1、第一章蛋白质的结构与功能,protein Pro, Pr, P,蛋白质是生物体的基本组成成分之一，几乎参与了生命活动的所有过程。,含量：约占固体成分的近1/2（45%） 种类：一个真核细胞达数千种，每一种 均有其特定的结构与功能,分布广,第一节 蛋白质的分子组成,碳、氢、氧、氮 、硫 （ C、H、O、N、S ） 以及磷、 铁、 铜、 锌、 碘、 硒,一，元素组成:,蛋白质平均含氮量（N%）：16%, 蛋白质含量=含氮克数6.25（凯氏定氮法）,氨基酸的通式,一，基本组成单位氨基酸 (amino acid, AA),参与编码蛋白质的基本氨基酸，只有20种。,1. 20种AA中除Pro外，与羧基相
2、连的-碳原子上都有一个氨基，因而称-氨基酸。2. 不同的-AA，其R侧链不同。氨基酸R侧链对蛋白质空间结构和理化性质有重要影响。3.除Gly的R侧链为H原子外，其他AA的-碳原子都是不对称碳原子，可形成不同的构型，因而具有旋光性。,氨基酸的分类,按侧链的结构和理化性质可分为： 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,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 phenyl
3、alanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,支链氨基酸,亚氨基酸,芳香族氨基酸,吡咯烷环-杂环氨基酸,色氨酸 tryptophan Trp W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Tyr 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,含酰胺基氨基酸,苯丙氨酸 phen
4、ylalanine Phe F 5.48,芳香族氨基酸,吲哚环-杂环氨基酸,羟基氨基酸,含硫氨基酸,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 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,-胍基,咪唑基杂环氨基酸,1968年美国Dudrick，在研究人体营养学工作中，利用结晶氨基酸配出了氨基酸输液，挽救了很多病人的生命。因此氨基酸营养输液是继“疫苗”、“维生素”、“抗生素”之后，被誉为二
5、十世纪医疗史上的四个里程碑。,我国氨基酸类药物的发展1953年药典，1960年药典都为0；1977年药典为4种；1985年药典为3种；1990年药典为5种；1995年药典为12种；1998年增补版药典为26种；2000年药典原料药22种，制剂4种。,氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,在某一溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，呈电中性，此时该溶液的pH值即为该氨基酸的等电点 (isoelectric point，pI )。,含有共轭双键的芳香族氨基酸 Trp, Tyr 的最大吸收峰在280nm波长附近。,2. 紫外吸收性质,该蓝紫色化合物在570nm波长处有最大吸收，可用
6、于氨基酸的定量分析。,3. 茚三酮反应,蓝紫色化合物,三、 肽与肽键 (peptide and peptide bond),二肽,寡肽；多肽; 蛋白质。,肽键,氨基酸残基 (residue),四、生物活性肽 (bioactive peptide),谷胱甘肽 （glutathione, GSH）多肽类激素 如催产素、加压素、血管紧张素、促肾上腺皮质激素、促甲状腺素释放激素、促性腺激素释放激素等神经肽（neuropeptide） 如脑啡肽、 -内啡肽、强啡肽、孤啡肽、P物质、神经肽Y等,第二节 蛋白质的分子结构,蛋白质是氨基酸通过肽键相连形成的具有三维结构的生物大分子。一般将蛋白质分子的结构分为四
7、个层次来学习。,Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,一、蛋白质的一级结构(primary structure),蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。主要化学键是肽键，有的还包含二硫键。,二、蛋白质的二级结构(secondary structure),蛋白质二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽单元，各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则或无规则的构象，如-螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲等。蛋白质二级结构一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。,二级结构的主要结构单位肽单元（peptide unit）二级
