第二章---蛋白质的结构与功能.pptx

第二章第二章 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Chapter 2 Chapter 2 Structure and Function of Protein第一节 蛋白质的一般概念 生命是蛋白体生命是蛋白体的存在方式，这种的存在方式，这种存在方式本质上就存在方式本质上就在于这些蛋白体的在于这些蛋白体的化学组成部分的不化学组成部分的不断自我更新。断自我更新。恩格斯反杜林恩格斯反杜林论论1878187818781878一、蛋白质的定义蛋白质（protein，简写pro):是由20种L-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具较稳定构象并具一定生物功能的生物大分子。Protein一词来自希腊文“Proteios”，意即“第一位的”、“最重要的”。18世纪中叶Beccari首次报道应用稀酸、稀碱核盐类可从动、植物组织中分离到含氮类物质。1838年荷兰化学家Mulder将之应用于从动植物细胞中所发现的复杂的有机含氮化合物。蛋白质是一类含氮的生物高分子，分子量大，结构复杂。例如，血红蛋白的分子式是C3032H4816O812N780S8Fe4。蛋白质结构复杂种类繁多功能各异，是生物体内构建生命，行使生命活动的最主要的功能分子，在几乎所有的生命活动中起着关键的作用。如果说基因是生命的指导者和构建生命的蓝图，那么蛋白质就是组成生命的主要材料，是生命的实践者和执行者。蛋白质将生物体的遗传信息表达成生物的性状，指导生命活动，控制生物的生长和发育。二、蛋白质的生物学重要性二、蛋白质的生物学重要性二、蛋白质的生物学重要性1.1.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：所所所所有有有有器器器器官官官官、组组组组织织织织都都都都含含含含有有有有蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质；细胞的各个部分都含有蛋白质。细胞的各个部分都含有蛋白质。细胞的各个部分都含有蛋白质。细胞的各个部分都含有蛋白质。含含含含量量量量高高高高：蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质是是是是细细细细胞胞胞胞内内内内最最最最丰丰丰丰富富富富的的的的有有有有机机机机分分分分子子子子，占占占占人人人人体体体体干干干干重重重重的的的的4545，某某某某些些些些组组组组织织织织含含含含量量量量更更更更高，例如脾、肺及横纹肌等高达高，例如脾、肺及横纹肌等高达高，例如脾、肺及横纹肌等高达高，例如脾、肺及横纹肌等高达8080。三、蛋白质的生物学功能蛋白质是生命的表征，哪里有生命活动哪里就有蛋白质1、催化作用酶有两类：一类是蛋白质（蛋白酶），另一类为核酸（核酶）2、激素的调节作用：蛋白质或多肽类激素3、运输作用：血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体4、运动作用动物的肌肉收缩（肌球蛋白、肌动蛋白）、细菌的鞭毛运动5、防御作用抗体、补体、干扰素、凝血酶和血纤维蛋白原等6、接受和传递信息的受体作用：受体蛋白、味觉蛋白7、控制细胞生长、分化：生长因子、阻遏蛋白8、毒蛋白：植物、微生物、昆虫所分泌9、结构成分和机械支持物：角蛋白、结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白10、生物膜作用11、许多蛋白在凝血作用、通透作用、营养作用、记忆活动等方面起重要作用。12、氧化供能13、遗传作用蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第第 二二 节节一、一、组成蛋白质的元素及组成蛋白质的元素及特点特点有有些些蛋蛋白白质质还还含含有有少少量量的的P P、FeFe、CuCu、MnMn、ZnZn、SeSe、I I等等。C5055%H67%O1924%N1319%S04%主主要要元元素素组组成成 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1616。l由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只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下公式推算出蛋白质的大致含量：l蛋白质含量(g)=蛋白质含氮量6.25l（凯氏定氮法）100100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量 (g%)(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.25100 6.251001/16%蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点*第三节 氨基酸（amino acid，aa）蛋白质的基本结构单位一、氨基酸的基本结构和构型 蛋白质是由结构较简单的小分子氨基酸氨基酸聚合而成的，氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位。天然蛋白质中存在的氨基酸有20种，均由相应的遗传密码编码（编码氨基酸）。从细菌到人类，所有物种中一切蛋白质都是由这20种氨基酸构成的。下图是氨基酸的结构通式：所有的氨基酸的共同特点是分子中同时具有1个羧基（COOH）和1个氨基（NH2），不同氨基酸之间的差异在于侧链的R基团结构不同。构成蛋白质的氨基酸均属构成蛋白质的氨基酸均属L-型型20种基本氨基酸的结构特点：1、同一分子上既有酸性羧基，又有碱性氨基。故为两性化合物。2、除R=H的甘氨酸外，a碳原子均为不对称碳原子，因而是光学活性物质，有D-型和L型两种异构体，构成蛋白质的氨基酸除Gly外均为L-型异构体。D型氨基酸没有营养价值，仅存在缬氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中，没有在蛋白质中发现。