南京医科大学生化课件

第一篇第一篇生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能蛋白质蛋白质 protein核酸核酸 nucleic acid多糖多糖酶酶 enzyme第一章第一章蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能protein Pro, Pr, P 蛋白质是生物体的基本组成成分之一，几蛋白质是生物体的基本组成成分之一，几乎参与了生命活动的所有过程。乎参与了生命活动的所有过程。 含量：含量：约占约占固体固体成分的近成分的近1/2（45%） 种类：种类：一个真核细胞达数千种，每一种一个真核细胞达数千种，每一种 均有其特定的结构与功能均有其特定的结构与功能分布广分布广第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成碳、氢、氧、碳、氢、氧、氮氮 、硫、硫 （ C、H、O、N、S ） 以及磷、以及磷、 铁、铁、 铜、铜、 锌、锌、 碘、碘、 硒硒元素组成元素组成: : 蛋白质平均含氮量（蛋白质平均含氮量（N%N%）：）：16%16% 蛋白质含量蛋白质含量= =含氮克数含氮克数（凯氏定氮法）（凯氏定氮法）氨基酸的通式氨基酸的通式一、基本组成单位一、基本组成单位氨基酸氨基酸 (amino acid, AA)CCOOHHRH2N参与编码蛋白质的基本氨基酸，只有参与编码蛋白质的基本氨基酸，只有2020种。种。l1. 20种种AA中除中除Pro外，与羧基相外，与羧基相连的连的-碳原子上都有一个氨基，碳原子上都有一个氨基，因而称因而称-氨基酸。氨基酸。l2. 不同的不同的-AA，其，其R侧链不同。侧链不同。氨基酸氨基酸R侧链对蛋白质空间结构和侧链对蛋白质空间结构和理化性质有重要影响。理化性质有重要影响。l3. 除除Gly的的R侧链为侧链为H原子外，其原子外，其他他AA的的-碳原子都是不对称碳原碳原子都是不对称碳原子，可形成不同的构型，因而具子，可形成不同的构型，因而具有旋光性。有旋光性。组成人体蛋白质的氨基酸都为组成人体蛋白质的氨基酸都为L-AA（Gly, Pro除除外）外）。氨基酸的分类氨基酸的分类按侧链的结构和理化性质可分为：按侧链的结构和理化性质可分为： 非极性、疏水性非极性、疏水性氨基酸氨基酸 极性、中性极性、中性氨基酸氨基酸 芳香族芳香族 氨基酸氨基酸 酸性酸性氨基酸氨基酸 碱性碱性氨基酸氨基酸甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 缬氨酸缬氨酸 valine Val V 亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 支链氨基酸支链氨基酸亚氨基酸亚氨基酸缬氨酸缬氨酸亮氨酸亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸ValLeu Ile苯丙氨酸苯丙氨酸Phe芳香族氨基酸芳香族氨基酸脯氨酸脯氨酸Pro吡咯烷环吡咯烷环-杂环氨基酸杂环氨基酸色氨酸色氨酸 tryptophan Trp W 丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 酪氨酸酪氨酸 tyrosine Tyr Y 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸含酰胺基氨基酸含酰胺基氨基酸色氨酸色氨酸Trp酪氨酸酪氨酸Tyr苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48芳香族氨基酸芳香族氨基酸吲哚环吲哚环-杂环氨基酸杂环氨基酸酪氨酸酪氨酸Tyr丝氨酸丝氨酸苏氨酸苏氨酸SerThr羟基氨基酸羟基氨基酸 半胱氨酸半胱氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 Cys Met含硫氨基酸含硫氨基酸天冬酰胺天冬酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺GlnAsn天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 精氨酸精氨酸 arginine Arg R 组氨酸组氨酸 histidine His H 3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸-胍基胍基咪唑基咪唑基杂环氨基酸杂环氨基酸 1968年年美国美国Dudrick，在研究人体营养学工作中，利用，在研究人体营养学工作中，利用结晶氨基酸配出了结晶氨基酸配出了氨基酸输液氨基酸输液，挽救了很多病人的生命。因，挽救了很多病人的生命。因此氨基酸营养输液是继此氨基酸营养输液是继“疫苗疫苗”、“维生素维生素”、“抗生素抗生素”之后，被誉为二十世纪医疗史上的四个里程碑。之后，被誉为二十世纪医疗史上的四个里程碑。我国氨基酸类药物的发展我国氨基酸类药物的发展1953年药典，年药典，1960年药典都为年药典都为0；1977年药典为年药典为4种；种；1985年药典为年药典为3种；种；1990年药典为年药典为5种；种；1995年药典为年药典为12种；种；1998年增补版药典为年增补版药典为26种；种；2000年药典原料药年药典原料药22种，制剂种，制剂4种。种。合理使用氨基酸输液合理使用氨基酸输液l（1）营养不良用氨基酸。