8、结构的主要化学键 氢键 (hydrogen bond), 多个肽平面通过C的旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。,-helix, 主链螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm。肽平面和螺旋长轴平行。,-helix, 相邻两圈螺旋之间借肽键中羰基氧 (CO)和亚氨基氢(NH)形成许多链内氢键，即每一个氨基酸残基中的亚氨基氢和前面相隔三个残基的羰基氧之间形成氢键，这是稳定-螺旋的主要化学键。,-helix, 肽链中氨基酸残基侧链R基，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷均会影响-螺旋的形成。,-helix,是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成锯齿状，相邻肽平面间呈110角。依靠
9、两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的羰基氧与亚氨基氢形成氢键，使构象稳定。也就是说，氢键是稳定-折叠的主要化学键。,-pleated sheet,两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从N端到C端是同方向的，后者是反方向的。-折叠结构的形式十分多样，正、反平行还可以相互交替。平行的-折叠结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的-折叠结构，则间距为0.7nm。,氨基酸残基的侧链R基分布在片层的上方或下方。,turn,蛋白质分子中，肽链经常会出现180的回折，在这种回折角处的构象就是-转角(-turn)或称-折角(-bend)。-转角中，第一个氨基酸残基的羰基氧与第四个残基的亚氨
10、基氢形成氢键，从而使结构稳定。,氢键,random coil,无规卷曲泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠或螺旋的多肽区段。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的。这些“无规卷曲”也像其它二级结构那样是明确而稳定的结构，但是它们受氨基酸残基侧链R基相互作用的影响很大。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位。,模体是具有特殊功能的超二级结构,在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。,二级结构组合形式主要有3种：， 。,许多蛋白质分子中可以有二个或三个具有二级结构的肽段，在空间
11、位置上相互接近，形成特殊的空间结构，称其为“模体”（motif）。,模体是具有特殊功能的超二级结构,三、蛋白质的三级结构(tertiary structure),蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上,由于氨基酸残基侧链R基的相互作用进一步盘曲或折迭而形成的特定构象。也就是整条多肽链中所有原子或基团在三维空间的排布位置。,肌红蛋白 (myoglobin, Mb)一条长为153个氨基酸的多肽链和一个血红素辅基组成。共有8段-螺旋结构(A-H）功能: 储存O2,蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键，包括氢键、盐键、疏水键以及范德华力等。此外， 某些蛋白质中二硫键也起着重要的作用。,二硫键,
12、结构域(domain):大分子蛋白质三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，各自折叠得较为紧密，并且行使各自的功能。,四、蛋白质的四级结构（quaternary structure）,亚基(subunit)：由一条多肽链缠绕形成的具有独立三级结构的蛋白质。,血红蛋白四级结构示意图,主要稳定因素： 氢键、离子键,由两个或两个以上亚基之间彼此以非共价键相互作用形成的更为复杂的空间构象，称为蛋白质的四级结构。,蛋白质的结构,按组成成分： 单纯蛋白（仅含氨基酸） 结合蛋白（单纯蛋白+辅基） 按形状分： 球蛋白 纤维蛋白,五、蛋白质的分类,第三节 蛋白质结构与功能的关系,一、蛋白质的一级结构与功
13、能的关系,蛋白质一级结构是空间结构的基础 蛋白质的一级结构决定蛋白质空间结构，进而决定蛋白质的生物学功能。,2. 相似的一级结构有相同或相似的生物学功能,B30,B30,B30,镰刀状红细胞性贫血:亚基N端的第6位氨基酸残基发生了改变，GluVal,这种变异来源于基因上遗传信息的突变。,正常 DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA N端 Ser Pro Glu Glu Lys,异常 DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA HbS N端 Ser Pro Val Glu Ly
14、s,分子病：蛋白质分子发生变异所导致的疾病,3. 一级结构关键部位的改变影响其生物学活性,镰刀型红细胞,正常红细胞,二、蛋白质空间结构与功能的关系,肌红蛋白（myoglobin,Mb）单体，153AA,血红蛋白（hemoglobin , Hb）四聚体， 22 (22, 22): 141AA, (,): 146AA,Mb与Hb氧合曲线的比较,氧饱和度= 100% Mb与氧气有着高度亲和力，其曲线为双曲线。 与Mb相比， Hb与氧气的亲和力较低。其曲线为S形曲线，表明Hb中各个亚基与氧气的亲和力不一致。 Hb中第一个亚基与氧气结合后，将促进后续亚基与氧气的结合。这是由Hb的变构效应导致的。其作用在