氨基酸的旋光异构氨基酸的旋光异构 2020种种氨氨基基酸酸中中，除除脯脯氨氨酸酸和和甘甘氨氨酸酸外外，其其余余均均属属于于L-L-氨氨基酸基酸。例外：例外：脯氨酸脯氨酸亚氨基酸亚氨基酸甘氨酸甘氨酸 没有手性没有手性二、氨基酸的分类存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有的氨基酸仅有20种，且均属种，且均属L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。按照侧链R基结构或极性(疏水性程度)性质可以分为4类：1、非极性的R基氨基酸 共8种在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用（蛋白质的疏水核心），它们的R基在水溶液中是疏水的、不解离、中性、不带电荷。丙氨酸丙氨酸 alanineAlaA 6.00缬氨酸缬氨酸 valineValV 5.96亮氨酸亮氨酸 leucineLeuL 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucineIleI 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalaninePheF 5.48脯氨酸脯氨酸 prolineProP 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸目目录录 2 2、不带电荷的极性、不带电荷的极性R R基氨基酸基氨基酸 7种这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水，R基在水溶液中有极性，不解离或微弱解离。3、带负电荷的极性氨基酸(酸性aa)2种，R基在水溶液中解离，有极性与亲水性。4、带正电荷的极性氨基酸、带正电荷的极性氨基酸(碱性碱性aa)3种，种，R基在水溶液中解离，有极性与亲水性。根据R侧链结构分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。根据营养价值分为必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。1 1、光学活性光学活性（1 1）氨基酸的光吸收特性）氨基酸的光吸收特性Tyr、Phe、Trp的R基含有共轭双键，在220-300nm近紫外区有吸收。（nm）Tyr 278 1.4103 Phe 259 2.0102 Trp 279 5.6103 在280nm有最大光吸收三、三、氨基酸的主要理化性质氨基酸的主要理化性质色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm280 nm280 nm280 nm 附附附附近。近。近。近。大大大大多多多多数数数数蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质含含含含有有有有这这这这两两两两种种种种氨氨氨氨基基基基酸酸酸酸残残残残基基基基，所所所所以以以以测测测测定定定定蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质溶溶溶溶液液液液280nm280nm280nm280nm的的的的光光光光吸吸吸吸收收收收值值值值是是是是分分分分析析析析溶溶溶溶液液液液中中中中蛋蛋蛋蛋白质含量的快速简便的方法。白质含量的快速简便的方法。白质含量的快速简便的方法。白质含量的快速简便的方法。（2 2）氨基酸的旋光性）氨基酸的旋光性除甘氨酸外，其余19种氨基酸都有至少一个不对称碳原子，故具有旋光性，且均为L-型氨基酸。左旋（-）：能使偏振光向左；右旋（+）：能使偏振光向右。2 2、氨基酸的两性解离和等电点、氨基酸的两性解离和等电点同一分子上带有数量相等的正负两种电荷的离子称为同一分子上带有数量相等的正负两种电荷的离子称为两性离子或兼性离子。氨基酸为两性电解质，两性离子或兼性离子。氨基酸为两性电解质，其解离其解离程度取决于所处溶液的酸碱度程度取决于所处溶液的酸碱度。两性离子带电情况受到溶液两性离子带电情况受到溶液pHpH的影响。的影响。aa aa aa aa解离方式解离方式解离方式解离方式取决于所处环境的取决于所处环境的取决于所处环境的取决于所处环境的pHpHpHpH：pH1pH11pH6任何一 种aa，当其所带净电荷为零时，在电场中既不向正极移动也不向负极移动，这时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point，pI）。，重点掌握等电点的概念重点掌握等电点的概念等电点：对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的等电点：对某种氨基酸来讲，当溶液在某一特定的pHpH时，时，氨基酸以两性离子形式存在，正电荷与负电荷数相等，净氨基酸以两性离子形式存在，正电荷与负电荷数相等，净电荷为零，在直流电场中，既不向正极移动，也不向负极电荷为零，在直流电场中，既不向正极移动，也不向负极移动，这时溶液的移动，这时溶液的pHpH值称为该氨基酸的等电点。在值称为该氨基酸的等电点。在pIpI时，时，氨基酸的导电率最低，溶解度最小，容易发生沉淀。氨基酸的导电率最低，溶解度最小，容易发生沉淀。pH pIpH pI时，氨基酸带负电荷，时，氨基酸带负电荷，-COOHCOOH解离成解离成-COOCOO-，向正极移动。向正极移动。pH=pIpH=pI时，氨基酸净电荷为零时，氨基酸净电荷为零pH pIpH pI+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CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+3 3.氨基酸的熔点氨基酸的熔点均大于均大于2002000 0C C，常温下氨基酸均为固态，而等分常温下氨基酸均为固态，而等分子量的其他有机物均为液态，说明氨基酸与氨基子量的其他有机物均为液态，说明氨基酸与氨基酸之间的结合力很强，以离子键结合，即氨基酸酸之间的结合力很强，以离子键结合，即氨基酸是以离子状态存在的，而不是以中性分子存在。是以离子状态存在的，而不是以中性分子存在。