1、第六节第六节 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构 蛋白质分子的多肽链按一定方式折叠、盘蛋白质分子的多肽链按一定方式折叠、盘绕或组装成特有的空间结构，亦称绕或组装成特有的空间结构，亦称高级结构高级结构。蛋白质的高级结构即蛋白质的构象。蛋白质的高级结构即蛋白质的构象。构象构象酰胺平面与酰胺平面与-碳原子的二面角（碳原子的二面角（和和）二面角二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定为定点而旋转，绕点而旋转，绕C-N键旋转的角度称键旋转的角度称角，绕角，绕C-C键旋转的角度称键旋转的角度称角。角。和和称作二面角，称作二面角，亦称构象角。亦称构象角。肽链的主链可看成是由被
2、肽链的主链可看成是由被Ca a隔开的许多平面组成的。隔开的许多平面组成的。N端C端事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。少几种构象，而且相当稳定。维持蛋白质分子构象的作用力维持蛋白质分子构象的作用力离子键离子键氢键氢键范德华力范德华力疏水相互作用力疏水相互作用力一、一、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（一）二级结构的概念（一）二级结构的概念 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结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
3、基侧链的构象置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 1.a a-螺旋螺旋(a a-helix)2.b b-折叠折叠(b b-pleated sheet)3.b b-转角转角(b b-turn)4.无规卷曲无规卷曲(nonregular coil)（二）二级结构单元的种类1 1）绝大多数天然蛋白质绝大多数天然蛋白质都是都是右手螺旋。右手螺旋。2）每隔）每隔3.6个氨基酸残基个氨基酸残基螺旋上升一圈；每圈间螺旋上升一圈；每圈间距距0.54nm，即每个氨基，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上酸残基沿螺旋中心轴上升升0.15nm，旋转，旋转100。-螺旋结构的主要特点：螺旋结
4、构的主要特点：1.-1.-螺旋螺旋(-helix)(-helix)3 3）每个氨基酸残基的）每个氨基酸残基的N-HN-H都与前面（都与前面（C C端）端）第四个残基第四个残基C=OC=O形成形成氢氢键键。4)4)螺旋体中所有氨基酸残螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧；链中基侧链都伸向外侧；链中的全部的全部C=OC=O和和N-HN-H几乎都平几乎都平行于螺旋轴行于螺旋轴,氢键几乎平行氢键几乎平行于中心轴于中心轴;*R为为Gly时，由于时，由于Ca上有上有2个氢，使个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大
5、降低。大降低。R基大基大(如如Ile)也不易形成也不易形成-螺旋。螺旋。*-螺旋遇到螺旋遇到Pro就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸且有刚性的环状结构。氨基酸且有刚性的环状结构。*带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺旋带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺旋的稳定性降低。的稳定性降低。侧链在侧链在a a-螺旋结构的影响：螺旋结构的影响：*R R基较小基较小,且不带电荷的氨基酸利于且不带电荷的氨基酸利于-螺旋的形成螺旋的形成,如如多聚丙氨酸在多聚丙氨酸在pH7pH7的水溶液中自发卷曲成的水溶液中自发卷曲成-螺旋。螺旋。2.2.-折叠折叠(-ple
6、ated sheet)-折叠折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片状结构。而成的锯齿状片状结构。在在b b-折叠中，折叠中，a a-碳原子总是处于折叠的角上，氨基碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的酸的R R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为酸之间的轴心距为0.35nm 0.35nm。0.7nm b b-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎
7、所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。b b-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。后者更为稳定。链的方向相反。后者更为稳定。3.-转角（转角（-turn）也称也称-回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折折180180，使得氨基酸残基的，使得氨基酸残基的C=OC=O与第四个残基的与第四个残基的N-HN-H形成形成氢键。第二个氨基酸通常是氢键。第二个氨
8、基酸通常是propro。-转角都在蛋白转角都在蛋白质分子的表面，多数质分子的表面，多数为亲水氨基酸组成。为亲水氨基酸组成。4.无规则卷曲（无规则卷曲（non-regular coil）又称自由又称自由卷曲，是指没有一定规律的松散肽卷曲，是指没有一定规律的松散肽链结构，但是其结构是明确而稳定的，常常构成链结构，但是其结构是明确而稳定的，常常构成酶的功能部位。酶的功能部位。无规卷曲常出现在无规卷曲常出现在a-a-螺旋与螺旋与a-a-螺旋、螺旋、a-a-螺旋与螺旋与-折叠、折叠、-折叠与折叠与-折叠之间。折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。它是形成蛋白质三级结构所必需的。二、蛋白质的超二级结构
9、二、蛋白质的超二级结构（一）超二级结构的概念（一）超二级结构的概念 指蛋白质中相邻的二级结构单位指蛋白质中相邻的二级结构单位(即单个即单个a a-螺旋或螺旋或b b-转角转角)组合在一起，形成有规则的组合在一起，形成有规则的在空间上能辩认的二级结构组合体。在空间上能辩认的二级结构组合体。超二级结构在结构层次上高于二级结构，但超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。没有聚集成具有功能的结构域。（二）超二级结构的基本形式超二级结构类型超二级结构类型1 2 3 4 5 指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是
10、相对独立的紧形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域（密球状实体，称为结构域（domain）。）。酵母己糖激酶的三级结构结构域之间有一段柔性的肽链结构域之间有一段柔性的肽链相连相连铰链区，使结构域之间铰链区，使结构域之间可以发生相对移动；结构域承可以发生相对移动；结构域承担一定的生物学功能，几个结担一定的生物学功能，几个结构域协同作用可体现出蛋白质构域协同作用可体现出蛋白质的总体功能；结构域间的裂缝的总体功能；结构域间的裂缝常为酶的活性部位，也是反应常为酶的活性部位，也是反应物的出入口。物的出入口。三、蛋白质的结构域三、蛋白质的结构域+结构域结构域乳酸脱氢酶结构域乳酸脱
11、氢酶结构域1/结构域结构域丙酮酸激酶结构域丙酮酸激酶结构域43-P-甘油醛脱氢酶结构域甘油醛脱氢酶结构域2木瓜蛋白酶结构域木瓜蛋白酶结构域1木瓜蛋白酶结构域木瓜蛋白酶结构域2无规则卷曲无规则卷曲+-螺旋结构域螺旋结构域无规则卷曲无规则卷曲+-回折结构域回折结构域 三级结构（三级结构（tertiary structure）：指的是：指的是多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成一步盘曲折叠形成球状分子结构球状分子结构。四、蛋白质的三级结构四、蛋白质的三级结构（一）三级结
12、构的概念（一）三级结构的概念（二）球状蛋白的三级的结构特征（二）球状蛋白的三级的结构特征含有多种二级结构单元。含有多种二级结构单元。分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心。白质的活性中心。大多数非极性侧链埋在分子内部，形成大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核疏水核；而极性侧链在分子表面，形成而极性侧链在分子表面，形成亲水面亲水面。蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。分子呈现球状或椭圆状。分子呈现球状或椭圆状。（三）维持三级结构的作用力（三）维持三级结构的作用力二硫键二硫键 共价键共价键 疏水作用疏水
