1、蛋白质结构与功能无综述q 实验要求：实验要求：1、每个班级在实验课开课以前按照老师、每个班级在实验课开课以前按照老师的要求进行分组，分组以后每位同学要的要求进行分组，分组以后每位同学要严格按照自己被分配的实验室和小组进严格按照自己被分配的实验室和小组进行实验，在没有征得老师同意得情况下，行实验，在没有征得老师同意得情况下，不得自行调换实验室不得自行调换实验室。2、实验周、实验周(第第6周开始周开始)及地点及地点第一篇第一篇 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能本本篇篇主主要要内内容容w 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能w 核酸的结构与功能核酸的结构与功能w 酶酶蛋白质的结构与功能蛋
2、白质的结构与功能第第 一一 章章Structure and Function of Protein 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 蛋白质的分离、纯化与结构分析蛋白质的分离、纯化与结构分析本本 章章 主主 要要 内内 容容一、什么是蛋白质一、什么是蛋白质?蛋白质蛋白质(protein)是由许多氨基酸是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键通过肽键(peptide bond)相连相连形成的高分子含氮化合物。形成的高分子含氮化合物。n蛋白质研究的历史蛋白质研究的历史18331
3、833年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。分离到类似胃蛋白酶的物质。18641864年，血红蛋白被分离并结晶。年，血红蛋白被分离并结晶。1919世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽。了多种短肽。2020世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。素一级结构测定。2020世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展；促进了蛋白质研究迅速发展；19621962年，确定了血红蛋白的四级结
4、构。年，确定了血红蛋白的四级结构。2020世纪世纪9090年代，功能基因组与蛋白质组研究展年代，功能基因组与蛋白质组研究展开。开。二、蛋白质的生物学重要性二、蛋白质的生物学重要性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分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；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。细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的分子，占人体干重的45，某些组织含量更，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。1 1）作为生物催化剂（酶）作为生物
5、催化剂（酶）2 2）代谢调节作用）代谢调节作用3 3）免疫保护作用）免疫保护作用4 4）物质的转运和存储）物质的转运和存储5 5）运动与支持作用）运动与支持作用6 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能氧化供能蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 组组 成成The Molecular Component of Protein第第 一一 节节 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、有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有铜、锌、锰、钴、
6、钼，个别蛋白质还含有碘碘。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为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蛋白质为主，因此，由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.25100？蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、氨基酸一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，但余种，但组成人体蛋白质
7、的氨基酸仅有组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均种，且均属属 L-氨基酸氨基酸（Gly、Pro除外）。除外）。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RC+NH3COO-H 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH21972 Berg（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出成果，获1980年诺贝尔奖。二、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链单肽链蛋白质构成的最高级结构，包括主链和侧链构象，所有原子呈区域化分布，从伸展程度上讲紧密性更强根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。汉斯克雷勃斯（Hans
8、 A.1972 Berg（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出成果，获1980年诺贝尔奖。100克样品中蛋白质的含量(g%)1962年，确定了血红蛋白的四级结构。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。*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。*盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（Gly、Pro除外）。Frederick Sanger蛋 白
9、 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protein疯牛病中的蛋白质构象改变生物体内有许多高分子化合物，具有和某些对应的专一分子可逆结合的特性。谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.纤连蛋白分子的结构域0 33.蛋白质元素组成的特点（一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类*20 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下: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1.1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸2.2.极性中性
10、氨基酸极性中性氨基酸3.3.芳香族氨基酸芳香族氨基酸天冬氨酸天冬氨酸 aspartic 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 7.594.酸性氨基酸酸性氨基酸5.碱性氨基酸碱性氨基酸目目 录录q 必需氨基酸必需氨基酸(essential amino acid)指体内需要而又不能自身合成，必须由食指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸，共有物供给的氨基酸，共有8种：种：Ile、Met、
11、Val、Leu、Trp、Phe、Thr、Lys。其余其余12种氨基酸体内可以合成，称非必需氨基酸。种氨基酸体内可以合成，称非必需氨基酸。“一家写两三本书来一家写两三本书来”-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特殊氨基酸特殊氨基酸（二）氨基酸的理化性质（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点两性解离及等
12、电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决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。于所处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的兼性离子，呈电中性。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。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+
