1、蛋白質的結構與功能蛋白質的結構與功能第第 一一 章章Structure and Function of ProteinProtein Protein 來自希臘字母，意思是來自希臘字母，意思是“頭等頭等重要的，原始的重要的，原始的” 蛋白質蛋白質 來源于對蛋清（清蛋白）的研究來源于對蛋清（清蛋白）的研究 分布廣：分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，占人體干重的子，占人體干重的4545，某些組織含量更高，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌

2、等高達例如脾、肺及橫紋肌等高達8080。 18331833年年 PayenPayen和和PersozPersoz分離出淀粉酶。分離出淀粉酶。18641864年年 Hoppe-SeylerHoppe-Seyler從血液分離出血紅蛋白，從血液分離出血紅蛋白，并將其制成結晶。并將其制成結晶。1919世紀末世紀末 FischerFischer證明蛋白質是由氨基酸組成證明蛋白質是由氨基酸組成的，并將氨基酸合成了多種短肽的，并將氨基酸合成了多種短肽 。 19381938年年 德國化學家德國化學家Gerardus J. MulderGerardus J. Mulder引用引用“Protein” Protei

3、n” 一詞來描述蛋白質。一詞來描述蛋白質。 大事記：大事記：19511951年年 PaulingPauling采用采用X X（射）線晶體衍射發現了蛋白質（射）線晶體衍射發現了蛋白質的二級結構的二級結構-螺旋螺旋(-helix)(-helix)。 19531953年年 Frederick SangerFrederick Sanger完成胰島素一級序列測定。完成胰島素一級序列測定。 19621962年年 John Kendrew John Kendrew 和和 Max PerutzMax Perutz確定了血紅蛋白確定了血紅蛋白的四級結構。的四級結構。2020世紀世紀9090年代以后年代以后 后基

4、因組計劃。后基因組計劃。蛋白質蛋白質(protein)(protein)是由許多是由許多氨基酸氨基酸(amino acids)(amino acids)通過通過肽鍵肽鍵(peptide bond)(peptide bond)相連形成的高分子含相連形成的高分子含氮氮化合物。化合物。1 1）酶的生物催化作用）酶的生物催化作用2 2）調控作用）調控作用參與基因調控：組蛋白、非組蛋白等參與基因調控：組蛋白、非組蛋白等參與代謝調控：如激素或生長因子等參與代謝調控：如激素或生長因子等3 3）運動與支持）運動與支持機體的結構蛋白：機體的結構蛋白：頭發、骨骼、牙齒、肌肉等頭發、骨骼、牙齒、肌肉等4 4）參與運

5、輸貯存的作用）參與運輸貯存的作用5 5）免疫保護作用）免疫保護作用抗原抗體反應抗原抗體反應凝血機制凝血機制6 6）參與細胞間信息傳遞）參與細胞間信息傳遞信號傳導中的受體、信息分子等信號傳導中的受體、信息分子等7 7） 氧化供能氧化供能The Molecular Component of Protein 組成蛋白質的元素組成蛋白質的元素 有些蛋白質還含有少量的有些蛋白質還含有少量的P P、FeFe、CuCu、MnMn、ZnZn、SeSe、I I等等。 C 50 55 % H 6 7 %O 19 24 %N 13 19 %S 0 4 %主要元素組成主要元素組成 各種蛋白質的含氮量很接近，平均為各種

6、蛋白質的含氮量很接近，平均為1616。 由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量下公式推算出蛋白質的大致含量：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蛋白質元素組成的特點 組成蛋白質的基本單位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300300余種，但余種，但組成人體蛋白質的基本氨基酸僅有組成人體蛋白質的基本氨基酸僅有202

7、0種種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 基本氨基酸中，除基本氨基酸中，除脯氨酸脯氨酸和和甘氨酸甘氨酸外其余均屬于外其余均屬于L-L-氨基酸氨基酸。 COOH H2N C H R 例外：Pro Pro 亞氨基酸亞氨基酸Gly Gly 沒有手性沒有手性 非極性疏水性氨基酸非極性疏水性氨基酸 極性中性氨基酸極性中性氨基酸 酸性氨基酸酸性氨基酸 堿性氨基酸堿性氨基酸（一）氨基酸的分類（一）氨基酸的分類分類依據分類依據 ：R R側鏈基團的結構及理側鏈基團的結構及理 化性質的不同化性質的不同甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸

8、 alanine Ala A 6.00纈氨酸纈氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 異亮氨酸異亮氨酸 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 6.30非極性疏水性氨基酸非極性疏水性氨基酸色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89絲氨酸絲氨酸 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 methionin

9、e 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 蘇氨酸蘇氨酸 threonine Thr T 5.602. 極性中性氨基酸極性中性氨基酸側鏈基團在中性溶液中解離后帶負電荷。側鏈基團在中性溶液中解離后帶負電荷。3. 酸性氨基酸酸性氨基酸 Glu，Asp天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.224. 堿性氨基酸堿性氨基酸 His，Arg，Lys側鏈基團在中性溶液中解離后帶正電荷。側鏈基團在中性溶液中解離后帶正電荷。組

10、氨酸組氨酸 His （H） 7.59賴氨酸賴氨酸Lys（K） 9.74精氨酸精氨酸 Arg （R） 10.76另外：1 1、蛋白質中的很多氨基酸是經過加工修、蛋白質中的很多氨基酸是經過加工修 飾的飾的修飾氨基酸修飾氨基酸 如：如：脯氨酸脯氨酸 羥基化羥基化 成成 羥脯氨酸羥脯氨酸 賴氨酸賴氨酸 羥基化羥基化 成成 羥賴氨酸羥賴氨酸2 2、半胱氨酸半胱氨酸CysCys常以常以胱氨酸胱氨酸的形式存在的形式存在-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-O

11、OC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3（二）氨基酸的理化性質（二）氨基酸的理化性質1. 1. 兩性解離及等電點兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。于所處溶液的酸堿度。+OH-+H+OH-+H+CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+pHpI陰離子陰離子等電點等電點(isoelectric p

12、oint, pI)(isoelectric point, pI) 在某一在某一pHpH的溶液中，氨基酸解離成陽的溶液中，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。此時溶液的性離子，呈電中性。此時溶液的pHpH值值稱為稱為該氨基酸的該氨基酸的等電點等電點。2. 2. 紫外吸收紫外吸收 色氨酸色氨酸和和酪酪氨酸氨酸的最大吸收的最大吸收峰在峰在 280 nm280 nm 附附近。近。紫外分分光度法：紫外分分光度法： 大多數蛋白質含有大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液所以測定蛋白質溶液280nm280nm

13、的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收3 3顯色反應顯色反應 茚三酮反應：茚三酮反應：氨基酸可與茚三酮縮合產氨基酸可與茚三酮縮合產生生藍紫色化合物藍紫色化合物，最大吸收峰在，最大吸收峰在570nm570nm。 該反應可作為該反應可作為蛋白質定性、定量分析蛋白質定性、定量分析的基礎。的基礎。（一）肽（一）肽(peptide)(peptide) 肽肽是由氨基酸通過是由氨基酸通過肽鍵肽鍵縮合縮合而形成的化合物。而形成的化合物。NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸

14、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-COOHHHHO 肽鍵肽鍵(peptide bond)(peptide bond)：是由一個是由一個氨基酸氨基酸的的 - -羧基與另一個羧基與另一個氨基酸氨基酸的的 - -氨基脫水縮合氨基脫水縮合而形成的化學鍵，本質為而形成的化學鍵，本質為酰胺鍵酰胺鍵。 氨基酸殘基氨基酸殘基(residue) :(residue) :肽鏈中的氨基酸分肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基氨基酸殘基。酸殘基。* *

15、兩分子氨基酸縮合形成兩分子氨基酸縮合形成二肽二肽，三分子氨，三分子氨基酸縮合則形成基酸縮合則形成三肽三肽* * 由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡寡肽肽(oligopeptide)(oligopeptide)，由更多的氨基酸相由更多的氨基酸相連形成的肽稱連形成的肽稱多肽多肽(polypeptide)(polypeptide)。* * 多肽鏈多肽鏈(polypeptide chain)(polypeptide chain)是指許多是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。N N 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有自由氨基自由氨基

