第三章蛋白质化学课件.ppt

1、第三章第三章 蛋白质化学蛋白质化学本章主要内容蛋白质概述蛋白质概述氨基酸化学氨基酸化学蛋白质的共价结构蛋白质的共价结构蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质第第 3 章章第第 4 章章第第 5 章章第第 7 章章第第 6 章章重点、难点分析重点：重点：蛋白质蛋白质中的一些中的一些基本概念基本概念；二十种二十种氨基酸的氨基酸的结构结构及三个及三个字母缩写字母缩写；氨基酸的氨基酸的两性解离两性解离及及pI，紫外吸收紫外吸收特性；特性；肽键的特性、构象与构型的区别；肽键的特性、构象与构型的区别；一二三四级结构一二三四级结构；蛋白质的蛋白质的结

2、构与功能结构与功能的关系（血红蛋白）；的关系（血红蛋白）；蛋白质的蛋白质的性质性质。难点：难点：蛋白质二、三、四级结构；蛋白质的结构与功能的关系。蛋白质二、三、四级结构；蛋白质的结构与功能的关系。3.1 蛋白质概述P157 en.什么是蛋白什么是蛋白质啊？质啊？蛋白质（蛋白质（protein）是由许多是由许多-氨基酸氨基酸通过通过肽肽键键相连形成的生物相连形成的生物大分子含氮大分子含氮化合物。化合物。蛋白质：是一切生物体中普遍存在的，由天然蛋白质：是一切生物体中普遍存在的，由天然氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子；其种类繁氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子；其种类繁多，各具有一定的相对分子质量

3、，复杂的分子结构多，各具有一定的相对分子质量，复杂的分子结构和特定的生物功能；是表达生物遗传性状的一类主和特定的生物功能；是表达生物遗传性状的一类主要物质。要物质。3.1.1 概念概念1.蛋白质是生物体内必不可少的重要成分蛋白质是生物体内必不可少的重要成分 蛋白质占干重蛋白质占干重 人体中（中年人）人体中（中年人）人体人体 45%水水55%细菌细菌 50%80%蛋白质蛋白质19%真菌真菌 14%52%脂肪脂肪19%酵母菌酵母菌 14%50%糖类糖类1%白地菌白地菌 50%无机盐无机盐7%3.1.2 存在与功能存在与功能 2.蛋白质是一种生物功能的主要体现者蛋白质是一种生物功能的主要体现者P16

4、0 （1）酶的催化作用）酶的催化作用 （2）调节作用）调节作用(多肽类激素多肽类激素)（3）运输功能）运输功能 （4）运动功能）运动功能 （5）保护作用）保护作用(干扰素、毒蛋白干扰素、毒蛋白)（6）接受、传递信息的受体）接受、传递信息的受体 （7）储藏能量）储藏能量 （8）组成结构）组成结构功能蛋白功能蛋白贮存蛋白贮存蛋白结构蛋白结构蛋白碳碳 50-5550-55氢氢 6-86-8氧氧 20-2320-23氮氮 15-1715-17硫硫 0 03 3其他其他 微微 量量3.1.3 组成组成1.元素组成元素组成P1572.结构组成结构组成酸酸/碱碱/酶酶水解水解水解水解 1 1 形状形状 球状

5、蛋白质球状蛋白质 egeg：血液中的血红蛋白：血液中的血红蛋白 纤维状蛋白质纤维状蛋白质 egeg：羽毛中的角蛋白：羽毛中的角蛋白 膜蛋白膜蛋白 egeg：细胞膜中蛋白：细胞膜中蛋白 2 2 组成组成 单纯蛋白质单纯蛋白质 egeg：血清白蛋白血清白蛋白 成分成分 缀合蛋白质缀合蛋白质 egeg：糖蛋白糖蛋白 3 3 功能功能 活性蛋白活性蛋白 egeg：激素：激素 酶酶 非活性蛋白非活性蛋白 egeg：胶原蛋白：胶原蛋白 4 4 肽链肽链 单体蛋白质单体蛋白质 egeg：溶菌酶：溶菌酶 数目数目 寡聚蛋白寡聚蛋白 egeg：己糖激酶（：己糖激酶（44）多聚蛋白多聚蛋白 egeg：谷酰胺合成酶

6、（：谷酰胺合成酶（1212亚基）亚基）3.1.4 分类分类P1583.2 3.2 氨基酸化学氨基酸化学P123酸酸/碱碱/酶酶水解水解水解水解3.2.1 氨基酸的结构氨基酸的结构氨基酸（氨基酸（amino acidamino acid）是蛋白质的构件分子。）是蛋白质的构件分子。是指含有氨基的羧酸。是指含有氨基的羧酸。什么是什么是氨氨基基酸酸？氨基酸是氨基酸是含有含有氨基氨基和和羧基羧基的一类有机化合物的通称。的一类有机化合物的通称。天然氨基酸现已发现的有天然氨基酸现已发现的有180多种，但是参与蛋白多种，但是参与蛋白质组成的基本氨基酸（常见氨基酸）共有质组成的基本氨基酸（常见氨基酸）共有 种。