（1 1）与亚硝酸反应）与亚硝酸反应:Van Slyke 法测定氨基酸法测定氨基酸（2 2）与茚三酮反应）与茚三酮反应茚三酮在弱酸中与-氨基酸共热，引起氨基酸的氧化脱氨，脱羧反应，最后，茚三酮与反应产物氨和还原茚三酮反应，生成紫色物质（max=570nm）。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此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。可作为氨基酸定量分析方法。Pro、Hy-Pro与茚三酮反应直接形成黄色化合物（max=440nm）4 4、氨基酸的化学反应、氨基酸的化学反应（3）桑格（Sanger)反应2.4一二硝基氟苯（DNFB）DNP-氨基酸，黄色，层析法鉴定,被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸 四、氨基酸之间的连接方式四、氨基酸之间的连接方式 1 1）连接方式：肽键）连接方式：肽键肽肽键键(peptide(peptide bond)bond)：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的化学键，本质为酰胺键。成的化学键，本质为酰胺键。氨氨基基酸酸残残基基(residue)(residue):肽肽链链中中的的氨氨基基酸酸分分子子因因为为脱脱水水缩缩合合而而基基团团不不全全，被被称称为为氨氨基基酸酸残基。残基。+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键*两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分，三分子氨基酸缩合则形成子氨基酸缩合则形成三肽三肽*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)，由更多的氨基酸相由更多的氨基酸相连形成的肽称连形成的肽称多肽多肽(polypeptide)。*多多肽肽链链(polypeptidechain)是是指指许许多多氨氨基基酸酸之之间间以以肽肽键键连连接接而而成成的的一一种种结结构。构。N N 末端：多肽链中有自由氨基的一端末端：多肽链中有自由氨基的一端C C 末端：多肽链中有自由羧基的一端末端：多肽链中有自由羧基的一端）多肽链有方向性：）多肽链有方向性：Ala-Tyr-Asp-GlyAla-Tyr-Asp-GlyNNC CN端C端N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶五、重要的五、重要的生物活性肽生物活性肽1.1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)(glutathione,GSH)GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢内产生的过氧化氢 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)P P物质（物质（1010肽、属神经肽类）、肽、属神经肽类）、内啡肽内啡肽内啡肽内啡肽（3131肽）肽）2.2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽抗利尿素与催产素抗利尿素与催产素(9(9肽肽)、胰高血糖素（、胰高血糖素（2929肽）、肽）、降钙素（降钙素（3232肽）、肽）、ACTHACTH（3939肽）、胰岛素（肽）、胰岛素（5151肽）肽）七、蛋白质的分类七、蛋白质的分类 *根据蛋白质组成分根据蛋白质组成分 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 *根据蛋白质形状分根据蛋白质形状分 纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质*根据蛋白质功能分根据蛋白质功能分 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein第第 三三 节节蛋白质的分子结构包括（人为划分）蛋白质的分子结构包括（人为划分）一级结构一级结构(primary structure)(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)(quaternary structure)高级高级结构结构定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸氨基酸 的排列顺序的排列顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的维系键：主要的维系键：肽键肽键 有些蛋白质还包括二硫键。有些蛋白质还包括二硫键。第一个被确定一级结构的蛋白质：第一个被确定一级结构的蛋白质：胰岛素胰岛素一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础的基础,但不是唯一的决定因素。但不是唯一的决定因素。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的的局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间间位位置置，并并不不涉涉及及氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链的的构构象象。(一一)定义定义:二级结构的基本单位二级结构的基本单位：肽键平面或肽单元肽键平面或肽单元肽键有部分双键性质肽键有部分双键性质肽键由于肽键由于共振共振而具有而具有部分双键部分双键性质，因此，性质，因此，肽键比一般肽键比一般C-NC-N键短，且不能自由旋转键短，且不能自由旋转肽肽键键平平面面由由于于肽肽键键具具有有部部分分双双键键的的性性质质，使使参参与与肽肽键键构构成成的的4个个原原子子和和两两侧侧的的a-a-碳碳碳碳原原原原子子子子被被束束缚缚在同一平面上，这一平面称为在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元肽键平面或肽单元。