15、于使Hb能够更有效地运输氧气。,MbO2,MbO2+Mb,1 mmHg,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沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样沉淀的病理改变。,这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症（阿尔兹海默病）、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,蛋白质折叠病,疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的具有传染性、遗传性的神经退行性病变。 正常PrP水溶性强、对蛋白酶
16、敏感，含有多个-螺旋，称为PrPC。 PrPC通过某种机制可转变成全为-折叠的PrP(称为PrPSC)。 PrPSC水溶性差、对蛋白酶耐受、热稳定、而且可以传染给其他个体，并致使其他个体中正常的PrPC通过某种机制重新折叠成PrPSC。而PrPSC可以相互聚集，形成淀粉样沉淀而致病。,疯牛病中的蛋白质构象改变,蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质,一、蛋白质的理化性质,第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化,一部分与氨基酸相似，如两性电离及等电点、紫外吸收、呈色反应等。,也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶体性质、沉淀、变性和凝固等。,蛋白质的两性电离及等电点,蛋白质的等电点（pI
17、）,在某一溶液中，蛋白质所带正负电荷相等，净电荷为零时，此时该溶液的pH值即为该蛋白质的等电点 (isoelectric point，pI )。,蛋白质的胶体性质,蛋白质分子量颇大，可自一万至百万之巨，故其分子的大小已达到胶粒1100nm范围之内。因此蛋白质溶液具有胶体溶液的性质。稳定该亲水胶体的因素是：,水化膜、颗粒表面电荷。,天然蛋白质在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，称为蛋白质的变性作用(denaturation)。变性主要是二硫键及非共价键的断裂，并不涉及一级结构氨基酸序列的改变。,蛋白质的变性-吴宪最早提出,溶解度降低、溶液的
18、粘滞度增高、不容易结晶、易被酶消化。,蛋白质的沉淀,蛋白质变性后，疏水基团暴露，相互之间容易聚集而发生沉淀。值得注意的是，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,引起蛋白质变性的因素： 物理因素：加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线 照射、超声波的作用等 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、尿素、重金属盐、 生物碱试剂、表面活性剂 (如SDS) 等,蛋白质变性的应用：利用：高温、高压灭菌利用：低温保存酶、疫苗等，防止蛋白质变性。,变性并非是不可逆的变化，当变性程度较轻时，如去除变性因素，有的蛋白质仍能恢复或部分恢复其原来的构象及功能，变性的可逆变化称为复性（renaturation）。,蛋白质的吸收光谱
19、及几种呈色反应,蛋白质的特征紫外吸收光波长280nm （主要是Trp、Tyr的贡献）,2. 呈色反应常可用于蛋白质定量,双缩脲反应(Biuret Reaction)两个或两个以上的肽键在碱性条件下与Cu2+反应生成紫红色物质Folin-酚试剂反应蛋白质分子中的Tyr在碱性条件下与酚试剂生成蓝色化合物茚三酮反应蛋白质分子中的游离氨基和羧基与茚三酮加热生成蓝紫色化合物,盐析（salt precipitation）：中性盐（硫酸铵等），分段盐析有机试剂沉淀：乙醇、丙酮，低温 免疫沉淀：抗原-抗体,电泳(electrophoresis) :pI分子量的大小,透析（dialysis）： 半透膜,层析（c
20、hromatography）：离子交换层析、亲和层析、凝胶柱层析,离心、超速离心(ultracentrifugation)：沉降系数S,蛋白质的分离和纯化,盐析,将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐加入蛋白质溶液中，中和蛋白质颗粒表面所带的电荷，破坏其水化膜，导致蛋白质在水溶液中的稳定因素被去除而沉淀。,电泳,带电荷的蛋白质等质点能够在电场中向相反的方向泳动，称为电泳。藉此可以使蛋白质等得到分离。,透析技术,层析chromatography 凝胶柱层析 离子交换层析 亲和层析,超速离心,小结,氨基酸的结构通式氨基酸的分类氨基酸的连接方式蛋白质的结构(14)、稳定的作用键氨基酸和蛋白质的理化性质,思考题:1.蛋白质的元素组成、基本组成单位，氨基酸成肽的连接方式；熟悉氨基酸的通式与结构特点；2.蛋白质14级结构的定义及维系这些结构稳定的作用键3.蛋白质二级结构的基本形式？4.举例说明蛋白质一级结构与功能的关系。5.什么是蛋白质的变性？哪些因素可引起蛋白质的变性？变性蛋白质的性质发生了哪些变化？,复习要点,
