被蛋白酶水解。力消失，生物活性丧失，容易被蛋白酶水解。应