这类氨基酸是以必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸按适当配比组成的，并含有部分碳水化合物、维生素、电解质等，可促进体内蛋白代谢正常，纠正其负平衡。用于各种疾病引起的低蛋白血症，以及手术、大面积烧伤、严重创伤等引起的氨基酸不足。l（2）肝病用氨基酸。常用的此类氨基酸注射液有支链氨基酸3H注射液、14氨基酸-800注射液、6氨基酸-520注射液、6合氨基酸注射液（肝醒灵）、肝安注射液、19复合氨基酸注射液等。主要用于急性、亚急性、慢性重症肝炎，活动性慢性肝炎及肝硬化、肝昏迷，还可用于肝胆手术前后，能明显提高血浆支链氨基酸浓度，提高血清白蛋白含量，使负氮平衡很快转为正氮平衡。ll（3）肾衰用氨基酸。目前国内用于肾衰的是由8种必需氨基酸添加适量组氨酸配制而成的氨基酸注射液。如复合氨基酸9R注射液，可提高体内必需氨基酸的含量，使储留在体内的尿素氨合成为非必需氨基酸而再利用，缓解尿毒症症状。ll（4）代血浆用氨基酸。临床应用的有低分子右旋糖酐氨基酸注射液。本品除可维持血容量及机体所需营养成分外，有降低血液粘度，改善微循环，防止红细胞凝集的作用。主要用于创伤或外科手术中，为及时抢救严重失血性休克的患者，以弥补代血浆不具营养成分的缺点。l氮平衡有以下三种情况；l1，氮平衡.摄入氮等于排出氮叫做总氮平衡.这表明体内蛋白质的合成量和分解量处于动态平衡.一般营养正常的健康成年人就属于这种情况.l2，正氮平衡.摄入氮大于排出氮叫做正氮平衡.这表明体内蛋白质的合成量大于分解量。生长期的儿童少年，孕妇和恢复期的伤病员等就属于这种情况.所以，在这些人的饮食中，应该尽量多给些含蛋白质丰富的食物.l氨基酸少于消耗的氨基酸时，将物摄入的出现如营养不良、腰酸背痛、头昏目眩、体弱多病、代谢功能衰退等症状。氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质1. 1. 两性解离及等电点两性解离及等电点 在某一溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势在某一溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，呈电中性，此时该溶液的及程度相等，呈电中性，此时该溶液的pH值即为该氨基值即为该氨基酸的酸的等电点等电点 (isoelectric point，pI )。 含有共轭双键的芳香族氨含有共轭双键的芳香族氨基酸基酸 Trp, Tyr 的最大吸收峰的最大吸收峰在在280nm波长附近。波长附近。2. 2. 紫外吸收性质紫外吸收性质 该蓝紫色化合物在该蓝紫色化合物在570nm570nm波长处有最波长处有最大吸收，可用于氨基酸的定量分析。大吸收，可用于氨基酸的定量分析。3. 3. 茚三酮反茚三酮反应应蓝紫色化合物蓝紫色化合物二、二、 肽与肽键肽与肽键 (peptide and peptide bond)二肽二肽寡肽；多肽寡肽；多肽; 蛋白质。蛋白质。肽键肽键氨基酸残基氨基酸残基 (residue)三、生物活性肽三、生物活性肽 (bioactive peptide) l谷胱甘肽谷胱甘肽 （glutathione, GSH）l多肽类激素多肽类激素 如催产素、加压素、血管紧张素、促肾上腺皮质激如催产素、加压素、血管紧张素、促肾上腺皮质激素、促甲状腺素释放激素、促性腺激素释放激素等素、促甲状腺素释放激素、促性腺激素释放激素等l神经肽（神经肽（neuropeptide） 如脑啡肽、如脑啡肽、 -内啡肽、强啡肽、孤啡肽、内啡肽、强啡肽、孤啡肽、P物质、物质、神经肽神经肽Y等等与吗啡受体结合，产生跟吗啡、鸦片剂一样有止痛和欣快感 .谷胱甘肽（谷胱甘肽（glutathione, GSH）还原型还原型氧化型氧化型-肽键肽键(1) 体内重要的还原剂体内重要的还原剂 保护蛋白质和酶分子中的巯基免遭氧化，保护蛋白质和酶分子中的巯基免遭氧化，使蛋白质处于活性状态。使蛋白质处于活性状态。 (2) (2) 谷胱甘肽的巯基作用谷胱甘肽的巯基作用 可以与致癌剂或药物等结合可以与致癌剂或药物等结合, ,从而阻断这从而阻断这些化合物与些化合物与DNA、RNA或或蛋白质结合，保护机体免遭毒性损害。蛋白质结合，保护机体免遭毒性损害。促甲状腺素释放激素（促甲状腺素释放激素（3肽）肽） 由下丘脑分泌，促进腺垂体分泌促甲状腺素。由下丘脑分泌，促进腺垂体分泌促甲状腺素。含量低、活性高、作用广泛而又复杂,在体内调节多种多样的生理功能,如痛觉、睡眠、情绪、学习与记忆 l血管紧张素是一种经典的重要心血管活性多肽,其一级结构为:NH2-Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-OH.它作用于型受体(AT)产生缩血管作用,作用于型受体(AT),则引起血管扩张,对抗自己的缩血管作用.这种同一分子,作用于不同受体,产生相互对立和拮抗效应的现象已引起科学家的关注l对Ang在溶液中的构象作了探讨.Ang在溶液中的构象不稳定,其中已经提出的构象有螺旋、折叠、l转角lAng的这种柔性无规构象,适合其面对不同受体时l选择不同的构象,进而发挥不同的生理功能.第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋白质是蛋白质是氨基酸氨基酸通过通过肽键肽键相连形成的具有相连形成的具有三维结构的生物大分三维结构的生物大分子。一般将蛋白质分子。一般将蛋白质分子的结构分为子的结构分为四个层四个层次次来学习（空间）。来学习（空间）。Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase理论上蛋白质有无穷尽的结构，实际上只有有限的模块一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构(primary structure)(primary structure) 蛋白质的一级结构就是蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。的排列顺序。主要化学键是主要化学键是肽键肽键，有的还包含，有的还包含二硫键二硫键。 一级结构并不是空间结构的唯一决定因素 丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的成员中一级结构的成对相似度有时丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的成员中一级结构的成对相似度有时低到低到25%，但是他们的保守核心在二级和三级结构上仍然是非常的，但是他们的保守核心在二级和三级结构上仍然是非常的相似。相似。二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构(secondary structure)(secondary structure) 蛋白质二级结构是指多肽链的主链骨架蛋白质二级结构是指多肽链的主链骨架中若干中若干肽单元肽单元，各自沿一定的轴盘旋或折叠，各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以并以氢键氢键为主要次级键而形成的有规则或无为主要次级键而形成的有规则或无规则的构象，如规则的构象，如-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角和转角和无规卷曲无规卷曲等。蛋白质二级结构一般不涉及氨等。蛋白质二级结构一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。基酸残基侧链的构象。二级结构的主要结构单位二级结构的主要结构单位肽单元（肽单元（peptide unit）二级结构的主要化学键二级结构的主要化学键 氢键氢键 (hydrogen bond)肽单元（肽单元（peptide unitpeptide unit） 肽键与相邻的两个肽键与相邻的两个-C-C原子所组成的残基，称为原子所组成的残基，称为肽单肽单元、元、肽单位、肽平面或酰胺平面肽单位、肽平面或酰胺平面(amide plane)(amide plane)。它们均。它们均位于位于同一个平面同一个平面上，且两个上，且两个-C-C原子呈原子呈反式反式排列。排列。肽单元具有这样一些特性肽单元具有这样一些特性： (1)早在早在1925年，年，Pauling等人就发现，等人就发现，肽键肽键中的中的C-N键长键长0.132nm，比相邻的，比相邻的C-N单键单键(0.147nm)短，而较一般短，而较一般C=N双键双键(0.128nm)长。长。可见，肽键中可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质具有部分双键的性质，因而，因而不能旋转不能旋转，这就将，这就将其固定在一个平面之内。其固定在一个平面之内。CC NOHCCC NOHC(2) 肽键的肽键的C及及N周围三个键角之周围三个键角之和均为和均为360，说，说明都处于一个平明都处于一个平面上，也就是说面上，也就是说肽单元的六个原肽单元的六个原子基本上同处于子基本上同处于一个平面，是一一个平面，是一个刚性平面，这个刚性平面，这就是肽键平面。就是肽键平面。(3) 肽键中的肽键中的C-N既然具有双键性质，就会有顺既然具有双键性质，就会有顺反不同的立体异构，已证实反不同的立体异构，已证实肽单元两个肽单元两个-碳原子碳原子呈反向分布。呈反向分布。肽链中能够肽链中能够旋转的只有旋转的只有-碳原子所形成碳原子所形成的单键，此单的单键，此单键的旋转决定键的旋转决定两个肽键平面两个肽键平面的位置关系，的位置关系，于是肽平面成于是肽平面成为肽链盘曲折为肽链盘曲折叠的基本单位。叠的基本单位。-螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠(-pleated sheet)-转角转角 (turn or -bend)无规卷曲无规卷曲 (random coil) 肽单元上肽单元上C所连的所连的两个单键两个单键的旋转角度，决定两个相连肽的旋转角度，决定两个相连肽单元的相对空间位置，由于肽平面和氨基酸残基侧链单元的相对空间位置，由于肽平面和氨基酸残基侧链R基对多基对多肽链构象的限制作用，二级结构只有以下几种主要形式：肽链构象的限制作用，二级结构只有以下几种主要形式： 多个肽平多个肽平面通过面通过CC的的旋转，相互之旋转，相互之间紧密盘曲成间紧密盘曲成稳固的右手螺稳固的右手螺旋。旋。-helix 主链螺旋主链螺旋上升，上升，每每3.63.6个个氨基酸残基上氨基酸残基上升一圈，螺距升一圈，螺距0.54nm0.54nm。肽平肽平面和螺旋长轴面和螺旋长轴平行。平行。-helix 相邻两圈螺旋相邻两圈螺旋之间借肽键中羰基氧之间借肽键中羰基氧 ( (CO) )和亚氨基氢和亚氨基氢(N(NH H) )形成许多链内形成许多链内氢氢键键，即每一个氨基酸，即每一个氨基酸残基中的亚氨基氢和残基中的亚氨基氢和前面相隔三个残基的前面相隔三个残基的羰基氧之间形成氢键，羰基氧之间形成氢键，这这是稳定是稳定-螺旋的螺旋的主要化学键。主要化学键。