1、目录目录 生物化学全册完整教学课件生物化学全册完整教学课件2 目录目录 第一章第一章 蛋白质的化学蛋白质的化学 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成 蛋白质的分离纯化蛋白质的分离纯化( (不作要求不作要求) ) 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 目录目录 什么是蛋白质什么是蛋白质? ? 蛋白质蛋白质(protein)(protein)是是 由许多氨基酸通过肽键由许多氨基酸通过肽键 相连形成的高分子含氮相连形成的高分子含氮 化合物化合物。 目录目录 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of
2、Protein 第一节第一节 目录目录 蛋白质的生物学重要性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 1 1）作为生物催化剂作为生物催化剂酶类酶类 30003000种以上种以上 2 2）代谢调节作用代谢调节作用 激素蛋白激素蛋白 3 3）免疫保护作用免疫保护作用 抗体抗体 4 4）物质的转运和存储物质的转运和存储血红蛋白血红蛋白、脂蛋白脂蛋白 5 5）运动与支持作用运动与支持作用肌蛋白肌蛋白 6 6）控制生长和分化作用控制生长和分化作用核蛋白核蛋白、组蛋白组蛋白 7 7) ) 参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递跨膜蛋白跨膜蛋白 8 8) ) 参与组成
3、生物膜参与组成生物膜 2.2.蛋白质具有多样性的生物学功能蛋白质具有多样性的生物学功能 3.3.氧化供能氧化供能 目录目录 组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素 主要有主要有C、H、O、N和和 S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、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锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。 目录目录 各种蛋白质的各种蛋白质的含含N N量量很接近，平均为很接近，平均为1616 蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点 每克样品中蛋白质的含量每克样品中蛋白质的含量 (g (g % %) ) = = 每克样品含每克样品含N N克数克数 6.25
4、6.25 1/16%1/16% 目录目录 一、蛋白质的基本组成单位一、蛋白质的基本组成单位氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨存在自然界中的氨 基酸有基酸有300300余种余种，但组成但组成 人体蛋白质的氨基酸仅人体蛋白质的氨基酸仅 有有2020种种，且均属且均属 L L- - -氨氨 基酸基酸（甘氨酸除外甘氨酸除外）。 目录目录 目录目录 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 R C + N H 3 C O O - H 二十种氨基酸的不同之处二十种氨基酸的不同之处R侧链侧链 目录目录 非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 芳香族
5、氨基酸芳香族氨基酸 酸性氨基酸酸性氨基酸 碱性氨基酸碱性氨基酸 二、氨基酸二、氨基酸可可根据根据R侧链侧链结构和理化性结构和理化性 质进行质进行分类分类 目录目录 ( (一一) )侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 亚氨基亚氨基 目录目录 ( (二二) )侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸 （甲硫氨酸）（甲硫氨酸） Gln Met Cys 目录目录 ( (三三) )侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 吲哚基吲哚基 Trp 目录目录 天冬氨酸天冬氨酸 aspa
6、rtic acid Asp D 2.97 谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22 赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74 精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76 组氨酸组氨酸 histidine His H 7.59 （四）（四） 酸性氨基酸酸性氨基酸 （五）（五） 碱性氨基酸碱性氨基酸 目目 录录 胍基胍基 咪唑基咪唑基 （两个羧基）（两个羧基） （两个以上氨基）（两个以上氨基） 目录目录 几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 CH 2 CHCOO - NH 2 + CH 2 CH 2 CH 2 CHCOO - NH 2 + CH 2 CH 2 CH
