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1、第一章,蛋白质的结构与功能,Structure and Function of Protein,蛋白质(protein，Pr),是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)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、组织及细胞的各个部分都含有蛋白质。,1.蛋白质是生物体重要组成成分,含量高：细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，脾、肺及横纹肌等组织高达80。,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,具有催化功能的蛋白质,免疫球蛋白,如
2、肌动蛋白、肌球蛋白,蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein,第一节,一、蛋白质的元素组成,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。,主要有C、H、O、N和 S。,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Pr为主，可通过样品中的含氮量推算出Pr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 6.25100,1/16%,蛋白质元素组成的特点,组成蛋白质的基本单位,自然界中的AA有300余种，但组成人体蛋白质的AA仅有20种。,二、氨基酸(amino acid,aa/AA),基本氨
3、基酸/编码氨基酸,1.种类：,2.氨基酸结构通式：,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,均为-氨基酸，其中脯氨酸为亚氨基酸；均为L-构型（甘氨酸例外）；区别在于R基团的不同。,标准氨基酸的共同结构特点：,三、氨基酸的分类,根据R侧链基团的结构和性质的不同，可将20种氨基酸分为5类：,1.非极性脂肪族氨基酸2.极性中性氨基酸3.芳香族氨基酸4.酸性氨基酸5.碱性氨基酸,1.非极性脂肪族氨基酸,2.极性中性氨基酸,半胱氨酸,胱氨酸,巯基,3.芳香族氨基酸,Trp,Tyr,4.酸性氨基酸,5.碱性氨基酸,胍基,咪唑基,几种特殊的氨基酸:,支链氨基酸：缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸亚氨基酸：脯氨酸芳香族
4、氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸含-OH氨基酸：丝氨酸，苏氨酸,1.各种蛋白质中含量相近的元素是 A碳 B氢 C氧 D氮 E硫2能出现在蛋白质分子中的下列氨基酸，哪一种没有遗传密码？A色氨酸 B蛋氨酸 C谷氨酰胺 D脯氨酸 E羟脯氨酸3.不出现于蛋白质中的氨基酸是(1995年)A半胱氨酸 B胱氨酸 C瓜氨酸 D精氨酸 E赖氨酸4.组成人体蛋白质分子的氨基酸属于下列哪一种？AL-AA BD-AA CL-AA DD-AA5下列氨基酸中，属于酸性氨基酸的是(2008年)A精氨酸 B甘氨酸 C亮氨酸 D天冬氨酸6
5、含有两个羧基的氨基酸是(1997年)A谷氨酸 B丝氨酸 C酪氨酸 D赖氨酸 E苏氨酸7以下哪种氨基酸是含硫的氨基酸？(1999年)A谷氨酸 B赖氨酸 C亮氨酸 D蛋氨酸 E酪氨酸 8下列哪一种氨基酸是亚氨基酸?(2000年)ALys BPro CHis DTrp EIle9.含有两个氨基的氨基酸是(2004年)A.Lys B.Trp C.Val D.Glu E.Leu,四、氨基酸的理化性质,1.两性解离及等电点,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(isoelectric point,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，
6、呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2.紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,测蛋白质溶液在280nm的吸光值可分析溶液中蛋白质含量。,芳香族氨基酸的紫外吸收,波长(nm),3.茚三酮反应,氨基酸(除Pro和羟脯氨酸)与茚三酮水合物共热可生成蓝紫色化合物，可用作定性分析；该化合物最大吸收峰在570nm处，峰值与AA的含量成正比，可作为AA定量分析方法。,五、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,肽键(peptide bond)：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。,
7、（一）肽(peptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,*肽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：多肽链中有自由氨基的一端C 末端：多肽链中有自由羧基的一端,多肽链有两端,多肽链(polypeptide chain)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,1.谷胱甘肽(glutathio
8、ne,GSH),谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸,(二)几种生物活性肽,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH与GSSG间的转换,谷胱甘肽有还原型（GSH）与氧化型（GSSG)。,体内重要的还原剂，对机体起到保护作用,生物学功能：,与致癌剂、药物等结合，保护机体免受毒物侵害,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,第二节 蛋白质的分子结构,蛋白质的分子结构包括：一级结构(primary structure)二级结构(secondary structure)三级结构(tertiary structure)四级结构(quatern
9、ary structure),空间结构,基本结构,1.定义：指蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,2.主要的维系键：肽键,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,F.Sanger,牛胰岛素结晶,二、蛋白质的二级结构,1.定义：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。,2.主要的维系键：氢键,二级结构的形成基础:肽平面酰胺平面 肽键键长0.132nm，介于单键（0.149nm）和双键(0.127nm)之间，具有部分双键性质。,主链骨架：N-C-C-N-C-C重复,-螺旋(-helix)-折
