生物大分子的结构与功能培训课件

生物大分子的结构与生物大分子的结构与功能功能学习学习“生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能”的关键点的关键点结构特性结构特性重要功能重要功能基本的理化性质与应用基本的理化性质与应用2生物大分子的结构与功能1 1、蛋白质是生命活动的基本物质基础、蛋白质是生命活动的基本物质基础分分分分布布布布广广广广：所所有有器器官官、组组织织都都含含有有蛋蛋白白质质；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。含含含含量量量量高高高高：占占人人体体干干重重的的4545；某某些些组组织织含含量量更更高高，例例如如脾脾、肺肺及及横横纹纹肌肌等等高高达达8080；占占细胞干重的细胞干重的7070%。概述概述蛋白质在生命活动中的重要性蛋白质在生命活动中的重要性第一章第一章蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能3生物大分子的结构与功能2 2、蛋白质的重要生物学功能、蛋白质的重要生物学功能3 3、氧化供能、氧化供能1 1）生物催化剂：酶）生物催化剂：酶2 2）代谢调节作用：激素）代谢调节作用：激素 ，受体，受体，G G蛋白，等蛋白，等3 3）防御作用：免疫球蛋白）防御作用：免疫球蛋白 ，等，等4 4）物质转运：血红蛋白）物质转运：血红蛋白 ，等，等5 5）运动与支持：肌动蛋白，等）运动与支持：肌动蛋白，等6 6）营养和存储：酪蛋白，卵清蛋白，等）营养和存储：酪蛋白，卵清蛋白，等7 7）结构蛋白）结构蛋白 ：胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白：胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白 ，等，等4生物大分子的结构与功能元素组成：元素组成：C 50-55C 50-55H 6-7H 6-7O 19-24O 19-24N 13-19N 13-19S 0-4S 0-4其他微量元素：其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等等第一节第一节蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成5生物大分子的结构与功能其中其中 N N的平均含量的平均含量1616蛋白质含量样品含氮量蛋白质含量样品含氮量/16样品含氮量样品含氮量6.25凯氏定氮法凯氏定氮法测定蛋白质含量的理论依据测定蛋白质含量的理论依据测定蛋白质含量的理论依据测定蛋白质含量的理论依据6生物大分子的结构与功能一、蛋白质的基本结构单位一、蛋白质的基本结构单位氨基酸氨基酸(aminoacids)存存在在于于自自然然界界中中的的氨氨基基酸酸有有300300多多种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸仅仅有有2020种种，且且均均属属 L-L-氨氨基酸基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。蛋白质蛋白质肽肽氨基酸氨基酸水解水解水解水解酸酸/碱碱/酶酶7生物大分子的结构与功能氢原子氢原子氢原子氢原子氨基氨基氨基氨基羧基羧基羧基羧基侧链基团侧链基团侧链基团侧链基团-碳原子碳原子碳原子碳原子氨氨基基酸酸的的基基本本结结构构8生物大分子的结构与功能w-C-C-C-C-COOH w-C-C-C-C(NH2)-COOH -氨基酸氨基酸 w-C-C-C(NH2)-C-COOH -氨基酸氨基酸 w-C-C(NH2)-C-C-COOH -氨基酸氨基酸w什么是什么是 L-氨基酸？氨基酸？9生物大分子的结构与功能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R10生物大分子的结构与功能脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）几种特殊的氨基酸几种特殊的氨基酸11生物大分子的结构与功能 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH12生物大分子的结构与功能二、氨基酸的分类（二、氨基酸的分类（p9-10表表1-1）非极性脂肪族氨基酸：非极性脂肪族氨基酸：具有非极性具有非极性R侧链，呈疏侧链，呈疏水性，包括脂肪族氨基酸。（水性，包括脂肪族氨基酸。（6种）种）极性中性氨基酸：极性中性氨基酸：具有极性具有极性R侧链，呈亲水性，侧链，呈亲水性，通常含羟基、巯基、酰胺基等。通常含羟基、巯基、酰胺基等。