7、 2 CHCOO NH CH 2 CH 2 CH 2 CHCOOH NH CH 2 CH 2 甘：无手性碳原子甘：无手性碳原子 脯：为环状亚氨基酸脯：为环状亚氨基酸 目录目录 半胱氨酸半胱氨酸 + 胱氨酸胱氨酸 二硫键二硫键 -HH - OOC - CH - CH 2 - S + NH 3 S - CH 2 - CH - COO - + NH 3 - OOC - CH - CH 2 - S + NH 3 S - CH 2 - CH - COO - + NH 3 - OOC - CH - CH 2 - SH + NH 3 - OOC - CH - CH 2 - SH + NH 3 HS - CH
8、 2 - CH - COO - + NH 3 HS - CH 2 - CH - COO - + NH 3 目录目录 pH=pI +OH- pHpI +H+ +OH- +H+ pHpI 兼性离子兼性离子 三、氨基酸的理化性质三、氨基酸的理化性质 1. 两性解离两性解离 两性电解质，其解两性电解质，其解 离程度取决于所处离程度取决于所处 溶液的酸碱度。溶液的酸碱度。 等电点等电点( (isoelectricisoelectric point, point, pI) ) 等于特定条件下的等于特定条件下的pH值值 氨基酸在某一氨基酸在某一pHpH的溶液中，解离成阳的溶液中，解离成阳 离子和阴离子的趋势
9、及程度相等，成离子和阴离子的趋势及程度相等，成 为为兼性离子兼性离子，呈，呈电中性电中性，此时溶液的此时溶液的 pH值值称为该氨基酸的等电点。称为该氨基酸的等电点。 CH NH 2 COOH R CH NH 2 COOH R 阳离子阳离子 CH COOH R NH 3 + CH COOH R NH 3 + 阴离子阴离子 CH NH 2 COO - R CH NH 2 COO - R RCHCOO NH3+NH3+ 氨基酸氨基酸pIpI的计算公式：的计算公式： pI=1/2（pK1+pK2） 若氨基酸有若氨基酸有3 3个可解离个可解离 基团，基团，pIpI等于电离式等于电离式 兼性离子两边的兼性
10、离子两边的pKpK值值 的平均值。的平均值。 RCHCOOH NH3+ 从完全质子化开始从完全质子化开始 pHpHpIpI pHpH逐渐逐渐pK1 ( 羧基 羧基) NH3+ RCHCOO NH2NH3+ RCHCOO NH2NH2 R+ R R+ 碱性氨基酸：碱性氨基酸： pI=1/2(pK2+pK3) pHpHpK2 ( 氨基氨基) pHpHpK3 (R-氨基氨基) 目录目录 2.芳香族氨基酸紫外吸收芳香族氨基酸紫外吸收 色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸 芳香族氨基酸的吸收光谱芳香族氨基酸的吸收光谱 多数蛋白含这两种多数蛋白含这两种 氨基酸残基，测定氨基酸残基，测定 蛋白溶液蛋白溶液280nm
11、光光 吸收值可快速简便吸收值可快速简便 分析蛋白含量。分析蛋白含量。 0 240 250 260 270 280 290 300 310 波波 长长 (nm) 光光 密密 度度 色氨酸色氨酸 酪氨酸酪氨酸 苯丙氨酸苯丙氨酸 目录目录 3. 3. 茚三酮反应茚三酮反应 原理：氨基酸与茚三酮水合物原理：氨基酸与茚三酮水合物 共热，可生成蓝紫色化合物，共热，可生成蓝紫色化合物， 其最大吸收峰在其最大吸收峰在570nm570nm处。处。 应用：此法可以对氨基酸进行定量分析（吸收应用：此法可以对氨基酸进行定量分析（吸收 峰值与氨基酸的含量存在正比关系）。峰值与氨基酸的含量存在正比关系）。 茚三茚三酮反应
12、过程酮反应过程 O O OH OH R CHCOOH NH2 O O H OH + + RCHO + NH3 + CO2 茚三酮茚三酮氨基酸氨基酸茚三酮茚三酮(还原型还原型) 醛醛 O O H OH + NH3 O OO O N 茚三酮茚三酮蓝色或紫色化合物蓝色或紫色化合物 2 目录目录 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH-CH-C H OH O O H 甘甘氨氨酸酸 + -HOH 甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸 肽键肽键 NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O （一）肽（一
13、）肽（peptide) 肽 键 的 形 成 肽 键 的 形 成 四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链 * * 肽键肽键是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 - -羧基羧基与另一与另一 个氨基酸的个氨基酸的 - -氨基氨基脱水缩合而形成的酰脱水缩合而形成的酰 胺键。胺键。 目录目录 H3NCH R1 C O N H CH R2 C O N H NCH C O H Rn O 肽链的两个末端肽链的两个末端 氨基酸残基氨基酸残基 肽键肽键 目录目录 肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物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两分子氨基酸缩
14、合形成二肽二肽，三分子氨基三分子氨基 酸缩合则形成酸缩合则形成三肽三肽 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不 全全，被称为被称为氨基酸残基氨基酸残基 R基团在链的两侧基团在链的两侧，故称为故称为R侧链侧链 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 由更多的氨基酸相连形成的肽称由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽多肽 N 末端末端：多肽链中有游离多肽链中有游离-氨基的一端氨基的一端 C 末端末端：多肽链中有游离多肽链中有游离-羧基的一端羧基的一端 多肽链有两端多肽链有两端： 目录目录 （二）生物活性肽（二）生物活性肽 人体内具有
