1、蛋白质结构与功能的多样性,山西大学生物技术研究所 李玉英,Diversity of Structure and Function of Protein,问题讨论： 1.你能够说出多少种富含蛋白质的食品？2.为什么有些食品中要添加某些氨基酸？3.你知道蛋白质在生命活动中的主要作用有哪些？,当你购买某些食品时,包装上常附有食品成分说明.你会发现蛋白质是许多食品的重要成分,有时还会添加某些氨基酸的食品.,一、什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,二、蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重
2、要组成成分分布广：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：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,(1) 构成细胞和生物体的重要物质（结构蛋白）例：肌肉的收缩蛋白，生物膜系统中的蛋白，头发，蛛丝和蚕丝等 图,2. 蛋白质功能的多样性,The protein keratin is the chief structural components of hair, scales, horn, wool, nails and feathers.,(2) 参与生物体内的各种生理功能（功能蛋白）,催化功能：如细胞内的化学反
3、应离不开酶的催化。而绝大多数酶是蛋白质 图免疫功能：有些蛋白质有免疫功能。 如抗体，纤维蛋白，凝血酶，蛇毒，细菌毒素， 植物毒蛋白,Chymotrypsin with its active site,Fireflies emit light catalyzed by luciferase with ATP,血红蛋白： 运输氧 血浆脂蛋白：运输各种脂类运铁蛋白： 运输铁离子清 蛋 白： 与多种微溶物质结合形成 复合物后运输,运输功能：,肌红蛋白和血红蛋白,Erythrocytes contain a large amount of hemoglobins, the oxygen-transpor
4、ting protein.,能量和营养物质的贮存,植物种子和动物卵：铁蛋白,运动功能,肌肉收缩和细胞的游动：actin and myosin微管蛋白：Tubulin 动力蛋白：dynein,传递神经冲动,视紫红质 Rhodopsin ，乙酰胆碱 Acetylcholine,Acetylcholine and its receptor,参与物质代谢调控：蛋白激酶A,蛋白激酶C,磷酸化酶a,钙调蛋白,G蛋白,腺苷酸环化酶等。参与生理功能调控：多种生长因子，如表皮生长因子等蛋白质类激素，如胰岛素等。参与基因调控： 组蛋白、非组蛋白、阻遏蛋白、基因激活蛋白等。,调控功能：,其他功能,抗冻蛋白：南极鱼
5、防卫和开发作用的一些蛋白 ：溶血蛋白和神经毒蛋白 特殊的热稳定蛋白 ：Taq 酶,总之，一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者,三. 蛋白质的分子组成（The molecule composition of protein）,元素组成：,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 。,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，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：,100克样品中蛋白质的含量 ( g % )= 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%, 蛋白质元素组成的特点,
6、. 氨基酸 组成蛋白质的基本单位,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（甘氨酸除外）。,非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸,（一）氨基酸的分类,* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.
7、30,非极性疏水性氨基酸,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 极性中性氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K
8、 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 碱性氨基酸,侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。,侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。,几种特殊氨基酸,脯氨酸（亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,（二）氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,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。,等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH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，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pH=pI,pHp
9、I,pH GTA(Val),分子进化,细胞色素c 是由104个氨基酸组成的蛋白质。比较50种不同的生物，发现由35个是保守的。凡与人类亲缘关系越远的生物，其氨基酸顺序与人类的差异越大。,从细胞色素c的一级结构看生物进化,蛋白质前体的激活,一些蛋白质或酶在细胞中首先合成(翻译)的是其前体,在成为有功能的蛋白质或酶之前需要激活. 例如,胰岛素(insulin ).的前体是胰岛素原(proinsulin),要在切除C肽之后才转变为活性的胰岛素,胰岛素原的一级结构,蛋白质的正确折叠与分子伴侣,多肽链的特定空间结构是其功能的保证。肽链的正确折叠或者亚基的装配常常需要由一些蛋白质，例如热激蛋白（Heat
10、shock protein , Hsp）和某些酶的帮助，并且消耗ATP。但是，这样的蛋白质与酶并不加入到最终的折叠产物或装配复合物中。它们被称为分子伴侣（molecular chaperone）。,分子伴侣,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。,* 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，使肽链正确折叠。,* 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,* 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。,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
11、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。,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：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、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。,疯牛病病牛的海绵样脑组织,疯牛病(BSE)可能是由于