13、作用非共价键（次级键）非共价键（次级键）氢键氢键 离子键离子键范德华力范德华力 四级结构（四级结构（quaternary quaternary structurestructure）：由两条或两：由两条或两条以上具有三级结构的多肽条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三维结链聚合而成、有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽构的蛋白质构象。每条多肽链又称为链又称为亚基亚基(subunit)(subunit)。五、蛋白质的四级结构五、蛋白质的四级结构例如，例如，血红蛋血红蛋白的四白的四级结构级结构（一）四级结构的概念（一）四级结构的概念（二）蛋白质四级结构的特点v 1 1）有多个亚基）有多个亚基
14、v 2 2）稳定性主要靠亚基间的）稳定性主要靠亚基间的疏水作用疏水作用维持维持v 3 3）亚基单独存在时无生物活性或活性很小，）亚基单独存在时无生物活性或活性很小，只有通过亚基相互聚合成四级结构后，蛋只有通过亚基相互聚合成四级结构后，蛋 白质才具有完整的生物活性。白质才具有完整的生物活性。v 4 4）亚基见具有）亚基见具有协同性协同性和和别构效应别构效应。蛋蛋白白质质的的空空间间结结构构二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域结构域三级结构三级结构四级结构四级结构六、蛋白质三维结构与功能的关系六、蛋白质三维结构与功能的关系（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 Hb与与
15、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1.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
16、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)O2血红素与氧结血红素与氧结合后，铁原子半径合后，铁原子半径变小，就能进入卟变小，就能进入卟啉环的小孔中，继啉环的小孔中，继而引起肽链位置的而引起肽链位置的变动。变动。变构效应变构效应(allosteric effect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为的变化，称为变构效应变构效应。2.波尔效应（波尔效应（Bohr）1904年，Ch
17、ristian Bohr发现：增加CO2浓度、降低pH能显著降低血红蛋白与O2的结合。生理意义：波尔效应使血红蛋白运输生理意义：波尔效应使血红蛋白运输O2的效率提高。的效率提高。w2，3二磷酸甘油酸（二磷酸甘油酸（BPG）通过与血红蛋白的两）通过与血红蛋白的两个个亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态构象，亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态构象，因而降低了血红蛋白的氧亲合力。因而降低了血红蛋白的氧亲合力。3.BPG的别构效应的别构效应（三）蛋白质构象改变与疾病（三）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：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构错误，
18、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，严重时可导象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。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：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解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。为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。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、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛
19、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第七节第七节 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一、蛋白质的理化性质一、蛋白质的理化性质（一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的两性电离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，
