蛋白質的結構與功能第一章StructureandFunctionofProtein一、什么是蛋白質?蛋白質(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。二、蛋白質的生物學重要性1.蛋白質是生物體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個局部都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，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80％。1〕作為生物催化劑〔酶〕2〕代謝調節作用3〕免疫保護作用4〕物質的轉運和存儲5〕運動與支持作用6〕參與細胞間信息傳遞2.蛋白質具有重要的生物學功能3.氧化供能蛋白質的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節一、組成蛋白質的元素及特點

有些蛋白質還含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se、I等。

C50~55%H6~7%O19~24%N13~19%S0~4%主要元素組成

各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。

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(g%)=每克樣品含氮克數×6.25×1001/16%

蛋白質元素組成的特點*二、蛋白質的根本組成單位—氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的根本氨基酸僅有20種。氨基酸的通式:L-α-氨基酸氨基均連接在緊靠羧基的-碳原子上故稱-氨基酸且均屬L-氨基酸〔甘氨酸除外〕。H甘氨酸CH3丙氨酸L--氨基酸的通式R

側鏈氨基酸的旋光異構根本氨基酸中，除脯氨酸和甘氨酸外，其余均屬于L-α-氨基酸。例外：Pro—亞氨基酸Gly

—

沒有手性非極性疏水性氨基酸(7種)極性中性氨基酸(8種)酸性氨基酸〔Asp、Glu〕堿性氨基酸〔Arg、His、Lys〕三、氨基酸的分類*〔按R基團在中性溶液中的解離性質分〕甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00纈氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucineLeuL

5.98

異亮氨酸

isoleucineIleI

6.02

苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非極性疏水性氨基酸色氨酸

tryptophanTrpW

5.89絲氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTyrY

5.66

半胱氨酸

cysteineCysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagineAsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

蘇氨酸

threonineThrT5.602.極性中性氨基酸天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22賴氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76組氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.堿性氨基酸——側鏈基團在中性溶液中解離后帶負電荷。3.酸性氨基酸Glu，Asp天冬氨酸

Asp

谷氨酸

Glu

4.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。組氨酸His賴氨酸Lys

精氨酸Arg芳香族氨基酸：苯丙、色、酪脂肪族氨基酸：丙、纈、亮、異亮含硫氨基酸：蛋、半胱含羥基氨基酸：絲、蘇、酪氨基酸的其它分類*另外：1、蛋白質中的很多氨基酸是經過加工修飾的——修飾氨基酸如：脯氨酸羥基化成羥脯氨酸

賴氨酸羥基化成羥賴氨酸2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在

半胱氨酸

+胱氨酸二硫鍵-HH四、氨基酸的理化性質1.兩性解離及等電點等電點(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。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子

陽離子陰離子思考:酸性氨基酸的等電點偏酸還是偏堿?2.紫外吸收性質

色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。3.茚三酮反響氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，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系，因此可作為氨基酸定量分析方法。五、氨基酸之間的連接方式1〕連接方式：肽鍵肽鍵(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鍵，本質為酰胺鍵。氨基酸殘基(residue):肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基。+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵氨基酸殘基氨基酸殘基氨基末端羧基末端12*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合那么形成三肽……*由十個以內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)。*多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端２〕多肽鏈有方向性：Ala-Tyr-Asp-GlyNCN端C端N末端C末端牛核糖核酸酶六、重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH復原酶NADPH+H+NADP+GSH有抗氧化劑的作用，可復原細胞內產生的過氧化氫

體內許多激素屬寡肽或多肽

神經肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經肽七、蛋白質的分類

*根據蛋白質組成分

單純蛋白質結合蛋白質=蛋白質部分+非蛋白質部分

*根據蛋白質形狀分

纖維狀蛋白質:多為結構蛋白，難溶于水球狀蛋白質:多數具有生理活性，根本可溶*根據蛋白質功能分

蛋白質的分子結構

TheMolecularStructureofProtein

第二節蛋白質的分子結構包括〔人為劃分〕

一級結構(primarystructure)二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)高級結構定義：蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質的一級結構主要的維系鍵：肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。