15、特殊生物活性的肽类，如：人体内具有特殊生物活性的肽类，如： 谷胱甘肽谷胱甘肽（glutathione，GSH） 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)(glutathione, GSH) SH为其功能基团、谷氨酸的为其功能基团、谷氨酸的 -羧基羧基参与肽键的形成参与肽键的形成 COOH C CH2 CH2 H O N H CH CH2 SH C O N H CH2 COO C NH2 -羧基羧基 H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH过氧过氧 化物酶化物酶 GSH还原酶还原酶 NADPH+H+ NADP+ 重要的还原剂、卫士！重要的还原剂、卫士！ 功能集团功能集团 保护生
16、物膜保护生物膜 还原型谷胱甘肽还原型谷胱甘肽/ /GSH的抗氧化作用的抗氧化作用 谷胱甘肽的结构谷胱甘肽的结构 谷胱甘肽参加的反应及功能谷胱甘肽参加的反应及功能 目录目录 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein 第二节第二节 目录目录 一级结构一级结构 二级结构二级结构 三级结构三级结构 四级结构四级结构 高级结构高级结构/ /空间构象空间构象 蛋白质结构蛋白质结构 的四个层次的四个层次 基础结构基础结构 目录目录 一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构(primary structure) 什么是？什么是？ 多肽链中从多肽链中
17、从NC端端氨基酸氨基酸的的排列顺序排列顺序。 主要的化学键主要的化学键 肽键肽键 有些蛋白质还包括有些蛋白质还包括二硫键二硫键 A A链和链和B B链从链从氨基末端到羧基末端氨基酸残基的氨基末端到羧基末端氨基酸残基的排列顺序排列顺序/ /一级结构一级结构 这种顺序连接主要是这种顺序连接主要是肽键肽键 二硫键二硫键- -S S- -S S- -也参与连接也参与连接 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空 间构象的唯一因素。间构象的唯一因素。 牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构 NHNH2 2 甘甘-
18、-异亮异亮- -纈纈- -谷谷- -谷酰谷酰- -半胱半胱- -半胱半胱- -苏苏半胱半胱半胱半胱- -天冬酰天冬酰- - COOHCOOH 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 11 11 20 2120 21 A链链 NHNH2 2 苯丙苯丙- -缬缬- -天冬酰天冬酰- -谷酰谷酰- -组组- -亮亮- -半胱半胱- -甘甘半胱半胱- -甘甘- -谷谷- -精精- -甘甘- - 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 19 20 21 22 2319 20 21 22 23 B链链 苯丙苯丙- -苯丙苯丙- -酪酪- -苏苏- -脯脯-
19、-赖赖- -丙丙- -COOHCOOH 24 25 26 27 2824 25 26 27 2829 3029 30 S S S S S S Asn Cys SerAla Thr Asn Arg Asn SerLys MetMetGln SerSer AlaSerThr Ser Ser Asp Met His GluArg GluPheLys AlaAlaAla Thr Glu Lys Thr Lys Asp Arg Lys Pro ValAsn Leu Thr Val His GluSerLeuAla Asp Val Gln Gln Val Val Ser Lys Ala Arg Glu G
20、ly Ser Ser Lys Thr Pro Asn Gly Ala Ala Ala Tyr Tyr Ala Tyr ThrThrGlnAsnLys Lys His Ile Ile Ser AspPhe His Val Pro Val Val Val Tyr Pro AsnGly Glu Asp Ile Ser MetThr Thr Tyr TyrSer Ser Gln Ala Asn Asn Lys Asn Gln Thr Cys Cys Cys Cys Cys Cys Cys H3N C O O 4040 9090 100100 110110 120120124124 2020 1 1 5
21、050 8080 1010 7070 6060 3030 牛核糖核酸酶一级结构牛核糖核酸酶一级结构 注意：注意： 氨基酸序列氨基酸序列 肽链两端肽链两端 肽键外的二硫键肽键外的二硫键 目录目录 一级结构的阐明具有重要意义：一级结构的阐明具有重要意义： 1 1、2020种氨基酸排列顺序不同而组成多种多样种氨基酸排列顺序不同而组成多种多样 的蛋白质，并具有不同的生物学功能。的蛋白质，并具有不同的生物学功能。 2 2、许多先天性疾病是由于某一重要蛋白一级、许多先天性疾病是由于某一重要蛋白一级 结构改变而引起。结构改变而引起。 3 3、蛋白质一级结构中氨基酸排列顺序是由遗、蛋白质一级结构中氨基酸排列顺