-helix氢键对于生物高分子具有尤其重要的意义 l氢键氢键是分子间作用力的一种，是一种永久偶极之间的作用力，氢键发生在已经以共价键与其它原子键合的氢原子与另一个原子之间（X-HY），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是电负性较强的原子。 NH:O（8kJ/mol或1.9kcal/mol） 肽链中氨基酸残基侧链肽链中氨基酸残基侧链R R基，分基，分布在螺旋外侧布在螺旋外侧，其形状、大小及电，其形状、大小及电荷均会影响荷均会影响-螺旋的形成。螺旋的形成。-helix 是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成锯齿状锯齿状，相邻肽平面间呈，相邻肽平面间呈110110角。角。依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的羰依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的羰基氧与亚氨基氢形成氢键，使构象稳定。也就是说，基氧与亚氨基氢形成氢键，使构象稳定。也就是说，氢键是稳定氢键是稳定-折叠的主要化学键。折叠的主要化学键。-pleated sheet 两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前即前者两条链从者两条链从N N端到端到C C端是同方向的，后者是反方向的。端是同方向的，后者是反方向的。-折折叠结构的形式十分多样，正、反平行还可以相互交替。平叠结构的形式十分多样，正、反平行还可以相互交替。平行的行的-折叠结构中，两个残基的间距为折叠结构中，两个残基的间距为0.65nm0.65nm；反平行的；反平行的-折叠结构，则间距为折叠结构，则间距为0.7nm0.7nm。氨基酸残基的侧链氨基酸残基的侧链R R基分布在片层的上方或下方基分布在片层的上方或下方。-折叠，折叠， -helix动态变化动态变化turn蛋白质分子中，肽链经蛋白质分子中，肽链经常会出现常会出现180180的回折，的回折，在这种回折角处的构象在这种回折角处的构象就是就是-转角转角(-turn)(-turn)或称或称-折角折角(-bend)(-bend)。-转角中，第一个氨转角中，第一个氨基酸残基的羰基氧与第基酸残基的羰基氧与第四个残基的亚氨基氢形四个残基的亚氨基氢形成成氢键氢键，从而使结构稳，从而使结构稳定。定。氢键氢键random coil 无规卷曲泛指那些不能被归入明确的二级结构无规卷曲泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠或螺旋的多肽区段。实际上这些区段大多数如折叠或螺旋的多肽区段。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的。这些既不是卷曲，也不是完全无规的。这些“无规卷曲无规卷曲”也像其它二级结构那样是明确而稳定的结构，但是也像其它二级结构那样是明确而稳定的结构，但是它们受氨基酸残基侧链它们受氨基酸残基侧链R基相互作用的影响很大。这基相互作用的影响很大。这类有序的非重复性结构经常构成类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位酶活性部位和其它和其它蛋白质蛋白质特异的功能部位特异的功能部位。存在二级结构与三级结构域之间的规律性-氨基酸侧链的稳定的保守的相互作用（保守的侧链相互作用区）。蛋白质的进化是以蛋白质的生理功能为基础。模体模体是具有特殊功能的超二级结构是具有特殊功能的超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个个有规则的二级结构组合，被称为有规则的二级结构组合，被称为超二级结构超二级结构。二级结构组合形式主要有二级结构组合形式主要有3 3种：种：， 。 许多蛋白质分子中可以有许多蛋白质分子中可以有二个或三个二个或三个具有二级结构具有二级结构的的肽段肽段，在空间位置上相互接近，形成特殊的空间结构，在空间位置上相互接近，形成特殊的空间结构，称其为称其为“模体模体”（motif）。模体是具有特殊功能的超二级结构模体是具有特殊功能的超二级结构三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构( (tertiary structure) ) 蛋白质的三级结构是指蛋白质的三级结构是指在二级结构的基础上在二级结构的基础上, ,进一步盘曲或折迭而形成的进一步盘曲或折迭而形成的。也就是。也就是整条多肽链中所有原子或基团整条多肽链中所有原子或基团在三维空间的在三维空间的排布位置。排布位置。 肌红蛋白肌红蛋白 (myoglobin, Mb)一条长为一条长为153个氨基个氨基酸的多肽链和一个血酸的多肽链和一个血红素辅基组成。共有红素辅基组成。共有8段段-螺旋结构螺旋结构(A-H）功能功能: 储存储存O2血红素的结构式血红素的结构式肌红蛋白结合氧示意图肌红蛋白结合氧示意图 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键次级键，包括，包括氢键、盐氢键、盐键、疏水键以及范德华力键、疏水键以及范德华力等。此外，等。此外， 某些蛋白质中某些蛋白质中二硫键二硫键也起也起着重要的作用。着重要的作用。二硫键二硫键 结构域结构域(domain)(domain): :大大分子蛋白质三级结构分子蛋白质三级结构常可分割成一个或数常可分割成一个或数个球状或纤维状的区个球状或纤维状的区域，各自折叠得较为域，各自折叠得较为紧密，并且行使各自紧密，并且行使各自的功能。