第一個被確定一級結構的蛋白質：牛胰島素一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的根底,但不是唯一的決定因素。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，分別進行分析測定各肽段的氨基酸排列順序，一般采用Edman降解法一般需用數種水解法，并分析出各肽段中的氨基酸順序，然后經過組合排列比照，最終得出完整肽鏈中氨基酸順序的結果。二、蛋白質的二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，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鏈的構象

。一、定義:

二級結構的根本單位：肽鍵平面或肽單元肽鍵有局部雙鍵性質肽鍵由于共振而具有局部雙鍵性質，因此，肽鍵比一般C-N鍵短，且不能自由旋轉肽鍵原子及相鄰的a碳原子組成肽平面相鄰的a碳原子呈反式構型肽鍵平面——由于肽鍵具有局部雙鍵的性質，使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。肽單元(肽鍵平面)由于α-碳原子與其他原子之間均形成單鍵，因此兩相鄰的肽鍵平面可以作相對旋轉(二〕蛋白質二級結構的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉角(

-turn)

無規卷曲(randomcoil)

1.α-螺旋：α-螺旋是多肽鏈的主鏈原子沿一中心軸盤繞所形成的有規律的螺旋構象結構要點：〔1〕主鏈通過α－碳原子旋轉形成穩固的右手螺旋。〔2〕每3.6個氨基酸殘基上升一圈，間距0.15nm，螺距0.54nm。〔3〕相鄰兩圈螺旋之間借氫鍵穩定。〔這是穩定α－螺旋的主要鍵〕〔4〕肽鏈中氨基酸側鏈R，伸展在螺旋外側。〔其形狀、大小及電荷影響α－螺旋的形成〕2.

-折疊β-折疊是由假設干肽段或肽鏈排列起來所形成的扇面狀片層構象

結構特征：

(1)肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110。夾角

(2)氨基酸殘基的R側鏈伸出在鋸齒的上方或下方。

(3)依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩段肽鏈間的C＝O與N-H形成氫鍵，使構象穩定。

(4)兩段肽鏈可以是逆向平行，也可以是順向平行。

β-折疊包括平行式和反平行式兩種類型3.

-轉角是多肽鏈180°回折局部所形成的一種二級結構無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那局部肽鏈結構。4.無規卷曲〔三〕模體(motif)在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，被稱為模體。常見形式有：螺旋繞螺旋型鋅指型亮氨酸拉鏈型螺旋-環-螺旋型

螺旋-轉角-螺旋

鋅指結構

亮氨酸拉鏈

螺旋-環-螺旋

〔五〕影響二級結構形成的因素：1〕側鏈基團的大、小2〕側鏈基團的帶電性質3〕脯氨酸是α-螺旋的絕對破壞者〔四〕主要的維系鍵：氫鍵三、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。（二）維系鍵：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。〔一〕定義次級鍵

肌紅蛋白(Mb)

N端C端

為單肽蛋白質，含有153個氨基酸，有8個螺旋區對于單一多肽鏈的蛋白質，三級結構是它的最高級結構，只有具有完整的三級結構，才具有全部的生物學功能〔三〕結構域大分子蛋白質的三級結構常可分割成一個或數個球狀或纖維狀的區域，折疊得較為緊密，各行使其功能。三級結構中獨立執行某種功能的局部區域，稱為結構域(domain)。四、蛋白質的四級結構定義：具有二條或二條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構稱為蛋白質的四級結構(quarternarystructure)。

有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條具有完整三級結構的多肽鏈，稱為蛋白質的亞基(subunit)。

。亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。血紅蛋白的四級結構

胰島素受體蛋白質結構與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節〔一〕一級結構是空間構象的根底一級結構相似的蛋白質，其根本構象及功能也相似。如不同哺乳類動物的胰島素分子，一級結構中僅個別氨基酸有差異，形成的空間結構與功能均相似在蛋白質的一級結構中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構象關鍵部位的殘基，即使在整個分子中發生一個殘基的異常，該蛋白質的功能也會受到明顯的影響。一、蛋白質一級結構與功能的關系

例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，稱為“分子病〞。重要蛋白質氨基酸序列的改變可引起疾病蛋白質的空間構象是其功能活性的根底，構象發生變化，其功能活性也隨之改變。二、蛋白質空間結構與功能的關系