22、序是由遗 传密码所决定，氨基酸的改变是碱基顺序改传密码所决定，氨基酸的改变是碱基顺序改 变所致。变所致。 一级结构的重要意义：一级结构的重要意义： 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功 能的能的基础基础，但不是但不是决定蛋白质空间构象的决定蛋白质空间构象的唯唯 一因素一因素。 目录目录 目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观， 并且还以更快的速度增加并且还以更快的速度增加。 国际互联网有若干重要的蛋白质数据库国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如例如 EMBL（European Molecular Biology
23、Laboratory Data Library） Genbank （Genetic Sequence Databank） PIR （ Protein Identification Resource Sequence Database） 收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资 料料，为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便 利利。 目录目录 二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构(secondary structure) 蛋白质分子中蛋白质分子中某一段肽链某一段肽链的的局部局部空间结空间结 构构，即该段肽链即该段肽链主链骨架
24、原子主链骨架原子的相对空的相对空 间位置间位置，不涉及不涉及R侧链的构象侧链的构象 。 (关键词关键词:主链主链、肽段肽段、局部局部) 什么是？什么是？ 二级结构的主要化学键二级结构的主要化学键 氢键氢键 二级结构的基本单位二级结构的基本单位 肽单元肽单元 目录目录 （一）二级结构的基础（一）二级结构的基础肽单元肽单元(peptide unit) 对肽单元的说明：对肽单元的说明： 肽单元肽单元/ /肽键平面肽键平面/ /酰胺平面酰胺平面 H H H O N R2 R1 C 1 C 2 C 0.132nm 肽键肽键 肽键肽键反式构型反式构型 肽键肽键键长键长 0.132nm 0.149 nm 0
25、.127 nm 部分双键性质部分双键性质,不能自由旋转不能自由旋转。 参与组成肽键的参与组成肽键的C 1、C、O、N、 H、C 2 6个原子在同一平面个原子在同一平面,称称 为为肽键平面肽键平面。 目录目录 目录目录 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 ) 目录目录 外观：外观：右手螺旋右手螺旋（顺）（顺） -螺旋结构要点：螺旋结构要点： 1、 -螺旋螺旋 ( -helix ) - -helixhelix结构模式图结
26、构模式图1 1 氢键的形成氢键的形成 R R基团的位置基团的位置 C O R R H H H H C C C C H R C C NC O N H N C H O H H C N C R O R N C C R R H O H 螺旋假象轴螺旋假象轴 螺距螺距 0.54nm 3.6个残基个残基 C N - -helixhelix结构模式图结构模式图2 2 - -helixhelix结构模式图结构模式图3 3截面图截面图 螺距螺距：3.6个氨基酸个氨基酸、0.54nm 稳定因素稳定因素：氢键氢键 R基团基团的位置：的位置：螺旋外侧螺旋外侧， R基团影响基团影响 -螺旋的形成螺旋的形成 目录目录 肽
27、段肽段折纸状折纸状、锯齿状，、锯齿状，相对伸展相对伸展。 -折叠结构要点：折叠结构要点： 2、 -折叠折叠 ( -pleated sheet ) 几个肽段几个肽段顺向平行顺向平行、反向平行反向平行 维持因素：维持因素：氢键氢键。 R基团基团的位置：锯齿的上下方（的位置：锯齿的上下方（外侧外侧）。）。 侧面观侧面观 - -折叠模式图折叠模式图2 2 代表侧链代表侧链R R基团基团 代表肽键平面上的原子代表肽键平面上的原子 目录目录 4 4个个氨基酸残基氨基酸残基 第二个常为脯氨酸第二个常为脯氨酸 180180 回折回折 氢键维持氢键维持 3. -转角转角 4. 无规卷曲无规卷曲 - -转角：转角
28、： 无规卷曲无规卷曲是用来阐述没有确定规律性是用来阐述没有确定规律性 的那部分肽链结构。的那部分肽链结构。 目录目录 二个或二个以上二级结构二个或二个以上二级结构 空间上靠近空间上靠近 特殊的构象特殊的构象 特殊的功能特殊的功能 （五）（五）模体（模体（motifmotif）或超二级结构）或超二级结构 Ca2+ N C - -螺旋螺旋 - -螺旋螺旋 环环 HisHis HisHis C CysCys ZnZn2+ 2+ N CysCys 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 模体模体举例：举例： 定义定义 举例举例 目录目录 （六）氨基酸残基的侧链对二