肽单元肽单元(肽键平面肽键平面)l由于由于-碳原碳原子与其他原子子与其他原子之间均形成之间均形成单单键键，因此，因此两相两相邻的肽键平面邻的肽键平面可以作相对旋可以作相对旋转转 (二）蛋白质二级结构的主要形式二）蛋白质二级结构的主要形式*-螺旋螺旋 (-helix)-helix)*-折叠折叠 (-pleated sheet)-pleated sheet)-转角转角 (-turn)-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)(random coil)1.-螺旋螺旋：-螺旋是螺旋是多肽链的主多肽链的主链原子沿一链原子沿一中心轴盘绕中心轴盘绕所形成的有所形成的有规律的螺旋规律的螺旋构象构象 结构要点结构要点*：（1 1）主链通过）主链通过-碳原子旋转形成稳固的碳原子旋转形成稳固的右右 手螺旋。手螺旋。（2 2）每）每3.63.6个个氨基酸残基上升一圈，间距氨基酸残基上升一圈，间距 0.15nm0.15nm，螺距，螺距0.54nm0.54nm。（3 3）相邻两圈螺旋之间借）相邻两圈螺旋之间借氢键氢键稳定。（这是稳定。（这是 稳定稳定-螺旋的主要键）螺旋的主要键）（4 4）肽链中氨基酸侧链）肽链中氨基酸侧链R R，伸展在螺旋外侧。，伸展在螺旋外侧。（其形状、大小及电荷影响（其形状、大小及电荷影响 螺旋的形成）螺旋的形成）2.2.-折叠折叠 -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象的扇面状片层构象 结构特征：结构特征：(1)(1)肽肽键键平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键 平面间呈平面间呈1101100 0夹角夹角 (2)(2)氨基酸残基的氨基酸残基的R R侧链伸出在锯齿的上方侧链伸出在锯齿的上方 或下方。或下方。(3)(3)依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链 间的间的C CO O与与N-HN-H形成氢键，使构象稳定。形成氢键，使构象稳定。(4)(4)两段肽链可以是逆向平行，也可以是顺两段肽链可以是逆向平行，也可以是顺 向平行。向平行。-折叠包括顺向折叠包括顺向平行平行和和反向平行反向平行两种类型两种类型3.3.-转角转角 是多肽链是多肽链180180回折部分回折部分所形成所形成的一种二级结构的一种二级结构无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。分肽链结构。4.4.无规卷曲无规卷曲（三）模体（三）模体(motif)(motif)在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具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，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。个特殊的空间构象，被称为模体。常见形式有：常见形式有：螺旋螺旋-转角转角-螺旋型螺旋型 锌指型锌指型 亮氨酸拉链型亮氨酸拉链型 螺旋螺旋-环环-螺旋型螺旋型螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋 锌指结构锌指结构 亮氨酸拉链亮氨酸拉链螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋（五）（五）影响二级结构形成的因素：影响二级结构形成的因素：1 1）侧链基团的大、小）侧链基团的大、小 2 2）侧链基团的带电性质）侧链基团的带电性质 3 3）脯氨酸是）脯氨酸是-螺旋的绝对破坏者螺旋的绝对破坏者（四）主要的维系键：（四）主要的维系键：氢键氢键 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 Van der WaalsVan der Waals力等。力等。（二）维系键：（二）维系键：整条肽链中整条肽链中全部氨基酸残基全部氨基酸残基的相对空的相对空间位置。即肽链中间位置。即肽链中所有原子在三维空间的所有原子在三维空间的排布位置。排布位置。（一）（一）定义定义 次级键次级键对于对于单一多肽链的蛋白质，单一多肽链的蛋白质，三级结三级结构是它的构是它的最高级结构，最高级结构，只有具有完只有具有完整的三级结构，才具有全部的整的三级结构，才具有全部的生物生物学功能学功能肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端 为单肽蛋白质，为单肽蛋白质，含有含有153个氨基酸，个氨基酸，有有8个螺旋区个螺旋区（三）结构域（三）结构域大分子蛋白质的三级结构常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，各状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能。行使其功能。三级结构中独立执行某种功三级结构中独立执行某种功能的局部区域，称为能的局部区域，称为结构域结构域(domain)(domain)。作用力作用力:亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是疏水力疏水力，其次是其次是氢键、离子键和氢键、离子键和Van der Waals力力。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构定义定义:蛋白质分子中各亚基的空间排布及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，称为亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质蛋白质的四级结构的四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条具有完整三级结构的多肽链，称为蛋白每一条具有完整三级结构的多肽链，称为蛋白质的质的亚基亚基(subunit)。