7、种。参与蛋白质合成的氨基酸称为参与蛋白质合成的氨基酸称为蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸，反之，反之则为则为非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸。20种氨基酸它们都有种氨基酸它们都有共同的基本结共同的基本结构，属于构，属于L-氨基酸氨基酸。（脯氨酸除外）（脯氨酸除外）氨基酸（氨基酸（amino acid）结构通式结构通式HNCOHO1 脯氨酸脯氨酸 proline(Pro)唯一的一种亚氨基酸唯一的一种亚氨基酸P124H2NCH CHOHO2 甘氨酸甘氨酸 Glycine(Gly)分子量最小的氨基酸，没有旋光性。分子量最小的氨基酸，没有旋光性。3 丙氨酸丙氨酸 alanine (Ala)H2NCH CCH3OH

8、O4 缬氨酸 valine(Val)H2NCH CCH2OHOCH CH3CH35 亮氨酸亮氨酸 leucine(Leu)H2NCH CCHOHOCH3CH2CH36 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine(IlIle)H2NCHCCH2OHOCH2SCH37 甲硫氨酸甲硫氨酸（蛋氨酸）（蛋氨酸）methionine（Met）含含S的氨基酸的氨基酸8 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine(Cys)H2NCHCCH2OHOSH巯基巯基-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱

9、氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸半胱氨酸 9 丝氨酸丝氨酸 serine(Ser)H2NCHCCH2OHOOHH2NCH CCHOHOOHCH310 苏氨酸苏氨酸 (Thr)threonine带有带有OH的氨基酸的氨基酸H2NCHCCH2OHOOH11 酪氨酸酪氨酸 tyrosine (Tyr)带有羟基的芳香族氨基酸H2NCHCCH2OHO12 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine (Phe)13 色氨酸色氨酸 tryptophan(Trp)H

10、2NCHCCH2OHOHN吲哚环吲哚环具有杂环的芳香族氨基酸具有杂环的芳香族氨基酸H2NCH CCH2OHONNH14 组氨酸组氨酸（His）histidine咪唑基咪唑基Pro 也属于杂环氨基酸也属于杂环氨基酸15 天冬氨酸天冬氨酸(Asp)aspartic acidH2NCH CCH2OHOCOHOH2NCH CCH2OHOCH2COHO16 谷氨酸谷氨酸(Glu)glutamic acidR侧链上还有一个羧基的氨基酸侧链上还有一个羧基的氨基酸H2NCH CCH2OHOCNH2OH2NCHCCH2OHOCH2CNH2O17 天冬酰胺天冬酰胺 (Asn)asparagine 18 谷酰胺谷酰

11、胺 (Gln)glutamine唯有的两个酰胺唯有的两个酰胺比较天冬酰胺和天冬氨酸AsnAspH2NCHCCH2OHOCH2CH2NHCNH2NH19 精氨酸精氨酸 arginine（Arg）胍胍基基 20 赖氨酸赖氨酸 lysine（Lys）H2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2R侧链上还有一个氨基的氨基酸侧链上还有一个氨基的氨基酸属于芳香族氨基酸的是：属于芳香族氨基酸的是：属于亚氨基酸的是：属于亚氨基酸的是：含硫氨基酸包括：含硫氨基酸包括：缬氨酸缬氨酸(Val)异亮氨酸异亮氨酸(Ile)亮氨酸亮氨酸(Leu)苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe)苏氨酸苏氨酸(Thr)赖氨酸赖氨酸(Lys)蛋

12、氨酸蛋氨酸(Met)色氨酸色氨酸(Trp)婴儿时期所需婴儿时期所需:精氨酸精氨酸(Arg)、组氨酸、组氨酸(His)早产儿所需：早产儿所需：色氨酸色氨酸(Trp)、半胱氨酸、半胱氨酸(Cys)人体所需的八种人体所需的八种必需氨基酸必需氨基酸包括：包括：“携一两本书来看噻携一两本书来看噻”不常见的蛋白质氨基酸不常见的蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸-中性中性AA（1）按）按R基团的酸碱性分基团的酸碱性分 酸性酸性AA 碱性碱性AA 脂肪族脂肪族AA（2）按）按R基团的化学结构分基团的化学结构分 芳香族芳香族AA 杂环族杂环族AA3.2.2 氨基酸的分类氨基酸的分类 疏水性疏水性R基团基团