20、氨基酸残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，在一定的溶液基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的等电点蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH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，此离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。在等电点时蛋白在等电点时蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。质的溶解度最小，在电场中不移
21、动。蛋白质的等离子点等离子点（特征常数）：指在纯水中（即没有其它盐类存在）蛋白质的正离子数等于负离子数的pH值。因蛋白质的等电点不是一成不变的，它随溶剂性质、离子强变等因素而改变。二、蛋白质的胶体性质二、蛋白质的胶体性质 由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗的颗粒，因而具有胶体溶液的特征（布郎运动、丁道尔现象、不粒，因而具有胶体溶液的特征（布郎运动、丁道尔现象、不能透过半透膜）。能透过半透膜）。1.1.蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，
22、对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒表面形成高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒表面形成水化层，水化层，其可其可防止分子互碰而聚集防止分子互碰而聚集；蛋白质在非等电点状态时带同种电荷，在蛋白质在非等电点状态时带同种电荷，在颗粒表面形成颗粒表面形成电荷层，电荷层，同性电荷互斥，使分子不能聚集。同性电荷互斥，使分子不能聚集。+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层水化层+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
23、水作用脱水作用 蛋白质的聚沉蛋白质的聚沉蛋蛋白白质质胶胶体体溶溶液液沉沉淀淀作作用用示示意意图图 2.2.蛋白质的沉淀作用蛋白质的沉淀作用 如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层（失去水化层（消除相同电荷，除去水膜消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。液就不再稳定并将产生沉淀。沉淀方法类别沉淀方法类别:高浓度中性盐（盐析）高浓度中性盐（盐析）等电点沉淀等电点沉淀 有机溶剂沉淀有机溶剂沉淀 重金属盐类沉淀重金属盐类沉淀 生物碱试剂和某些酸类沉淀生物碱试剂和某些酸类沉淀 加热变性沉淀加热变性沉
24、淀 盐析盐析(salt precipitation)是将高浓度硫酸铵、硫酸钠是将高浓度硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐加入蛋白质溶液，使蛋白质表面水或氯化钠等中性盐加入蛋白质溶液，使蛋白质表面水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。*分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中的几分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中的几 种蛋白质分段析出。种蛋白质分段析出。例如：血清球蛋白（例如：血清球蛋白（50%(NH4)2SO4饱和度），饱和度），清蛋白（饱和清蛋白（饱和(NH4)2SO4)。在发生沉淀反应时，蛋白质虽已沉淀析出，但它的分子内部、空间结构在发生沉淀反应时，蛋白质虽已沉淀
25、析出，但它的分子内部、空间结构并未发生显著变化，基本上保持原有的性质，沉淀因素除去后，能再并未发生显著变化，基本上保持原有的性质，沉淀因素除去后，能再溶于水溶液中。这种作用称为可逆沉淀反应。如大多数蛋白质的盐析溶于水溶液中。这种作用称为可逆沉淀反应。如大多数蛋白质的盐析作用或在低温下用乙醇（或丙酮）短时间作用于蛋白质以及利用等电作用或在低温下用乙醇（或丙酮）短时间作用于蛋白质以及利用等电点的沉淀，提纯蛋白质时，常利用此类反应。点的沉淀，提纯蛋白质时，常利用此类反应。在发生沉淀反应时，蛋白质分子内部结构、空间构象遭到破坏，失去原在发生沉淀反应时，蛋白质分子内部结构、空间构象遭到破坏，失去原来的天