从一级结构到四级结构从一级结构到四级结构血红蛋白血红蛋白血红蛋白血红蛋白蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的二级结构是由氢键导致的局部肽蛋白质的二级结构是由氢键导致的局部肽蛋白质的二级结构是由氢键导致的局部肽蛋白质的二级结构是由氢键导致的局部肽链卷曲与折叠链卷曲与折叠链卷曲与折叠链卷曲与折叠PrimaryPrimarystructurestructureSecondarySecondarystructurestructure蛋白质的三级结构是整条多肽链自然形成的蛋白质的三级结构是整条多肽链自然形成的蛋白质的三级结构是整条多肽链自然形成的蛋白质的三级结构是整条多肽链自然形成的三维结构三维结构三维结构三维结构蛋白质的四级结构是亚基间的空间排列蛋白质的四级结构是亚基间的空间排列蛋白质的四级结构是亚基间的空间排列蛋白质的四级结构是亚基间的空间排列TertiaryTertiarystructurestructureQuaternaryQuaternarystructurestructure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 四四 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级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。相似。如不同哺乳类动物的胰岛素分子，一级结构中仅如不同哺乳类动物的胰岛素分子，一级结构中仅个别氨基酸有差异，形成的空间结构与功能均相似个别氨基酸有差异，形成的空间结构与功能均相似在蛋白质的一级结构中，参与在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位功能活性部位的残的残基或处于基或处于特定构象关键部位特定构象关键部位的残基，即使在整个分子的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明中发生一个残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明显的影响。显的影响。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 例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)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这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为的疾病，称为“分子病分子病”。重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病分子伴侣分子伴侣(molecular chaperones)(molecular chaperones)分子伴侣是蛋白质合成过程中形成空间结分子伴侣是蛋白质合成过程中形成空间结构的控制因子。构的控制因子。在新生肽链的折叠、加工和穿膜进入细胞在新生肽链的折叠、加工和穿膜进入细胞的过程中起关键作用。的过程中起关键作用。通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折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。叠成天然构象或形成四级结构。一级结构是一级结构是决定决定蛋白质空间构象唯一的决定因素吗蛋白质空间构象唯一的决定因素吗?蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。构象发生变化，其功能活性也随之改变。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 肌红蛋白肌红蛋白 MbMb血红蛋白血红蛋白 HbHb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效应应或或别别构构效效应应（allostreric allostreric effect)effect)。举例：举例：蛋白质的变构效应蛋白质的变构效应引起蛋白质发生别构效应的物质引起蛋白质发生别构效应的物质变构剂变构剂或或别构剂别构剂*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，称为力的现象，称为协同效应协同效应。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 (positivecooperativity)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 (negativecooperativity)血红蛋白的构象变化与结合氧血红蛋白的构象变化与结合氧氧分压（氧分压（mmHg)氧氧饱饱和和度度()%HbHb 的的氧氧解解离离曲曲线线小分子小分子O O2 2作为变构剂或效应剂引起作为变构剂或效应剂引起 Hb 的空间结构改变的空间结构改变蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错：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，严重时可导致疾病生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。发生。举例举例: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)引起的一组人和动物神经退行性病变。引起的一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在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为为-折叠的折叠的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朊病毒蛋白质其实是存在于神经细胞中的一种朊病毒蛋白质其实是存在于神经细胞中的一种正常蛋白质。变成了致病原的朊病毒和正常的正常蛋白质。变成了致病原的朊病毒和正常的朊病毒蛋白之间在一级结构上是一样的，不同朊病毒蛋白之间在一级结构上是一样的，不同就在构象就在构象上上。