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1、第一章 蛋白质的结构与功能第1页/共84页蛋白质（protein）是一类生物大分子，在细胞中含量丰富、种类繁多，约占细胞干重的70%以上。蛋白质在生物体内分布广泛，是一切生命活动的物质基础。生物物种的种类、新陈代谢的类型和各种生命现象都是通过蛋白质来实现的。因此，蛋白质被称为“功能分子”，不同蛋白质的功能不同，蛋白质的功能由其结构所决定。第2页/共84页蛋白质功能 人体几乎所有生命活动均离不开蛋白质，蛋白质是细胞的主要 组成成分，并参与各种代谢过程的调节。1.结构蛋白 肌肉蛋白 结缔组织中的胶原蛋白 2.活性蛋白 酶、抗体（免疫球蛋白）生长因子 转运蛋白 蛋白激素等等第3页/共84页第一节 蛋
2、白质的基本结构与功能第4页/共84页一、蛋一、蛋 白白 质质 的的 分分 子子 组组 成成The Molecular Component of Protein 第5页/共84页 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有些蛋白质含有少量磷磷或金属元素或金属元素铁、铁、铜、锌、锰、钴、钼铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘。第6页/共84页 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。由由于于体体内内的的含含氮氮物物质质以以蛋蛋白白质质为为主主，因因此此，只只要要测测定定生生物物样样品品中中的的含含氮氮量量，就就可可以以
3、根根据据以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 6.251001/16%蛋白质元素组成的特点第7页/共84页二、氨基酸 组成蛋白质的基本单位存存在在自自然然界界中中的的氨氨基基酸酸有有300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸仅仅有有20种，且均属种，且均属 L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。第8页/共84页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R第9页/共84页氨基酸的分类 分为4 4类 1.中性非极性 AAs 8个
4、2.中性极性 AAs 7个 3.酸性极性 AAs 2个(谷氨酸、天冬氨酸）4.碱性极性 AAs 3个（赖、精、组）第10页/共84页甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸目 录第11页/共84页色氨酸色氨酸 trypto
5、phan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602.极性中性氨基酸极性中性氨基酸目 录第12页/共84页天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3
6、.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 7.593.酸性氨基酸酸性氨基酸4.碱性氨基酸碱性氨基酸目 录第13页/共84页 氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点两性解离及等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)在在某某一一pH的的溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼兼性性离离子子，呈
7、呈电电中中性性。此此时时溶溶液液的的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。第14页/共84页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第15页/共84页2.紫外吸收紫外吸收 色氨酸、酪氨酸的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大大多多数数蛋蛋白白质质含含有有这这两两种种氨氨基基酸酸残残基基，所所以以 测测 定定 蛋蛋 白白 质质 溶溶 液液280nm的的光光吸吸收收值值是是分分析析溶溶液液中中蛋蛋白白质质含含量量的的快速简便的方法。快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收第16页/共8
8、4页3.茚三酮反应茚三酮反应 氨氨基基酸酸与与茚茚三三酮酮水水合合物物共共热热，可可生生成成蓝蓝紫紫色色化化合合物物，其其最最大大吸吸收收峰峰在在570nm处处。由由于于此此吸吸收收峰峰值值与与氨氨基基酸酸的的含含量量存存在在正正比比关系，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。第17页/共84页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。二、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。第18页/共84页*肽肽键键(peptide bond)是是由由一一个个氨氨
9、基基酸酸的的-羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的-氨氨基基脱脱水水缩缩合合而形成的化学键。而形成的化学键。氨基酸的连接方式；第19页/共84页+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键第20页/共84页*肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化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两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨，三分子氨基酸缩合则形成基酸缩合则形成三肽三肽 *由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡寡肽肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连由更多的氨基酸相连形成的肽称形成的肽称多肽多肽(polypeptide)。第21页/
10、共84页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肽链有两端*多多肽肽链链(polypeptide chain)是是指指许许多多氨氨基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。第22页/共84页 目 录第23页/共84页 意义：决定蛋白质的种类和功能；不同蛋白质有不同的一级结构;蛋白质的一级结构决定蛋白质的空间构象；具有类似一级结构的蛋白质具有类似 生物活性，称为同源蛋白;蛋白质的氨基酸序列是由该蛋白质基因的编码序列决定的。第24页/共84页三、蛋白质一级结构和功能的关系某些蛋白质一