13、AA（3）按）按R基团的极性分基团的极性分 不带电荷极性不带电荷极性R基团的基团的AA 带电荷带电荷R基团的基团的AAP125R-:R-:脂肪族，芳香族等非极性侧链基团。脂肪族，芳香族等非极性侧链基团。包括丙氨酸Ala、缬氨酸、缬氨酸Vla、亮氨酸、亮氨酸Leu、异亮氨酸异亮氨酸Ile、苯丙氨酸、苯丙氨酸Phe、色氨酸、色氨酸Trp或或Try、甲硫氨酸、甲硫氨酸Met、脯氨酸、脯氨酸Pro 共共8种种。R：极性侧链基团，如：极性侧链基团，如-CH2-OH、-CH2-SH等。等。包括甘氨酸包括甘氨酸 Gly、丝氨酸、丝氨酸Ser、苏氨酸、苏氨酸Thr、酪氨酸、酪氨酸Tyr、半胱氨酸、半胱氨酸Cy

14、s、天冬、天冬酰胺酰胺Asn，谷酰胺，谷酰胺Gln 共共7种种。不带电荷不带电荷带电荷带电荷带带负负电电荷荷R-含有含有-COOH，可解离，可解离H带负电荷。带负电荷。天冬氨酸天冬氨酸Asp、谷氨酸、谷氨酸Glu共共2种种。带带正正电电荷荷R-含有含有NH2，可接受，可接受H带正电荷。带正电荷。精氨酸精氨酸Arg、组氨酸、组氨酸His、赖氨酸、赖氨酸Lys 共共3种种。常见氨基酸均为常见氨基酸均为，其形状因构型而，其形状因构型而异。异。各种氨基酸在水中的溶解度差别很大，并能各种氨基酸在水中的溶解度差别很大，并能溶解于稀酸或稀碱中，但不能溶解于有机溶剂。溶解于稀酸或稀碱中，但不能溶解于有机溶剂。

15、3.2.3 氨基酸的性质氨基酸的性质 3 3、熔点：、熔点：氨基酸的熔点极高，一般在氨基酸的熔点极高，一般在200200以上。以上。4 4、味感：、味感：其味随不同氨基酸有所不同，有的无其味随不同氨基酸有所不同，有的无味、有的为甜、有的味苦，谷氨酸的单钠盐味、有的为甜、有的味苦，谷氨酸的单钠盐有鲜味，是味精的主要成分。有鲜味，是味精的主要成分。5、旋光性、旋光性除除甘氨酸甘氨酸外，都具外，都具有旋光性。左旋用有旋光性。左旋用（-）表示，右旋用）表示，右旋用（）表示。（）表示。在近紫外区在近紫外区(220-400nm)(220-400nm)只有只有酪氨酸酪氨酸TyrTyr、苯丙氨酸苯丙氨酸Phe

16、Phe和色氨酸和色氨酸TrpTrp有吸收光的能力。有吸收光的能力。6、光吸收、光吸收酪氨酸最大吸收波长在酪氨酸最大吸收波长在275nm苯丙氨酸最大吸收波长在苯丙氨酸最大吸收波长在257nm色氨酸最大吸收波长在色氨酸最大吸收波长在280nm 水溶液或结晶状态时，氨基酸是以两性水溶液或结晶状态时，氨基酸是以两性离子形式存在的。离子形式存在的。两两性性离离子子C O O-CHH3N+R COOHC HH3N+R-pK1+H+H+COO-CHH3N+RH+H+pK2-COO-CHH2NRpH 1 7 10净电荷净电荷 +1 0 -1 正离子正离子 两性离子两性离子 负离子负离子 在不同的在不同的pH条

17、件下，两性离子的状态也随之发生变化条件下，两性离子的状态也随之发生变化-pK1+H+H+COOHCHH3N+RH+H+pK2-COO-CHH2NRCOO-CHH3N+RpH=PIpHpI净电荷为正净电荷为正正离子正离子AA+氨基酸所带电荷取决于溶液的氨基酸所带电荷取决于溶液的pH值。值。净电荷为净电荷为0两两性离子性离子AA0 净电荷为负净电荷为负负离子负离子AA-两性解离过程两性解离过程 氨基酸分子所带的氨基酸分子所带的-NH-NH3 3+和和-COO-COO-数目相数目相等时溶液的等时溶液的pHpH值即为该氨基酸的等电点，值即为该氨基酸的等电点，简称简称p pI I。pH pI正电荷正电荷

18、 两性离子两性离子 负电荷负电荷负极移动（电场中）负极移动（电场中）不移动不移动 正极移动正极移动氨基酸的等电点氨基酸的等电点 溶液的溶液的pH偏离偏离p pI I越远，氨基酸带净越远，氨基酸带净电荷越多，在电场中越容易分离。电荷越多，在电场中越容易分离。当溶液当溶液pH=pIpH=pI时，氨基酸溶解度最小，时，氨基酸溶解度最小，容易聚集沉淀。容易聚集沉淀。应用：应用：P1342222RNHRCOOHNH2COOHpKpKpIpKpKpIpKpKpI+=+=+=-a aa aa aa a碱性碱性酸性酸性中性中性COOH-NH-21）、甲醛反应）、甲醛反应二羟甲基衍生物二羟甲基衍生物1、-NH2

