1、蛋白質的結構與功能蛋白質的結構與功能Structure and Function of Protein解 軍山西醫科大學山西醫科大學 基礎醫學院基礎醫學院生物化學與分子生物學教研室生物化學與分子生物學教研室 早在1878年，思格斯就在反杜林論中指出：“生命是蛋白體的存在方式，這種存在方式本質上就在于這些蛋白體的化學組成部分的不斷的自我更新。” 可以看出，第一，蛋白體是生命的物質基礎；第二，生命是物質運動的特殊形式，是蛋白體的存在方式；第三，這種存在方式的本質就是蛋白體與其外部自然界不斷的新陳代謝。現代生物化學的實踐完全證實并發展了恩格斯的論斷蛋白質在生命中的重要性蛋白質在生命中的重要性 1.蛋

2、白質是生物體內必不可少的重要成分蛋白質是生物體內必不可少的重要成分 蛋白質占干重 人體中（中年人） 人體 45% 水55% 細菌 50%80% 蛋白質19% 真菌 14%52% 脂肪19% 酵母菌 14%50% 糖類1% 白地菌50% 無機鹽7% 2.蛋白質是一種生物功能的主要體現者蛋白質是一種生物功能的主要體現者 （1）酶的催化作用 （2）調節作用(多肽類激素) （3）運輸功能 （4）運動功能 （5）免疫保護作用(干擾素) （6）接受、傳遞信息的受體 （7）毒蛋白蛋白質的分子組成The Molecular Component of Protein第第 一一 節節 各種蛋白質的含氮量很接近，平

3、均為各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16。 100克樣品中蛋白質的含量克樣品中蛋白質的含量 ( g % )= 每克樣品含氮克數每克樣品含氮克數 6.251001/16% 蛋白質元素組成的特點氨基酸 組成蛋白質的基本單位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬種，且均屬 L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。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RC+NH3COO-H氨基酸通式的特點氨基酸通式的特點氨基酸分類氨基酸分類 人體所需的八種必需氨基酸人體所需的八種必需氨基酸

4、賴氨酸(Lys) 纈氨酸(Val) 蛋氨酸(Met) 色氨酸(Try) 亮氨酸(Leu) 異亮氨酸(Ile) 酪氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe) 嬰兒時期所需: 精氨酸(Arg)、組氨酸(His) 早產兒所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)在少數蛋白質中分離出一些不常見的氨基酸，通常稱為不常見蛋白質氨基酸。這些氨基酸都是由相應的基本氨基酸衍生而來的。其中重要的有4-羥基脯氨酸、5-羥基賴氨酸、N-甲基賴氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。這些不常見蛋白質氨基酸的結構如下 NHHOCOOH4-羥基脯氨酸H2NCH2CHCH2CH2CHCOOHOHNH25-羥基賴氨酸NH2CH3NHCH2CHC

5、H2CH2CHCOOH6-N-甲基賴氨酸HOIICH2CHCOOHNH23,5-二碘酪氨酸 幾種特殊氨基酸幾種特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亞氨基酸）（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫鍵二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3（二）氨基酸的性質（二）氨基酸的性

6、質溶解性質溶解性質兩性解離及等電點兩性解離及等電點紫外吸收紫外吸收茚三酮反應茚三酮反應成肽反應成肽反應pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性離子氨基酸的兼性離子 陽離子陽離子陰離子陰離子CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+ l酪氨酸的酪氨酸的 max275nm， 275=1.4x103;l苯丙氨酸的苯丙氨酸的 max257nm， 257=2.0 x102;l色氨酸的色氨酸的 max280nm， 280=5.6x103;茚三酮反應

7、茚三酮反應 氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色藍紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm處。處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽鍵NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHON末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二） 幾種生物活性肽

8、1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)GSH過氧過氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH還原酶還原酶NADPH+H+ NADP+ 體內許多激素屬寡肽或多肽體內許多激素屬寡肽或多肽 神經肽神經肽(neuropeptide)2. 多肽類激素及神經肽多肽類激素及神經肽蛋白質的結構The Molecular Structure of Protein 第第 二二 節節蛋白質的分子結構包括蛋白質的分子結構包括 一級結構一級結構(primary structure)二級結構二級結構(secondary structure)三級結構三級結構(tertiary stru

9、cture)四級結構四級結構(quaternary structure)高級高級結構結構一、蛋白質的一級結構一、蛋白質的一級結構主要的化學鍵主要的化學鍵肽鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。，有些蛋白質還包括二硫鍵。 一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。功能的基礎。目目 錄錄 2.肽鍵肽鍵 肽鍵的特點是氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共軛作用。組成肽鍵的原子處于同一平面。肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質，不能自由旋轉。在大多數情況下，以反式結構存在。（一）肽單元（一）肽單元 蛋白質二級結構的主要形式蛋白質二級結構的主要形式 - -螺旋螺旋 ( -h

