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蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第第 一一 章章Structure and Function of Protein1Protein Protein 来自希腊字母，意思是来自希腊字母，意思是“头等头等重要的，原始的重要的，原始的”蛋白质蛋白质 来源于对蛋清（清蛋白）的研究来源于对蛋清（清蛋白）的研究 分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的子，占人体干重的4545，某些组织含量更高，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达例如脾、肺及横纹肌等高达8080。2 18331833年年 PayenPayen和和PersozPersoz分离出淀粉酶。分离出淀粉酶。18641864年年 Hoppe-SeylerHoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶。并将其制成结晶。1919世纪末世纪末 FischerFischer证明蛋白质是由氨基酸组成证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽的，并将氨基酸合成了多种短肽。19381938年年 德国化学家德国化学家Gerardus J.MulderGerardus J.Mulder引用引用“ProteinProtein”一词来描述蛋白质。一词来描述蛋白质。大事记：大事记：319511951年年 PaulingPauling采用采用X X（射）线晶体衍射发现了蛋白质（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构的二级结构-螺旋螺旋(-helix)(-helix)。19531953年年 Frederick SangerFrederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。完成胰岛素一级序列测定。19621962年年 John Kendrew John Kendrew 和和 Max PerutzMax Perutz确定了血红蛋白确定了血红蛋白的四级结构。的四级结构。2020世纪世纪9090年代以后年代以后 后基因组计划。后基因组计划。4蛋白质蛋白质(protein)(protein)是由许多是由许多氨基酸氨基酸(amino acids)(amino acids)通过通过肽键肽键(peptide bond)(peptide bond)相连形成的高分子含相连形成的高分子含氮氮化合物。化合物。51 1）酶的生物催化作用）酶的生物催化作用62 2）调控作用）调控作用参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等参与代谢调控：如激素或生长因子等参与代谢调控：如激素或生长因子等73 3）运动与支持）运动与支持机体的结构蛋白：机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等头发、骨骼、牙齿、肌肉等84 4）参与运输贮存的作用）参与运输贮存的作用95 5）免疫保护作用）免疫保护作用抗原抗体反应抗原抗体反应凝血机制凝血机制106 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递信号传导中的受体、信息分子等信号传导中的受体、信息分子等7 7）氧化供能氧化供能11The Molecular Component of Protein12 组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素有些蛋白质还含有少量的有些蛋白质还含有少量的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%主要元素组成主要元素组成13 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为1616。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点14 组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余种，但余种，但组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有2020种种15H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-H16 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属于外其余均属于L-L-氨基酸氨基酸。COOH H2N C H R 例外：Pro Pro 亚氨基酸亚氨基酸Gly Gly 没有手性没有手性171.1.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2.2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸3.3.酸性氨基酸酸性氨基酸4.4.碱性氨基酸碱性氨基酸（一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类分类依据分类依据 ：R R侧链基团的结构及理侧链基团的结构及理 化性质的不同化性质的不同18甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanineAlaA 6.00缬氨酸缬氨酸 valineValV 5.96亮氨酸亮氨酸 leucineLeuL 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucineIleI 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalaninePheF 5.48脯氨酸脯氨酸 prolineProP 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸19色氨酸色氨酸 tryptophanTryW 5.89丝氨酸丝氨酸 serineSer S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosineTryY 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteineCysC 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine MetM 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagineAsnN 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamineGlnQ 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonineThrT5.602.