19、的反应的反应应用：氨基酸定量分析应用：氨基酸定量分析甲醛滴定法甲醛滴定法 （间接滴定）（间接滴定）测定蛋白质的水解速度测定蛋白质的水解速度弱碱2）Sanger反应反应应用：鉴定多肽或蛋白质的应用：鉴定多肽或蛋白质的N-末端氨基酸末端氨基酸无水弱酸无水弱酸弱碱弱碱蛋白质顺序自动分析仪测序原理蛋白质顺序自动分析仪测序原理 此法的特点是能够不断重复循环，将肽链此法的特点是能够不断重复循环，将肽链N-端端氨基酸残基逐一进行标记和解离。氨基酸残基逐一进行标记和解离。氨基酸与碱作用可生成盐，例如与氢氧化钠氨基酸与碱作用可生成盐，例如与氢氧化钠反应得到氨基酸钠盐。反应得到氨基酸钠盐。氨基酸与醇反应，可得到相

20、应的酯。氨基酸与醇反应，可得到相应的酯。2、-COOH的反应的反应1）成盐、成酯反应）成盐、成酯反应2）脱羧基反应）脱羧基反应生物体中氨基酸经脱羧酶作用，释放出生物体中氨基酸经脱羧酶作用，释放出CO2，并生成相应的一级胺。并生成相应的一级胺。CCCOOO茚三酮茚三酮CCCOOO HO HH2OH2O水合茚三酮水合茚三酮CO 2NH3RCHO+CCCOOHOHH2NCHCOOHRCCCOOOHOH+2NH3CCCOOCCCOO-NH4+NH2O2+CCCOOOCCCOOHHO水合茚三酮水合茚三酮还原茚三酮还原茚三酮茚三酮茚三酮还原茚三酮还原茚三酮篮紫色化合物篮紫色化合物1）茚三酮反应）茚三酮反应

21、3、-NH2和-COOH的反应应用：氨基酸定量分析（先用纸层析法分离再应用：氨基酸定量分析（先用纸层析法分离再显色）；氨基酸自动分析仪：用阳离子交换树显色）；氨基酸自动分析仪：用阳离子交换树脂，将样品中的氨基酸分离，自动定性定量，脂，将样品中的氨基酸分离，自动定性定量，记录结果。记录结果。亚氨基酸亚氨基酸黄色黄色构构成成多多肽肽链链最最主主要要的的键键-H2O2）成肽反应）成肽反应应用：人工合成多肽链应用：人工合成多肽链 肽肽 肽键肽键 多肽链多肽链 天然活性肽天然活性肽 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构3.3 蛋白质的共价结构3.3.1 基本概念 肽：肽：是氨基酸的线性聚合物，也称是氨基酸的

22、线性聚合物，也称肽链（肽链（peptide chain）。蛋白质是由一条或多条具有确定氨。蛋白质是由一条或多条具有确定氨 基酸序列的多肽链构成的生物大分子物质。基酸序列的多肽链构成的生物大分子物质。多多 肽肽 （链）（链）：多个氨基酸残基之间以肽键连接起：多个氨基酸残基之间以肽键连接起 （polypeptide）来的链状化合物叫多肽或多肽链。来的链状化合物叫多肽或多肽链。肽键（肽键（peptide bond）：）：一个氨基酸的一个氨基酸的氨氨基基与另一个氨基与另一个氨基酸的酸的羧基羧基之间失之间失水形成的水形成的酰胺键酰胺键称为肽键，所形称为肽键，所形成的化合物称为成的化合物称为肽。肽。是蛋白

23、质中是蛋白质中氨基酸间最基本氨基酸间最基本的连接方式。的连接方式。肽键肽基（肽基（peptide group）或）或肽单位肽单位(peptide unit)肽链中的酰胺基（肽链中的酰胺基（CONH）称为肽基或肽单位。）称为肽基或肽单位。1.在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排 列顺序称为列顺序称为氨基酸顺序。氨基酸顺序。2.通常在多肽链的一端含有一个游离的通常在多肽链的一端含有一个游离的a a-氨基，称为氨基，称为氨氨 基端或基端或N-端端；在另一端含有一个游离的；在另一端含有一个游离的a a-羧基，称为羧基，称为 羧基端或羧基端或C-端