10、叠(-pleated sheet)-转角(-turn)无规卷曲(random coil),3.蛋白质二级结构的主要形式：,（1）-螺旋：以-C为转折点，形成右手螺旋,1.形成右手螺旋，侧链向外伸出；2.每圈螺旋含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；3.维系化学键：氢键4.氢键方向与螺旋轴基本平行。,-螺旋的结构要点：,1、侧链基团的性质；2、侧链基团的大小；3、Pro不利于螺旋的稳定。,影响-螺旋稳定的因素：,(1)多肽链呈伸展状态，肽键平面沿长轴折叠呈锯齿状(2)肽段间通过氢键连接，氢键的方向与长轴垂直,（2）-折叠,顺向平行,反向平行,(3)两条肽链走向一致（N、C端方向相同），称为顺
11、向平行结构，反之，则称为反向平行结构。,更稳定,肽链出现180回折的部分形成-转角；回折部分通常由4个氨基酸残基构成；第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。,（3）-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。,（4）无规卷曲,（5）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，形成一个特殊的空间构象，被称为模体(motif)。,具有特殊功能的超二级结构,锌指结构,三、蛋白质的三级结构,包括疏水键、离子键（盐键）、氢键和范德华力等。,2.主要的化学键：次级键,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
12、布位置。,1.定义:,维持蛋白质分子构象的各种化学键,S,不属于次级键,蛋白质的三级结构,(3)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(domain)。,免疫球蛋白结构域示意图,(4)分子伴侣,分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。,参与二硫键的正确形成,协助蛋白质正确折叠,与错误聚集的肽段结合，使之解聚再诱导其正确折叠,作用,亚基(subunit)：体内有许多蛋白质分子含有两条或两条以上多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。,四、蛋白质的四级结构,蛋白质分子中各
13、亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。,1.定义：,2.主要化学键：亚基之间的结合以非共价键相连，主要是氢键和离子键。,血红蛋白（Hb）的四级结构,血红蛋白是由含有血红素的2个亚基和2个亚基组成的四聚体。,由一条多肽链组成的蛋白质最多只有三级结构，由两条以上多肽链组成的蛋白质必须要形成四级结构才具有功能。,蛋白质的分子结构,五、蛋白质的分类,1、根据蛋白质组成成分,2、根据蛋白质形状,六、蛋白质组学,蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。,第三节 蛋白质结构与功能的关系,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级
14、结构与功能的关系,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、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能,（三）一级结构改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血,正常,异常,N-Val His Leu Thr Pro Glu Glu C(146),HbS 肽链,HbA 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”。,机制：,二、蛋白质的功能依赖特定空间结构,（一）血红蛋白(hemoglobin，Hb)结构,由4个亚基组成，每个亚基可
15、结合1个血红素并携带1分子氧。亚基之间通过8对盐键紧密结合形成亲水的球状蛋白。,（二）Hb亚基构象改变可影响亚基与氧的结合,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；(positive cooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negative cooperativity),变构效应(allosteric effect)：,蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。,（三）蛋白质构象改变可引起疾病,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生
16、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。,机理：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(CJD)、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,例：疯牛病中的蛋白质构象改变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。正常PrP富含-螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋白质作用下转变成为-折叠的PrPsc，从而致病。,Gajdusek1976年诺贝尔生理学和医学奖,Stanley Prusiner1
17、997年诺贝尔生理学和医学奖,朊病毒,第四节 蛋白质的理化性质,一、蛋白质的两性解离与等电点,1.蛋白质是两性电解质 蛋白质分子中可解离的基团 多肽两端游离的-氨基和-羧基 多肽侧链R上解离的基团 决定蛋白质解离成正负离子的因素 蛋白质所含酸性和碱性基团的数目 蛋白质所在溶液的pH值,2.蛋白质的等电点（pI）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。,pH=pI,pHpI,pHpI,兼性离子,阳离子,阴离子,NH,2,COOH,NH,3,+,COO,-,3,-,NH,2,COO,-,R,2,-,COOH,NH,