10、elix ) - -折疊折疊 ( -pleated sheet ) - -轉角轉角 ( -turn ) 無規卷曲無規卷曲 ( random coil ) 左手和右手螺旋左手和右手螺旋 鈣結合蛋白中結鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體合鈣離子的模體 鋅指結構鋅指結構 （五）模體（五）模體某類與蛋白質功能相關的保守的氨基某類與蛋白質功能相關的保守的氨基酸序列。也可以說是有功能的一段氨基酸酸序列。也可以說是有功能的一段氨基酸序列。序列。結構域與功能域的關系：結構域與功能域的關系： 有時一個結構域就是蛋白質的功能域，但不總是 包含一個但通常是多個結構域纖連蛋白分子的結構域纖連蛋白分子的結構域 （二）結構域（

11、二）結構域三蛋白質分子中的共價鍵與次級鍵三蛋白質分子中的共價鍵與次級鍵一級結構二級結構超二級結構結構域三級結構亞基四級結構維系蛋白質分子的一級結構：肽鍵、二硫鍵維系蛋白質分子的二級結構：氫鍵維系蛋白質分子的三級結構：疏水相互作用力、氫鍵、范德華力、鹽鍵維系蛋白質分子的四級結構：范德華力、鹽鍵 a鹽鍵（離子鍵 ） b氫鍵 c疏水相互作用力 d 范德華力 e二硫鍵 f 酯鍵氫鍵、范德華力、疏水相互作用力、鹽鍵，均為次級鍵氫鍵、范德華力雖然鍵能小，但數量大疏水相互作用力對維持三級結構特別重要鹽鍵數量小二硫鍵對穩定蛋白質構象很重要，二硫鍵越多，蛋白質分子構象越穩定離子鍵離子鍵氫鍵氫鍵范德華力范德華力疏

12、水相互作用力疏水相互作用力目目 錄錄 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C端端（三）（三）分子伴侶分子伴侶分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環境從通過提供一個保護環境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。1. 1.熱休克蛋白熱休克蛋白70702. 2.伴侶蛋白伴侶蛋白3. 3.核質蛋白核質蛋白 血紅蛋白血紅蛋白的四級結構的四級結構 蛋白質結構與功能的關系蛋白質結構與功能的關系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 節節（一）一級結構是空間構象的基礎（一）一

13、級結構是空間構象的基礎 一、蛋白質一級結構與功能的關系一、蛋白質一級結構與功能的關系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一級結構一級結構二二硫硫鍵鍵 天然狀態，天然狀態，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態，無活性非折疊狀態，無活性 一級結構與功能的關系一級結構與功能的關系（二）一級結構與功能的關系（二）一級結構與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血例：鐮刀形紅細胞貧血N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽鏈肽鏈HbA 肽肽 鏈鏈N-val his leu thr pro val glu C(

14、146) 這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，稱為稱為“分子病分子病”。（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結構（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結構 二、蛋白質空間結構與功能的關系二、蛋白質空間結構與功能的關系 Hb與與Mb一樣能可逆地與一樣能可逆地與O2結合，結合， Hb與與O2結結合后稱為合后稱為氧合氧合Hb。氧合。氧合Hb占總占總Hb的百分數（稱的百分數（稱百百分飽和度分飽和度）隨）隨O2濃度變化而改變。濃度變化而改變。（二）血紅蛋白的構象變化與結合氧 肌紅蛋白肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線的氧解離曲線血紅素血紅素O2血紅素與氧結血紅素與

15、氧結合后，鐵原子半徑合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟變小，就能進入卟啉環的小孔中，繼啉環的小孔中，繼而引起肽鏈位置的而引起肽鏈位置的變動。變動。變構效應(allosteric effect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為變化，稱為變構效應變構效應。第四節第四節蛋白質的理化性質與分離純化蛋白質的理化性質與分離純化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein蛋白質的理化性質蛋白質的理化性質l兩性電解質l膠體性質l蛋白質的變性l蛋白質的光譜性質

16、l蛋白質的顯色反應 茚三酮反應 雙縮脲反應+帶正電荷的蛋白質帶正電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜水化膜+帶正電荷的蛋白質帶正電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質不穩定的蛋白質顆粒不穩定的蛋白質顆粒酸酸堿堿酸酸堿堿酸酸堿堿脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉溶液中蛋白質的聚沉（三）蛋白質的變性、沉淀和凝固（三）蛋白質的變性、沉淀和凝固 * 蛋白質的變性蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無空間構象

17、被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。物活性的喪失。 應用舉例應用舉例臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。滅菌。此外此外, , 防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。制劑（如疫苗等）的必要條件。 若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為象和功能，稱為復性復性(renaturation) 。 天然狀態，天然狀態，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態，無活性非折疊狀態，無活性三、多肽鏈中氨基酸序列分析三、多肽鏈中氨基酸序列分析分析已純化蛋白質的氨基酸殘基組成分析已純化蛋白質的氨基酸殘基組成測定多肽鏈的氨基末端與羧基末端為何種氨基酸殘基測定多肽鏈的氨基末端與羧基末端為何種氨基酸殘基把肽鏈水解成片段，分別進行分析把肽鏈水解成片