24、。端。3.氨基酸的顺序是氨基酸的顺序是从从N-端的端的氨基酸残基氨基酸残基开始开始，以以C-端端氨氨 基酸残基为基酸残基为终点终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln 二肽（二肽（dipeptide）寡肽寡肽（oligopeptide）多肽（多肽（polypeptide）氨基酸残基氨基酸残基 （amino acid residue）在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位蛋白质的亚单位。但是，也有许多分子量比较小。但是，也有许多分子量比较小的肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特

25、殊的肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为的生理功能，常称为活性肽（活性肽（active peptide）。如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。谷胱甘肽；蛇毒多肽等。3.3.2 天然活性肽P167还原型谷胱甘肽（还原型谷胱甘肽（谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，缩写缩写GSH）氧化型谷胱甘肽（氧化型谷胱甘肽（GSSG）二硫键二硫键 牛催产素和牛升压素牛催产素和牛升压素 促肾上腺皮质激素促肾上腺皮质激素 脑啡肽脑啡肽 胆囊收缩素胆囊收缩素 胰高血糖素胰高血糖素问：问：Ala-Leu与与LeuAla是否为是

26、否为 同一肽？同一肽？不是不是 蛋白质的共价结构也称蛋白质的一级蛋白质的共价结构也称蛋白质的一级结构或初级结构，指多肽链中氨基酸的排结构或初级结构，指多肽链中氨基酸的排列顺序。列顺序。3.3.3 蛋白质的一级结构1、蛋白质的一级结构包括：、蛋白质的一级结构包括：(1)组成蛋白质的多肽链组成蛋白质的多肽链数目数目;(2)多肽链的氨基酸排列多肽链的氨基酸排列顺序顺序;(3)多肽链内或链间二硫多肽链内或链间二硫键的数目和位置。键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。它是蛋白质生物功能的基础。化学键化学键：肽键肽键、二硫键二硫键维持

27、一级结构的化学键维持一级结构的化学键链内二硫键链内二硫键链间二硫链间二硫键键牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶A的一级结构的一级结构多肽链的拆分多肽链的拆分测定蛋白质分子中多肽链的数目测定蛋白质分子中多肽链的数目二硫键的断裂二硫键的断裂测定每条多肽链的氨基酸组成测定每条多肽链的氨基酸组成分析多肽链的分析多肽链的N-末端末端多肽链断裂成多个肽段多肽链断裂成多个肽段测定每个肽段的氨基酸顺序测定每个肽段的氨基酸顺序确定肽段在多肽链中的次序确定肽段在多肽链中的次序确定原多肽链重二硫键的位置确定原多肽链重二硫键的位置蛋白质序列测定蛋白质序列测定 前期准备前期准备 蛋白质变性蛋白质变性 标记二硫键标记二硫键 末

28、端分析末端分析 分析片段分析片段 剪切片段剪切片段 重组序列重组序列 拼接序列拼接序列 确定二硫键确定二硫键练习：问：一个四肽，经胰蛋白酶水解得两个片段，一个片段在280nm附近有强的光吸收，并且Pauly反应和坂口反应（检测胍基的）呈阳性。另一片段用溴化氰处理释放出一个与茚三酮反应呈黄色的氨基酸。写出此四肽的氨基酸序列。P195解：1）胰蛋白酶水解特点是只断裂Lys和Arg的羧基端肽键；2）在280nm附近有强光吸收的氨基酸是Tyr；3）含胍基的氨基酸是Arg；4）溴化氰处理只断裂Met的羧基端肽键；5）与茚三酮反应呈黄色的氨基酸是Pro。答：此四肽的氨基酸序列为Tyr-Arg-Met-Pr

29、o。作业：作业：看书看书168175页页 总结酶法和化学断裂法处理肽链的专一性总结酶法和化学断裂法处理肽链的专一性 通过通过195页练习题页练习题2、4、6、7，加深理解，加深理解和记忆各种肽链处理法的专一性，掌握肽和记忆各种肽链处理法的专一性，掌握肽链一级结构测序的原理和方法。链一级结构测序的原理和方法。同源蛋白同源蛋白：是指在不同有机体中实现同一：是指在不同有机体中实现同一功能的蛋白质。同源蛋白中的一级结构中有许多功能的蛋白质。同源蛋白中的一级结构中有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称为位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称为不变残基（不变残基（invariable resid

30、ues）；其他位置的氨；其他位置的氨基酸称基酸称可变残基可变残基（variable residues）。不同种属。不同种属的可变残基有很大变化。可用于判断生物体间亲的可变残基有很大变化。可用于判断生物体间亲缘关系的远近。缘关系的远近。同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化P181例：细胞色素例：细胞色素C 60 个物种中，有个物种中，有 27 个位置上的氨基酸残基个位置上的氨基酸残基完全不变，是维持其构象中发挥特有功能所必要完全不变，是维持其构象中发挥特有功能所必要的部位，属于的部位，属于不变残基不变残基。可变残基可能随着进化。可变残基可能随着进化而变异，