26、然性质，这时蛋白质已发生变性。这种变性蛋白质的沉淀不能来的天然性质，这时蛋白质已发生变性。这种变性蛋白质的沉淀不能再溶解于原来溶剂或水溶液中的作用称为不可逆沉淀反应或变性沉淀。再溶解于原来溶剂或水溶液中的作用称为不可逆沉淀反应或变性沉淀。重金属盐、生物碱试剂，强酸、强碱、加热、震荡、超声波、有机溶重金属盐、生物碱试剂，强酸、强碱、加热、震荡、超声波、有机溶剂等都能使蛋白质发生不可逆沉淀反应。剂等都能使蛋白质发生不可逆沉淀反应。蛋白质变性后，有时由于维持溶液稳定的条件仍然存在而并不析出，例蛋白质变性后，有时由于维持溶液稳定的条件仍然存在而并不析出，例如：在强酸碱中变性的蛋白质在强酸碱溶液中仍存在
27、电荷效应，所以如：在强酸碱中变性的蛋白质在强酸碱溶液中仍存在电荷效应，所以不表现为沉淀现象。相对地，沉淀的蛋白质也未必都已变性。不表现为沉淀现象。相对地，沉淀的蛋白质也未必都已变性。*蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(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。（三）蛋白质的变性与复性（三）蛋白质的变性与复性蛋白质在某些物理和化学因素作用下，其蛋白质在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构特定的空间构象被破坏，也即有序
28、的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。变和生物活性的丧失。1.1.蛋白质变性的概念蛋白质变性的概念2.2.变性的本质变性的本质 破坏非共价键，不改变蛋白质的一级结构。破坏非共价键，不改变蛋白质的一级结构。3.变性的因素变性的因素 加热、有机溶剂、强酸、强碱、表面活性剂加热、有机溶剂、强酸、强碱、表面活性剂（如十二烷基硫酸钠即（如十二烷基硫酸钠即SDS）、还原性试剂）、还原性试剂（尿素、盐酸胍）、紫外线、机械力等（尿素、盐酸胍）、紫外线、机械力等。4.变性蛋白质性质的改变变性蛋白质性质的改变 生物学功能的丧失（主要标志）；生
29、物学功能的丧失（主要标志）；分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被 酶消化；酶消化；疏水基团外露，水化层被破坏，疏水基团外露，水化层被破坏，溶解度降低，易溶解度降低，易 形成沉淀析出，粘性增加，紫外吸收改变等；形成沉淀析出，粘性增加，紫外吸收改变等；丧失结晶能力。丧失结晶能力。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质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。制剂（如疫苗等）的必要条件。5.蛋白质的复性蛋白质的复性 若蛋白质变性程度
30、较轻，去除变性因素后，若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，可缓慢地重新自发折叠可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复成原来的构象，恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性复性(renaturation)，这种变性也称为可逆变性，这种变性也称为可逆变性。可逆变性作用可逆变性作用 蛋白质复性蛋白质复性（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，无活性天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性（四）蛋白质的分子大小（四）蛋白质的分子大小蛋白质是分子量很大的生物分子，相对分子质量大于6000，最高可
31、达40000000（烟草花叶病毒）。目前常用的方法包括：扩散系数、沉降超离心、凝扩散系数、沉降超离心、凝胶过滤、渗透压、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。胶过滤、渗透压、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。1.根据化学成分测定最小相对分子质量根据化学成分测定最小相对分子质量 利用化学分析定量测定蛋白质中某一特殊元素利用化学分析定量测定蛋白质中某一特殊元素的含量，并假定蛋白质分子中含的含量，并假定蛋白质分子中含1个这种元素，即个这种元素，即可测算最低可测算最低Mr。如：用化学分析法测定血红蛋白质中含如：用化学分析法测定血红蛋白质中含Fe 0.34，则则 最低最低 Mr=55.84100/0.34=16700；用其它方法测