第四节第四节蛋白质的理化性质和分离纯化蛋白质的理化性质和分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein（一）蛋白质的两性电离特性（一）蛋白质的两性电离特性 一、理化性质一、理化性质 蛋蛋白白质质分分子子除除两两端端的的氨氨基基和和羧羧基基可可解解离离外外，氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链中中某某些些基基团团，在在一一定定的的溶溶液液pHpH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的蛋白质的等电点等电点(isoelectric point,pI)(isoelectric point,pI)当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pHpH时，蛋白质解离成正、负时，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，离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的此时溶液的pHpH称为称为蛋白质的等电点蛋白质的等电点碱碱负负酸正酸正思考：思考：1 1）含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点）含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点 是偏酸还是偏碱？是偏酸还是偏碱？2 2）等电点为）等电点为6 6的蛋白质于的蛋白质于8.68.6的缓冲溶的缓冲溶 液中，其于电场中向何方向移动？液中，其于电场中向何方向移动？应用：电泳、离子交换层析分离蛋白质应用：电泳、离子交换层析分离蛋白质（二）蛋白质的胶体性质（二）蛋白质的胶体性质 1 1、分子大，不易透过半透膜、分子大，不易透过半透膜-用于透析、超滤。用于透析、超滤。举例：胶原蛋白的分离纯化举例：胶原蛋白的分离纯化2 2、可形成稳定的水溶液：、可形成稳定的水溶液：水化膜、表面电荷水化膜、表面电荷 思考：若欲使蛋白质沉淀，可采取何策略？思考：若欲使蛋白质沉淀，可采取何策略？+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)(denaturation)）定义：）定义：在某些物理和化学因素作在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，从而用下，其特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失导致其理化性质改变和生物活性的丧失的现象。的现象。）造成变性的因素）造成变性的因素物理因素：高温、高压、紫外线照射、物理因素：高温、高压、紫外线照射、剧烈震荡剧烈震荡等等化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重 金属盐等金属盐等）变性的本质：）变性的本质：空间结构破坏（次级键断裂），空间结构破坏（次级键断裂），不改变不改变蛋白质的一级结构。蛋白质的一级结构。）性质改变：）性质改变：生物学活性丧失生物学活性丧失 溶解度下降溶解度下降 粘度增加粘度增加 易被蛋白酶水解易被蛋白酶水解 应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被用来消毒临床医学上，变性因素常被用来消毒及灭菌。及灭菌。此外此外,防止蛋白质变性也是有效保存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。蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。若若蛋蛋白白质质变变性性程程度度较较轻轻，去去除除变变性性因因素素后后，蛋蛋白白质质仍仍可可恢恢复复或或部部分分恢恢复复其其原原 有有 的的 构构 象象 和和 功功 能能，称称 为为 复复 性性(renaturation)(renaturation)。、蛋白质的复性、蛋白质的复性 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、蛋白质沉淀、蛋白质沉淀在在一一定定条条件件下下，蛋蛋白白质质从从溶溶液液中中析析出出的现象。的现象。变性与沉淀的关系变性与沉淀的关系变变性性的的蛋蛋白白质质易易于于沉沉淀淀，但但不不一一定定沉沉淀；沉淀了的蛋白质也并不一定变性。淀；沉淀了的蛋白质也并不一定变性。、蛋白质的凝固作用、蛋白质的凝固作用(protein coagulation)(protein coagulation)蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固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。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。（四）蛋白质的紫外吸收（四）蛋白质的紫外吸收由由于于蛋蛋白白质质分分子子中中含含有有共共轭轭双双键键的的酪酪氨氨酸酸和和色色氨氨酸酸，因因此此在在280nm280nm波波长长处处有有特特征征性性吸吸收收峰峰。蛋蛋白白质质的的ODOD280280与与其其浓浓度度呈呈正正比关系，因此可作蛋白质定量测定。比关系，因此可作蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色反应（五）蛋白质的呈色反应Folin-Folin-酚试剂反应酚试剂反应 蛋白质分子中带有蛋白质分子中带有酚羟基酚羟基的酪氨酸在碱性的酪氨酸在碱性条件下条件下,能与酚试剂反应生成蓝色化合物。能与酚试剂反应生成蓝色化合物。双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中蛋白质和多肽分子中肽键肽键在稀碱溶液中与在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。程度。