的功能。 切割结构域单独研究是常用方法。 帮助新生蛋白质的正确折叠、装配、跨膜运输和转位，阻止蛋白质的变性和聚集，参与错误折叠的蛋白质的水解，抑制错误折叠的蛋白质的分泌。分子伴侣分子伴侣（chaperon）Heat shock proteins, HSPs1.很多蛋白质的折叠或者是在高温失活后（即所谓的热休克），都通常需要分子伴侣的协助达到或恢复到其自然状态。l分子伴侣并不是只在热休克时才出现的，它们一直存在于细胞内。蛋白质在折叠时，总体来说是朝着降低能量的方向进行的。不过有时候它会进入所谓的“能井”中。这些状态并非其能量最低状态，但是蛋白质却因为缺乏外源能量而不能越出能井，或者是要很长的时间才能做到。l这时分子伴侣会发挥其作用，帮助蛋白质折叠回正确状态并加速这一过程。2.从另一个角度看，所有的分子伴侣都能识别疏水性区域。因为自然状态下的蛋白质会隐藏其疏水性区域，只有在不正确折叠的情况下才暴露出这些区域。分子伴侣便依靠疏水性作用与其底物结合，发挥作用 。伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用蛋白质的折叠相关疾病蛋白质的折叠相关疾病l蛋白质的翻译是在ER的核糖体上进行的。通过Sec61复合物，未折叠多肽链转运到ER腔内。在ER腔内这些多肽链通常先进行N-端糖基化修饰，进而折叠成二级及三级结构，最终被二硫键固定。ER腔内的氧化环境，大量分子伴侣和折叠酶对ER执行功能至关重要，这些分子伴侣和折叠酶可以提高蛋白质的折叠效率，保证只有正确折叠的蛋白才能转运到高尔基体。lER是一种非常敏感的细胞器，一旦内环境稳态破坏，蛋白质就无法进行正确折叠，包括：缺乏分子伴侣或细胞能量；Ca2+缺乏；氧化还原环境破坏；蛋白质变异；二硫键减少5。越来越多的错误折叠蛋白在内质网腔聚积从而引发内质网应激endoplasmicreticulumstress，ERS）l由于多种诱因会导致内质网应激，比如缺氧、缺血、高脂、高糖、紫外线照射、缺血再灌注等，因此，涉及到内质网应激的疾病几乎涵盖了各个系统，包括循环系统疾病如心功能不全、冠状动脉粥样硬化；内分泌系统如糖尿病；肾脏系统如肾功能不全；神经系统疾病如脑梗塞、脑出血；眼科疾病如白内障、青光眼等。内质网应激中首要反应就是未折叠蛋白反应内质网应激诱导的凋亡四、蛋白质的四级结构（四、蛋白质的四级结构（quaternary structure）亚基亚基(subunit)(subunit)：由一条多肽链缠绕形成的具有独立三级结构的由一条多肽链缠绕形成的具有独立三级结构的蛋白质。蛋白质。血红蛋白四级结构示意图血红蛋白四级结构示意图 主要稳定因素：主要稳定因素： 氢键、离子键氢键、离子键 由两个或两个以上亚基之由两个或两个以上亚基之间彼此以非共价键相互作用形间彼此以非共价键相互作用形成的更为复杂的空间构象，称成的更为复杂的空间构象，称为为蛋白质的四级结构。蛋白质的四级结构。功能多聚体实例，凋亡，炎症复合体功能多聚体实例，凋亡，炎症复合体生化课中将会接触的几个超大蛋白复合体生化课中将会接触的几个超大蛋白复合体l核糖体（真核生物核糖体（真核生物49+33种蛋白质）种蛋白质）P295l氧化呼吸链复合体氧化呼吸链复合体I,39蛋白质蛋白质 P161蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的蛋白质的sector结构结构l蛋白质的进化过程蛋白质的进化过程-结构变化与功能相互适应结构变化与功能相互适应的过程。的过程。l因此蛋白质的进化是在三维结构的基础上进行因此蛋白质的进化是在三维结构的基础上进行的。的。l序列划分的保守氨基酸较少的氨基酸，功能结序列划分的保守氨基酸较少的氨基酸，功能结构相似。构相似。l提出了以功能划分的保守亚三级结构：提出了以功能划分的保守亚三级结构：SECTOR.ProteinSectors:EvolutionaryUnitsOFThree-DimensionalStructure1.The red, blue, and green sectors shown together on the three dimensional structure.2.all sectors are similarity buried in the protein core.3.Biochemical Independence4.SECTOR是蛋白质进化的基本单元。 按组成成分：按组成成分： 单纯蛋白（仅含氨基酸）单纯蛋白（仅含氨基酸） 结合蛋白（单纯蛋白结合蛋白（单纯蛋白+辅基）辅基） 按形状分：按形状分： 球蛋白球蛋白 纤维蛋白纤维蛋白按功能分：按功能分：蛋白质家族蛋白质家族-拥有保守的拥有保守的SECTOR功能分区功能分区但是序列保守性较差。但是序列保守性较差。五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系 蛋白质一级结构是空间结构的基础蛋白质一级结构是空间结构的基础 蛋白质的一级结构决定蛋白质空蛋白质的一级结构决定蛋白质空间结构，进而决定蛋白质的生物学功能。间结构，进而决定蛋白质的生物学功能。Anfinsen经典实验经典实验变性变性复性复性核糖核酸酶核糖核酸酶2. 相似的一级结构有相同或相似的生物学功能相似的一级结构有相同或相似的生物学功能B30B30 B30镰刀状红细胞性贫血镰刀状红细胞性贫血: :亚基亚基N N端的第端的第6 6位氨基酸残基发生了改变，位氨基酸残基发生了改变，GluVal,GluVal,这种变异来源于基因上遗传信息的突变。