29、级结构形成的影响（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。 一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 - -螺旋螺旋 或或- -折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。 目录目录 酸性或碱性酸性或碱性AA集中的区域集中的区域（同种电荷的相斥同种电荷的相斥）； 脯氨酸脯氨酸，不利于不利于-螺旋形成螺旋形成（亚氨基酸亚氨基酸）； 较大的较大的R侧链集中侧链集中，不利于，不利于-螺旋形成螺旋形成 （空间位阻效应）。（空间位阻效应）。 影响影响-螺旋稳定的因素：螺旋稳定的因素：
30、 目录目录 三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构(tertiary structure) 疏水键疏水键、离子键、氢键、离子键、氢键、 范德华力等。范德华力等。 整条整条肽链肽链 全部全部氨基酸氨基酸 所有所有原子原子 （一）什么是（一）什么是? 主要靠主要靠次级键次级键： 三维空间的位置排布三维空间的位置排布 此外还有共价键：二硫键此外还有共价键：二硫键 b + c cc c b a a a H3NN H O NH3 C COO CH3 CH3 CH2 O H C O H2NC NH2 OOC CH2OH CH2OH C O O OH CH CH2 CH3 CH3 CH3 CH CH3 S
31、S COO 维持蛋白质分子构象的各种化学键维持蛋白质分子构象的各种化学键 a 氢键氢键 b 离子键离子键 c 疏水键疏水键 三级结构中三级结构中 疏水键疏水键数量数量 最多，往往最多，往往 居于球状蛋居于球状蛋 白质内部。白质内部。 + + 目录目录 N 端端 C 端端 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) 目录目录 S S S S 30k 40k 20k 75k 60k 35k 30k H2N- COOH A H2N- COOH B 肝素肝素 纤维蛋白纤维蛋白 肌动蛋白肌动蛋白 细胞细胞 胶原蛋白胶原蛋白 纤维纤维 蛋白蛋白 肝素肝素 纤维蛋白纤维蛋白 （二）结构域（二）结构域(domain) 纤连蛋
32、白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 举例举例 结构域：结构域： 三级结构中分割成折叠较为紧密的三级结构中分割成折叠较为紧密的 区域，各行使其功能。区域，各行使其功能。 目录目录 分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋分子伴侣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。白质折叠成天然构象或形成四级结构。 1.能可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松能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，使肽开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽 链正确折叠。链正确折叠。 2.可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导可与错误聚集的肽段结合，使之解
33、聚后，再诱导 其正确折叠。其正确折叠。 3. 在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起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。 具体作用：具体作用： （三）分子伴侣（三）分子伴侣(chaperon) 目录目录 四级结构四级结构 亚基亚基 (subunit) 维持因素维持因素 2或或2条以上条以上多肽链，以多肽链，以 非共价键非共价键相连，链与链相连，链与链 之间的空间布局。之间的空间布局。 四级结构中每条具有完整四级结构中每条具有完整 三级结构的多肽链三级结构的多肽链 次级键次级键：氢键、离子键：氢键、离子键 无共价键无共价键 四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级
34、结构(quaternary structure) 血红蛋白血红蛋白HbHb的四级结构的四级结构 血红素血红素 链链 链链 目录目录 一级结构一级结构 二级结构二级结构 三级结构三级结构 四级结构四级结构 定义定义 化学键化学键 蛋白质结构层次的比较蛋白质结构层次的比较 C O H C C C C C C N C O N H N C O H C N C O N C C H O H Lys Gly Gly Leu Val Ala His 一级结构一级结构二级结构二级结构 三级结构三级结构四级结构四级结构 氨基酸序列氨基酸序列 主链原子主链原子 局部构象局部构象 一条链所有一条链所有 原子的位置原子
35、的位置 亚基间的亚基间的 相对位置相对位置 蛋蛋 白白 质质 结结 构构 层层 次次 比比 较较 备注备注 目录目录 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 球状蛋白质球状蛋白质 目录目录 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 第三节第三节 一级结构决定空间结构一级结构决定空间结构 空间结构决定生物