（6种）种）芳香族氨基酸：含有苯环（芳香族氨基酸：含有苯环（3种）种）酸性氨基酸：酸性氨基酸：R侧链含羧基（侧链含羧基（2种）种）碱性氨基酸：碱性氨基酸：R侧链含氨基、胍基或咪唑基（侧链含氨基、胍基或咪唑基（3种）种）13生物大分子的结构与功能(zwitterion)pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子三、氨基酸的理化性质三、氨基酸的理化性质1、两性解离、两性解离14生物大分子的结构与功能纯晶体状态COO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷 0加加 酸酸H+H+H+H总电荷“+”15生物大分子的结构与功能COO-H3N+水溶后等电荷状态总电荷 0加加 碱碱OHOHOH总电荷“-”H2NH2O16生物大分子的结构与功能氨基酸的等电点氨基酸的等电点pHpI正电荷正电荷两性离子两性离子负电荷负电荷负极移动（电场中）负极移动（电场中）不移动不移动正极移动正极移动n等电点（等电点（isoelectricpoint,pI）：在某一）：在某一pH溶液中，溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，所带为兼性离子，所带净电荷为零净电荷为零，呈电中性，在电场中，呈电中性，在电场中不泳动。此时溶液的不泳动。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的等电点。称为该氨基酸的等电点。17生物大分子的结构与功能p p p pI I I I值决定于两性离子两边的值决定于两性离子两边的值决定于两性离子两边的值决定于两性离子两边的p p p pK K K K值的算术平均值值的算术平均值值的算术平均值值的算术平均值。等电点计算等电点计算2222RNHRCOOHNH2COOHpKpKpIpKpKpIpKpKpI+=+=+=-a aa aa aa a碱性碱性酸酸性性中中性性18生物大分子的结构与功能R为极性基团（兼性离子两边的为极性基团（兼性离子两边的pK值的平均值）值的平均值）酸性酸性aa：pI=1/2（pK-COOH+pKR）如：天冬氨酸如：天冬氨酸pI=（pK-COOH+pKR）=（2.09+3.86）=2.98碱性碱性aa：pI=1/2（pK-NH2+pKR）如：赖氨酸如：赖氨酸pI=（pK-NH2+pKR）=（8.95+10.53）=9.74R为非极性基团（为非极性基团（R为非游离基团）为非游离基团）pI=1/2（pK1+pK2）如：甘氨酸如：甘氨酸pK-COOH=2.34，pK-NH2=9.60pI=1/2（2.34+9.6）=5.9719生物大分子的结构与功能2、紫外吸收、紫外吸收nTrp、Tyr和和Phe在在280nm波波长附近具有最大长附近具有最大吸收峰，其中吸收峰，其中Trp的最大吸收的最大吸收最接近最接近280nm蛋白质定量蛋白质定量20生物大分子的结构与功能3、显色反应：、显色反应：茚三酮反应茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，生成氨基酸与茚三酮水合物共热，生成蓝紫色蓝紫色化合物，其最大吸收峰化合物，其最大吸收峰为为570nm，可用于氨基酸定量分析。，可用于氨基酸定量分析。例外：例外：Pro黄色；黄色；Asn棕色棕色21生物大分子的结构与功能四、肽键和多肽链四、肽键和多肽链+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键22生物大分子的结构与功能1、肽键：、肽键：一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基之间脱去一分子水形成的酰胺键，是蛋白质中氨基酸间最基本的连接方式。23生物大分子的结构与功能肽分类、命名肽分类、命名*肽肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。*两分子氨基酸缩合形成两分子氨基酸缩合形成二肽二肽，三分子氨基酸缩合则形成，三分子氨基酸缩合则形成三肽三肽*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨氨基酸残基基酸残基(residue)。*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肽寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称由更多的氨基酸相连形成的肽称多多肽肽(polypeptide)。甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸24生物大分子的结构与功能多肽链多肽链蛋白质的基本结构形式蛋白质的基本结构形式n多肽链多肽链(NHCHCONHCHCO)n多肽链的方向性：从多肽链的方向性：从N末端指向末端指向C末端。末端。