31、而且不同种属的细胞色素而变异，而且不同种属的细胞色素 C氨基酸差异氨基酸差异数与种属之间的亲缘关系相关。亲缘关系相近者，数与种属之间的亲缘关系相关。亲缘关系相近者，氨基酸差异少，反之则多（进化树）。氨基酸差异少，反之则多（进化树）。P182黄色：黄色：不变残基（不变残基（invariable residues）蓝色蓝色：保守氨基酸（保守氨基酸（conservative residues）未标记：可变残基（未标记：可变残基（variable residues）蛋白质的三维结构又称为蛋白质的空间结构蛋白质的三维结构又称为蛋白质的空间结构或高级结构。是指蛋白质多肽链沿一定方向折叠、或高级结构。是指蛋

32、白质多肽链沿一定方向折叠、盘绕形成的特有盘绕形成的特有空间空间构象构象。3.4 蛋白质的三维结构构象：是用来表示一个多肽结构中一切原子沿共价 键转动而产生的不同空间排列，这种构象的 改变会牵涉到氢键的形成和破坏，但不致使 共价键破坏。构型与构象的比较构型：在一个化合物分子中原子的空间排列，这 种排列的改变会牵涉到共价键的形成和破 坏，但与氢键无关。例如单糖的a-，-型、氨基酸的D-和L-型，都是构型。肽平面肽平面：肽键的：肽键的4个原子和与之相连的个原子和与之相连的2个个Ca a形成肽形成肽 平面，是多肽链主链骨架的重复单位。平面，是多肽链主链骨架的重复单位。3.4.1 肽平面肽平面(pept

33、ide plane)C CC C33C C22C C11C CNNNNHHHHHHOOOOR R肽平面肽平面 2肽平面肽平面 1phipsi离离子子键键氢氢键键范德华力范德华力疏水作用力疏水作用力饱和性饱和性方向性方向性3.4.2 稳定蛋白质三维结构的作用力稳定蛋白质三维结构的作用力P201氢键、范德华力、疏水相互作用力、离子氢键、范德华力、疏水相互作用力、离子键，均为次级键键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要疏水相互作用力对维持三级结构特别重要离子键数量少离子键数量少二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键二硫键对

34、稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定越多，蛋白质分子构象越稳定 a a盐键（离子键盐键（离子键 ）b b氢键氢键 c c疏水作用力疏水作用力 d d 范德华力范德华力 e e二硫键二硫键蛋白质分子中的共价键与次级键蛋白质分子中的共价键与次级键一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的三级结构：疏水作用力、氢维系蛋白质分子的三级结构：疏水作用力、氢键、范德华力、盐键键、范德华力、盐键维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键

35、维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键主要的化学键：主要的化学键：氢键氢键常见的二级结构元件：包括常见的二级结构元件：包括-螺旋螺旋、-折叠、折叠、-转角和无规卷曲组成空间结构单元。转角和无规卷曲组成空间结构单元。蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式。蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式。3.4.3 二级结构二级结构常见的二级结构元件常见的二级结构元件 存在于纤维状蛋白质（存在于纤维状蛋白质（-角蛋白：皮肤、角蛋白：皮肤、毛发、指甲、和角）和球状蛋白质中。毛发、指甲、和角）和球状蛋白质中。3.4.3.1 a a-螺旋（螺旋（a a-helix）0.5nm 在在a a-螺旋中肽平面的键长螺旋中肽平面的

36、键长和键角一定和键角一定,肽键的原子排列呈肽键的原子排列呈反式构型反式构型,相邻的肽平面构成两相邻的肽平面构成两面角面角.多肽链中的各个肽平面围绕多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为螺距为0.54nm,含含3.6个氨基个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距酸残基；两个氨基酸之间的距离离0.15nm.肽链内形成氢键，氢键的取肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的酸残基的酰胺基团的-CO基与基与第四个氨基酸残基酰胺基团的第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH

37、基形成氢键。基形成氢键。蛋白质分子为右手蛋白质分子为右手a a-螺旋。螺旋。氢键3.4.3.2 -折叠（折叠（-pleated sheet）-折叠有两种类型。一种为平行式（平行式（parallel），即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式反平行式（antiparallel），即相邻两条肽链的方向相反。平行平行-折叠结构（所有肽链折叠结构（所有肽链N N端都在同侧）端都在同侧）N反平行反平行-折叠结构（肽链折叠结构（肽链N N端一顺一反排列）端一顺一反排列）CN又称又称-弯曲（弯曲（-bend）、发夹结构）、发夹结构（hairpin structure），），存在于球蛋白中。存在于球蛋白