16、的一端的一端C C 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有自由羧基自由羧基的一端的一端多肽鏈有方向性：多肽鏈有方向性：N端C端N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（二）（二） 幾種生物活性肽幾種生物活性肽 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+ GSH 有抗氧化劑的作用，可還原細胞內產有抗氧化劑的作用，可還原細胞內產生的過氧化氫生的過氧化氫谷胱甘肽的生理功用：谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：解毒作用：參與氧化還原反應：參與氧化還原反應：保護巰基酶的活性：保護巰基酶

17、的活性：抗氧化劑作用，維持紅細胞膜的穩定：抗氧化劑作用，維持紅細胞膜的穩定： 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. 2. 多肽類激素及神經肽多肽類激素及神經肽 * * 根據蛋白質組成成分根據蛋白質組成成分 單純蛋白質：單純蛋白質：如，血清清蛋白如，血清清蛋白結合蛋白質結合蛋白質 = = 蛋白質部分蛋白質部分 + + 非蛋白質部分非蛋白質部分 如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金屬蛋白等如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金屬蛋白等* * 根據蛋白質形狀根據蛋白質形狀 纖維狀蛋白質：纖維狀蛋白質：多為多為結構蛋白結構蛋白，難溶于水，難溶于水球狀蛋白質：

18、球狀蛋白質：多數具有多數具有生理活性，生理活性，多數可溶多數可溶 如酶、免疫球蛋白等等如酶、免疫球蛋白等等分類輔基舉例脂蛋白脂類血漿脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等）糖蛋白糖基或糖鏈膠原蛋白、纖連蛋白等核蛋白核酸核糖體磷蛋白磷酸基團酪蛋白（casein）血紅素蛋白血紅素（鐵卟啉）血紅蛋白、細胞色素c黃素蛋白黃素核苷酸（FAD、FMN）琥珀酸脫氫酶金屬蛋白鐵鐵蛋白鋅乙醇脫氫酶鈣鈣調蛋白錳丙酮酸羧化酶結合蛋白質及其輔基結合蛋白質及其輔基 蛋白質的分子結構蛋白質的分子結構The Molecular Structure of Protein 第第 二二 節節蛋白質是由許多蛋白質是由許多氨基酸氨基酸單

19、位通過單位通過肽鍵肽鍵連接連接起來的，具有起來的，具有特定分子結構特定分子結構的的高分子化合高分子化合物物。構象構象是由于有機分子中是由于有機分子中單鍵單鍵的旋轉所形成的旋轉所形成的。蛋白質的構象通常由的。蛋白質的構象通常由非共價鍵（次級非共價鍵（次級鍵）鍵）來維系來維系蛋白質的分子結構包括（人為劃分）蛋白質的分子結構包括（人為劃分） 一級結構一級結構(primary structure)(primary structure)二級結構二級結構(secondary structure)(secondary structure)三級結構三級結構(tertiary structure)(tertia

20、ry structure)四級結構四級結構(quaternary structure)(quaternary structure)高級高級結構結構定義：定義：蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。順序。( (包括蛋白質分子中所有的二硫鍵的位置）包括蛋白質分子中所有的二硫鍵的位置）二、蛋白質的一級結構二、蛋白質的一級結構主要的維系鍵：主要的維系鍵：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。 一級結構是一級結構是蛋白質空間構象和蛋白質空間構象和特異生物學功能的特異生物學功能的基礎。基礎。但不是決定但不是決定蛋白質空間構象的蛋白質空間構象

21、的唯一因素唯一因素三、蛋白質的二級結構三、蛋白質的二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子主鏈骨架原子的相對空的相對空間位置，間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象的構象 。定義定義 主要的維系鍵主要的維系鍵： 氫鍵氫鍵 由于由于C=OC=O雙鍵中的雙鍵中的電子云電子云與與N N原子上的未共用電子對原子上的未共用電子對發生發生“電子共振電子共振”，使肽鍵具有，使肽鍵具有部分雙鍵部分雙鍵的性質，的性質，不能自由旋轉不能自由旋轉。肽鍵平面肽鍵平面由于肽鍵具有部分雙鍵的性質，使由于肽鍵具有部分雙鍵的性質，