13、COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+q 氨基酸等电点（氨基酸等电点（pI）的计算）的计算pI=1/2（pkn+pK n+1)pI pI等于兼性离子两边的等于兼性离子两边的pkpk值的平均值值的平均值 （二）几种生物活性肽神经肽(neuropeptide)一级结构(primary structure)氢键维持稳定与主链长轴垂直-螺旋-转角（或环）-螺旋模体*亲和层析法：1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。一级结构(primar
14、y structure)1/2(pK1+pK2)必需氨基酸(essential amino acid)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 的 分 子 结 构The Molecular Structure of ProteinFrederick Sanger通常采用圆二色光谱(circular dichroism，CD)测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。范德华氏（van der Waals)引力 原子、分子、基团之间存在的一种弱的相互作用力。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。汉斯克雷勃斯（Hans A.蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离
15、。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。*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)。pI计算举例计算举例：w AsppK11.58，pK23.56，pK39.6其其pI1/2(pK1+pK2)1/2(1.58+3.56)2.97w LyspK12.18，pK28.95，pK310.53其其pI1/2(pK2+pK3)1/2(8.95+10.53)9.742.紫外吸收紫外吸收 色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多数蛋白质含大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶
16、液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反应茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。注意：注意：Pro与茚三酮反应后显黄色，其最大与茚三酮反应后显黄色，其最大吸收峰在吸收峰在440nm处。处。二、蛋白质是由许多氨基酸残基
17、组成的多肽链二、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链*肽键肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合氨基脱水缩合而形成的化学键。而形成的化学键。（一）肽（一）肽(peptide)NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO*肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物合物*两分子氨基酸缩合形成二肽，
18、三分子氨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由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽形成的肽称多肽(polypeptide)。（多肽与。（多肽与蛋白质有何区别？）蛋白质有何区别？）。N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由氨基自由氨基的一端的一端C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由羧基自由羧基的一端的一端多
19、肽链有两端多肽链有两端*多肽链多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二）（二）几种生物活性肽几种生物活性肽 1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+主要的化学键：氢键根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构体内许多激素属寡肽或多肽氢键维持稳定与主链长轴垂直蛋白质点的定位、切取精氨酸 arginine Arg R 10.（二）几种生物活
20、性肽相邻螺旋之间通过肽键上的酰基氧与亚氨基氢汉斯克雷勃斯（Hans A.*盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。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。4 31.1/2(pK1+pK2)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。一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础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。必需
21、氨基酸(essential amino acid)*根据蛋白质组成成分1972 Berg（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出成果，获1980年诺贝尔奖。体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 结结 构构The Molecular Structure of Protein 第第 二二 节节蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括 一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertia
22、ry structure)四级结构四级结构(quaternary structure)高级高级结构结构定义定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的化学键主要的化学键肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。功能的基础。一级结构特点一级结构特点?目目 录录（1953年年Sanger提出）提出）维持蛋白质高级的化学键维持蛋白质高级的化学键1.1.氢键氢键 氢
23、键氢键(hydrogen bond)(hydrogen bond)的形成常见于连接的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。负性很强的原子之间。2.疏水键疏水键 非极性物质（非极性氨基酸残基侧链）在非极性物质（非极性氨基酸残基侧链）在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。3.3.离子键（盐键）离子键（盐键）离子键离子键(salt bond)(salt bond)是由带正电荷基团与是由带正电荷基团与带负电荷
24、基团之间相互吸引而形成的化学键。带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。4.4.范德华氏（范德华氏（van der Waals)van der Waals)引力引力 原子、分子、基团之间存在的一种弱的相原子、分子、基团之间存在的一种弱的相互作用力。互作用力。5.5.配位键配位键 6.6.二硫键二硫键目目 录录ddd 范德华力范德华力二硫键二硫键二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构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，并不涉及氨基酸残基侧链的构象置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。定义
25、定义 主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 等电聚胶电泳抗原-抗体的特异性反应；按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列-折叠(-pleated sheet)由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：Herbert Boyer1833年，从麦芽中分离淀粉酶；Herbert Boyer（四）氨基酸序列提供重要的生物化学信息蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protein发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；1937年 Krebs（英）发现三羧酸循环，1953年获诺贝尔奖