32、定，其实际用其它方法测定，其实际Mr为为16700的的4倍，由倍，由 此可知，血红蛋白含有此可知，血红蛋白含有4个个Fe的原子，而不是的原子，而不是1 个个 Fe。2.超离心法超离心法w在在60 00080 000r/min 的高速离心力作用下，蛋的高速离心力作用下，蛋白质分子会沿旋转中心向外周方向移动。白质分子会沿旋转中心向外周方向移动。w超离心法最为准确，但需昂贵的超速离心机。超离心法最为准确，但需昂贵的超速离心机。w用光学方法测定界面移动的速度即为蛋白质的离心用光学方法测定界面移动的速度即为蛋白质的离心沉降速度。沉降速度。w蛋白质的沉降速度与分子大小和形状有关，因为沉蛋白质的沉降速度与分
33、子大小和形状有关，因为沉降系数降系数S大体上和分子量成正比关系，故可应用超大体上和分子量成正比关系，故可应用超速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状高度不速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。对称的大多数纤维状蛋白质不适用。离离心心机机结结构构示示意意图图转头转头转头腔转头腔沉降样品沉降样品驱动马达驱动马达真空真空冷冻冷冻w沉降系数是溶质颗粒在单位离心场中的沉降速度，用沉降系数是溶质颗粒在单位离心场中的沉降速度，用S表示。表示。w一个一个S单位，为单位，为110-13秒。秒。w相对分子质量越大，相对分子质量越大，S值越大。值越大。w蛋白质的沉降系数：蛋白质
34、的沉降系数：1200S。w超速离心法既可以用来测定蛋白质的分子量也可以用作分离超速离心法既可以用来测定蛋白质的分子量也可以用作分离纯化蛋白质。纯化蛋白质。s=v2x v=沉降速度（沉降速度（dx/dt）=离心机转子角速度（弧度离心机转子角速度（弧度/s）x=蛋白质界面中点与转子中心的距离（蛋白质界面中点与转子中心的距离（cm）w由沉降系数由沉降系数S可根据斯维得贝格可根据斯维得贝格Svedberg方程方程计算蛋白质分子的相对分子质量：计算蛋白质分子的相对分子质量：M=RST/D1i R：气体常数：气体常数 T：绝对温度：绝对温度 D：扩散系数：扩散系数 ：溶剂的密度：溶剂的密度3.凝胶过滤法凝
35、胶过滤法w凝胶过滤所用介质为凝胶珠，其内部为多孔网状结凝胶过滤所用介质为凝胶珠，其内部为多孔网状结构。构。w一定型号的凝胶网孔大小一定，只允许相应大小的一定型号的凝胶网孔大小一定，只允许相应大小的分子进入凝胶颗粒内部，大分子则被排阻在外。分子进入凝胶颗粒内部，大分子则被排阻在外。w洗脱时大分子随洗脱液从颗粒间隙流下来，洗脱液洗脱时大分子随洗脱液从颗粒间隙流下来，洗脱液体积小；小分子在颗粒网状结构中穿来穿去，历程体积小；小分子在颗粒网状结构中穿来穿去，历程长，后洗脱下来，洗脱体积大。长，后洗脱下来，洗脱体积大。w测定蛋白质分子量一般用葡聚糖，商品名：测定蛋白质分子量一般用葡聚糖，商品名：Seph
36、adexw洗脱体积：自加入样品开始到该组分的洗脱峰峰顶洗脱体积：自加入样品开始到该组分的洗脱峰峰顶（即收集液中该组分浓度最大时）出现时所流出的（即收集液中该组分浓度最大时）出现时所流出的洗脱液体积。洗脱液体积。w测定样品蛋白质分子量的方法：测定样品蛋白质分子量的方法：测得几种标准蛋白质的洗脱体积测得几种标准蛋白质的洗脱体积Ve；以相对分子质量对数（以相对分子质量对数（logM）对）对Ve作图，作图，得标准曲线；得标准曲线；再测出未知样品洗脱体积再测出未知样品洗脱体积Ve；从标准曲线上可查出样品蛋白质的相对分子从标准曲线上可查出样品蛋白质的相对分子 质量。质量。4.SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法聚
37、丙烯酰胺凝胶电泳法w聚丙烯酰胺凝胶：聚丙烯酰胺凝胶：单体单体丙烯酰胺丙烯酰胺（acrylamide,简称简称Acr）和交联剂）和交联剂N,N-甲叉双丙烯酰胺甲叉双丙烯酰胺（methylene-bisacrylamide,简称简称Bis）在）在加速剂加速剂和和催化剂催化剂的作用下聚合而成的高分子物质，具有三维网的作用下聚合而成的高分子物质，具有三维网状结构和分子筛性质。以此凝胶为支持物的电泳称为状结构和分子筛性质。以此凝胶为支持物的电泳称为聚丙烯酰胺凝胶电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳（polyacrylamide gel electrophoresis,简称简称PAGE）。）。wSDS:十二烷基硫酸钠
