蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能2第1頁/共73頁生物分子主要包括：小分子：脂類、磷脂、糖脂、固醇維生素激素、神經(jīng)遞質(zhì)碳水化合物、糖類單體：氨基酸核苷酸磷酸基團(tuán)單糖聚合物：肽、寡肽、多肽、蛋白質(zhì)核酸：DNA、RNA雙糖、寡糖、多糖蛋白質(zhì)和核酸是體內(nèi)主要的生物大分子第2頁/共73頁蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein第3頁/共73頁主要內(nèi)容1、蛋白質(zhì)的分子組成2、蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)3、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系4、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)5、蛋白質(zhì)的分離、純化、結(jié)構(gòu)分析第4頁/共73頁什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。第5頁/共73頁“生命是蛋白體的存在形式，……無論在什么地方，只要我們遇到生命，我們就發(fā)現(xiàn)生命是和某種蛋白體相聯(lián)系的，而且無論在什么地方，只要我們遇到不處于解體過程中的蛋白體，我們也無例外地發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象。”Protein的英文來歷來自希臘字，proteios，意為primary,inthelead,orstandinginfront第6頁/共73頁P(yáng)roteinswererecognizedasadistinctclassofbiologicalmoleculesintheeighteenthcenturybyAntoineFourcroyandothers,distinguishedbythemolecules'abilitytocoagulateorflocculateundertreatmentswithheatoracid.第7頁/共73頁蛋白質(zhì)研究的歷史1833年，從麥芽中分離淀粉酶；隨后從胃液中分離到類似胃蛋白酶的物質(zhì)。1838年，荷蘭化學(xué)家GerardusJ.Mulder及瑞典科學(xué)家J?nsJakobBerzelius引用“Protein”一詞來描述蛋白質(zhì)。Mulderdescribedthechemicalcompositionofprotein.Heclaimedthatalbuminoussubstancesaremadeupofacommonradical,protein,andthatproteinhadthesameempiricalformulaexceptforsomevariationinamountsofsulfurandphosphorus,longbeforethepolymernatureofproteinswasrecognizedafterworkbyStaudingerandCarrothers.Hewasthefirsttousethisname,protein,coinedbyJ?nsJakobBerzeliusinapublication,his1838paper'Onthecompositionofsomeanimalsubstances'.Inthesamepublicationhealsoproposedthatanimalsdrawmostoftheirproteinfromplants.第8頁/共73頁蛋白質(zhì)研究的歷史1851年，血紅蛋白被分離并結(jié)晶。In1851,GermanphysiologistOttoFunkepublishedaseriesofarticlesinwhichhedescribedgrowinghemoglobincrystalsbysuccessivelydilutingredbloodcellswithasolventsuchaspurewater,alcoholorether,followedbyslowevaporationofthesolventfromtheresultingproteinsolution.In1902,EmilFischerandFranzHofmeisterproposedthatproteinsaretheresultoftheformationofbondsbetweentheaminogroupofoneaminoacidwiththecarboxylgroupofanother,inalinearstructurewhichFischertermedpeptide.19世紀(jì)末，EmilFischer證明蛋白質(zhì)由氨基酸組成，并合成了多種短肽。theNobelPrizeinChemistryin1902第9頁/共73頁1951年，LinusCarlPauling發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)研究的歷史In1951,basedonthestructuresofaminoacidsandpeptidesandtheplanarnatureofthepeptidebond,Pauling,RobertCoreyandHermanBransoncorrectlyproposedthealphahelixandbetasheetastheprimarystructuralmotifsinproteinsecondarystructure.theNobelPrizeinChemistryin1954theNobelPrizeinPeacein1962第10頁/共73頁1953年，Sanger完成胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定。蛋白質(zhì)研究的歷史Sanger'sprincipalconclusionwasthatthetwopolypeptidechainsoftheproteininsulinhadpreciseaminoacidsequencesand,byextension,thateveryproteinhadauniquesequence.ItwasthisachievementthatearnedhimhisfirstNobelprizeinChemistryin1958.ThisdiscoverywascrucialforthelatersequencehypothesisofCrickfordevelopingideasofhowDNAcodesforproteins.theNobelPrizeinChemistryin1958theNobelPrizeinChemistryin1980第11頁/共73頁1959年，確定了肌紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)研究的歷史n1959MaxPerutzdeterminedthemolecularstructureofmyoglobin(similartohemoglobin)byX-raycrystallography.ThisworkresultedinhissharingwithJohnKendrewthe1962NobelPrizeinChemistry.TheNobelPrizeinChemistryin1962.第12頁/共73頁20世紀(jì)90年代以后，隨著人類基因組計(jì)劃實(shí)施，功能基因組與蛋白質(zhì)組計(jì)劃的展開，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究達(dá)到新的高峰。蛋白質(zhì)研究的歷史第13頁/共73頁蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)第14頁/共73頁組成蛋白質(zhì)的元素主要有C（50%～55%）、H（6%～7%）、O（19%～24%）、N（13%～19%）、S（0%～4%）有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有碘。第15頁/共73頁