22、使參與肽鍵構成的六個原子被束縛在同一平面上，參與肽鍵構成的六個原子被束縛在同一平面上，這一平面稱為肽鍵平面或肽單元。這一平面稱為肽鍵平面或肽單元。（一）肽單元（一）肽單元l由于由于-碳原碳原子與其他原子子與其他原子之間均形成之間均形成單單鍵鍵，因此，因此兩相兩相鄰的肽鍵平面鄰的肽鍵平面可以作相對旋可以作相對旋轉轉 ( (二）蛋白質二級結構的主要形式二）蛋白質二級結構的主要形式 - -螺旋螺旋 ( ( -helix ) -helix ) - -折疊折疊 ( ( -pleated sheet )-pleated sheet ) - -轉角轉角 ( ( -turn )-turn ) 無規卷曲無規卷曲

23、 ( random coil )( random coil ) - -螺旋是螺旋是多肽鏈的主多肽鏈的主鏈原子沿一鏈原子沿一中心軸盤繞中心軸盤繞所形成的有所形成的有規律的螺旋規律的螺旋構象構象 結構特征：結構特征： 為一為一右手螺旋右手螺旋，側鏈，側鏈伸向螺旋伸向螺旋外側外側 螺旋每圈包含螺旋每圈包含3.63.6個氨個氨基酸殘基基酸殘基, ,螺距螺距 0.54nm0.54nm； 螺旋以螺旋以氫鍵氫鍵維系（氨維系（氨基酸的基酸的N-HN-H和相鄰第四個氨和相鄰第四個氨基酸的羰基氧基酸的羰基氧C=OC=O之間。氫之間。氫鍵方向與螺旋軸基本平行）鍵方向與螺旋軸基本平行） 2. 2. - -折疊折疊 -

24、 -折疊折疊是由若干肽是由若干肽段或肽鏈排段或肽鏈排列起來所形列起來所形成的扇面狀成的扇面狀片層構象片層構象-折疊包括折疊包括平行式平行式和和反平行式反平行式兩種類型兩種類型結構特征：結構特征： 由若干條肽段或肽鏈平行或反平由若干條肽段或肽鏈平行或反平 行排列組成行排列組成片狀結構片狀結構； 主鏈骨架伸展呈主鏈骨架伸展呈鋸齒狀鋸齒狀； 涉及的肽段較短，一般為涉及的肽段較短，一般為5 51010個個 氨基酸殘基；氨基酸殘基； 借相鄰主鏈之間的借相鄰主鏈之間的氫鍵氫鍵維系。維系。3. -轉角轉角 是多肽鏈是多肽鏈180180回折部分回折部分所形成所形成的一種二級結構的一種二級結構無規卷曲是用來闡述

25、沒有確定規律性的那部無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。分肽鏈結構。 4. 4. 無規卷曲無規卷曲（三）模體（三）模體(motif)(motif)在許多蛋白質分子在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，成一個特殊的空間構象，被稱為模體被稱為模體 鈣結合蛋白中鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體結合鈣離子的模體螺旋折疊折疊螺旋折疊折疊2 2個個HisHis和和2 2個個Cys Cys 與與ZnZn離子結合離子結合螺旋區螺旋區 與與 DNA DNA 結合結合（四）氨基酸殘基的

26、側鏈對二級結構形成（四）氨基酸殘基的側鏈對二級結構形成的影響的影響蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成 - -螺旋螺旋或或-折疊，它就會出現相應的二級結構。折疊，它就會出現相應的二級結構。 四、蛋白質的三級結構四、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der WaalsVan der Waals力等。力等。 主要的維系鍵：主要的維系鍵：整條肽鏈中整條肽鏈中全部氨基酸殘基全部氨基酸殘基的相對空間位置。的相對空間位置。即肽鏈中即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置所