38、十二烷基硫酸钠，变性剂，变性剂w普通蛋白质电泳的泳动速率取决于荷质比（净电荷、普通蛋白质电泳的泳动速率取决于荷质比（净电荷、大小、形状）大小、形状）此方法只能测得亚基肽链的相对分子质量此方法只能测得亚基肽链的相对分子质量w方法：方法：用用SDS和和巯基乙醇巯基乙醇（打开二硫键）处理（打开二硫键）处理 蛋白质变性（肽链伸展）并与蛋白质变性（肽链伸展）并与SDS结合，形成结合，形成 SDS-蛋白质复合物，使得不同蛋白质复合物，使得不同蛋白质分子均带蛋白质分子均带 负电负电（SDS带负电），且带负电），且荷质比相同荷质比相同（蛋白质分（蛋白质分 子大，结合子大，结合SDS多；分子小，结合多；分子小，
39、结合SDS少）；少）；不同蛋白质分子具有不同蛋白质分子具有相似的构象相似的构象。用几种标准蛋白质相对分子质量的对数值对它们用几种标准蛋白质相对分子质量的对数值对它们 的迁移率作图的迁移率作图 测出待测样品的迁移率测出待测样品的迁移率 从标准曲线上查出样品的相对分子质量从标准曲线上查出样品的相对分子质量二、蛋白质的分离纯化二、蛋白质的分离纯化蛋白质分离纯化的一般原则蛋白质分离纯化的一般原则 提纯的目标：尽量提纯的目标：尽量提高蛋白质的纯度或比提高蛋白质的纯度或比活性活性，设法除去变性的和不需要的蛋白质，尽，设法除去变性的和不需要的蛋白质，尽可能可能提高蛋白质的产量提高蛋白质的产量。根据蛋白质的性
40、质加以选择，如根据蛋白质的性质加以选择，如分子大小，溶分子大小，溶 解度、电荷、吸附性质及生物亲和力解度、电荷、吸附性质及生物亲和力等。等。一般程序：一般程序：1、从组织细胞中溶解放出蛋白质，并保持天然状态，、从组织细胞中溶解放出蛋白质，并保持天然状态，常用低温冰冻、化学试剂及溶菌酶破壁、破膜，再用常用低温冰冻、化学试剂及溶菌酶破壁、破膜，再用溶剂提取。溶剂提取。2、分离所需要蛋白质与其他蛋白质、分离所需要蛋白质与其他蛋白质 a 等电点沉淀等电点沉淀 b 盐析和有机溶剂分级分离盐析和有机溶剂分级分离 纯化：纯化：a 离子交换层析离子交换层析 b 凝胶过滤层析凝胶过滤层析 c 亲和层亲和层 析析
41、 d 电泳方法电泳方法 3、结晶提纯、结晶提纯 a 多次结晶，除杂蛋白和变性蛋白多次结晶，除杂蛋白和变性蛋白 b 结晶的最佳条件：略过饱和溶液结晶的最佳条件：略过饱和溶液 各步骤要求条件温和，并加少量杀菌剂。各步骤要求条件温和，并加少量杀菌剂。防止蛋白质变性、蛋白质酶作用及微生物污染。防止蛋白质变性、蛋白质酶作用及微生物污染。（一）（一）根据分子大小不同的分离方法根据分子大小不同的分离方法 1.透析和超过滤透析和超过滤 透析：根据的是蛋白质不能通过半透膜的性质，透析：根据的是蛋白质不能通过半透膜的性质，而而 水和无机盐等小分子自由通过，此方法只水和无机盐等小分子自由通过，此方法只能能 将蛋白质
42、和小分子物质分开，不能将不同将蛋白质和小分子物质分开，不能将不同蛋蛋 白质分开。白质分开。超过滤：是利用外加压或离心使水和其他分通过半超过滤：是利用外加压或离心使水和其他分通过半 透膜，蛋白质留在膜上。透膜，蛋白质留在膜上。透析与超过滤简易装置透析与超过滤简易装置 2.密度梯度离心密度梯度离心 a.蛋白质颗粒沉降不仅决定于它的大小也取决于 它的密度。b.颗粒沉降到与自身密度相等的介质梯度时，即停止不前。c.在离心力的作用下，各种蛋白质在不同密度介 质中形成独立的区带。3.凝胶过滤凝胶过滤a.又称分子筛层析，是根据分子大小分离蛋白质 混合物最有效的方法之一。b.常用葡聚糖凝胶（商品名为Sepha
43、dex)和琼脂糖凝 胶（商品名为Sepharose）。c.网孔大小用交联剂与葡聚糖或琼脂糖的比 例来实现d.大分子先洗脱下来，小分子后洗下来。（二）利用溶解度差别的分离方法（二）利用溶解度差别的分离方法 1.等电点沉淀等电点沉淀 利用各种蛋白质在等电点时，溶解度最利用各种蛋白质在等电点时，溶解度最小小 这一性质，可以通过调节蛋白质溶液的这一性质，可以通过调节蛋白质溶液的PH 值值，将不同的蛋白质分开。，将不同的蛋白质分开。2.盐溶和盐析盐溶和盐析 盐溶：低浓度的中性盐在蛋白质分子表面形成双电层，使蛋白质溶解度增加；盐析：高浓度的中性盐破坏蛋白质分子表面的水化层，使蛋白质溶解度降低，发生沉淀析出