肽链的两端：氨基末端（肽链的两端：氨基末端（N-N-端）和羧基末端（端）和羧基末端（C-C-端）端）25生物大分子的结构与功能nSer-Val-Tyr-Asp-Gln 丝缬酪天谷 SVTDE如下述五肽可表示为：如下述五肽可表示为：26生物大分子的结构与功能2、生物活性肽：、生物活性肽：n谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)(glutathione,GSH)GSH过过氧化物氧化物酶酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还还原酶原酶NADPH+H+NADP+27生物大分子的结构与功能n神经肽：脑啡神经肽：脑啡肽、内啡肽、强肽、内啡肽、强啡肽、啡肽、P物质、物质、Y肽肽n肽类激素：催肽类激素：催产素、加压素等产素、加压素等n其他：生长因其他：生长因子；短杆菌子；短杆菌S；甜味肽等甜味肽等28生物大分子的结构与功能 +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Met-脑啡肽脑啡肽 Leu-脑啡肽脑啡肽L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val L-OrnL-Orn L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu短杆菌肽短杆菌肽S(S(环十肽环十肽)由细菌分泌的多肽，含有由细菌分泌的多肽，含有D-氨基氨基酸和一些稀有氨基酸，如鸟氨酸酸和一些稀有氨基酸，如鸟氨酸（Ornithine,缩写为缩写为Orn）。）。29生物大分子的结构与功能第二节第二节蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构30生物大分子的结构与功能一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构(primarystructure)蛋白质分子中从蛋白质分子中从N端到端到C端的氨基酸排列顺序端的氨基酸排列顺序31生物大分子的结构与功能510152025510152025303011AASXDXSLVEVHXXVFIVPPXILQAVVSIAAASXDXSLVEVHXXVFIVPPXILQAVVSIA3131TTRXDDXDSAAASIPMVPGWVLKQVXGSQTTRXDDXDSAAASIPMVPGWVLKQVXGSQA A6161GSFLAIVMGGGDLEVILIXLAGYQESSIXAGSFLAIVMGGGDLEVILIXLAGYQESSIXA9191SRSLAASMXTTAIPSDLWGNXAXSNAAFSSSRSLAASMXTTAIPSDLWGNXAXSNAAFSS121121XEFSSXAGSVPLGFTFXEAGAKEXVIKGQIXEFSSXAGSVPLGFTFXEAGAKEXVIKGQI151151TXQAXAFSLAXLXKLISAMXNAXFPAGDXXTXQAXAFSLAXLXKLISAMXNAXFPAGDXX181181XXVADIXDSHGILXXVNYTDAXIKMGIIFGXXVADIXDSHGILXXVNYTDAXIKMGIIFG211211SGVNAAYWCDSTXIADAADAGXXGGAGXMSGVNAAYWCDSTXIADAADAGXXGGAGXMX X241241VCCXQDSFRKAFPSLPQIXYXXTLNXXSPXVCCXQDSFRKAFPSLPQIXYXXTLNXXSPX271271AXKTFEKNSXAKNXGQSLRDVLMXYKXXGAXKTFEKNSXAKNXGQSLRDVLMXYKXXGQ Q301301XHXXXAXDFXAANVENSSYPAKIQKLPHFDXHXXXAXDFXAANVENSSYPAKIQKLPHFD331331LRXXXDLFXGDQGIAXKTXMKXVVRRXLFLLRXXXDLFXGDQGIAXKTXMKXVVRRXLFL361361IAAYAFRLVVCXIXAICQKKGYSSGHIAAXIAAYAFRLVVCXIXAICQKKGYSSGHIAAX391391GSXRDYSGFSXNSATXNXNIYGWPQSAXXGSXRDYSGFSXNSATXNXNIYGWPQSAXXS S421421KPIXITPAIDGEGAAXXVIXSIASSQXXXAKPIXITPAIDGEGAAXXVIXSIASSQXXXA451XXSAXXA酵母己糖激酶的一级结构酵母己糖激酶的一级结构32生物大分子的结构与功能N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶二二硫硫键键33生物大分子的结构与功能n一级结构体现生物信息：一级结构体现生物信息：20n.多样多样n一级结构是空间结构及生物活性的基础一级结构是空间结构及生物活性的基础.特异特异n一级结构的连接键：一级结构的连接键：肽键（主要）、二硫键肽键（主要）、二硫键小结34生物大分子的结构与功能二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构(secondarystructure)蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。肽链主链骨架原子即基酸残基侧链的构象。肽链主链骨架原子即N（氨基（氨基氮）、氮）、C（-碳原子）和碳原子）和CO（羰羰基碳）基碳）3原子依次原子依次重复排列。重复排列。35生物大分子的结构与功能-螺旋螺旋螺旋螺旋 (-helix)(-helix)-折叠折叠折叠折叠 (-(-pleated sheet)pleated sheet)-转角转角转角转角(-turn)(-turn)无规则卷曲无规则卷曲无规则卷曲无规则卷曲（random coilrandom coil）36生物大分子的结构与功能肽键具部分双键性，不能自由旋转肽键具部分双键性，不能自由旋转肽键中的四个原子（肽键中的四个原子（-CO-NH-）和与之相邻的两个和与之相邻的两个碳原子碳原子（C 1、C 2）位于同一刚性平面内位于同一刚性平面内，称为，称为肽单元肽单元。