人民卫生出版社高国全第三版第一章蛋白质的结构与功能课件

第一章第一章 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein 第一章 蛋白质的结构与功能蛋白质的概念蛋白质的概念 蛋白质蛋白质(protein)是由许多氨基酸是由许多氨基酸(amino acid)通过肽键通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质的概念 第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein 第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成 主要含有碳、氢、氧、氮及硫。主要含有碳、氢、氧、氮及硫。有些蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、有些蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、锰、钴及钼等。锰、钴及钼等。蛋白质的元素组成蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点 蛋白质的含氮量接近，平均为蛋白质的含氮量接近，平均为16%。测定生物样品含氮量可推算出蛋白质测定生物样品含氮量可推算出蛋白质 大致含量。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 6.25 100 蛋白质元素组成的特点一、蛋白质的基本组成单位一、蛋白质的基本组成单位-氨基酸氨基酸 氨基酸是蛋白质的基本组成单位。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。自然界存在自然界存在300余中氨基酸，组成蛋白质余中氨基酸，组成蛋白质的氨基酸仅有的氨基酸仅有20种，且均为种，且均为L-氨基酸氨基酸(除甘氨酸外除甘氨酸外)。一、蛋白质的基本组成单位-氨基酸 （一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类 1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸 3.芳香族氨基酸芳香族氨基酸 4.酸性氨基酸酸性氨基酸 5.碱性氨基酸碱性氨基酸 （一）氨基酸的分类1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸 甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.301.非极性脂肪族氨基酸 2中性极性氨基酸中性极性氨基酸 丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 甲硫氨酸甲硫氨酸 methionine Met M 5.74 (蛋氨酸蛋氨酸)天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷胺酰胺谷胺酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.60 2中性极性氨基酸 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48色氨酸色氨酸 tryptophan Trp W 5.89酪氨酸酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.663芳香族氨基酸芳香族氨基酸 苯丙氨酸 phenylalanine P4.酸性氨基酸酸性氨基酸天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.2245.碱性氨基酸碱性氨基酸 赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.594.酸性氨基酸胱氨酸与二硫键胱氨酸与二硫键胱氨酸与二硫键（二）氨基酸的理化性质（二）氨基酸的理化性质 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，其解离方式及氨基酸是两性电解质，其解离方式及带电状态取决于其所处溶液的酸碱度。带电状态取决于其所处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoeletric point,pI)在某一在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的数量相等，分子呈电中性，此时溶液的离子的数量相等，分子呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。称为该氨基酸的等电点。（二）氨基酸的理化性质人民卫生出版社高国全第三版第一章蛋白质的结构与功能课件2.氨基酸的紫外吸收氨基酸的紫外吸收 酪氨酸、色氨酸含有共轭双键，具有酪氨酸、色氨酸含有共轭双键，具有吸收紫外光的特性，在吸收紫外光的特性，在280nm处有最大处有最大吸收峰。