44、。分段盐析：不同蛋白质盐析所需的盐浓度不同，蛋白质溶液中，逐渐增大盐浓度，不同蛋白质先后析出，称分段盐析。3.有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法 a 有机溶剂（与水相溶）争取蛋白质颗粒上的水 膜，使之沉淀。b 有机溶剂：乙醇、丙酮 c 低温操作，边加入边搅拌，防止局部过热，引 起变性，尽量缩短处理时间。（三）根据电荷不同的分离方法（三）根据电荷不同的分离方法 1.电泳电泳 原理与原理与AA的电泳相同的电泳相同 电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。分子大小不同分子大小不同的的蛋白质所带蛋白质所带净电荷密度不同净电荷密度不同，迁移率不同，在电泳时可以，迁移率不同，在电泳时
45、可以分开。分开。a.自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳。自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳。b.区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进 行电泳，不同组分形成带状区域。行电泳，不同组分形成带状区域。1）纸电泳：用滤纸作支持物。）纸电泳：用滤纸作支持物。2）凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作）凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作 支持物。支持物。1）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。2）平板电泳：铺有凝胶的平板上进行的电泳。）平板电泳：铺有凝胶的平板上进行的电泳。+-+纯
46、化中应用最多的是纯化中应用最多的是聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳和和等电聚焦电泳等电聚焦电泳，它们既可以作为蛋白质纯度，它们既可以作为蛋白质纯度检验方法，也可以纯化、制备蛋白质。检验方法，也可以纯化、制备蛋白质。PAGE垂直平板电泳示意图垂直平板电泳示意图低低浓度浓度浓缩浓缩胶胶高高浓度浓度分离分离胶胶聚丙烯酰胺凝胶电泳具有三种物理效应：聚丙烯酰胺凝胶电泳具有三种物理效应：浓缩效应浓缩效应 分子筛效应分子筛效应 电荷效应电荷效应等电聚焦电泳等电聚焦电泳：当蛋白质在其等电点时，：当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不再移动。净电荷为零，在电场中不再移动。+5.06.07.0稳定稳定p
47、H梯度梯度5.06.07.0稳定稳定pH梯度梯度通电通电+2.离子交换层析法离子交换层析法 1）根据蛋白质带电荷情况 2）不同载体：离子交换纤维素 离子交换交联葡聚糖：兼有分子筛效应 离子交换交联琼脂糖离子交换层析法离子交换层析法 （四）（四）蛋白质的选择吸附分离蛋白质的选择吸附分离 1 极性的硅胶和氧气铝以及非极性的活性碳等 具有吸附能力 2 吸咐层析法是利用物质与不同蛋白质的吸附能力的强弱不同达到分离目的。3 蛋白质提纯中，最广泛和最有效的是结晶磷酸钙即羟基磷灰石。（五）根据配体特异性的分离（五）根据配体特异性的分离亲和层析亲和层析 1.是一种极为有效的分离方法 2.根据蛋白质分子能与另一
48、种称为配体的分子特异而非共价地结合。3.将某一蛋白质的配体经适当的反应共价地连接到如琼脂糖（凝胶）一类的载体表面。4.配体指能被生物大分子所识别并与之结合的 原子、原子团和分子，如：酶的作用底物、辅酶、调节效应物及其结构类似物，激素和受体蛋白、抗原和抗体互为配基。5.用含有自由配体的溶液洗脱蛋白质亲合层析原理及流程示意亲合层析原理及流程示意图图三、三、蛋白质含量分析和纯度鉴定蛋白质含量分析和纯度鉴定（一）含量的测定 1.凯氏定氮法：凯氏定氮法：2.双缩脲法双缩脲法 3.紫外线吸收法紫外线吸收法 4.福林福林酚试剂法：酚试剂法：a 福林酚试剂包括两组试剂：碱性铜试剂和磷钼酸和磷钨酸的混合试剂 b
49、 碱性铜试剂与蛋白质产生双缩脲反应 c 反应后的蛋白质的酚基在碱性条件将磷钼酸和磷钨酸还原为蓝色的钼蓝和钨蓝，蓝色的深浅与蛋白含量质成正比。（二）（二）蛋白质纯度的鉴定蛋白质纯度的鉴定 常用聚丙烯酰胺凝胶盘状电泳法常用聚丙烯酰胺凝胶盘状电泳法 高纯度：电泳得到均一的一条区带高纯度：电泳得到均一的一条区带 低纯度：电泳得到几条区带低纯度：电泳得到几条区带本章重点本章重点:1.氨基酸的结构和性质氨基酸的结构和性质2.蛋白质的结构、性质、功能蛋白质的结构、性质、功能3.蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定4.蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的结构与功能的关系5.氨基酸、蛋白质分离纯化的基本原理与方法氨基酸、蛋白质分离纯化的基本原理与方法