11、级结构中有一些特定的序列，能够阻碍蛋白质表现出生物学功能，只有将其删除才能形成有功能的活性蛋白质。有些蛋白质因一级结构序列的改变可能影响蛋白质的正常功能而引起疾病。故蛋白质的一级结构与蛋白质的生物学功能密切相关。第25页/共84页（一）蛋白质的前体与活性蛋白许多活性蛋白质都有一个不具有活性的前体 称 朊。前体需经专一性的蛋白水解酶切除一个或数个肽段，才能转变成具有生物活性的蛋白质。如酶原激活、胰岛素原转变成具有生物活性的胰岛素等。第26页/共84页赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝S SS SS SS S464618183 3甘甘异异缬缬组组丝丝S SS SS
12、 SS S肠激酶肠激酶肠激酶肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶活性中心活性中心活性中心活性中心胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程第27页/共84页（二）蛋白质一级结构与分子进化生物进化不仅表现在生物的外部形态上，也反映在蛋白质结构上。因此，研究蛋白质一级结构的差异，是研究生物进化的重要方法。蛋白质的一级结构，是基因遗传信息表达的产物，在进化过程中，随着基因突变，蛋白质一级结构中氨基酸残基的排列顺序也会发生变化。第28页/共84页 不同种属的生物中具有同一功能的蛋白质，在进化过程中可来自相同的祖先，但存在着种属差异，这是基因在进化过程中趋异突变（
13、divergent mutation）的结果。第29页/共84页 不同蛋白质的进化速率不同，如细胞色素C的单位进化周期为2640万年，血红蛋白仅为580万年。单位进化周期（unit evolution period）指的是蛋白质的进化速率，也就是蛋白质在进化过程中每一个残基变异所需的时间。第30页/共84页（三）蛋白质一级结构与分子病 蛋白质一级结构发生改变，甚至只有一个氨基酸残基发生改变，即可能使蛋白质的生理功能发生改变，严重时可导致疾病。蛋白质一级结构的改变多系基因突变所致。这种由于基因突变而导致蛋白质一级结构改变后表现出生理功能异常，使机体出现的病态现象，称为分子病。第31页/共84页
14、如血红蛋白(Hb)由四个亚基(2、2）组成，链第6位是谷氨酸。如果6位的谷氨酸被缬氨酸取代后，亲水侧链变成疏水侧链，使血红蛋白的溶解度降低，在脱氧情况下易形成纤维状沉淀，导致与氧的亲和力降低，红细胞被扭曲成镰刀状，可塑性降低，细胞容易破裂，导致溶血性贫血，称镰刀型红细胞贫血症。第32页/共84页第二节 蛋白质的空间结构与功能蛋白质的二级结构蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构 第33页/共84页 肽单元 形成空间结构的基础参与肽键的6个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptide unit)。第34页/共84页一、蛋白质的二级结构一、蛋白
15、质的二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链的的局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间间位位置置，并并不不涉涉及及氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链的的构构象象。定义定义 主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 第35页/共84页 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)第36页/共84页（一）-螺旋目 录第37页/共84页-螺旋 特点 R 侧链位于螺旋的外侧每旋转一周包含3.6 AAs 由氢键和上下碱基形成的堆积力
16、维持和稳定空间结构构象。第一个氨基酸羧基上的氧原子与第4 个氨基酸氨基的氢形成氢键。第38页/共84页2.-pleated sheet(-折叠)当不同多肽链或同一多肽链的片段平行排列时，多肽链充分伸展，呈折纸状，每个肽单元以-碳原子为旋转点，依次折叠成锯齿状或片层状的-折叠结构。稳定-折叠的键是 H-键第39页/共84页 第40页/共84页 第41页/共84页3、-转角和无规卷曲-转角转角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。第42页/共84页Motifs-模体(序)在许多蛋白质分子中,可发现由23个二级结构的肽段，在空间上互相接近
17、，形成立体形状具有特殊功能的局部区域，称为模序。一般出现在蛋白质的功能域中（domain）第43页/共84页模体举例-锌指结构和Ca结合蛋白锌指结构由30个氨基酸组成，包括 一个-helix和 2个-pleated sheet2个 半胱氨酸和2个组氨酸形成一个洞穴，通过4个配位键与一个Zn2+相连。常出现于蛋白质的DNA结合功能域第44页/共84页钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结合钙离子的模体合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 第45页/共84页二、蛋白质的三级结构The Tertiary Structure 具有二级结构的多肽链进一步折叠形成蛋白质的三级结构。稳定蛋白质三级结构的化学键包括：氢键、
18、离子键/盐键、疏水键和二硫键等。第46页/共84页 蛋白质的三级结构破坏,蛋白质的功能丧失。对单链蛋白质三级结构就是蛋白质分子的特征性立体结构，具有了蛋白质的特性和功能。而对多链蛋白质来说，具有三级结构的多肽链，称为蛋白质分子的亚基。第47页/共84页 具有三级结构的蛋白质其分子或亚基一般呈似球状、椭球状或纤维状。在球状蛋白质分子表面常出现一个内陷的“洞穴”，是蛋白质与配体结合发挥生物功能的中心部位。第48页/共84页目 录第49页/共84页 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端第50页/共84页 第51页/共84页Domain-结构域某些蛋白质分子中多肽链上相邻的超二级结构可以形成结构比
19、较紧密、稳定和具有不同功能的区域，称为蛋白质的结构域（domains）,第52页/共84页三、蛋白质的四级结构有许多具有生物活性的蛋白质分子由两条或多条多肽链组成，每一条多肽链均具有其完整的三级结构，彼此以非共价键相连。此类蛋白质分子中的每条多肽链称为亚基（subunit），亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布。这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布和相互间的布局称为蛋白质的四级结构（quaternary structure）。第53页/共84页 稳定四级结构的化学键是氢键、离子键等非共价键.如果蛋白质的四级结构破坏，蛋白质的功能丧失。如果构成蛋白质的2个亚基的结构相同，这个蛋白质称为同源二聚体，如