这种变异来源于基因上遗传信息的突变。正常正常 DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA N端端 Ser Pro Glu Glu Lys异常异常 DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA HbS N端端 Ser Pro Val Glu Lys 分子病：分子病：蛋蛋白质分子发白质分子发生变异所导生变异所导致的疾病致的疾病3. 一级结构关键部位的改变影响其生物学活性一级结构关键部位的改变影响其生物学活性l在氧分压下降时HbS分子间相互作用，成为溶解度很低的螺旋形多聚体，使红细胞扭曲成镰状细胞（镰变）。 l红细胞镰变的初期是可逆的，给予氧可逆转镰变过程。但当镰变已严重损害红细胞膜后，镰变就变为不可逆，即使将这种细胞置于有氧条件下，红细胞仍保持镰状。镰变的红细胞僵硬，变形性差，发生溶血。 镰刀型红细胞镰刀型红细胞正常红细胞正常红细胞二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系 肌红蛋白肌红蛋白（myoglobin,Mb）单体单体，153AA血红蛋白血红蛋白（hemoglobin , Hb）四聚体四聚体， 22 (22, 22): 141AA, (,): 146AAMb与与Hb氧合曲线的比较氧合曲线的比较氧饱和度氧饱和度= 100% Mb与氧气有着高度亲和力，与氧气有着高度亲和力，其曲线为其曲线为双曲线双曲线。 与与Mb相比，相比， Hb与氧气的亲和与氧气的亲和力较低。其曲线为力较低。其曲线为S形曲线形曲线，表，表明明Hb中各个亚基与氧气的亲和力中各个亚基与氧气的亲和力不一致。不一致。 Hb中第一个亚基与氧中第一个亚基与氧气结合后，将促进后续亚基与氧气结合后，将促进后续亚基与氧气的结合。这是由气的结合。这是由Hb的的变构效应变构效应导致的。其作用在于导致的。其作用在于使使Hb能够更能够更有效地运输氧气有效地运输氧气。 MbO2MbO2+Mb1 mmHgHb的变构效应的变构效应也称也称别构效应别构效应 协同效应协同效应 一个亚基与配体结一个亚基与配体结合后，影响另一亚基与合后，影响另一亚基与配体的结合能力。配体的结合能力。促进促进正协同效应正协同效应抑制抑制负协同效应负协同效应O2血红素与氧结血红素与氧结合后，铁原子半径合后，铁原子半径变小，就能进入卟变小，就能进入卟啉环的小孔中，继啉环的小孔中，继而引起肽链位置的而引起肽链位置的变动。变动。 Proteins in Motion（三）蛋白质构象改变与疾病（三）蛋白质构象改变与疾病 蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋酶的淀粉样沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样沉淀的病理改变。白质淀粉样沉淀的病理改变。这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症（阿尔兹海默病）、亨停顿舞蹈病、年痴呆症（阿尔兹海默病）、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病等。蛋白质折叠病蛋白质折叠病疯牛病是由疯牛病是由朊病毒蛋白朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的引起的具具有传染性、遗传性的神经退行有传染性、遗传性的神经退行性病变。性病变。 正常正常PrP水溶性强、对蛋水溶性强、对蛋白酶敏感，含有多个白酶敏感，含有多个-螺旋螺旋，称为称为PrPC。 PrPC通过某种机通过某种机制可转变成制可转变成全为全为-折叠折叠的的PrP(称为称为PrPSC)。 PrPSC水溶水溶性差、对蛋白酶耐受、热稳定、性差、对蛋白酶耐受、热稳定、而且可以传染给其他个体，并而且可以传染给其他个体，并致使其他个体中正常的致使其他个体中正常的PrPC通过某种机制重新折叠成通过某种机制重新折叠成PrPSC。而。而PrPSC可以相互聚集，可以相互聚集，形成淀粉样沉淀而致病。形成淀粉样沉淀而致病。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病中的蛋白质构象改变数学的重要性疯牛病难以预防疯牛病难以预防l不含核酸而仅由蛋白质构成的可自我复制并具感染性的亚病毒因子。与普通蛋白质不同，经120130加热4小时，紫外线，离子照射，甲醛消毒，并不能把这种传染因子杀灭，对蛋白酶有抗性，但不能抵抗蛋白质强变性剂，如：苯酚、尿酸。 l片层结构的多肽具有自聚集的性质，可以自聚集形成纤维，为纳米材料提供了新的研究思路。 l蛋白质的可设计时代的到来。蛋白质的可设计时代的到来。 蛋白质是由蛋白质是由氨基酸氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质组成的大分子化合物，其理化性质一、蛋白质的理化性质一、蛋白质的理化性质 第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化一部分与氨基酸相似，一部分与氨基酸相似，如如两性电离及两性电离及等电点等电点、紫外吸收紫外吸收、呈色反应呈色反应等。等。也有一部分又不也有一部分又不同于氨基酸，如同于氨基酸，如高分子量、胶体高分子量、胶体性质、沉淀、变性质、沉淀、变性和凝固等。性和凝固等。