27、有原子在三維空間的排布位置。（一）（一） 定義定義 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C端端 為單肽蛋白質，為單肽蛋白質，含有含有153個氨基酸，個氨基酸，有有8個螺旋區個螺旋區三級結構是蛋白質結構的基礎三級結構是蛋白質結構的基礎對于對于單一多肽鏈的蛋白質，單一多肽鏈的蛋白質，三級結三級結構是它的構是它的最高級結構，最高級結構，只有具有完只有具有完整的三級結構，才具有全部的整的三級結構，才具有全部的生物生物學功能學功能（二）結構域（二）結構域大分子蛋白質的三級結構大分子蛋白質的三級結構常可分割成一個或數個球狀或常可分割成一個或數個球狀或纖維狀的區域，折疊得較為緊纖維狀的區域，折疊得較為緊密

28、，各行使其功能，稱為密，各行使其功能，稱為結構結構域域(domain) (domain) 。（三）分子伴侶（三）分子伴侶(chaperon)(chaperon)分子伴侶通過提供一個保護環境從而加速蛋分子伴侶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白質折疊成天然構象或形成四級結構. .* * 可逆地可逆地與未折疊肽段的疏水部分與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，使肽鏈正如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，使肽鏈正確折疊。確折疊。 * * 可與可與錯誤聚集的肽段結合錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導，使之解聚后，再誘導其正確折

29、疊。其正確折疊。 * * 在蛋白質分子在蛋白質分子折疊過程中折疊過程中二硫鍵的正確形成起二硫鍵的正確形成起了重要的作用。了重要的作用。 伴侶蛋白在蛋白質折疊中的作用伴侶蛋白在蛋白質折疊中的作用 五、蛋白質的四級結構五、蛋白質的四級結構亞基亞基(subunit)(subunit) 有些蛋白質分子含有有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的稱為蛋白質的亞基亞基 。 胰島素受體：胰島素受體：由由4 4個亞個亞基組成基組成(2 22 2) ) ，亞基與亞基與亞基形成單體亞基形成單體(monomer)(monome

30、r)，2 2個單體形成二聚體個單體形成二聚體(dimer)(dimer)。 亞基之間的結合力主要是亞基之間的結合力主要是疏水作用疏水作用，其次，其次是是氫鍵和離子鍵氫鍵和離子鍵。蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接蛋白質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，稱為觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級蛋白質的四級結構結構。血紅蛋白的四級結構血紅蛋白的四級結構 血紅蛋白的四個亞基緊密結合，血紅蛋白的四個亞基緊密結合，亞基之間的維系鍵是亞基之間的維系鍵是亞基之間亞基之間的的8 8 個鹽鍵個鹽鍵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 Structu

31、re 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，無活性從細胞色素從細胞色素c c的一級的一級結構看生物進化結構看生物進化物種進化過程中越物種進化過程中越接近的生物，細胞接近的生物，細胞色素的一級結構越色素的一級結構越相似相似一級結構相似的多肽或一級結構相

32、似的多肽或蛋白質，其空間構象以及功蛋白質，其空間構象以及功能也相似。能也相似。 （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(146) 由于單個氨基酸的變化引起血紅蛋白的親水性明顯由于單個氨基酸的變化引起血紅蛋白的親水性明顯下降，從而發生聚集，使紅細胞變為鐮刀狀下降，從而發生聚集，使紅細胞變為鐮刀狀 這種由蛋白質分子發生變異所導致這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，稱為的疾病，

33、稱為“分子病分子病”。重要蛋白質氨基酸序列的改變可引起疾病重要蛋白質氨基酸序列的改變可引起疾病二、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 肌紅蛋白肌紅蛋白 MbMb血紅蛋白血紅蛋白 HbHbHbHb與與MbMb一樣能可逆地與一樣能可逆地與O O2 2結合，結合， HbHb與與O O2 2結合后稱為結合后稱為氧合氧合HbHb。氧合。氧合HbHb占總占總HbHb的百分數的百分數（稱（稱百分飽和度百分飽和度）隨）隨O O2 2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（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

34、曲線的氧解離曲線* * 協同效應協同效應(cooperativity) (cooperativity) 一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現象，稱為力的現象，稱為協同效應協同效應。 如果是促進作用則稱為如果是促進作用則稱為正協同效應正協同效應 (positive cooperativity)(positive cooperativity)如果是抑制作用則稱為如果是抑制作用則稱為負協同效應負協同效應 (negative cooperativity)(negative