20、果2个亚基的结构不同，称为异源二聚体。第54页/共84页血血红红蛋蛋白白的的四四级级结结构构 第55页/共84页四、蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质空间结构是蛋白质功能的基础。蛋白质严密有序的空间结构遭到破坏，其生理功能也就丧失。现以血红蛋白作用的分子机制为例，阐述蛋白质空间结构与功能的关系。第56页/共84页（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构 目 录第57页/共84页Hb与与Mb一一样样能能可可逆逆地地与与O2结结合合，Hb与与O2结结合合后后称称为为氧氧合合Hb。氧氧合合Hb占占总总Hb的的百百分数（称分数（称百分饱和度百分饱和度）随）随O2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白的构象
21、变化与结合氧 第58页/共84页肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线第59页/共84页*协同效应协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结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，称为合能力的现象，称为协同效应协同效应。如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity)如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应 (negative cooperativity)
22、第60页/共84页第61页/共84页O2血血红红素素与与氧氧结结合合后后，铁铁原原子子半半径径变变小小，就就能能进进入入卟卟啉啉环环的的小小孔孔中中，继继而而引引起起肽肽链链位位置置的的变动。变动。第62页/共84页变构效应变构效应(allosteric effect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应变构效应。第63页/共84页 第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化第64页/共84页 一、蛋白质的理化性质第65页/共84页（一）蛋白质的两性电离 蛋蛋白白质质分分子子除除两两端端的的氨氨基基和和羧羧基基可可解解离离外外，氨氨基基酸酸残残
23、基基侧侧链链中中某某些些基基团团，在在一一定定的的溶溶液液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)当当蛋蛋白白质质溶溶液液处处于于某某一一pH时时，蛋蛋白白质质解解离离成成正正、负负离离子子的的趋趋势势相相等等，即即成成为为兼兼性性离离子子，净净电电荷为零，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。第66页/共84页（二）蛋白质的胶体性质 蛋蛋白白质质属属于于生生物物大大分分子子之之一一，分分子子量量可可自自1万万至至100万万之之巨巨，其其分
24、分子子的的直直径径可可达达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第67页/共84页+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第68页/共84页（三）蛋白质的变性 *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
25、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。第69页/共84页 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构。质的一级结构。第70页/共84页 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
26、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。第71页/共84页若若蛋蛋白白质质变变性性程程度度较较轻轻，去去除除变变性性因因素素后后，蛋蛋白白质质仍仍可可恢恢复复或或部部分分恢恢复复其其原原有有的的构构象和功能，称为象和功能，称为复性复性(renaturation)。第72页/共84页 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，无活性第73页/共84页（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质
27、分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。第74页/共84页二二.蛋白质的分离和纯化（略）蛋白质的分离和纯化（略）1.1.盐析盐析:中性盐可中合蛋白质颗粒表面电荷、破坏中性盐可中合蛋白质颗粒表面电荷、破坏水化膜使蛋白质沉淀。水化膜使蛋白质沉淀。2.2.电泳：电泳：带电颗粒在电场作用下向相反电极移动称带电颗粒在电场作用下向相反电极移动称为电泳。为电泳。3.3.透析透析 4.4.层析层析 5.5.离心离心第75页/共84页 盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质
28、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。第76页/共84页 电泳蛋蛋白白质质在在高高于于或或低低于于其其pIpI的的溶溶液液中中为为带带电电的的颗颗粒粒，在在电电场场中中能能向向正正极极或或负负极极移移动动。这这种种通通过过蛋蛋白白质质在在电电场场中中泳泳动动而而达达到到分分离离各各种种蛋蛋白白质的技术质的技术,称为称为电泳电泳(elctrophoresis)。根根据据支支撑撑物物的的不不同同，可可分分为为薄薄膜膜电电泳泳、凝凝胶电泳等。胶电泳等。第77页/共84页 第78页/共84页（四）层析层析层析(chromatography)分离蛋白质的原理分离蛋白质的原理待分离
29、蛋白质溶液（流动相）经过一个固待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的 。第79页/共84页蛋白质分离常用的层析方法蛋白质分离常用的层析方法*离子交换层析：离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。质不同进行分离。*凝胶过滤凝胶过滤(gel filtration)又称分子筛层析，又称分子筛层析，利利用用各各蛋白质分子大小不同分离。蛋白质分子大小不同分离。第80页/共84页目 录第81页/共84页目 录第82页/共84页本章重点名词：本章重点名词：1.模序（模序（motif)2.结构域结构域(domain)3.蛋白质的等电点（蛋白质的等电点（isoelectric point of protein)4.蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页