蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第1章StructureandFunctionofProtein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。蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：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％。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護(hù)作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲運動與支持作用參與細(xì)胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3.氧化供能蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘。

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測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：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點一、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）。（一）命名以羧酸為母體，碳原子的位次以阿拉伯?dāng)?shù)字或希臘字母α、β、γ、δ、ε（二）結(jié)構(gòu)特點均為α-氨基酸不同氨基酸的側(cè)鏈（R)不同，故α碳原子為手性碳。CCOOHHRH2NCCOOHRNH2HL-α-氨基酸D-α-氨基酸H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H非極性氨基酸不帶電荷的極性氨基酸芳香族氨基酸帶正電荷的堿性氨基酸帶負(fù)電荷的酸性氨基酸（二）氨基酸的分類1.非極性氨基酸2.不帶電荷的極性氨基酸3.芳香族氨基酸4.帶正電荷的堿性氨基酸5.帶負(fù)電荷的酸性氨基酸其它分類也能體現(xiàn)氨基酸的性質(zhì)如亞氨基酸（環(huán)狀）—Pro含硫氨基酸—Cys

（巰基氨基酸）、Met

羥基氨基酸—Tyr、Ser、Thr芳香族氨基酸—Trp、Tyr、Phe羥基的磷酸化與去磷酸化調(diào)節(jié)如紫外線吸收性質(zhì)CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。

等電點(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及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子（二）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)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收（三）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。例：法醫(yī)采集指紋四、蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成的多肽鏈肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽

(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-羧基的一端多肽鏈有兩端：多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。N末端C末端牛核糖核酸酶（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+1、巰基的還原性2、巰基的嗜核特性（致癌劑、藥物）

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:

高級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)定義:蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義:

主要的化學(xué)鍵：氫鍵

參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。相鄰2肽單元（肽鍵平面）的相對空間位置Cα1OHNCoψ酰胺平面-1酰胺平面-2OHNCoCα3Cα2RH

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)

-螺旋

左手/右手α-螺旋

蛋白質(zhì)α-螺旋結(jié)構(gòu)特點是蛋白質(zhì)的一種二級結(jié)構(gòu)1、其骨架：為N-C-C重復(fù)單位構(gòu)成的一條右旋的肽鏈，以肽鍵平面為單位，以α-碳原子為轉(zhuǎn)折點。2、螺圈：每3.6個氨基酸螺旋上升一圈螺距：0.54nm3、各氨基酸殘基的側(cè)鏈均伸向螺旋外部4、靠主鏈內(nèi)氫鍵維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（3）

折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)①肽段折紙狀、鋸齒狀，相對伸展。

-折疊結(jié)構(gòu)要點：2、

-折疊(

-pleatedsheet)②幾個肽段順向平行、反向平行(0.70nm)，形成

-片層。③維持因素：氫鍵。④R基團(tuán)的位置：鋸齒的上下方。（四）

-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。①180度的回折②通常由4個連續(xù)的氨基酸③第二個氨基酸通常為脯氨酸④維系鍵：氫鍵三、在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上多肽鏈進(jìn)一步折疊形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的化學(xué)鍵:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。定義:（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置

肌紅蛋白(Mb)N端C端纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)定義肽鍵氨基酸殘基基本單位主要鍵備注肽單元整條肽鏈亞基氫鍵疏離氫Van疏離氫結(jié)構(gòu)域亞基蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次比較四、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)根據(jù)蛋白質(zhì)的功能：活性蛋白質(zhì)非活性蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)1、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能胰島素氨基酸殘基序號A5A6A10B30人ThrSerIleThr豬ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla馬ThrSerIleAla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)HbSβ肽鏈HbAβ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”。(1)將A鏈N端的第1個氨基酸殘基切去，其活性只剩2％～10％，再將第2～4位氨基酸殘基切去，其活性完全喪失。(2)

將A、B兩鏈間的二硫鍵還原，A、B兩鏈即分離，胰島素的功能完全消失。(3)

將B鏈第28～30位氨基酸殘基切去，其活性仍能維持100%。胰島素一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系(依賴)肌紅蛋白(myoglobin，Mb)

肌紅蛋白是一個只有三級結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段α-螺旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側(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。血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結(jié)構(gòu)，每個亞基可結(jié)合1個血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。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)合肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線第一個氧分子與Fe2+結(jié)合Fe2+半徑變小，進(jìn)入卟啉平面牽動F8組aa殘基牽動其它亞基←Hb由T型變R型←第二亞基結(jié)合氧的速度↑第三亞基結(jié)合氧的速度↑↑第四亞基結(jié)合氧的速度↑↑↑Hb結(jié)合氧的過程：（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧O2Hb未結(jié)合O2時，4個亞基結(jié)構(gòu)緊密,稱緊張態(tài)(T態(tài))。隨著O2

的結(jié)合,空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)相對松弛，稱松弛態(tài)(R態(tài))。T態(tài)對氧親和力低,R態(tài)對氧親合力高，是Hb結(jié)合O2

的形式。肺毛細(xì)血管O2

分壓高,促使T態(tài)轉(zhuǎn)變成R態(tài),組織毛細(xì)血管,O2

分壓低,促使R態(tài)轉(zhuǎn)變成T態(tài)。

變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為變構(gòu)效應(yīng)。（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)生錯誤，盡管其一級結(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)重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，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、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-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β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變第4節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及其分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurification

ofProtein一、蛋白質(zhì)的理化性質(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，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)（一）兩性解離及等電點一、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，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達(dá)1～100nm，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:+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(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（三）蛋白質(zhì)的變性與沉淀在某些理化因素作用下，蛋白質(zhì)中維系其空間結(jié)構(gòu)的次級鍵斷裂，使其空間結(jié)構(gòu)遭受破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。蛋白質(zhì)的變性(denaturation)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):——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用舉例:臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。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。

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)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性(renaturation)。

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，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(proteincoagulation)（四）蛋白質(zhì)的光譜吸收與呈色反應(yīng)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波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。1.蛋白質(zhì)的光譜吸收蛋白質(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)可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。茚三酮反應(yīng)(ninhydrinreaction)雙縮脲反應(yīng)(biuretreaction)2.呈色反應(yīng)二、蛋白質(zhì)的分離和純化鹽析(saltprecipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。有機(jī)溶劑沉淀改變蛋白質(zhì)的溶解度應(yīng)用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達(dá)到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。透析(dialysis)超濾法利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。根據(jù)蛋白質(zhì)分子大小不同離心凝膠過濾層析根據(jù)蛋白質(zhì)分子大小不同根據(jù)蛋白質(zhì)電荷性質(zhì)離子交換層析電泳三、利