38、中。3.4.3.3 -转角（转角（-turn）在在-转角部分，转角部分，由四个氨基酸残基组由四个氨基酸残基组成。四个形成转角的成。四个形成转角的残基中，第三个一般残基中，第三个一般均为甘氨酸残基弯均为甘氨酸残基弯曲处的第一个氨基酸曲处的第一个氨基酸残基的残基的-C=O 和第四和第四个残基的个残基的 N-H 之间之间形成氢键，形成一个形成氢键，形成一个稳定的环状结构。稳定的环状结构。一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：Pro,GlyPro,Gly以主链间以主链间氢键氢键维持稳定。维持稳定。多肽链中多肽链中180180度回折度回折处形成的特定构象。处形成的特定构象。

39、-转角要点转角要点没有确定规律性的肽链结构，存在于球没有确定规律性的肽链结构，存在于球状蛋白质中。（常常是酶的功能部位）状蛋白质中。（常常是酶的功能部位）3.4.3.4 无规卷曲（无规卷曲（randon coil）若干相邻的二级结构单元组合在一起，相互若干相邻的二级结构单元组合在一起，相互作用，形成有规则的（在空间上可辨认的）作用，形成有规则的（在空间上可辨认的）二级结构组合体称为二级结构组合体称为超二级结构（超二级结构（super-secondary structure）。常见类型：常见类型：aaaa、aa3.4.4 超二级结构和结构域超二级结构和结构域aaaa组合组合 aa组合组合 发夹发

40、夹结构域（结构域（structural domain）是球状是球状蛋白质的折叠单位。在二级结构或超二级蛋白质的折叠单位。在二级结构或超二级结构基础上，多肽链进一步绕曲折叠形成结构基础上，多肽链进一步绕曲折叠形成（空间可以区分的）三级结构的局部折叠（空间可以区分的）三级结构的局部折叠区，区，近似球状近似球状的三维实体的三维实体。细胞色素细胞色素b 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 免疫球蛋白免疫球蛋白在二级结构在二级结构、超二级结构和结构域基础、超二级结构和结构域基础上，多肽链进一步盘绕折叠形成更为复上，多肽链进一步盘绕折叠形成更为复杂的杂的球状球状实体，叫实体，叫三级结构三级结构。即。即多肽链多肽链中所有

41、原子在三维空间的排布方式。中所有原子在三维空间的排布方式。蛋白质三级结构可能含有蛋白质三级结构可能含有1个或多个结构个或多个结构域。域。3.4.5 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构P224 包括主链和侧链的所有原子的空间排布。一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面。鲸肌红蛋白三级结构鲸肌红蛋白三级结构 两条及以上具有独立三级结构的肽链通过非共价键两条及以上具有独立三级结构的肽链通过非共价键聚合而成。（每一条肽链称为一个聚合而成。（每一条肽链称为一个亚基或单体亚基或单体（monomer）。）。包括各亚基空间排布及相互关系。包括各亚基空间排布及相互关系。寡聚蛋白寡聚蛋白：由两个

42、或两个以上亚基聚集而成的蛋白：由两个或两个以上亚基聚集而成的蛋白质。两个亚基组成的称质。两个亚基组成的称二聚体蛋白二聚体蛋白，四个组成的称，四个组成的称四聚体蛋白。一个亚基组成的称四聚体蛋白。一个亚基组成的称单体蛋白质单体蛋白质。大多数寡聚蛋白分子中亚基（单体）数目为大多数寡聚蛋白分子中亚基（单体）数目为偶数偶数，尤其以尤其以2，4的为多。个别为奇数。的为多。个别为奇数。3.4.6 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构P242乙醇脱氢酶（乙醇脱氢酶（a a2）同一类型亚基组成称同一类型亚基组成称同多聚蛋白同多聚蛋白（homomultimeric）血红蛋白（血红蛋白（a a2 2）不同亚基组成称不同

43、亚基组成称杂多聚蛋白杂多聚蛋白（heteromultimeric）3.5 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 自然界中蛋白质主要以球状蛋白质形式存在，自然界中蛋白质主要以球状蛋白质形式存在，然而球状蛋白质的构象不是刚性、静止的，而是然而球状蛋白质的构象不是刚性、静止的，而是柔性、动态的。蛋白质的功能总是跟蛋白质与其柔性、动态的。蛋白质的功能总是跟蛋白质与其他分子（配体）相互作用相联系。他分子（配体）相互作用相联系。组成组成 结构结构 功能功能例1 镰刀形细胞贫血病P266 组成决定结构，改组成决定结构，改变其功能的典型实例。变其功能的典型实例。患者血红细胞合成了一种不正常的血红蛋白（