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。

凱氏定氮法：由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測(cè)定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：1/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)*100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×100第16頁/共73頁三聚氰胺含氮量高達(dá)66.6%（含氮量越高意味著能冒充越多的蛋白質(zhì)），白色無味，沒有簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法（要采用“高效液相色譜”去檢測(cè)，是理想的蛋白質(zhì)冒充物。第17頁/共73頁蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性(一廣三多)1、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)。2、種類多：人體有10萬種以上結(jié)構(gòu)和功能各異的蛋白質(zhì)。3、含量多：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80％。第18頁/共73頁成年人體內(nèi)的主要化學(xué)組成物質(zhì)含量（％）水60.0可溶性無機(jī)鹽0.7不溶性無機(jī)鹽5.5蛋白質(zhì)16.0三脂酰甘油（脂肪）13.0膜脂2.5糖類1.5核酸0.2第19頁/共73頁作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用（胰島素、生長(zhǎng)激素）免疫保護(hù)作用（抗體）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)（血紅蛋白、載脂蛋白）運(yùn)動(dòng)與支持作用（肌球蛋白、肌動(dòng)蛋白）參與細(xì)胞間信息傳遞氧化供能（1g,4Kcal）4、功能多（蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能）第20頁/共73頁重要意義蛋白質(zhì)是地球上生物體中的必要組成成分，參與了細(xì)胞生命活動(dòng)的每一個(gè)進(jìn)程！生命的載體，功能的直接執(zhí)行者！第21頁/共73頁蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單體是氨基酸

生物大分子蛋白質(zhì)、核酸都是由基本結(jié)構(gòu)單位組成的多聚體（polymer）；可形成聚合體的基本結(jié)構(gòu)單位稱為單體（monomer）。氨基酸的結(jié)構(gòu)與功能

StructureandFunctionofAminoAcids第22頁/共73頁一、組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸均屬于L--氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-

-氨基酸（甘氨酸除外）*

。第23頁/共73頁

除了20種基本的氨基酸外，近年發(fā)現(xiàn)硒代半胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質(zhì)。硒代半胱氨酸從結(jié)構(gòu)上來看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少數(shù)天然蛋白質(zhì)中，包括過氧化物酶和電子傳遞鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質(zhì)合成時(shí)，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體機(jī)制尚不完全清楚。第24頁/共73頁體內(nèi)也存在若干不參與蛋白質(zhì)合成但具有重要生理作用的L-α-氨基酸，如參與合成尿素的鳥氨酸（ornithine）、瓜氨酸（citrulline）和精氨酸代琥珀酸（argininosuccinate）。第25頁/共73頁L-氨基酸氨基酸中與羧基直接相連的碳原子上有個(gè)氨基，這個(gè)碳原子上連的基團(tuán)或原子都不一樣，稱手性碳原子或不對(duì)稱碳原子，常用C*表示。第26頁/共73頁當(dāng)一束偏振光通過它們時(shí)，光的偏振方向?qū)⒈恍D(zhuǎn)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方向分為左旋（L）和右旋（D），如D-丙氨酸是右旋的和L-丙氨酸是左旋的。而構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸都是L型。手性分子具有旋光性第27頁/共73頁L-甘油醛和L-氨基酸第28頁/共73頁H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H第29頁/共73頁非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進(jìn)行分類*（一）氨基酸的差異在于側(cè)鏈結(jié)構(gòu)R基團(tuán)第30頁/共73頁(1)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸第31頁/共73頁非極性脂肪族氨基酸特點(diǎn)：此類氨基酸有甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和脯氨酸。側(cè)鏈為非極性的疏水基團(tuán)此類氨基酸在水溶液中溶解度小。等電點(diǎn)近中性第32頁/共73頁(2)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸第33頁/共73頁極性中性氨基酸特點(diǎn)：R基團(tuán)：有極性水中溶解度大等電點(diǎn)為近中性第34頁/共73頁(3)側(cè)鏈含芳香基團(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸特點(diǎn)含有苯環(huán)TrpTyr第35頁/共73頁(4)側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)的氨基酸是酸性氨基酸第36頁/共73頁酸性氨基酸特點(diǎn)：含有兩個(gè)羧基；等電點(diǎn)低；在pH7.0時(shí)，酸性第37頁/共73頁(5)側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)的氨基酸屬于堿性氨基酸第38頁/共73頁堿性氨基酸特點(diǎn)：含有氨基，胍基或咪唑基；等電點(diǎn)高；在pH7.0時(shí)，堿性第39頁/共73頁幾種特殊氨基酸

