1、蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第三节一、蛋白质的主要功能分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上。更新快：组织细胞每天都在不断地更新。因此，人体必须每天摄入一定量的蛋白质，作为构成和补充组织细胞的原料。（一）蛋白质是生物体重要组成成分（结构蛋白）生物化学与分子生物学（第9版）物质运输催化功能信息交流免疫功能氧化供能维持肌体的酸碱平衡维持正常的血浆渗透压（二）蛋白质具有重要的生
2、物学功能（功能蛋白）生物化学与分子生物学（第9版）二、蛋白质执行功能的主要方式细胞免疫系统(一)蛋白质与配体的特异性识别在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应生物化学与分子生物学（第9版）主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC）I 型MHC蛋白的结构 I 型MHC蛋白的功能生物化学与分子生物学（第9版）IgM的五聚体形式IgG的结构(二)蛋白质与配体的特异性结合生物化学与分子生物学（第9版）抗原抗体的特异性结合生物化学与分子生物学（第9版）（一）一级结构是空间构象的基础三、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础牛核糖核酸酶A一级结构与空间结构
3、的关系生物化学与分子生物学（第9版）（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。氨基酸残基序号胰岛素 A5 A6 A10 A30 人 Thr Ser Ile Thr 猪 Thr Ser Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala 兔 Thr Gly Ile Ser 牛 Ala Gly Val Ala 羊 Ala Ser Val Ala 马 Thr Ser Ile Ala哺乳类动物胰岛素A链氨基酸序列的差异生物化学与分子生物学（第9版）（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素（cytochro
4、me C），比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。细胞色素C的生物进化树生物化学与分子生物学（第9版）（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病n例：镰刀形红细胞贫血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”。生物化学与分子生物学（第9版）n肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构 四、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生物化学与分子生物学（第9版）n肌红蛋白(myoglo
5、bin，Mb)肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段-螺旋结构。血红素分子中的两个丙酸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荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。生物化学与分子生物学（第9版）n血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。生物化学与分子生物学（第9版）脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键 生物化学与分子生物学（第9版）Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧
6、合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合生物化学与分子生物学（第9版）肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）的氧解离曲线生物化学与分子生物学（第9版）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）。n协同效应(cooperativity)生物化学与分子生物学（第9版）Hb氧合与脱氧构象转换示意生物化学与分子生物学
7、（第9版）血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。生物化学与分子生物学（第9版）n别构效应（allosteric effect）蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应。生物化学与分子生物学（第9版）（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。生物化学与分子生物学（第9版）蛋白质构象改变导致疾病的机理：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
8、纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。生物化学与分子生物学（第9版）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。正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。n疯牛病中的蛋白质构象改变PrPc转变成PrPsc的过程生物化学与分子生物学（第9版）蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters of Protein第四节一、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，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH
9、条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。n蛋白质的等电点（isoelectric point,pI）生物化学与分子生物学（第9版）二、蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。颗粒表面电荷 水化膜n蛋白质胶体稳定的因素:生物化学与分子生物学（第9版）+带正电荷的蛋白质带负电荷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负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作
10、用溶液中蛋白质的聚沉生物化学与分子生物学（第9版）三、蛋白质的变性与复性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。n蛋白质的变性（denaturation）生物化学与分子生物学（第9版）n造成变性的因素: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。n变性的本质:破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。生物化学与分子生物学（第9版）n 应用举例:临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,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。生物化学与分子生物学（第9版）若蛋
11、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）。生物化学与分子生物学（第9版）天然状态，有催化活性非折叠状态，无活性生物化学与分子生物学（第9版）在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。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。n蛋白质沉淀n蛋白质的凝固作用（protein coagulation）生物化学与分子生物学（第9版）四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和
12、色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。生物化学与分子生物学（第9版）蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量1.茚三酮反应（ninhydrin reaction）2.双缩脲反应（biuret reaction）生物化学与分子生物学（第9版）u 蛋白质组成的基本单位为L-氨基酸（甘氨酸除外）。氨基酸通过肽键相连而成肽。u 蛋白质一级结构是氨基酸序列。二级结构是指
13、蛋白质主链局部的空间结构，不涉及氨基酸残基侧链构象。三级结构是指多肽链主链和侧链的全部原子的空间排布位置。四级结构是指蛋白质亚基之间的聚合。u 蛋白质空间构象与功能有着密切关系，蛋白质的空间构象发生改变，可导致其理化性质变化和生物活性的丧失。u 分离纯化蛋白质是研究单一蛋白质结构与功能的先决条件。通常利用蛋白质的理化性质，采取不损伤蛋白质结构和功能的物理方法来纯化蛋白质。蛋白质的结构与功能组成蛋白质的氨基酸氨基酸的分类不同氨基酸的差异性具有特征的解离常数和等电点茚三酮反应紫外吸收特性氨基酸通过肽键形成肽或蛋白质一级结构 氨基酸的排列顺序，二硫键的位置二级结构 蛋白质主链的局部空间结构形式，以氢
14、键维持其稳定性，模体三级结构 多肽链主链和侧链全部原子的空间排布位置，次级键维系稳定性，Domain四级结构 多亚基之间的缔合蛋白质结构和功能的关系一级结构是高级结构和功能的基础，维持正确的空间构象，蛋白质高级结构与功能的关系，构象病蛋白质的主要功能蛋白质相互作用是蛋白质执行功能的主要方式非极性脂肪族氨基酸芳香族氨基酸极性不带电荷氨基酸碱性氨基酸酸性氨基酸两性解离、紫外吸收等特性结构蛋白、物质运输、催化等由于基因突变造成的一级结构改变，导致的疾病称为分子病-螺旋，-折叠，-转角，无规卷曲是二级结构主要形式疏水作用是维持三级结构主要作用力次级键是四级结构主要作用力二个或多个蛋白质相互作用时通过各自特殊的局部空间结构而特异性识别与结合，进而完成特定的生物学功能 知识点框架