35、cooperativity)血紅蛋白的四個亞基緊密結合，血紅蛋白的四個亞基緊密結合，亞基之間的維系鍵是亞基之間的維系鍵是亞基之間亞基之間的的8 8 個鹽鍵個鹽鍵Hb Hb 未與未與O O2 2結合的時候，結合的時候，FeFe2+2+位于卟啉環平面外側，位于卟啉環平面外側，與與F8His F8His 連接，當第一個連接，當第一個 O O2 2與與 FeFe2+2+結合后，結合后， 被拉被拉到平面中，使得牽動到平面中，使得牽動F8F8螺旋片段，導致亞基之間鹽螺旋片段，導致亞基之間鹽鍵斷裂、結合變松弛，使鍵斷裂、結合變松弛，使 易于與第二個亞基結合易于與第二個亞基結合O2血紅素與氧結血紅素與氧結合后

36、，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。變構效應與協同效應變構效應與協同效應協同效應協同效應：一個亞基與其配體（一個亞基與其配體（O O2 2）結合后，）結合后，可影響寡聚體中另一亞基與配體的結合能力可影響寡聚體中另一亞基與配體的結合能力的現象稱為協同效應的現象稱為協同效應 起促進作用的，為起促進作用的，為正協同效應正協同效應 起抑制作用的，為起抑制作用的，為負協同效應負協同效應別構效應：別構效應：由于小分子（由于小分子（O O2 2）與大分子（）與大分子（HbHb）亞基結合，導致蛋白質分子構象改變

37、及功能亞基結合，導致蛋白質分子構象改變及功能變化的現象稱為變化的現象稱為別構效應別構效應。 小分子物質，稱為小分子物質，稱為 別構效應劑別構效應劑（三）蛋白質構象改變與疾病（三）蛋白質構象改變與疾病 蛋白質構象疾病蛋白質構象疾病：若蛋白質的折疊發生：若蛋白質的折疊發生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發生。致疾病發生。蛋白質構象改變導致疾病的機理蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的

38、淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, (prion protein, PrP)PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的正常的PrPPrP富含富含-螺旋，稱為螺旋，稱為PrPPrPc c。PrP

39、PrPc c在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為為-折疊的折疊的PrPPrPscsc，從而致病。，從而致病。PrPPrPc c-螺旋螺旋PrPPrPscsc-折疊折疊正常正常瘋牛病瘋牛病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（一）蛋白質的兩性電離（一）蛋白質的兩性電離 一、理化性質一、理化性質 蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基

40、側鏈中某些基團，在一定的溶液氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pHpH條條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。 * * 蛋白質的等電點蛋白質的等電點( isoelectric point, pI) ( isoelectric point, pI) COOHNH2COONH3NH3COOHNH2COO-+OH+H-+OH-+H+-pH=pIpHpIpHpIprprprpr當蛋白質溶液處于某一當蛋白質溶液處于某一pHpH時，蛋白質解離成正、負時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時

41、溶液的此時溶液的pHpH稱為稱為蛋白質的等電點蛋白質的等電點（二）蛋白質的膠體性質（二）蛋白質的膠體性質 蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1 1萬至萬至100100萬之巨，其分子的直徑可達萬之巨，其分子的直徑可達1 1100nm100nm，為膠粒范圍之內。為膠粒范圍之內。 * * 蛋白質膠體穩定的因素：蛋白質膠體穩定的因素：顆粒表面電荷顆粒表面電荷( (電荷層）電荷層）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

42、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)(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。 造成變性的因素造成變性的因素如加熱、乙醇等有

43、機溶劑、強酸、強堿、如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等重金屬離子及生物堿試劑等 。 變性的本質變性的本質 破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋 白質的一級結構。白質的一級結構。 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。質制劑（如疫苗等）的必要條件。 變性蛋白質的性質改變：變性蛋白質的性質改變： 物理性質：旋光性改變，溶解度下降，沉降物理性質：旋光性改變，溶解度下降，沉降率升高，粘度