蛋白质的两性电离及等电点蛋白质的两性电离及等电点蛋白质的蛋白质的等电点等电点（pI） 在某一溶液中，蛋白质所带正负电荷在某一溶液中，蛋白质所带正负电荷相等，净电荷为零时，此时该溶液的相等，净电荷为零时，此时该溶液的pH值即为该蛋白质的值即为该蛋白质的等电点等电点 (isoelectric point，pI )。蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质 蛋白质分子量颇大，可自一蛋白质分子量颇大，可自一万至百万之巨，故其分子的大万至百万之巨，故其分子的大小已达到胶粒小已达到胶粒1 1100nm100nm范围之范围之内。因此蛋白质溶液具有内。因此蛋白质溶液具有胶体胶体溶液溶液的性质。的性质。稳定该亲水胶体的因素是稳定该亲水胶体的因素是：水化膜、颗粒表面电荷。水化膜、颗粒表面电荷。胶体性质胶体性质l胶体中的粒子会发生布朗运动。l胶体在光照下可以观察到丁达尔效应。l胶体粒子可以通过吸附离子而带有电荷，同种胶体粒子带有相同电荷。在电场中胶体出现电泳现象，同种胶体粒子会向某一极移动。l胶体有介稳性：由于同种胶体粒子所带电性相同，在一般的情况下，它们之间的相互排斥阻碍了胶体粒子变大，使其不易聚集；另外，胶体粒子的布朗运动也使得它们不易聚集而沉降。l胶体可以通过滤纸，不可以通过半透膜。 天然蛋白质在某些天然蛋白质在某些物理或化学因素物理或化学因素作用下，作用下，其特定的其特定的空间结构被破坏空间结构被破坏，从而导致，从而导致理化性质改理化性质改变变和和生物学活性的丧失生物学活性的丧失，称为蛋白质的变性作用，称为蛋白质的变性作用(denaturation)。变性主要是。变性主要是二硫键及非共价键二硫键及非共价键的断裂，并不涉及一级结构氨基酸序列的改变。的断裂，并不涉及一级结构氨基酸序列的改变。蛋白质的变性蛋白质的变性-吴宪最早提出吴宪最早提出 溶解度降低、溶液的粘滞度溶解度降低、溶液的粘滞度增高、不容易结晶、易被酶增高、不容易结晶、易被酶消化。消化。变性的因素：加热，乙醇等有机溶剂，强酸，强碱，重金属离子，生物碱等蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀 蛋白质变性后，蛋白质变性后，疏水基团疏水基团暴露，相互之间容易聚集而发生沉暴露，相互之间容易聚集而发生沉淀。淀。值得注意的是，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。值得注意的是，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。 引起蛋白质变性的因素：引起蛋白质变性的因素： 物理因素：物理因素：加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线 照射、超声波的作用等照射、超声波的作用等 化学因素：化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、尿素、重金属盐、强酸、强碱、有机溶剂、尿素、重金属盐、 生物碱试剂、表面活性剂生物碱试剂、表面活性剂 ( (如如SDS) SDS) 等等蛋白质变性的应用：蛋白质变性的应用：利用：利用：高温、高压灭菌高温、高压灭菌利用：利用：低温保存酶、疫苗等，防止蛋白质变性。低温保存酶、疫苗等，防止蛋白质变性。低温保存柜低温保存柜高压灭菌锅高压灭菌锅是否存在没有蛋白质的生命形态。 变性并非是不可逆的变化，变性并非是不可逆的变化，当变性程度较轻时，当变性程度较轻时，如去除变性因素，有的蛋白质仍能恢复或部分恢复如去除变性因素，有的蛋白质仍能恢复或部分恢复其原来的构象及功能，其原来的构象及功能，变性的可逆变化称为复性变性的可逆变化称为复性（renaturation）。）。变性容易复性很困难蛋白质的吸收光谱及几种呈色反应蛋白质的吸收光谱及几种呈色反应蛋白质的特征紫外吸收光波长蛋白质的特征紫外吸收光波长280nm （主要是（主要是Trp、Tyr的贡献）的贡献）2. 呈色反应呈色反应常可用于常可用于蛋白质定量蛋白质定量双缩脲反应双缩脲反应(Biuret Reaction)(Biuret Reaction)两个或两个以上的肽键两个或两个以上的肽键在碱性条件下与在碱性条件下与CuCu2+2+反应生成反应生成紫红色紫红色物质物质Folin-Folin-酚试剂反应酚试剂反应蛋白质分子中的蛋白质分子中的Tyr在碱性条件下与酚试剂生成在碱性条件下与酚试剂生成蓝色蓝色化合物化合物茚三酮反应茚三酮反应蛋白质分子中的蛋白质分子中的游离氨基和羧基游离氨基和羧基与茚三酮加热生成与茚三酮加热生成蓝紫色蓝紫色化合物化合物盐析（盐析（salt precipitation）：中性盐）：中性盐（硫酸铵等），分段盐析（硫酸铵等），分段盐析有机试剂沉淀：乙醇、丙酮，低温有机试剂沉淀：乙醇、丙酮，低温 免疫沉淀：抗原免疫沉淀：抗原-抗体抗体电泳电泳(electrophoresis) :pI分子量的大小分子量的大小 透析透析（dialysis）：）： 半透膜半透膜层析层析（chromatography）：）：离子交换层析、亲和层离子交换层析、亲和层析、凝胶柱层析析、凝胶柱层析离心、超速离心离心、超速离心(ultracentrifugation)：沉降系数沉降系数S盐析盐析 将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐加入蛋白质溶液中，中和蛋白质颗粒表面加入蛋白质溶液中，中和蛋白质颗粒表面所带的电荷，破坏其水化膜，导致蛋白质所带的电荷，破坏其水化膜，导致蛋白质在水溶液中的稳定因素被去除而沉淀。在水溶液中的稳定因素被去除而沉淀。