36、学功能空间结构决定生物学功能 目录目录 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 （一）一级结构是空间结构的基础（一）一级结构是空间结构的基础 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 目录目录 （二）相似结构具有相似的高级结构与功能（二）相似结构具有相似的高级结构与功能 胰岛素胰岛素 氨基酸残基序号氨基酸残基序号 A5 A6 A10 B30 人人 Thr Ser Ile Thr 猪猪 Thr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Al
37、a 兔兔 Thr Gly Ile Ser 牛牛 Ala Gly Val Ala 羊羊 Ala Ser Val Ala 马马 Thr Ser Ile Ala 目录目录 （三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息 一些广泛存在于生一些广泛存在于生 物界的蛋白质如细胞色物界的蛋白质如细胞色 素素C C，比较它们的一级，比较它们的一级 结构，可以帮助了解物结构，可以帮助了解物 种进化间的关系。种进化间的关系。 目录目录 （四）关键结构改变可引起疾病（四）关键结构改变可引起疾病 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
38、 glu C(146) HbS 肽链肽链 HbA 肽肽 链链 N-val his leu thr pro val glu C(146) 这种由基因突变引起蛋白质分子发生变异所这种由基因突变引起蛋白质分子发生变异所 导致的疾病，称为导致的疾病，称为“分子病分子病”。”。 目录目录 肌红蛋白肌红蛋白/血红蛋白血红蛋白 含有血红素辅基含有血红素辅基 血红素结构血红素结构 二、蛋白质的功能依赖特定空间结构二、蛋白质的功能依赖特定空间结构 （一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似 目录目录 肌红蛋白肌红蛋白(myoglobin，Mb) 肌红蛋白是一个只有三级肌红蛋白是一个
39、只有三级 结构的单链蛋白质结构的单链蛋白质，有有8段段-螺螺 旋结构旋结构。 血红素分子中的两个丙酸血红素分子中的两个丙酸 侧链以离子键形式与肽链中的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两个碱性氨基酸侧链上的正电 荷相连荷相连，加之肽链中的加之肽链中的F8组氨组氨 酸残基还与酸残基还与Fe2+形成配位结合形成配位结合， 所以血红素辅基与蛋白质部分所以血红素辅基与蛋白质部分 稳定结合稳定结合。 目录目录 血红蛋白血红蛋白(hemoglobin，Hb) 血红蛋白具有血红蛋白具有4个亚个亚 基组成的四级结构基组成的四级结构，每每 个亚基可结合个亚基可结合1个血红素个血红素 并携带并
40、携带1分子氧分子氧。 Hb亚基之间通过亚基之间通过8 对盐键对盐键，使使4个亚基紧密个亚基紧密 结合而形成亲水的球状结合而形成亲水的球状 蛋白蛋白。 目录目录 Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合结合， Hb与与O2 结合后称为结合后称为氧合氧合Hb。氧合氧合Hb占总占总Hb的百分数的百分数 （称称百分饱和度百分饱和度）随随O2浓度变化而改变浓度变化而改变。 （二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基 与氧结合与氧结合 目录目录 Mb和和Hb的氧解离曲线的氧解离曲线 百分饱和度：百分饱和度： 20 40 60 80 10020 40 60 80 100
41、 氧分压氧分压mmHgmmHg 动脉血动脉血 静脉血静脉血 氧合氧合HbHb占总占总HbHb的百分数的百分数 P P50 50 MbMb HbHb 氧氧 饱饱 和和 度度 % 100 80 60 40 20 目录目录 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，称为合能力的现象，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 (positive cooperativity) 如果是抑制
42、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 (negative cooperativity) 目录目录 O2 血红素与氧结血红素与氧结 合后合后，铁原子半径铁原子半径 变小变小，就能进入卟就能进入卟 啉环的小孔中啉环的小孔中，继继 而引起肽链位置的而引起肽链位置的 变动变动。 目录目录 目录目录 变构效应变构效应(allosteric effect)(allosteric effect) 蛋白质空间结构的改变伴随其功能的蛋白质空间结构的改变伴随其功能的 变化变化，称为称为变构效应变构效应。 目录目录 （三）蛋白质构象改变（三）蛋白质构象改变可引起疾病可引起疾病 蛋白质构象疾病蛋白质构象
43、疾病：若蛋白质的折叠发生若蛋白质的折叠发生 错误错误，尽管其一级结构不变尽管其一级结构不变，但蛋白质的构但蛋白质的构 象发生改变象发生改变，仍可影响其功能仍可影响其功能，严重时可导严重时可导 致疾病发生致疾病发生。 目录目录 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。如病理改变。如:困扰欧洲经济和人们健康安全的疯牛病困扰欧洲经济和人们健康安全的疯
