1、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系The Relation of Structure and Function of Protein第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第三節(jié)一、蛋白質(zhì)的主要功能分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細(xì)胞中可達(dá)細(xì)胞干重的70%以上。更新快：組織細(xì)胞每天都在不斷地更新。因此，人體必須每天攝入一定量的蛋白質(zhì)，作為構(gòu)成和補(bǔ)充組織細(xì)胞的原料。 （一）蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分（結(jié)構(gòu)蛋白）生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）一、蛋白質(zhì)的主要功能分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸催化

2、功能信息交流免疫功能氧化供能維持肌體的酸堿平衡維持正常的血漿滲透壓（二）蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能（功能蛋白）生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）物質(zhì)運(yùn)輸（二）蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能（功能蛋白）生物化學(xué)二、蛋白質(zhì)執(zhí)行功能的主要方式細(xì)胞免疫系統(tǒng)(一)蛋白質(zhì)與配體的特異性識(shí)別在細(xì)胞表面的分子相互作用引發(fā)免疫反應(yīng)生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）二、蛋白質(zhì)執(zhí)行功能的主要方式細(xì)胞免疫系統(tǒng)(一)蛋白質(zhì)與配體的主要組織相容性復(fù)合體（major histocompatibility complex，MHC） I 型MHC蛋白的結(jié)構(gòu) I 型MHC蛋白的功能生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）主要組織相容性復(fù)合體（majo

3、r histocompatib IgM的五聚體形式IgG的結(jié)構(gòu)(二)蛋白質(zhì)與配體的特異性結(jié)合生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版） IgM的五聚體形式IgG的結(jié)構(gòu)(二)蛋白質(zhì)與配體的特異性結(jié)抗原抗體的特異性結(jié)合生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）抗原抗體的特異性結(jié)合生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)三、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)牛核糖核酸酶A一級(jí)結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)三、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是高級(jí)結(jié)構(gòu)與（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象以及功能也相似。 氨基酸殘基序號(hào)

4、胰島素 A5 A6 A10 A30 人 Thr Ser Ile Thr 豬 Thr Ser Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala 兔 Thr Gly Ile Ser 牛 Ala Gly Val Ala 羊 Ala Ser Val Ala 馬 Thr Ser Ile Ala哺乳類動(dòng)物胰島素A鏈氨基酸序列的差異生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能一級(jí)結(jié)構(gòu)相（三）氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細(xì)胞色素（cytochrome C），比較它們的一級(jí)結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。 細(xì)胞色素C的生物進(jìn)化樹(shù)生物化學(xué)

5、與分子生物學(xué)（第9版）（三）氨基酸序列提供重要的生物進(jìn)化信息一些廣泛存在于生物界的（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽鏈HbA 肽 鏈N-val his leu thr pro val glu C(146) 這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細(xì)胞貧肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu) 四、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版

6、）肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu) 四、蛋白質(zhì)的功能肌紅蛋白(myoglobin，Mb) 肌紅蛋白是一個(gè)只有三級(jí)結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段-螺旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個(gè)丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個(gè)堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結(jié)合，所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分穩(wěn)定結(jié)合。 生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）肌紅蛋白(myoglobin，Mb) 肌紅蛋白是一個(gè)只有三級(jí)血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個(gè)亞基組成的四級(jí)結(jié)構(gòu)，每個(gè)亞基可結(jié)合1個(gè)血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過(guò)8對(duì)鹽鍵，使4個(gè)亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。

7、 生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個(gè)亞基組脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵 生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵 生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合， Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合， Hb與O2結(jié)合后稱為氧合肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）的氧解離曲線生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）的氧解離曲線生物

8、化學(xué)與分子一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。 如果是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)（positive cooperativity）。如果是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)（negative cooperativity）。協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另Hb氧合與脫氧構(gòu)象轉(zhuǎn)換示意生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）Hb氧合與脫氧構(gòu)象轉(zhuǎn)換示意生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動(dòng)。生

9、物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，繼別構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為別構(gòu)效應(yīng)。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）別構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀

10、粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、阿爾茨海默病、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，瘋牛病是由朊病毒蛋白（prion protein, PrP）引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為-折疊的PrPsc，從而致病。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變PrPc轉(zhuǎn)變成PrPsc的過(guò)程生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）瘋牛病是由朊病毒蛋白（prion protein, PrP）蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)Th

11、e Physical and Chemical Characters of Protein第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)The Physical and Chem一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。 當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（isoelectric point, pI）生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)

12、蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。顆粒表面電荷水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1+帶正電荷的蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜+帶正電荷的蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）+帶正電荷的蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷的蛋白三、蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無(wú)序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性

13、的喪失。蛋白質(zhì)的變性（denaturation）生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）三、蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空造成變性的因素:如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。 變性的本質(zhì):破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）造成變性的因素:變性的本質(zhì):破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變 應(yīng)用舉例:臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來(lái)消毒及滅菌。此外, 防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。 生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版） 應(yīng)用舉例:生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋

14、白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性（renaturation） 。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢 天然狀態(tài)，有催化活性非折疊狀態(tài)，無(wú)活性生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版） 天然狀態(tài)，有催化活性非折疊狀態(tài)，無(wú)活性生物化學(xué)與分子生物學(xué)在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。 蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。 蛋白質(zhì)沉淀蛋白質(zhì)的凝固作用（protein coagulation）生物化學(xué)與分子生

15、物學(xué)（第9版）在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集四、蛋白質(zhì)在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的A280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測(cè)定。生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）四、蛋白質(zhì)在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。 蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應(yīng)稱為雙縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來(lái)檢測(cè)蛋白質(zhì)水解程度。五、應(yīng)用蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)可測(cè)定蛋白質(zhì)溶液含量 茚三酮反應(yīng)（ninhydrin react

16、ion）雙縮脲反應(yīng)（biuret reaction）生物化學(xué)與分子生物學(xué)（第9版）蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。 蛋白質(zhì)和多肽蛋白質(zhì)組成的基本單位為L(zhǎng)-氨基酸（甘氨酸除外）。氨基酸通過(guò)肽鍵相連而成肽。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是氨基酸序列。二級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)主鏈局部的空間結(jié)構(gòu)，不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈構(gòu)象。三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈主鏈和側(cè)鏈的全部原子的空間排布位置。四級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)亞基之間的聚合。蛋白質(zhì)空間構(gòu)象與功能有著密切關(guān)系，蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象發(fā)生改變，可導(dǎo)致其理化性質(zhì)變化和生物活性的喪失。分離純化蛋白質(zhì)是研究單一蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的先決條件。通常利用蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，采取不損傷蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的物理方法來(lái)純化蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組成的基本單位為L(zhǎng)-氨基酸（甘氨酸除外）。氨基酸通 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能組成蛋白質(zhì)的氨基酸氨基酸的分類不同氨基酸的差異性具有特征的解離常數(shù)和等電點(diǎn)茚三酮反應(yīng)紫外吸收特性氨基酸通過(guò)肽鍵形成肽或蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu) 氨基酸的排列順序，二硫鍵的位置二級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)主鏈的局部空間結(jié)構(gòu)形式，以氫鍵維持其穩(wěn)定性，模體三級(jí)結(jié)構(gòu) 多肽鏈主鏈和側(cè)鏈全部原子的空間排布位置，次級(jí)鍵維系穩(wěn)定性，Domain四級(jí)結(jié)構(gòu) 多亞基之間的締合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系一級(jí)結(jié)構(gòu)是高級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，維持正確的空間構(gòu)象，蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的