44、升高，光吸收度增加等；率升高，粘度升高，光吸收度增加等； 化學性質：官能團反應性增加，易被蛋白酶化學性質：官能團反應性增加，易被蛋白酶水解。水解。 生物學性質：原有生物學活性喪失，抗原性生物學性質：原有生物學活性喪失，抗原性改變。改變。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) (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

45、狀態，無活性非折疊狀態，無活性* * 蛋白質沉淀蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發生沉變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發生沉淀，但并不變性。淀，但并不變性。 * * 蛋白質的凝固作用蛋白質的凝固作用(protein coagulation) (protein coagulation) 蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固蛋白質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酸和強堿中。的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和

46、強堿中。 （四）蛋白質的紫外吸收（四）蛋白質的紫外吸收由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm280nm波長處有特征性吸收波長處有特征性吸收峰。蛋白質的峰。蛋白質的ODOD280280與其濃度呈正比關系，因此與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。可作蛋白質定量測定。（五）蛋白質的呈色反應（五）蛋白質的呈色反應茚三酮反應茚三酮反應(ninhydrin reaction)(ninhydrin reaction) 蛋白質經水解后產生的蛋白質經水解后產生的氨基酸氨基酸也可發生茚也可發生茚三酮反應。三酮反應。 雙縮脲反應雙縮

47、脲反應(biuret reaction)(biuret reaction)蛋白質和多肽分子中蛋白質和多肽分子中肽鍵肽鍵在稀堿溶液中與在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現紫色或紅色，此反應稱為硫酸銅共熱，呈現紫色或紅色，此反應稱為雙雙縮脲反應縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解程度。程度。二、蛋白質的分離和純化二、蛋白質的分離和純化（一）透析及超濾法（一）透析及超濾法* * 透析透析(dialysis)(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質與利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法。小分子化合物分開的方法。* * 超濾法超濾法 應用正壓或離心力使蛋白質

48、溶液透過有一定截留應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質溶液的目的。分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質溶液的目的。（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀 * *使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀時，必須在時，必須在0 044低溫下進行，低溫下進行，丙酮用量一般丙酮用量一般1010倍于蛋白質溶液體積。蛋白倍于蛋白質溶液體積。蛋白質被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以質被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。外，也可用乙醇沉淀。 * *鹽析鹽析(salt precipitation)(salt precipitation)是將硫酸銨、硫是將

49、硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，使蛋白質酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，使蛋白質表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。白質沉淀。 * * 免疫沉淀法：免疫沉淀法：將某一純化蛋白質免疫動物將某一純化蛋白質免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質，可從蛋白質混合溶液中分復合物的性質，可從蛋白質混合溶液中分離獲得抗原蛋白。離獲得抗原蛋白。 （三）電泳（三）電泳蛋白質在高于或低于其蛋白質在高于或低于其pIpI的溶液中為帶電的溶

50、液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白通過蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白質的技術質的技術, , 稱為稱為電泳電泳(elctrophoresis) (elctrophoresis) 。根據支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝根據支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。膠電泳等。 幾種重要的蛋白質電泳幾種重要的蛋白質電泳* *SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質，常用于蛋白質分子量的測定。分子量的測定。* *等電聚焦電泳等電聚焦電泳，通過蛋白質等電點的差異，通過蛋白質等電點

51、的差異而分離蛋白質的電泳方法。而分離蛋白質的電泳方法。* *雙向凝膠電泳雙向凝膠電泳是蛋白質組學研究的重要技是蛋白質組學研究的重要技術。術。PAGE電泳結果電泳結果（四）層析（四）層析層析層析(chromatography)(chromatography)分離蛋白質的原理分離蛋白質的原理待分離蛋白質溶液（流動相）經過一個待分離蛋白質溶液（流動相）經過一個固態物質（固定相）時，根據溶液中待分離固態物質（固定相）時，根據溶液中待分離的蛋白質顆粒大小、電荷多少及親和力等，的蛋白質顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待分離的蛋白質組分在兩相中反復分配，使待分離的蛋白質組分在兩相中反復分配，并以不同速度流經固定相而達到分離蛋白質并以不同速度流經固定相而達到分離蛋白質的目的的目的 。主要的層析技術有離子交換層析，凝膠層