44、牛病,就就 是一种叫朊病毒是一种叫朊病毒(prion)的蛋白质分子的蛋白质分子,研究发现了朊病毒研究发现了朊病毒 通过一种可怕的拉链结构通过一种可怕的拉链结构,会把蛋白质会把蛋白质“拉链拉链”内的水挤内的水挤 出来而脱水变成干燥的纤维状。蛋白质就在这种朊病毒的出来而脱水变成干燥的纤维状。蛋白质就在这种朊病毒的 侵害下逐渐纤维化侵害下逐渐纤维化,原来的神经细胞组织也就形成了空泡原来的神经细胞组织也就形成了空泡 和纤维相杂的结构和纤维相杂的结构,导致了患者大脑组织的海绵样病变导致了患者大脑组织的海绵样病变 这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老人纹状体脊髓变性病、老 年痴呆症、亨停顿舞蹈
45、病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。 目录目录 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 疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病中的蛋白质构象改变 目录目录 第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 The Physi
46、cal and Chemical Characters of Protein 目录目录 一、蛋白质具有两性电离的性质一、蛋白质具有两性电离的性质 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外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氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液在一定的溶液pH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。 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时时，蛋白质解离成蛋白质解离成 正正、负离子的趋势相等负离子的趋势相等，即成为即成为兼性离子兼性离子，净电净电 荷为零荷为零，此时溶液的此时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点蛋
47、白质的等电点。 蛋白质的蛋白质的等电点等电点( isoelectric point, pI) 目录目录 二、蛋白质具有胶体性质二、蛋白质具有胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自分子量可自1 万至万至100万之巨万之巨，其分子的直径可达其分子的直径可达1100nm， 为胶粒范围之内为胶粒范围之内。 表面同种电荷表面同种电荷 水化膜水化膜 蛋白质胶体的蛋白质胶体的稳定因素稳定因素: 目录目录 + + + + + + + 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 + + + + + + + +
48、 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 目录目录 三、蛋白质空间结构破坏而引起变性三、蛋白质空间结构破坏而引起变性 在某些物理和化学因素作用下在某些物理和化学因素作用下，其特定的其特定的 空间构象被破坏空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和从而导致其理化性质改变和 生物活性的丧失生物活性的丧失。 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)(denaturation) 目录目录 造成变性的因
49、素造成变性的因素: : 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、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重金属离子及生物碱试剂等 。 变性的本质变性的本质: : 破坏非共价键和二硫键破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白不改变蛋白 质的一级结构。质的一级结构。 目录目录 应用举例应用举例: : 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及 灭菌。灭菌。 此外此外, , 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白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。质制剂（如疫苗等）的必要条件。 目录目录 若蛋白质变性程度较轻若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素
50、去除变性因素 后后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构 象和功能象和功能，称为称为复性复性(renaturation) 。 目录目录 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 目录目录 蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称 为为沉淀（沉淀（precipitation） Whats precipitation of protein? 变性后的蛋白质由于变性后的蛋白质由于 疏水基团的暴露而易疏水基团的暴露而