26、。分子伴侣(chaperon)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的一类蛋白质。*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。1937年 Krebs（英）发现三羧酸循环，1953年获诺贝尔奖。Herbert Boyer1937年 Krebs（英）发现三羧酸循环，1953年获诺贝尔奖。通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列生物体内有许多高分子化合物，具有和某些对应的专一分子可逆结合的特性。*根据蛋白质形状（一）肽单元（一）肽单元参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平面，位于同一平面，C 1和和C 2在平面上所处的位置在平面
27、上所处的位置为反式为反式(trans)构型，此同一平构型，此同一平面上的面上的6个原子构成了所谓的肽个原子构成了所谓的肽单元单元(peptide unit)。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)（二）（二）-螺旋螺旋目目 录录左手/右手-螺旋-螺旋的横截面结构特点：结构特点：右手螺旋右手螺旋每螺旋圈包含每螺旋圈包含3.63.6个氨基酸残基，每个残基跨个氨基酸残基，每个残基跨 距距0.15nm0.15nm，螺旋上升一圈，螺旋上升一圈0.54n
28、m0.54nm。相邻螺旋之间通过肽键上的酰基氧与亚氨基氢相邻螺旋之间通过肽键上的酰基氧与亚氨基氢 间形成氢键保持螺旋结构稳定。氢键方向与螺间形成氢键保持螺旋结构稳定。氢键方向与螺 旋长轴基本平行。旋长轴基本平行。氨基酸侧链伸向螺旋外侧，对氨基酸侧链伸向螺旋外侧，对-螺旋的形成螺旋的形成有一定影响。有一定影响。举例：角蛋白举例：角蛋白（三）（三）-折叠（折叠（-片层片层/-折叠层）折叠层）-折迭：平行式折迭：平行式 和和 反平行式反平行式肽键平面折叠成锯齿状（折纸状）肽键平面折叠成锯齿状（折纸状）R R基团交错位于基团交错位于齿状结构上下方齿状结构上下方氢键维持稳定与主链长轴垂直氢键维持稳定与主
29、链长轴垂直两条以上肽链并列时，两条以上肽链并列时，-片层有片层有结构特点：结构特点：顺向顺向反向反向平行平行举例：蚕丝蛋白举例：蚕丝蛋白根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；体内许多激素属寡肽或多肽-螺旋-转角（或环）-螺旋模体（1953年Sanger提出）氢键维持稳定与主链长轴垂直1949 Pauling（美）指出镰刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于1951年提出蛋白质存在二级结构。蛋白
30、质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。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。*根据蛋白质形状此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。例如，酶蛋白和辅酶、抗原和抗体、激素与其受体等都具有这种特性。（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构*蛋白质在离心场中的行为用沉降系数(sedimentation coefficient,S)表示,沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。Daniel
31、Nathans谷胱甘肽(glutathione,GSH)20世纪初，发现蛋白质的二级结构；这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。（四）（四）-转角和无规卷曲转角和无规卷曲-转角转角（第（第2 2位常见位常见ProPro）无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。分肽链结构。RNaseRNase的分子结构的分子结构小结：二级结构特点小结：二级结构特点（五）超二级结构及模体（五）超二级结构及模体在许多蛋白质分子中，可发现二个或在许多蛋白质分子中，可发现二个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间上两个以上具有二级结构的肽段，
32、在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。合，被称为超二级结构。二个或三个具有二级结构的肽段，在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空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，具有特殊的功能，被称为象，具有特殊的功能，被称为模体模体(motif)。钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构-螺旋螺旋-转角（或转角（或环）环）-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角-链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角-链模体链模体n模体常见的形式模体常见的形式（六）氨基酸残基的侧链对二级结构
33、形成（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响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。三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。主要的化学键主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。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布位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。（一）（一）定义定义 肌
34、红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端胰岛素分子的三级结构胰岛素分子的三级结构三级结构特点：三级结构特点：单肽链蛋白质构成的最高级结构，包括单肽链蛋白质构成的最高级结构，包括主链和侧链构象，所有原子呈区域化分主链和侧链构象，所有原子呈区域化分布，从伸展程度上讲紧密性更强布，从伸展程度上讲紧密性更强三级结构已经形成功能区三级结构已经形成功能区纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 （二）结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或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，称为结构域行使其功能
35、，称为结构域(domain)。（三）分子伴侣（三）分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从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的而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质。一类蛋白质。*分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣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，后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。使肽链正确折叠。*分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。后，再诱导其正确折叠。*分子伴侣在蛋白质分子
36、折叠过程中二硫键的正确分子伴侣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。形成起了重要的作用。王志珍院王志珍院士士“漫画漫画”亚基之间的结合力主要是疏水键、氢键、亚基之间的结合力主要是疏水键、氢键、离子键等。离子键等。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基质的亚基