肌紅蛋白Mb血紅蛋白Hb蛋白質構象改變與疾病蛋白質構象疾病：假設蛋白質的折疊發生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發生。蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質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，產生毒性而致病，表現為蛋白質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。舉例：瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第四節蛋白質的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein〔一〕蛋白質的兩性電離特性一、理化性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條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(isoelectricpoint,pI)當蛋白質溶液處于某一pH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，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點堿負酸正思考：1〕含酸性氨基酸較多的蛋白質其等電點是偏酸還是偏堿？2〕等電點為6的蛋白質于8.6的緩沖溶液中，其于電場中向何方向移動？應用：電泳、離子交換層析別離蛋白質〔二〕蛋白質的膠體性質

1、分子大，不易透過半透膜-用于透析、超濾。

舉例：膠原蛋白的別離純化2、可形成穩定的水溶液：

水化膜、外表電荷

思考：假設欲使蛋白質沉淀，可采取何策略？+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩定的蛋白質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的聚沉〔三〕蛋白質的變性、沉淀和凝固１、蛋白質的變性(denaturation)１〕定義：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。３〕造成變性的因素物理因素：高溫、高壓、紫外線照射、劇烈震蕩等化學因素：強酸、強堿、有機溶劑、重金屬鹽等

２〕變性的本質：空間結構破壞〔次級鍵斷裂〕４〕性質改變：①生物學活性喪失②溶解度下降③粘度增加④易被蛋白酶水解應用舉例臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。此外,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。假設蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或局部恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation)。２、蛋白質的復性

天然狀態，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，無活性３、蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白質從溶液中析出的現象。變性與沉淀的關系變性的蛋白質易于沉淀，但不一定沉淀；沉淀了的蛋白質也并不一定變性。４、蛋白質的凝固作用(proteincoagulation)蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較鞏固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。〔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和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。特點：快速、方便但準確度較差

〔五〕蛋白質的呈色反響(舉例〕⒈茚三酮反響(ninhydrinreaction)蛋白質及氨基酸均可與茚三酮反響生成藍紫色化合物。⒉雙縮脲反響(biuretreaction)蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現紫色或紅色，此反響稱為雙縮脲反響，雙縮脲反響可用來進行蛋白質定量分析或檢測蛋白質水解程度。附：蛋白質的別離純化方法〔一〕根據分子大小不同〔三〕利用溶解度和親和力差異〔二〕根據帶電性質和多少不同透析、超濾、凝膠過濾、超速離心等電泳、離子交換層析等

丙酮沉淀、鹽析、免疫沉淀、親和層析等利用電荷性質可采用電泳法別離蛋白質*蛋白質在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，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到達別離各種蛋白質的技術,稱為電泳(elctrophoresis)。根據支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。電泳中分子越小、帶電荷量越多的移動越快待別離蛋白質溶液〔流動相〕經過一個固態物質〔固定相〕時，根據溶液中待別離的蛋白質顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待別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到達別離蛋白質的目的。層析(chromatography)蛋白質別離常用的層析方法*離子交換層析：利用各蛋白質的電荷量及性質不同進行別離。*凝膠過濾(gelfiltration)又稱分子篩層析，利用各蛋白質分子大小不同別離。凝膠過濾(gelfiltration)又稱分子篩層析。利用各蛋白質分子大小不同別離。分子大的先洗脫下來，分子小的后下來。

大分子蛋白先洗脫下來

什么是蛋白質組？

蛋白質組是指“由一個細胞或一個組織的基因組所表達的全部相應的蛋白質〞。熒光染色的細胞內蛋白質對應于基因組的所有蛋白質構成的整體，不是局限于一個或幾個蛋白質。同一基因組在不同細胞、不同組織中的表達情況各不相同。在空間和時間上動態變化著的整體。蛋白質組是：蛋白質組學(proteomics)

指應用各種技術手段來研究蛋白質組的一門新興科學，其目的是從整體的角度分析細胞內動態變化的蛋白質組成成份、表達水平與修飾狀態，了解蛋白質之間的相互作用與聯系，揭示蛋白質功能與細胞生命活動規律。

主要研究內容

了解某種特定的細胞、組織或器官制