极性中性氨基酸极性中性氨基酸20侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。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 3.22214.碱性氨基酸碱性氨基酸 His，Arg，Lys侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。组氨酸组氨酸 His（H）7.59赖氨酸赖氨酸Lys（K）9.74精氨酸精氨酸 Arg（R）10.7622另外：1 1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修 饰的饰的修饰氨基酸修饰氨基酸 如：如：脯氨酸脯氨酸 羟基化羟基化 成成 羟脯氨酸羟脯氨酸 赖氨酸赖氨酸 羟基化羟基化 成成 羟赖氨酸羟赖氨酸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23-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 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH324（二）氨基酸的理化性质（二）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氨基酸是两性电解质，其解离程度取决氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。于所处溶液的酸碱度。+OH-+H+OH-+H+CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+pHpI阴离子阴离子25等电点等电点(isoelectric point,pI)(isoelectric point,pI)在某一在某一pHpH的溶液中，氨基酸解离成阳的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的性离子，呈电中性。此时溶液的pHpH值值称为称为该氨基酸的该氨基酸的等电点等电点。262.2.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。27紫外分分光度法：紫外分分光度法：大多数蛋白质含有大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶液280nm280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收283 3显色反应显色反应 茚三酮反应：茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产氨基酸可与茚三酮缩合产生生蓝紫色化合物蓝紫色化合物，最大吸收峰在，最大吸收峰在570nm570nm。该反应可作为该反应可作为蛋白质定性、定量分析蛋白质定性、定量分析的基础。的基础。29（一）肽（一）肽(peptide)(peptide)肽肽是由氨基酸通过是由氨基酸通过肽键肽键缩合缩合而形成的化合物。而形成的化合物。30NH2-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键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO31 肽键肽键(peptide bond)(peptide bond)：是由一个是由一个氨基酸氨基酸的的-羧基与另一个羧基与另一个氨基酸氨基酸的的-氨基脱水缩合氨基脱水缩合而形成的化学键，本质为而形成的化学键，本质为酰胺键酰胺键。氨基酸残基氨基酸残基(residue):(residue):肽链中的氨基酸分肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基氨基酸残基。酸残基。32*两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨，三分子氨基酸缩合则形成基酸缩合则形成三肽三肽*由十个以内氨基酸相连而成的肽称为由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡寡肽肽(oligopeptide)(oligopeptide)，由更多的氨基酸相由更多的氨基酸相连形成的肽称连形成的肽称多肽多肽(polypeptide)(polypeptide)。*多肽链多肽链(polypeptide chain)(polypeptide chain)是指许多是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。33N N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由氨基自由氨基的一端的一端C C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有自由羧基自由羧基的一端的一端多肽链有方向性：多肽链有方向性：N端C端34N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶35（二）（二）几种生物活性肽几种生物活性肽 1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)36GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢生的过氧化氢37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：参与氧化还原反应：参与氧化还原反应：保护巯基酶的活性：保护巯基酶的活性：抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定：抗氧化剂作用，维持红细胞膜的稳定：38 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2.2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽39 *根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质：单纯蛋白质：如，血清清蛋白如，血清清蛋白结合蛋白质结合蛋白质 =蛋白质部分蛋白质部分 +非蛋白质部分非蛋白质部分 如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等如：糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白等*根据蛋白质形状根据蛋白质形状 纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：多为多为结构蛋白结构蛋白，难溶于水，难溶于水球状蛋白质：球状蛋白质：多数具有多数具有生理活性，生理活性，多数可溶多数可溶 如酶、免疫球蛋白等等如酶、免疫球蛋白等等40分类辅基举例脂蛋白脂类血浆脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等）糖蛋白糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等核蛋白核酸核糖体磷蛋白磷酸基团酪蛋白（casein）血红素蛋白血红素（铁卟啉）血红蛋白、细胞色素c黄素蛋白黄素核苷酸（FAD、FMN）琥珀酸脱氢酶金属蛋白铁铁蛋白锌乙醇脱氢酶钙钙调蛋白锰丙酮酸羧化酶结合蛋白质及其辅基结合蛋白质及其辅基 41蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 第第 二二 节节42蛋白质是由许多蛋白质是由许多氨基酸氨基酸单位通过单位通过肽键肽键连接连接起来的，具有起来的，具有特定分子结构特定分子结构的的高分子化合高分子化合物物。构象构象是由于有机分子中是由于有机分子中单键单键的旋转所形成的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级非共价键（次级键）键）来维系来维系43蛋白质的分子结构包括（人为划分）蛋白质的分子结构包括（人为划分）一级结构一级结构(primary structure)(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)(quaternary structure)高级高级结构结构44定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。顺序。(包括蛋白质分子中所有的二硫键的位置）包括蛋白质分子中所有的二硫键的位置）二、蛋白质的一级结构二、蛋白质的一级结构主要的维系键：主要的维系键：肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是一级结构是蛋白质空间构象和蛋白质空间构象和特异生物学功能的特异生物学功能的基础。基础。但不是决定但不是决定蛋白质空间构象的蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素45三、蛋白质的二级结构三、蛋白质的二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空间蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链结构，即该段肽链主链骨架原子主链骨架原子的相对空的相对空间位置，间位置，并不涉及氨基酸残基侧链并不涉及氨基酸残基侧链的构象的构象。定义定义 主要的维系键主要的维系键：氢键氢键 46 由于由于C=OC=O双键中的双键中的电子云电子云与与N N原子上的未共用电子对原子上的未共用电子对发生发生“电子共振电子共振”，使肽键具有，使肽键具有部分双键部分双键的性质，的性质，不能自由旋转不能自由旋转。47肽键平面肽键平面由于肽键具有部分双键的性质，使由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。这一平面称为肽键平面或肽单元。（一）肽单元（一）肽单元48l由于由于-碳原碳原子与其他原子子与其他原子之间均形成之间均形成单单键键，因此，因此两相两相邻的肽键平面邻的肽键平面可以作相对旋可以作相对旋转转49(二）蛋白质二级结构的主要形式二）蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 (-helix)-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-pleated sheet)-转角转角 (-turn)-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)(random coil)50-螺旋是螺旋是多肽链的主多肽链的主链原子沿一链原子沿一中心轴盘绕中心轴盘绕所形成的有所形成的有规律的螺旋规律的螺旋构象构象51 结构特征：结构特征：为一为一右手螺旋右手螺旋，侧链，侧链伸向螺旋伸向螺旋外侧外侧 螺旋每圈包含螺旋每圈包含3.63.6个氨个氨基酸残基基酸残基,螺距螺距 0.54nm0.54nm；螺旋以螺旋以氢键氢键维系（氨维系（氨基酸的基酸的N-HN-H和相邻第四个氨和相邻第四个氨基酸的羰基氧基酸的羰基氧C=OC=O之间。氢之间。氢键方向与螺旋轴基本平行）键方向与螺旋轴基本平行）522.2.-折叠折叠 -折叠折叠是由若干肽是由若干肽段或肽链排段或肽链排列起来所形列起来所形成的扇面状成的扇面状片层构象片层构象53-折叠包括折叠包括平行式平行式和和反平行式反平行式两种类型两种类型54结构特征：结构特征：由若干条肽段或肽链平行或反平由若干条肽段或肽链平行或反平 行排列组成行排列组成片状结构片状结构；主链骨架伸展呈主链骨架伸展呈锯齿状锯齿状；涉及的肽段较短，一般为涉及的肽段较短，一般为5 51010个个 氨基酸残基；氨基酸残基；借相邻主链之间的借相邻主链之间的氢键氢键维系。维系。553.-转角转角 是多肽链是多肽链180180回折部分回折部分所形成所形成的一种二级结构的一种二级结构无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。分肽链结构。4.4.无规卷曲无规卷曲56（三）模体（三）模体(motif)(motif)在许多蛋白质分子在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，成一个特殊的空间构象，被称为模体被称为模体 钙结合蛋白中钙结合蛋白中结合钙离子的模体结合钙离子的模体57螺旋折叠折叠螺旋折叠折叠2 2个个HisHis和和2 2个个Cys Cys 与与ZnZn离子结合离子结合螺旋区螺旋区 与与 DNA DNA 结合结合58（四）氨基酸残基的侧链对二级结构形成（四）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋螺旋或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。59四、蛋白质的三级结构四、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der WaalsVan der Waals力等。力等。主要的维系键：主要的维系键：整条肽链中整条肽链中全部氨基酸残基全部氨基酸残基的相对空间位置。的相对空间位置。即肽链中即肽链中所有原子在三维空间的排布位置所有原子在三维空间的排布位置。