18、3,+,血浆中，大部分蛋白质的等电点在pH5.0左右，因而在生理条件下，血浆蛋白质带 电荷。,人体内，组成蛋白质的氨基酸以酸性氨基酸居多，所以大部分蛋白质的等电点在7.0以下。,?,负,二、蛋白质的胶体性质,蛋白质是生物大分子，分子量在1万10万之间，分子直径在胶体颗粒的范围（1 100nm），因此蛋白质具有胶体的性质。,颗粒表面电荷、水化膜,蛋白质胶体稳定的因素:,水化膜,带负电荷的蛋白质,溶液中蛋白质的聚沉,（一）变性：在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质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丧失，称为蛋白质的变性。,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,造成变性的因素如加热、乙醇
19、等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。,变性的本质,变性后理化性质的变化溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，生物活性丧失，易被蛋白酶水解。,破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。,最主要,应用举例临床上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。鸡蛋、肉类等经加温后蛋白质变性，熟后更易消化。保存蛋白质制剂（如疫苗等）。,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(renaturation)。,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,牛核糖核酸酶变性与复性,（二）蛋白质沉淀,概念：在一定条件下，蛋白
20、质疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，从溶液中析出的现象，称为沉淀。,变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,（三）蛋白质的凝固,概念：加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。此凝块不溶于强酸或强碱中。,凝固实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。,四、蛋白质的紫外吸收,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、蛋白质的呈色反应,1.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。,2.双缩脲反应 蛋白质和多肽分子中
21、肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色.可用来检测蛋白质水解程度。,第五节 蛋白质的分离、纯化与结构分析,（一）透析及超滤法,1.透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。,透析液,浓缩的蛋白混合样品,透析袋,临床应用：血液透析,血液和透析液在透析器内借半透膜接触和浓度梯度进行物质交换，血液中的代谢废物和过多的电解质向透析液移动，透析液中的钙离子、碱基等向血液中移动。,2.超滤法 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。,（二）丙酮沉淀、盐析、免疫沉淀,盐析盐能破坏其水化膜，中和其所带电荷，而 且不会导致蛋白质变
22、性有机溶剂（乙醇、丙酮等）沉淀破坏其水化膜生物碱试剂沉淀中和其正电荷重金属盐沉淀中和其负电荷,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：,（三）电泳,指带电粒子在电场中向电性相反的电极泳动的现象。,电泳(elctrophoresis):,影响电泳的因素：所带电荷的性质、数量、分子大小、形状,1、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳：常用于蛋白质分子量的测定。,蛋白质的分离与纯化,根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。,几种重要的蛋白质电泳：,2、等电聚焦电泳：通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质。3、双向凝胶电泳：蛋白质组学研究
23、的重要技术。,蛋白质的分离与纯化,（四）层析(chromatography),原理:待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据待分离的Pr颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使Pr组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相达到分离蛋白质的目的。,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。,常用的层析方法：,2.凝胶过滤(gel filtration)：,又称分子筛层析，利用各蛋白质分子大小不同分离。,（五）超速离心(ultracentrifugation),超速离心法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(sedime
24、ntation coefficient,S)表示，沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。,六、多肽链中氨基酸序列分析,分析蛋白质中氨基酸残基组成,多肽链的氨基末端与羧基末端的测定,两种以上方法水解肽链，得到一系列大小不同的肽段,测定各肽段的氨基酸排列顺序,分析有重叠结构的各个肽段序列，推导出完整肽链中氨基酸顺序,（1）N端测定：二硝基氟苯法(FDNB法)、丹磺酰氯法(DNS法)（2）C端测定：羧肽酶A：水解除Arg、Lys、Pro外的氨基酸残基 羧肽酶B：只水解Arg、Lys 羧肽酶C：所有的氨基酸残基（3）常用水解肽链的酶：胰蛋白酶：水解Arg、Lys羧基侧的肽键 糜蛋白酶：水解芳香族氨基酸羧基
25、侧的肽键 溴化氰（CNBr）：水解Met羧基侧的肽键,例根据下列资料推出某肽的氨基酸排列顺序。1）完全酸水解得到Phe、Pro、Glu、Lys、Met和NH3：2）用FDNB试剂处理得到DNPPhe 3）用溴化腈水解此肽得到一个以高丝氨酸内酯结尾的二肽和一个三肽4）用胰蛋白酶水解产生一个三肽5）用羧肽酶A或羧肽酶B处理都不能得到阳性结果,Phe-Met-Lys-Glu-Pro,课后思考题,1名词解释：亚基、蛋白质的等电点、蛋白质的变性2何谓蛋白质一、二、三、四级结构，维持蛋白质各级结构的化学鍵是什么？3.简述谷胱甘肽的结构特点及生理功能;（2005年南方医科大学生物化学试题）4.-螺旋结构特点；5.请举例说明蛋白质一级结构与功能的关系(北京大学医学部2002年生物化学试题)；6.什么是蛋白质的变性？变性的机制是什么？举例说明蛋白质变性在临床上的应用。,