蛋白质在吸收峰。蛋白质在280nm处的紫外吸收与处的紫外吸收与浓度成正比，可用于蛋白质的定量分析。浓度成正比，可用于蛋白质的定量分析。2.氨基酸的紫外吸收人民卫生出版社高国全第三版第一章蛋白质的结构与功能课件二、氨基酸与多肽二、氨基酸与多肽 氨基酸通过肽键氨基酸通过肽键 相连接的形成多肽链。相连接的形成多肽链。（一）肽键（一）肽键（peptide bond)一分子氨基酸的一分子氨基酸的-羧基与另一分子的羧基与另一分子的-氨基，脱水缩合形成的酰胺键（氨基，脱水缩合形成的酰胺键（-CO-NH-）称为肽键。称为肽键。二、氨基酸与多肽 肽与肽键肽与肽键 肽与肽键 多肽链的序号从多肽链的序号从N端计算，书写时将端计算，书写时将N端写于左侧，用端写于左侧，用H2N-或或H-表示；表示；C端用端用-COOH或或-OH表示。表示。氨基酸残基氨基酸残基(residue)肽链中的氨基酸分子因形成肽键失去肽链中的氨基酸分子因形成肽键失去部分基团，称为氨基酸残基。部分基团，称为氨基酸残基。人民卫生出版社高国全第三版第一章蛋白质的结构与功能课件（二）生物活性肽类（二）生物活性肽类 由几个至几十个氨基酸残基组成由几个至几十个氨基酸残基组成 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成，谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成，简称为谷胱甘肽。简称为谷胱甘肽。（二）生物活性肽类谷胱甘肽谷胱甘肽谷胱甘肽GSH 与与GSSG间的相互转换间的相互转换 GSH 与GSSG间的相互转换 三、蛋白质的分类三、蛋白质的分类 1根据蛋白质分子的组成特点根据蛋白质分子的组成特点 单纯蛋白质和结合蛋白质单纯蛋白质和结合蛋白质2根据分子形状的不同根据分子形状的不同 球状蛋白和纤维状蛋白球状蛋白和纤维状蛋白3根据蛋白质的主要功能根据蛋白质的主要功能 功能活性蛋白质和结构蛋白质。功能活性蛋白质和结构蛋白质。三、蛋白质的分类 第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein第二节 蛋白质的分子结构The Molecular Stru 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)高级结构高级结构 蛋白质的分子结构高级结构 一一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。一级结构是蛋白质分子基本结构，决定蛋白质一级结构是蛋白质分子基本结构，决定蛋白质空间构象的基础。蛋白质的空间构象则是实现其空间构象的基础。蛋白质的空间构象则是实现其生物学功能的基础。生物学功能的基础。一级结构中的主要化学键是一级结构中的主要化学键是肽键肽键。一、蛋白质的一级结构牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构 牛胰岛素的一级结构 二二、蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构 蛋白质在一级结构的基础上，分子单键蛋白质在一级结构的基础上，分子单键旋转而盘曲、折叠形成特定空间构象。旋转而盘曲、折叠形成特定空间构象。蛋白质的构象包括主链构象和侧链构象。蛋白质的构象包括主链构象和侧链构象。蛋白质的空间结构包括蛋白质的二级结构、蛋白质的空间结构包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。三级结构和四级结构。二、蛋白质的空间结构 （一）蛋白质的二级结构（一）蛋白质的二级结构 是指蛋白质分子中某一肽链的局部空间结构，是指蛋白质分子中某一肽链的局部空间结构，即多肽链中主链原子的相对空间排列分布，而不涉及即多肽链中主链原子的相对空间排列分布，而不涉及氨基酸残基侧链的空间排布。氨基酸残基侧链的空间排布。稳定因素：稳定因素：氢键氢键 （一）蛋白质的二级结构稳定因素：氢键1.肽平面肽平面 肽键具有部分双链性质，因此肽键肽键具有部分双链性质，因此肽键不能自由旋转，而使涉及肽键的不能自由旋转，而使涉及肽键的6各原子各原子共处于同一平面，称为肽键平面，又称共处于同一平面，称为肽键平面，又称肽单元。肽单元。肽平面 肽键平面示意图肽键平面示意图肽键平面示意图2.蛋白质二级结构的主要构象形式蛋白质二级结构的主要构象形式 -螺旋螺旋(-helix)-折叠折叠(-pleated sheet)-转角转角(-turn)无规卷曲无规卷曲(random coil)2.蛋白质二级结构的主要构象形式-螺旋结构螺旋结构-螺旋结构（1）-螺旋螺旋 多肽链中的主链围绕中心轴有规律的多肽链中的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向，螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向，称右手螺旋。称右手螺旋。氢键是维持氢键是维持-螺旋结构稳定的主要螺旋结构稳定的主要化学键。化学键。