（一）（一）定义定义 6061 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端 为单肽蛋白质，为单肽蛋白质，含有含有153个氨基酸，个氨基酸，有有8个螺旋区个螺旋区62三级结构是蛋白质结构的基础三级结构是蛋白质结构的基础对于对于单一多肽链的蛋白质，单一多肽链的蛋白质，三级结三级结构是它的构是它的最高级结构，最高级结构，只有具有完只有具有完整的三级结构，才具有全部的整的三级结构，才具有全部的生物生物学功能学功能63（二）结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为密，各行使其功能，称为结构结构域域(domain)(domain)。64（三）分子伴侣（三）分子伴侣(chaperon)(chaperon)分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构白质折叠成天然构象或形成四级结构.*可逆地可逆地与未折叠肽段的疏水部分与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。确折叠。*可与可与错误聚集的肽段结合错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导，使之解聚后，再诱导其正确折叠。其正确折叠。*在蛋白质分子在蛋白质分子折叠过程中折叠过程中二硫键的正确形成起二硫键的正确形成起了重要的作用。了重要的作用。65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 66五、蛋白质的四级结构五、蛋白质的四级结构亚基亚基(subunit)(subunit)有些蛋白质分子含有有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的称为蛋白质的亚基亚基 。胰岛素受体：胰岛素受体：由由4 4个亚个亚基组成基组成(2 22 2)，亚基与亚基与亚基形成单体亚基形成单体(monomer)(monomer)，2 2个单体形成二聚体个单体形成二聚体(dimer)(dimer)。67亚基之间的结合力主要是亚基之间的结合力主要是疏水作用疏水作用，其次，其次是是氢键和离子键氢键和离子键。蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。68血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 69血红蛋白的四个亚基紧密结合，血红蛋白的四个亚基紧密结合，亚基之间的维系键是亚基之间的维系键是亚基之间亚基之间的的8 8 个盐键个盐键7071蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 节节72（一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键73 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性74从细胞色素从细胞色素c c的一级的一级结构看生物进化结构看生物进化物种进化过程中越物种进化过程中越接近的生物，细胞接近的生物，细胞色素的一级结构越色素的一级结构越相似相似一级结构相似的多肽或一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功蛋白质，其空间构象以及功能也相似。能也相似。（二）一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系75例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146)由于单个氨基酸的变化引起血红蛋白的亲水性明显由于单个氨基酸的变化引起血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状 这种由蛋白质分子发生变异所导致这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为的疾病，称为“分子病分子病”。重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病76二、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 MbMb血红蛋白血红蛋白 HbHb77HbHb与与MbMb一样能可逆地与一样能可逆地与O O2 2结合，结合，HbHb与与O O2 2结合后称为结合后称为氧合氧合HbHb。氧合。氧合HbHb占总占总HbHb的百分数的百分数（称（称百分饱和度百分饱和度）随）随O O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧（二）血红蛋白的构象变化与结合氧 78肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线79*协同效应协同效应(cooperativity)(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为力的现象，称为协同效应协同效应。如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity)(positive cooperativity)如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应 (negative cooperativity)(negative cooperativity)80血红蛋白的四个亚基紧密结合，血红蛋白的四个亚基紧密结合，亚基之间的维系键是亚基之间的维系键是亚基之间亚基之间的的8 8 个盐键个盐键8182Hb Hb 未与未与O O2 2结合的时候，结合的时候，FeFe2+2+位于卟啉环平面外侧，位于卟啉环平面外侧，与与F8His F8His 连接，当第一个连接，当第一个 O O2 2与与 FeFe2+2+结合后，结合后，被拉被拉到平面中，使得牵动到平面中，使得牵动F8F8螺旋片段，导致亚基之间盐螺旋片段，导致亚基之间盐键断裂、结合变松弛，使键断裂、结合变松弛，使 易于与第二个亚基结合易于与第二个亚基结合83O2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。8485变构效应与协同效应变构效应与协同效应协同效应协同效应：一个亚基与其配体（一个亚基与其配体（O O2 2）结合后，）结合后，可影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力可影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力的现象称为协同效应的现象称为协同效应 起促进作用的，为起促进作用的，为正协同效应正协同效应 起抑制作用的，为起抑制作用的，为负协同效应负协同效应别构效应：别构效应：由于小分子（由于小分子（O O2 2）与大分子（）与大分子（HbHb）亚基结合，导致蛋白质分子构象改变及功能亚基结合，导致蛋白质分子构象改变及功能变化的现象称为变化的现象称为别构效应别构效应。