37、 (subunit)。HbA HbA 天冬氨酸天冬氨酸 乳酸乳酸 大肠杆菌大肠杆菌 谷氨酸谷氨酸 转甲酰酶转甲酰酶 脱氢酶脱氢酶 RNARNA聚合酶聚合酶 脱氢酶脱氢酶亚基数亚基数 4 12 4 5 6代号代号 2 2 C6R6 MnH4-n 2 亚基相同亚基相同分子量分子量 6.4 31.0 15.0 50.0 33.5血红蛋白血红蛋白的四级结构的四级结构 血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 小小 结结五、蛋白质的分类五、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
38、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六、蛋白质组学六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的一种基因组所表达的全套蛋白质全套蛋白质”。疯牛病中的蛋白质构象改变间形成氢键保持螺旋结构稳定。*根据蛋白质形状一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础精氨酸 arginine Arg R 10.蛋白质的分离、纯化与结构分析N 末端：多肽链中有自由氨基的一端Frederick Sanger*分子伴侣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
39、用。蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。-转角(-turn)双向电泳分离样品蛋白质相邻螺旋之间通过肽键上的酰基氧与亚氨基氢The Physical and Chemical Characters of Protein蛋白质分离常用的层析方法单肽链蛋白质构成的最高级结构，包括主链和侧链构象，所有原子呈区域化分布，从伸展程度上讲紧密性更强Herbert Boyer*盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。Herbert Bo
40、yer（二）蛋白质组学研究技术平台（二）蛋白质组学研究技术平台 蛋白质组学是高通量，高效率的研究蛋白质组学是高通量，高效率的研究:双向电泳分离样品蛋白质双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点的定位、切取蛋白质点的定位、切取 蛋白质点的质谱分析蛋白质点的质谱分析 （三）蛋白质组学研究的科学意义（三）蛋白质组学研究的科学意义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第第 三三 节节（一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构一、蛋白质一级结构是高级结构是高级结构与功能的基
41、础与功能的基础牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 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（二）（二）剩剩2-10 丧失活性丧失活性 活性仍活性仍100（三）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级（三）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能结构与功能（四）（四）氨基酸序列提供重要的生物化学信息氨基酸序列提供重要的生物化学信息（五）（五）一级结构中一级结构中“关键关键”部位不同，其生物学活性也部位不同，其生物学活性也改变，有时可能导致疾病的发生改变，有时可能导致疾病
42、的发生例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146)这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。（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 二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系 目目 录录血红素结构血红素结构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结合后称为氧合结合后称为氧合Hb。氧合。氧合Hb占总
43、占总Hb的百的百分数（称百分饱和度）随分数（称百分饱和度）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蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。能的变化，称为变构效应。*协同效应协同效应(cooperat
44、ivity)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，称为协同效应。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如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity)（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：若蛋白质的折叠发生蛋白质构象疾病：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
45、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：有些蛋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：人纹状体脊髓变性病、老这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病中的蛋白质构象改
46、变疯牛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含在某种未知蛋白质的作用下可转变成含-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四节第四节蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters of Protein（一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的两性电离 蛋白
47、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，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pHpH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。*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，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。称为蛋白质的等电点。（二）蛋白质的胶体性质（二）蛋白质的胶体性质 蛋白
48、质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。，为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜+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+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（三）蛋白质的变性、沉
49、淀和凝固（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固 *蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的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。物活性的丧失。造成变性的因素造成变性的因素如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、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，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结
50、构。质的一级结构。变性蛋白的特征变性蛋白的特征理化性质的改变理化性质的改变如：溶解度降低，黏度增加，失去结晶能如：溶解度降低，黏度增加，失去结晶能力，易被蛋白酶水解等力，易被蛋白酶水解等生物活性的丧失生物活性的丧失如：酶的催化活性；激素的调节作用；抗如：酶的催化活性；激素的调节作用；抗原原-抗体的特异性反应；血红蛋白的运氧抗体的特异性反应；血红蛋白的运氧能力等能力等 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。