（1）-螺旋 （2）-折叠折叠 -折叠呈折纸状折叠呈折纸状 多肽链充分伸展，各个肽单元以多肽链充分伸展，各个肽单元以C为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方。下方。（2）-折叠 -折叠折叠 -折叠 （3）-转角转角 出现于肽链进行出现于肽链进行180o回折时的转角部位。回折时的转角部位。由由4个氨基酸残基组成，由第一个残基的个氨基酸残基组成，由第一个残基的羰基羰基(O)与第四个残基的氨基氧与第四个残基的氨基氧(H)形成氢键，形成氢键，以维持转折结构的稳定。以维持转折结构的稳定。第二个氨基酸残基多为脯氨酸和甘氨酸。第二个氨基酸残基多为脯氨酸和甘氨酸。（3）-转角 -转角转角-转角（4）无规卷曲）无规卷曲 肽链为环或卷曲结构，没有规律性排布，肽链为环或卷曲结构，没有规律性排布，但是表现重要生物学功用，称为但是表现重要生物学功用，称为“无规卷曲无规卷曲”。由两个或三个二级结构的肽段，在空间上由两个或三个二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。模体。（4）无规卷曲 （二）蛋白质的三级结构（二）蛋白质的三级结构 是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间 排布，即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。排布，即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。主要靠次级键，包括氢键、离子键主要靠次级键，包括氢键、离子键(盐键盐键)、疏水作用、范德华力、二硫键等。疏水作用、范德华力、二硫键等。（二）蛋白质的三级结构维持蛋白质分子构象的各种化学键维持蛋白质分子构象的各种化学键a.氢键氢键 b.离子键离子键 c.疏水作用疏水作用维持蛋白质分子构象的各种化学键肌红蛋白肌红蛋白 肌红蛋白 结构域结构域（domain）分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构较为分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。结构域含有序列上连续的结构域含有序列上连续的100200个氨基酸个氨基酸残基，有较为独立的三维结构。残基，有较为独立的三维结构。结构域（domain）分子量较大的蛋白质 （三）蛋白质的四级结构（三）蛋白质的四级结构 每一条具有完整三级结构的多肽链，称为每一条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基亚基。各亚基之间以非共价键相互连接形成特定的三维空各亚基之间以非共价键相互连接形成特定的三维空 间构象，称为蛋白质的四级结构。间构象，称为蛋白质的四级结构。维持四级结构的作用力主要是疏水作用，包括维持四级结构的作用力主要是疏水作用，包括 氢键、离子键及范德华力等。氢键、离子键及范德华力等。（三）蛋白质的四级结构血红蛋白血红蛋白 由由2个个亚基和亚基和2个个亚基构成的四聚体，亚基构成的四聚体，每个亚基中都结合每个亚基中都结合1个血红素辅基。个血红素辅基。4亚基亚基通过通过8个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体。个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体。完整的血红蛋白分子具有运输完整的血红蛋白分子具有运输O2和和CO2的功能。的功能。血红蛋白蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构-血红蛋白结构血红蛋白结构蛋白质的四级结构-血红蛋白结构第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of protein第三节 蛋白质结构与功能的关系The Relation o 一、蛋白质的一级结构与功能的关系蛋白质的一级结构与功能的关系 蛋白质的功能是由其特定的构象所决定的，蛋白质的功能是由其特定的构象所决定的，一级结构是空间构象的基础。某些肽段一级结构一级结构是空间构象的基础。某些肽段一级结构（氨基酸组成）决定特定二级结构（氨基酸组成）决定特定二级结构（-螺旋或螺旋或-折叠）的形成。折叠）的形成。人民卫生出版社高国全第三版第一章蛋白质的结构与功能课件哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异 哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异 蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，可通过影响空间构象而残基缺失或被替代，可通过影响空间构象而影响其生理功能。影响其生理功能。例如血红蛋白例如血红蛋白亚基的第亚基的第6位谷氨酸被位谷氨酸被缬氨酸替代，可导致镰刀形贫血。缬氨酸替代，可导致镰刀形贫血。蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸例：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)例：镰刀形红细胞贫血N-Val His Leu 二、二、蛋白质的空间结构与功能的关系蛋白质的空间结构与功能的关系 蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，所以蛋白质构特定的空间构象密切相关，所以蛋白质构象是其生物活性的基础。象是其生物活性的基础。二、蛋白质的空间结构与功能的关系肌红蛋白和血红蛋白的结构肌红蛋白和血红蛋白的结构 肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。辅基的蛋白质。肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，它的三级结构折叠方式使辅基血红素能与它的三级结构折叠方式使辅基血红素能与O2结合结合与解散，发挥储氧的功能。与解散，发挥储氧的功能。肌红蛋白和血红蛋白的结构血红素结构血红素结构血红素结构血红蛋白的构象变化与运氧功能血红蛋白的构象变化与运氧功能 随氧分压增高，氧合随氧分压增高，氧合Hb占总占总Hb的百分数的百分数 随之增加，这一变化关系称为氧解离曲线。随之增加，这一变化关系称为氧解离曲线。血红蛋白的构象变化与运氧功能肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线 肌红蛋白与血红蛋白的氧解离曲线 第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters of Protein第四节 蛋白质的理化性质The Physical and 一一、蛋白质的两性解离蛋白质的两性解离 蛋白质分子在一定的溶液蛋白质分子在一定的溶液pH条件下可解离成条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团。带负电荷或正电荷的基团。当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，此时溶液的正、负离子的趋势相等，此时溶液的pH称为蛋白称为蛋白质的等电点。质的等电点。利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。一、蛋白质的两性解离 二二、蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质蛋白质是高分子化合物蛋白质是高分子化合物 蛋白质胶体稳定性的因素：蛋白质胶体稳定性的因素：颗粒表面水化膜颗粒表面水化膜 表面电荷表面电荷 除去上述两个稳定因素时，蛋白质从除去上述两个稳定因素时，蛋白质从溶液中析出。溶液中析出。二、蛋白质的胶体性质+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沉淀溶液中蛋白质的沉淀+带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白三三、蛋白质的变性、复性蛋白质的变性、复性1.变性变性(denaturation)蛋白质在某些理化因素的作用下，空蛋白质在某些理化因素的作用下，空间构象受到破坏，改变理化性质，并失去间构象受到破坏，改变理化性质，并失去其生物活性，称为蛋白质的变性。其生物活性，称为蛋白质的变性。变性涉及空间结构的改变。一级结构变性涉及空间结构的改变。一级结构不变，肽键无断裂。不变，肽键无断裂。三、蛋白质的变性、复性蛋白质变性的因素蛋白质变性的因素 常见的有高温、高压、紫外线和乙醇常见的有高温、高压、紫外线和乙醇等有机溶剂、重金属离子及生物碱试剂等。等有机溶剂、重金属离子及生物碱试剂等。在医学上，变性因素可导致病原微生物在医学上，变性因素可导致病原微生物蛋白的变性失活，常被用来消毒灭菌。蛋白的变性失活，常被用来消毒灭菌。蛋白质变性的因素2.复性复性(renaturation)当蛋白质变性程度较轻，消除变性当蛋白质变性程度较轻，消除变性因素使蛋白质恢复或部分恢复其原有的因素使蛋白质恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。构象和功能，称为复性。许多蛋白质或结构复杂或变性后空间许多蛋白质或结构复杂或变性后空间构象严重破坏，不可能发生复性。构象严重破坏，不可能发生复性。2.复性(renaturation)四四、蛋白质的紫外吸收蛋白质的紫外吸收 蛋白质蛋白质(色氨酸及酪氨酸色氨酸及酪氨酸)在紫外光在紫外光波长波长280nm处有最大吸收，可以用于处有最大吸收，可以用于检测蛋白质含量。检测蛋白质含量。四、蛋白质的紫外吸收五五、蛋白质的呈色反应蛋白质的呈色反应 某些试剂对蛋白质分子中肽键或特某些试剂对蛋白质分子中肽键或特殊氨基酸残基发生显色反应，产生的有色殊氨基酸残基发生显色反应，产生的有色物质与蛋白质浓度相关，可用于蛋白质定物质与蛋白质浓度相关，可用于蛋白质定性、定量检测。如双缩脲反应，考马斯亮性、定量检测。如双缩脲反应，考马斯亮蓝、茚三酮反应等。蓝、茚三酮反应等。五、蛋白质的呈色反应