12、朊蛋白（Pron protein，PrP）的错误折叠引起的,肌红蛋白（myoglobin）,是由一条肽链和一个血红素辅基组成的结合蛋白，是肌肉内储存氧的蛋白质，它的氧饱和曲线为双曲线型。,血红蛋白（hemoglobin）,是由含有血红素辅基的4个亚基组成的寡聚蛋白。血红蛋白负责将氧由肺运输到外周组织，它的氧饱和曲线为S型。,肌红蛋白和血红蛋白,Hb与Mb一样能可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合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。,血红蛋白的构象变化与结合氧,血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线,与肌红蛋白相比，血红蛋白的多个亚基之间的相互作用使其与氧的结合能力
13、总体上削弱了（氧合曲线右移,由双曲线转变成S形曲线），但是赋予了其新的能力 可以容易地将其结合的氧从氧分压高的组织（肺泡）向氧分压低的组织（肌肉）输送和转移。,* 协同效应(cooperativity),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),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。,蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能,变构作用（
14、Allosteric effect ）是指效应剂（变构剂）作用于多亚基的蛋白质或酶的某个亚基后，导致其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，结果是蛋白质或酶的生物活性的变化。可能是变构激活，也可能是变构抑制。血红蛋白中的4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，从而改变了其他亚基与氧的结合能力。（邮票模型）,氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的8对离子键相继断开，从比较紧凑的T构象转变为比较松弛的R构象。,煤气中毒的机制,一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的C
15、O即可完全抑制血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。,蛋白质的理化性质与分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白质的两性电离,一、理化性质,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条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( isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某
16、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。,（二）蛋白质的胶体性质,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。,* 蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固,* 蛋白质的变性(denaturation)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。,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 。,应用
17、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。,若蛋白质变性程度较轻，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) 。,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,蛋白质一级结构的测定,1.测定多肽链的数目（N-末端分析法）；2.断裂二硫键，拆分多肽链；3.分析每一条多肽链的氨基酸组成；4.测定多肽链的N-末端和C-末端氨基酸；5.裂解多肽链成较小的片段，并分离各个小片段；6.测定各小肽段的氨基酸序列；7.重建完整多肽链的一级结构；8.
18、确定二硫键的位置。,The amino acid sequence of short polypeptide chains can be determined by chemical methods.,Sanger worked out the first amino acid sequence of a peptide (bovine insulin) in 1953.He accomplished this by using 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene(1- 氟-2，4-硝基苯）to react with the N-terminal residues of c
19、leaved short peptides. 100 g of insulin were consumed over ten years to determine the sequence. The peptide chains were cut into 150 fragments of different lengths. He was awarded the Nobel Prize in 1958 in chemistry for this breakthrough invention.,测定肽链氨基酸序列的其他方法,1.酶解法：原理：利用肽链外切酶或称外肽酶（exopeptidase）
20、，如氨肽酶和羧肽酶，从肽链的N-末端或C-末端向内逐个地水解，测定被释放的氨基酸，即可确定肽链的氨基酸序列。2.质谱法（MS）： 串联质谱法是近年来发展的方法，其特点是快速，简便、灵敏度高、所需样品少。其缺点是目前还限于测定较短的肽链，一般不超过15个氨基酸。再者仪器设备价格较高。3.根据DNA的序列推定法： 根据中心法则，核酸的线性核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列。,通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列,按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列,分离编码蛋白质的基因,测定DNA序列,排列出mRNA序列,蛋白质序列数据库,Thousands of sequences have been reveal
21、ed and stored in computerized databases . for example: PIR(Protein Information Resource ), (USA); EMBL(European Molecular Biology Laboratory Data Bank); Gen Bank(Gene Sequence Data Bank).2. The amino acid sequences of proteins provide important biochemical information (application of bioinformatic tools). A newly revealed amino acid sequence (of well studied or unknown proteins) is usually compared with a large bank of stored sequences. Sequence similarity usually reveals functional relatedness.,