肽键上肽键上H与与O的方向几乎总是相反，称的方向几乎总是相反，称反式肽单元（反式肽单元（trans-peptideunit），），该构型更稳定该构型更稳定。CNHHHORRCNHHHORR（一）肽单元（一）肽单元（peptideunit）37生物大分子的结构与功能38生物大分子的结构与功能（二）、（二）、-螺旋螺旋（-helix）特点特点（1 1）多肽链主链围）多肽链主链围绕中心轴螺旋式上绕中心轴螺旋式上升，升，3.63.6个氨基酸个氨基酸/圈，螺距圈，螺距0.54nm0.54nm；39生物大分子的结构与功能（2 2）氢键维系：链内氢键（氢键维系：链内氢键（AA1AA4,AA1AA4,第第1 1个肽平面羰基上个肽平面羰基上的的O O，与第，与第4 4个肽平面亚氨基上的个肽平面亚氨基上的H H形成氢键形成氢键)，方向与螺旋方向与螺旋长轴平行；长轴平行；（3 3）一般为）一般为右手螺旋右手螺旋。侧链伸出，在螺旋外侧。侧链伸出，在螺旋外侧40生物大分子的结构与功能1 1、多肽链充分伸展，、多肽链充分伸展，每个肽单元以每个肽单元以C C 为旋转点，依次折叠成锯齿状为旋转点，依次折叠成锯齿状结构结构，氨基酸残基侧链位于锯齿状结构的上下方；，氨基酸残基侧链位于锯齿状结构的上下方；2 2、两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，其结构靠、两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，其结构靠链间氢链间氢键键维系（羰基上的氧和亚氨基上的氢），方向垂直长轴维系（羰基上的氧和亚氨基上的氢），方向垂直长轴特点特点（三）、（三）、-折叠折叠(-pleatedsheet)41生物大分子的结构与功能3 3、顺平行折叠：两条肽链走向相同；、顺平行折叠：两条肽链走向相同；反平行折叠：两条肽链走向相反。反平行折叠：两条肽链走向相反。反平行折叠反平行折叠顺平行折叠顺平行折叠 反平行折叠反平行折叠顺平行折叠顺平行折叠 42生物大分子的结构与功能（四）、（四）、-转角转角一般由四个氨基酸组成，一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：常见氨基酸：Pro,Gly以主链间氢键维持稳定。以主链间氢键维持稳定。多肽链中多肽链中180180度回折处形度回折处形成的特定构象。成的特定构象。没有确定规律性的肽链结构没有确定规律性的肽链结构 无规卷曲无规卷曲43生物大分子的结构与功能1、-螺旋螺旋(-helix)n右手螺旋：右手螺旋：3.6个个AA/圈，螺距圈，螺距0.54nm；n氢键维系：链内氢键（氢键维系：链内氢键（AA1AA4），平行长轴；），平行长轴；n侧链伸出螺旋侧链伸出螺旋蛋白质的二级结构是指蛋白质的二级结构是指多肽链骨架多肽链骨架中原子的中原子的局部空间局部空间排列，排列，不涉及侧链不涉及侧链的构象，也就是该肽段主链骨架原的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置，主要有子的相对空间位置，主要有-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角转角和无规卷曲和无规卷曲。维持二级结构的力量为。维持二级结构的力量为氢键氢键。小结44生物大分子的结构与功能2、-折叠折叠(-pleatedsheet)n多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；n侧链交错位于锯齿状结构的上下方；侧链交错位于锯齿状结构的上下方；n氢键维系：氢键的方向垂直长轴；氢键维系：氢键的方向垂直长轴；n可有顺平行片层和反平行片层结构。可有顺平行片层和反平行片层结构。3、其它、其它（1）肽链主链出现的）肽链主链出现的180回折部分称回折部分称-转角。转角。（2）蛋白质分子中那些没有确定规律性的部分肽）蛋白质分子中那些没有确定规律性的部分肽链构象称为无规卷曲。链构象称为无规卷曲。45生物大分子的结构与功能蛋白质分子中，蛋白质分子中，2 2个或个或2 2个以上的具有二级结构的肽段在空间个以上的具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成规则的二级结构组合。有三种形式：上相互接近，形成规则的二级结构组合。有三种形式：-螺螺旋组合（旋组合（）、）、-折叠组合（折叠组合（）、）、-螺旋螺旋-折叠组折叠组合合（）（五）、超二级结构（五）、超二级结构46生物大分子的结构与功能钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 模体（模体（motif）是具有特殊功能的超二级结构，是由二个或三个具有二级是具有特殊功能的超二级结构，是由二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象。结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象。