小分子物质，称为小分子物质，称为 别构效应剂别构效应剂86（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。87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纤维沉淀，产生毒性而致病，表现酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。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、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。88疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,(prion protein,PrP)PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的正常的PrPPrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPPrPc c。PrPPrPc c在某种未知蛋白质的作用下可转变成全在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为为-折叠的折叠的PrPPrPscsc，从而致病。，从而致病。PrPPrPc c-螺旋螺旋PrPPrPscsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病89第四节第四节蛋白质的理化性质与分离纯化蛋白质的理化性质与分离纯化The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein90（一）蛋白质的两性电离（一）蛋白质的两性电离 一、理化性质一、理化性质 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pHpH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的等电点蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)(isoelectric point,pI)91COOHNH2COONH3NH3COOHNH2COO-+OH+H-+OH-+H+-pH=pIpHpIpHpIprprprpr当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pHpH时，蛋白质解离成正、负时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的此时溶液的pHpH称为称为蛋白质的等电点蛋白质的等电点92（二）蛋白质的胶体性质（二）蛋白质的胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1 1万至万至100100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1 1100nm100nm，为胶粒范围之内。为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素：蛋白质胶体稳定的因素：颗粒表面电荷颗粒表面电荷(电荷层）电荷层）水化膜水化膜93+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉94（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固 *蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。物活性的丧失。95 造成变性的因素造成变性的因素如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等重金属离子及生物碱试剂等。变性的本质变性的本质 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋破坏非共价键和二硫键，不改变蛋 白质的一级结构。白质的一级结构。96 应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。灭菌。此外此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。质制剂（如疫苗等）的必要条件。97变性蛋白质的性质改变：变性蛋白质的性质改变：物理性质：旋光性改变，溶解度下降，沉降物理性质：旋光性改变，溶解度下降，沉降率升高，粘度升高，光吸收度增加等；率升高，粘度升高，光吸收度增加等；化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解。水解。生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性改变。改变。98若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为象和功能，称为复性复性(renaturation)(renaturation)。99 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性100*蛋白质沉淀蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。淀，但并不变性。*蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation)(protein coagulation)蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。101（四）蛋白质的紫外吸收（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm280nm波长处有特征性吸收波长处有特征性吸收峰。蛋白质的峰。蛋白质的ODOD280280与其浓度呈正比关系，因此与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。可作蛋白质定量测定。102（五）蛋白质的呈色反应（五）蛋白质的呈色反应茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)(ninhydrin reaction)蛋白质经水解后产生的蛋白质经水解后产生的氨基酸氨基酸也可发生茚也可发生茚三酮反应。三酮反应。双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中蛋白质和多肽分子中肽键肽键在稀碱溶液中与在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。程度。103二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化（一）透析及超滤法（一）透析及超滤法*透析透析(dialysis)(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。