电泳电泳 带电荷的蛋白质等能够在电场中向相反带电荷的蛋白质等能够在电场中向相反的方向泳动，称为电泳。藉此可以使蛋白的方向泳动，称为电泳。藉此可以使蛋白质等得到分离。质等得到分离。电泳电泳（electrophoresis）双向凝胶电泳技术双向凝胶电泳技术尿毒症尿毒症（uremia）是指肾功能衰竭，因而使蛋白质消化后产物、尿素等身体废弃物无法排出，滞留体内所产生的中毒现象。 层析层析chromatography 凝胶柱层析凝胶柱层析 离子交换层析离子交换层析 亲和层析亲和层析蛋白质纯化的原则蛋白质纯化的原则l三步纯化，例如：三步纯化，例如：his-反向反向his-离子交换。离子交换。小结小结l氨基酸的结构通式氨基酸的结构通式l氨基酸的三字母英文缩写氨基酸的三字母英文缩写l氨基酸的分类氨基酸的分类l氨基酸的连接方式氨基酸的连接方式l蛋白质的结构蛋白质的结构(14)、稳定的作用键、稳定的作用键l氨基酸和蛋白质的理化性质氨基酸和蛋白质的理化性质l20种氨基酸中哪种分子量最小？种氨基酸中哪种分子量最小？l哪些氨基酸是支链氨基酸？哪些氨基酸是支链氨基酸？l哪些氨基酸是芳香族氨基酸？哪些氨基酸是芳香族氨基酸？l哪些氨基酸是杂环氨基酸？哪些氨基酸是杂环氨基酸？l哪些氨基酸是羟基氨基酸？哪些氨基酸是羟基氨基酸？l哪些氨基酸是含酰胺基氨基酸？哪些氨基酸是含酰胺基氨基酸？l哪些氨基酸是含硫氨基酸？哪些氨基酸是含硫氨基酸？l哪些氨基酸是酸性氨基酸？哪些氨基酸是酸性氨基酸？l哪些氨基酸是碱性氨基酸？哪些氨基酸是碱性氨基酸？l哪个氨基酸是亚氨基酸？哪个氨基酸是亚氨基酸？l哪些氨基酸是非极性、疏水性氨基酸？哪些氨基酸是非极性、疏水性氨基酸？l哪些氨基酸是极性、中性氨基酸？哪些氨基酸是极性、中性氨基酸？GlyVal, Leu, IlePhe, Tyr, TrpPro, His, TrpSer, Thr, TyrAsn, GlnCys, MetAsp, GluArg, Lys, HisPro 生化词汇生化词汇1. protein denaturation2. GSH4. Isoelectric point( pI)5. peptide bond6. salt precipitation7. -pleated sheet思考题思考题:1.蛋白质的元素组成、基本组成单位，蛋白质的元素组成、基本组成单位，氨基酸成肽的连接方式；熟悉氨基酸的通式与结构特点；氨基酸成肽的连接方式；熟悉氨基酸的通式与结构特点；氨基酸三字母英文缩写。氨基酸三字母英文缩写。2.蛋白质蛋白质14级结构的定义及维系这些结构稳定的作用键级结构的定义及维系这些结构稳定的作用键3.蛋白质二级结构的基本形式？蛋白质二级结构的基本形式？4.举例说明蛋白质一级结构与功能的关系。举例说明蛋白质一级结构与功能的关系。5.1血清某一蛋白（血清某一蛋白（pI为为7.0）在下列哪种）在下列哪种pH值溶液值溶液中带负电荷？中带负电荷？( ) ApH4.0 BpH5.0 CpH6.0 DpH7.0 EpH8. 02维系蛋白质二级结构稳定的化学键是维系蛋白质二级结构稳定的化学键是( ) A盐键盐键 B二硫键二硫键 C氢键氢键 D疏水键疏水键 E肽键肽键 测试题测试题Summary Proteins are linear polymers that are synthesized from the same 20 L-amino acids,linked by peptide bond. All these amino acids have a carboxyl group and an amino group attached to the C atom. The various amino acids are usually classified according to the polarities of their side chains-R, nonpolar、uncharged and polar、charged and polar amino acidsPrimary structure: the amino acids sequence of the polypeptide chain .Stabilizing forces:peptide bonds;disulfide bondsSecondary structure:the conformation of the polypeptide backbones of proteins.Stabilizing forces:hydrogen bondsFour kinds: -helix、 -pleated sheet 、 -turn、random coilproteins structure:Primary、Secondary、Tertiary、Quaternary structureThe relationship of structure and function of a protein:The primary structure is the base of spacial conformation，spacial conformation determines a proteins function.The physical and chemical properties of proteins:Dipolar ion and pI ; denaturationGel characters( hydrate shell, charges)Ultraviolet absorption(280nm)异硫氰酸异硫氰酸苯酯苯酯