一个模体有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。一个模体有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。47生物大分子的结构与功能三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构（TertiaryStructure）（一）（一）整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是所有原子在三维空间的整体排布，称为三也就是所有原子在三维空间的整体排布，称为三级结构，包括主、侧链构象。级结构，包括主、侧链构象。48生物大分子的结构与功能特点（特点（Features）:l空间长度缩短，呈球状、棒状、纤维状空间长度缩短，呈球状、棒状、纤维状l三级结构主要靠次级键（非共价键）维系三级结构主要靠次级键（非共价键）维系固定：疏水键、盐键、氢键、范德华力；二硫固定：疏水键、盐键、氢键、范德华力；二硫键（共价键）也参与维系三级结构键（共价键）也参与维系三级结构l疏水基团在分子内部，亲水基团在分子表疏水基团在分子内部，亲水基团在分子表面面l功能区形成：三级结构形成后，生物学活功能区形成：三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位。性必需基团靠近，形成活性中心或部位。49生物大分子的结构与功能次级键介导蛋白质高级结构形成50生物大分子的结构与功能51生物大分子的结构与功能（二）、结构域（二）、结构域（Domain）分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构较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。为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。70n结构域与分子整体以共价键相连结构域与分子整体以共价键相连n具有相对独立的空间构象和生物学具有相对独立的空间构象和生物学功能功能n同一蛋白质中的结构域可以相同或同一蛋白质中的结构域可以相同或不同，不同蛋白质中的结构域也可不同，不同蛋白质中的结构域也可能相同或不同能相同或不同52生物大分子的结构与功能（三）、分子伴侣（三）、分子伴侣（Chaperon）能提供保护环境，从而加速蛋白质折叠成能提供保护环境，从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构的蛋白质分子。天然构象或形成四级结构的蛋白质分子。53生物大分子的结构与功能Features:具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单位（位（subunit），），亚基可以相同，亦可以不同亚基可以相同，亦可以不同次级键维系，主要是氢键和离子键次级键维系，主要是氢键和离子键单独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合成单独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合成为有完整四级结构的蛋白质，才有功能为有完整四级结构的蛋白质，才有功能四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构QuaternaryStructure二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链，彼此二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链，彼此借次级键相连，形成一定的空间构象，称为四级结构。借次级键相连，形成一定的空间构象，称为四级结构。54生物大分子的结构与功能 血红蛋白（血红蛋白（Hb）两个两个链与两个链与两个链组成的四聚体链组成的四聚体 链：链：141aa；链：链：146aa;每条链每条链各含一个血红素辅基各含一个血红素辅基链链链链55生物大分子的结构与功能五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类1、按照组成分类：、按照组成分类：单纯蛋白质、结合蛋白质单纯蛋白质、结合蛋白质n单纯蛋白：只有氨基酸组分单纯蛋白：只有氨基酸组分n结合蛋白：氨基酸组分其他组分（辅基）结合蛋白：氨基酸组分其他组分（辅基）2、根据形状分类：、根据形状分类：纤维状蛋白、球状蛋白纤维状蛋白、球状蛋白3、按照结构分类：、按照结构分类：单体蛋白、寡聚蛋白单体蛋白、寡聚蛋白n单体蛋白：只有一条多肽链单体蛋白：只有一条多肽链n寡聚蛋白：数条多肽链非共价相互作用寡聚蛋白：数条多肽链非共价相互作用n超家族（超家族（super-）、家族（）、家族（family）、亚家族（）、亚家族（sub-）4、按照生物功能分类：、按照生物功能分类：酶、调节蛋白、转运蛋白、运动酶、调节蛋白、转运蛋白、运动蛋白、防御蛋白、营养蛋白、储存蛋白、结构蛋白、毒蛋白蛋白、防御蛋白、营养蛋白、储存蛋白、结构蛋白、毒蛋白56生物大分子的结构