小分子化合物分开的方法。*超滤法超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。104（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀 *使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀时，必须在时，必须在0 044低温下进行，低温下进行，丙酮用量一般丙酮用量一般1010倍于蛋白质溶液体积。蛋白倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。外，也可用乙醇沉淀。*盐析盐析(salt precipitation)(salt precipitation)是将硫酸铵、硫是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。白质沉淀。105*免疫沉淀法：免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。离获得抗原蛋白。106（三）电泳（三）电泳蛋白质在高于或低于其蛋白质在高于或低于其pIpI的溶液中为带电的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术质的技术,称为称为电泳电泳(elctrophoresis)(elctrophoresis)。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。胶电泳等。107几种重要的蛋白质电泳几种重要的蛋白质电泳*SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质，常用于蛋白质分子量的测定。分子量的测定。*等电聚焦电泳等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技是蛋白质组学研究的重要技术。术。108PAGE电泳结果电泳结果109（四）层析（四）层析层析层析(chromatography)(chromatography)分离蛋白质的原理分离蛋白质的原理待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的的目的 。110主要的层析技术有离子交换层析，凝胶层主要的层析技术有离子交换层析，凝胶层析，吸附层析及亲和层析等。析，吸附层析及亲和层析等。111蛋白质分离常用的层析方法蛋白质分离常用的层析方法*离子交换层析：离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。质不同进行分离。*凝胶过滤凝胶过滤(gel filtration)(gel filtration)又称分子筛层析，又称分子筛层析，利用各蛋白质分子大小不同分离。利用各蛋白质分子大小不同分离。112113114（五）超速离心（五）超速离心 ultracentrifugation*既可以用来分离纯化蛋既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。白质的分子量。*蛋白质在离心场中的行为用蛋白质在离心场中的行为用沉降系数沉降系数(sedimentation coefficient,S)(sedimentation coefficient,S)表示表示,沉降系数与蛋白质的密度和形状相关沉降系数与蛋白质的密度和形状相关 。115因为沉降系数因为沉降系数S S大体上和分子量成大体上和分子量成正比关系，故可应用超速离心法测定蛋正比关系，故可应用超速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状的高度不对白质分子量，但对分子形状的高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。称的大多数纤维状蛋白质不适用。116三、多肽链中氨基酸序列分析三、多肽链中氨基酸序列分析分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基把肽链水解成片段，分别进行分析把肽链水解成片段，分别进行分析测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用EdmanEdman降解法降解法一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨顺序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基酸顺序的结果。基酸顺序的结果。117通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列分离编码蛋白质的基因分离编码蛋白质的基因测定测定DNADNA序列序列排列出排列出mRNAmRNA序列序列118四、蛋白质空间结构测定四、蛋白质空间结构测定*二级结构测定二级结构测定通 常 采 用通 常 采 用 圆 二 色 光 谱圆 二 色 光 谱(c i r c u l a r(c i r c u l a r dichroismdichroism，CD)CD)测定溶液状态下的蛋白质二级测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。结构含量。-螺旋的螺旋的CDCD峰有峰有222nm222nm处的负峰、处的负峰、208nm208nm处的负峰和处的负峰和198 nm198 nm处的正峰三个成分；处的正峰三个成分；而而-折叠的折叠的CDCD谱不很固定。谱不很固定。119*三级结构测定三级结构测定X X射线衍射法射线衍射法(X-ray diffraction)(X-ray diffraction)和核磁和核磁共振技术共振技术(nuclear magnetic resonance,NMR)(nuclear magnetic resonance,NMR)是研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。是研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。120*用分子力学、分子动力学的方法，根据物理用分子力学、分子动力学的方法，根据物理化学的基本原理，从理论上计算蛋白质分子化学的基本原理，从理论上计算蛋白质分子的空间结构。的空间结构。根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构*通过对已知空间结构的蛋白质进行分析，找通过对已知空间结构的蛋白质进行分析，找出一级结构与空间结构的关系，总结出规律，出一级结构与空间结构的关系，总结出规律，用于新的蛋白质空间结构的预测。用于新的蛋白质空间结构的预测。121
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