44、患者血红细胞合成了一种不正常的血红蛋白（Hb-S）它与正常的血红蛋白（它与正常的血红蛋白（Hb-A）的差别：仅仅在于）的差别：仅仅在于链的链的N-末端第末端第6位残基发生了变化。（位残基发生了变化。（Hb-A）第）第6位残基是位残基是极性谷氨酸残基极性谷氨酸残基,（Hb-S）中换成了非极性的缬氨酸残）中换成了非极性的缬氨酸残基。使血红蛋白细胞收缩成镰刀形，易发生溶血，输氧基。使血红蛋白细胞收缩成镰刀形，易发生溶血，输氧能力下降。（能力下降。（4条链条链574个个AA）这说明了蛋白质分子组成与功能关系的高度统一性这说明了蛋白质分子组成与功能关系的高度统一性 氧与血红蛋白的结合是别构结合行为的一个

45、氧与血红蛋白的结合是别构结合行为的一个典型例证。典型例证。别构现象：别构现象：又称变构效应，是指寡聚蛋白与又称变构效应，是指寡聚蛋白与配基结合，改变蛋白质构象，导致蛋白质生物活配基结合，改变蛋白质构象，导致蛋白质生物活性改变的现象。别构效应具有协同性，它是细胞性改变的现象。别构效应具有协同性，它是细胞内最简单的调节方式。内最简单的调节方式。例2 血红蛋白的空间结构与功能P257，248 一个亚基与氧结合后，引起该亚基构象改变一个亚基与氧结合后，引起该亚基构象改变 进而引起另三个亚基的构象改变进而引起另三个亚基的构象改变 整个分子构象改变整个分子构象改变 与氧的结合能力增加与氧的结合能力增加3.

46、6 蛋白质性质蛋白质性质3.6.1 酸碱性质与等电点酸碱性质与等电点3.6.2 分子量与形状分子量与形状3.6.3 胶体性质与沉淀胶体性质与沉淀3.6.4 变性、复性变性、复性蛋白质的等电点：蛋白质的等电点：蛋白质分子所带的正负电荷量相蛋白质分子所带的正负电荷量相等，净电荷为等，净电荷为0时，溶液的时，溶液的pH称为该蛋白质的等电称为该蛋白质的等电点（点（pI）。）。3.6.1 蛋白质的酸碱性与等电点蛋白质的酸碱性与等电点P290蛋白质的等离子点（蛋白质的等离子点（isoionic point）：）：没有其他盐没有其他盐干扰时，蛋白质质子供体基团解离出来的质子数与干扰时，蛋白质质子供体基团解离

47、出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的质子受体基团结合的质子数相等时的pH值。值。蛋白质的等电点远比氨基酸的等电点复杂蛋白质的等电点远比氨基酸的等电点复杂当当pH pI时，蛋白质带净蛋白质带净负电负电荷，荷，在电场中向在电场中向正极移动正极移动。溶液的溶液的pH偏离蛋白质的偏离蛋白质的p pI I越远，蛋白质带净电越远，蛋白质带净电荷越多，在电场中越容易分离。荷越多，在电场中越容易分离。在不同的在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动；在等电点偏碱性溶液

48、中，在电场中向负极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。这蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。这种现象称为种现象称为蛋白质电泳蛋白质电泳。电泳现象电泳现象应用 蛋白质在等蛋白质在等电点电点pH条件条件下，不发生电下，不发生电泳现象。利用泳现象。利用蛋白质的电泳蛋白质的电泳现象，可以将现象，可以将蛋白质进行分蛋白质进行分离纯化。离纯化。3.6.2 蛋白质的分子大小与形状蛋白质的分子大小与形状蛋白质是分子量很大的生物分子，相对分子蛋白质是分子量很大的生物分子，相对分子质量一般大于质量一般大于10 000。最高可达。最高可达40 000 000（烟（烟草花叶病毒）。

49、草花叶病毒）。P291不同的蛋白质分子形状差别较大，有些蛋白不同的蛋白质分子形状差别较大，有些蛋白质形状规则呈对称的球形，而有些是不对称的。质形状规则呈对称的球形，而有些是不对称的。有的是椭圆体，有的是细长纺锤体。如血纤蛋白有的是椭圆体，有的是细长纺锤体。如血纤蛋白原的形状像一细长的纺锤体。原的形状像一细长的纺锤体。凝胶过滤层析凝胶过滤层析又称为分子筛层析，以各种多孔凝胶又称为分子筛层析，以各种多孔凝胶为固定相，利用溶液组分中的相对分子量的不同而进为固定相，利用溶液组分中的相对分子量的不同而进行分离的技术。常用凝胶：葡聚糖凝胶，商品名行分离的技术。常用凝胶：葡聚糖凝胶，商品名Sephadex,

50、如如Sephadex G-75可分离可分离Mr为为3000-80000。原理示意图：原理示意图：应用P303 由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动、电泳等。质，如丁达尔现象、布郎运动、电泳等。3.6.2 蛋白质的胶体性质与沉淀蛋白质的胶体性质与沉淀P299应用应用 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。利用胶体对半透膜的不