脯氨酸：與一般α-氨基酸不同，沒有自由的α-氨基，它是一種α-亞氨基酸，

后者可以看成是α-氨基酸的側(cè)鏈取代了自身氨基上的一個(gè)氫原子而形成的雜環(huán)結(jié)構(gòu)。

CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2第40頁/共73頁半胱氨酸+

胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3第41頁/共73頁（二）-R基團(tuán)賦予氨基酸不同的極性蛋白質(zhì)中的L--氨基酸依據(jù)極性的分類類別主要氨基酸非極性脂肪族氨基酸甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸極性中性氨基酸絲氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、蘇氨酸酸性氨基酸天冬氨酸、谷氨酸堿性氨基酸賴氨酸、精氨酸、組氨酸第42頁/共73頁重要的L--氨基酸的主要功能特點(diǎn)名稱結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)半胱氨酸氧化狀態(tài)下，多肽鏈中不相鄰的兩個(gè)半胱氨酸通過二硫鍵相連，增強(qiáng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；巰基易與重金屬離子結(jié)合天冬氨酸、谷氨酸攜帶強(qiáng)負(fù)電荷，常位于水溶性蛋白的表面；可結(jié)合帶正電荷的分子或金屬離子苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)大且極性較弱或無極性，常位于水溶性蛋白的內(nèi)部甘氨酸是唯一不存在不對(duì)稱立體結(jié)構(gòu)的氨基酸，有較大的旋轉(zhuǎn)自由度，賦予多肽鏈更多的柔性；是最小的氨基酸，能夠存在于空間致密的蛋白質(zhì)中，如膠原組氨酸咪唑基團(tuán)容易發(fā)生質(zhì)子化，進(jìn)而影響其所在的蛋白質(zhì)構(gòu)象，因此是許多蛋白質(zhì)功能的調(diào)節(jié)機(jī)制異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸均含有較大的疏水側(cè)鏈，其剛性結(jié)構(gòu)特征及疏水相互作用都對(duì)蛋白折疊有重要的影響力，常作為水溶性蛋白的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)賴氨酸、精氨酸有帶正電荷的柔性側(cè)鏈，常作為蛋白的親水表面，且易于結(jié)合帶有負(fù)電荷的其他分子，如DNA甲硫氨酸是多肽鏈生物合成的起始氨基酸；參與體內(nèi)含硫化合物代謝及甲基化反應(yīng)脯氨酸N原子在雜環(huán)中移動(dòng)的自由度受到限制，常位于多肽鏈的轉(zhuǎn)角處絲氨酸、蘇氨酸側(cè)鏈短，所含羥基常作為酶反應(yīng)中的供氫體；親水性強(qiáng)，位于水溶性蛋白表面（三）氨基酸-R基團(tuán)直接影響多肽鏈結(jié)構(gòu)第43頁/共73頁（四）氨基酸的側(cè)鏈可有其他化學(xué)基團(tuán)修飾體內(nèi)常見的蛋白質(zhì)翻譯后發(fā)生化學(xué)修飾的氨基酸殘基常見的化學(xué)修飾種類發(fā)生修飾的主要氨基酸殘基磷酸化絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸N-糖基化天冬酰胺O-糖基化絲氨酸、蘇氨酸羥基化脯氨酸賴氨酸甲基化賴氨酸、精氨酸、組氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸乙酰化賴氨酸、絲氨酸硒化半胱氨酸第44頁/共73頁三、氨基酸及其衍生物具有除形成多肽鏈外的多種重要功能組成蛋白質(zhì)的氨基酸的其他功能及重要衍生物舉例氨基酸名稱重要功能及衍生物甘氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；參加體內(nèi)嘌呤類、卟啉類和肌酸的合成谷氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；其-脫羧產(chǎn)物γ-氨基丁酸亦是重要的神經(jīng)遞質(zhì)色氨酸轉(zhuǎn)化生成重要的神經(jīng)遞質(zhì)5–羥色胺精氨酸產(chǎn)生重要的信號(hào)物質(zhì)一氧化氮（NO）；參加合成尿素的鳥氨酸循環(huán)甲硫氨酸為體內(nèi)的毒物或藥物甲基化代謝提供甲基，起到解毒的作用天冬氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；三羧酸循環(huán)中的重要成分；參加合成尿素的鳥氨酸循環(huán)酪氨酸黑色素組氨酸脫羧形成的組胺具有血管舒張作用，并參與多種變態(tài)反應(yīng)第45頁/共73頁非蛋白質(zhì)組成氨基酸及其衍生物功能舉例氨基酸名稱功能瓜氨酸、鳥氨酸參加體內(nèi)尿素合成同型半胱氨酸轉(zhuǎn)甲基作用的產(chǎn)物β-丙氨酸泛酸（一種維生素）的成分之一L-肉毒堿化學(xué)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)-β-羥--三甲胺丁酸，參加脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)第46頁/共73頁必需氨基酸(essentialaminoacid)：是指人體不能合成或合成速度不能滿足機(jī)體需要，必須從食物中直接獲得的氨基酸。苯丙氨酸、蛋氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸。笨蛋來宿舍晾一晾鞋

條件必需氨基酸是人體內(nèi)可以合成但合成量不能滿足人體需要（特別是嬰幼兒時(shí)期）的氨基酸。（半胱氨酸和酪氨酸）非必需氨基酸(nonessentialaminoacid)第47頁/共73頁四、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)由于所有氨基酸都含有可解離的-氨基和-羧基，因此，氨基酸溶解在水中是一種偶極離子（dipolarion），又稱兩性離子（zwitterion）。其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。

等電點(diǎn)

(isoelectricpoint,pI)

*在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)第48頁/共73頁pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子K1K2第49頁/共73頁甘氨酸的羧基的pK1為2.34，氨基的pK2為9.60，其pI為5.97。R基不解離的氨基酸pI的計(jì)算:pI=1/2(pK1+pK2)第50頁/共73頁R基可解離的氨基酸pI的計(jì)算:若1個(gè)氨基酸有3個(gè)可解離基團(tuán)，寫出它們電離式后取兼性離子兩邊的pK值的平均值，即為此氨基酸的等電點(diǎn)酸性氨基酸的等電點(diǎn)取兩羧基的pK值的平均值堿性氨基酸的等電點(diǎn)取兩氨基的pK值的平均值第51頁/共73頁+H++H++H+K1K2K3A+A0A-A2-2.093.869.82pI=(2.09+3.86)/2=2.97酸性氨基酸pI計(jì)算天冬氨酸第52頁/共73頁K1K2K3A2+A+A0A-+H++H++H+2.188.9510.53pI=(8.95+10.53)/2=9.74堿性氨基酸pI計(jì)算賴氨酸第53頁/共73頁在等電點(diǎn)以上的任何pH,氨基酸帶凈__電荷，在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)向____極移動(dòng)。在等電點(diǎn)以下任何pH,氨基酸帶__電，在電場(chǎng)中向___極移動(dòng)。在一定的pH范圍內(nèi)，氨基酸溶液的pH離等電點(diǎn)越遠(yuǎn)，所攜帶的凈電荷越__（多，少）思考：第54頁/共73頁計(jì)算：一酸性氨基酸，其pK1、pK2、pK3分別是2.19、4.25、9.67，請(qǐng)計(jì)算該氨基酸的等電點(diǎn)。精氨酸的等電點(diǎn)是10.76，已知pK1為2.17，一個(gè)pK值等于9.04，請(qǐng)計(jì)算另一個(gè)pK的值，并說明該值為pK2抑或pK3。第55頁/共73頁（二）可利用氨基酸理化特性對(duì)其進(jìn)行定性定量分析含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)氨基酸與茚三酮試劑發(fā)生呈色反應(yīng)氨基酸與2，4-二硝基氟苯反應(yīng)生成二硝基苯基氨基酸氨基酸與亞硝酸反應(yīng)生成氮?dú)獗訉游鍪氰b定氨基酸及其修飾的經(jīng)典方法第56頁/共73頁（1）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。第57頁/共73頁（2）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍(lán)紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。第58頁/共73頁茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)在法醫(yī)上有著重要的應(yīng)用

指紋鑒定茚三酮氨基酸茚三酮(還原型)醛茚三酮（還原型）藍(lán)色或紫色化合物2第59頁/共73頁（3）氨基酸與酰化試劑反應(yīng)紫外線下強(qiáng)烈的黃色熒光第60頁/共73頁五、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白質(zhì)或活性肽肽鍵(peptidebond)是由一個(gè)氨基酸的-羧基與另一個(gè)氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。（一）氨