与功能六、蛋白质组学（六、蛋白质组学（proteomics）定义：以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为定义：以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象研究对象研究内容：蛋白质表达谱、翻译后修饰谱、亚细胞研究内容：蛋白质表达谱、翻译后修饰谱、亚细胞定位图、相互作用图、生物信息学及数据库定位图、相互作用图、生物信息学及数据库技术平台：技术平台：双向电泳双向电泳蛋白质点的定位、切取蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析蛋白质点的质谱分析研究意义研究意义57生物大分子的结构与功能RNase是由是由124aa残基组成的单肽链，分子中残基组成的单肽链，分子中8个个Cys的的-SH构成构成4对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质。对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质。（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一一.蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础58生物大分子的结构与功能 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59生物大分子的结构与功能人人VETSISLYQNFVNQSHEAYGERTPKT马马-G-A猪猪-A牛牛-A-V-T羊羊-AGV-A天竺鼠天竺鼠-DAGT*RH-S-SR-N-TSQDDI-D鲸鲸-A鸡鸡-HNT-AA-S-A3489101213141518123491013141620212227282930A链链B链链某些脊椎动物胰岛素一级结构部分氨基酸残基差异某些脊椎动物胰岛素一级结构部分氨基酸残基差异“-”为与人相同；为与人相同；*为芳香族氨基酸；未列出的为相同序列为芳香族氨基酸；未列出的为相同序列（二）一级结构相似，高级结构和功能也相似（二）一级结构相似，高级结构和功能也相似60生物大分子的结构与功能 生物名称生物名称生物名称生物名称 不同氨基酸数不同氨基酸数不同氨基酸数不同氨基酸数 生物名称生物名称生物名称生物名称 不同氨基酸数不同氨基酸数不同氨基酸数不同氨基酸数黑猩猩黑猩猩0恒河猴恒河猴1猪、牛、羊猪、牛、羊10马马12鸡鸡13海龟海龟15金枪鱼金枪鱼21小蝇小蝇25小麦小麦35酵母酵母44不同生物和人的细胞色素不同生物和人的细胞色素c中氨基酸组成的差异中氨基酸组成的差异（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息生物界不同种属来源的蛋白质，比较一级结构，可反生物界不同种属来源的蛋白质，比较一级结构，可反映物种进化关系映物种进化关系61生物大分子的结构与功能62生物大分子的结构与功能N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbSHbAN-val his leu thr pro val glu C(146)分子病（分子病（moleculardisease）：由于蛋白质分子发由于蛋白质分子发由于蛋白质分子发由于蛋白质分子发生变异所导致的疾病。病因为基因突变所致。生变异所导致的疾病。病因为基因突变所致。生变异所导致的疾病。病因为基因突变所致。生变异所导致的疾病。病因为基因突变所致。镰刀形红细胞贫血病镰刀形红细胞贫血病（四）（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病63生物大分子的结构与功能正常红细胞正常红细胞镰刀形红细胞镰刀形红细胞64生物大分子的结构与功能65生物大分子的结构与功能w肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 血红蛋白血红蛋白二、蛋白质的功能依赖特定空间结构二、蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）血红蛋白与肌红蛋白的结构相似（一）血红蛋白与肌红蛋白的结构相似 66生物大分子的结构与功能 肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白67生物大分子的结构与功能血红素结构68生物大分子的结构与功能肌红蛋白肌红蛋白(Mb)(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线HbHb与与MbMb一一样样能能可可逆逆地地与与O O2 2结结合合，HbHb与与O O2 2结结合合后后称称为为氧氧合合HbHb。氧氧合合HbHb占占总总HbHb的的百百分分数数（称称百百分分饱和度饱和度）随）随O O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合 69生物大分子的结构与功能HbHb的的4 4个亚基与个亚基与4 4个个O O2 2结合结合的平衡常数不同，第一个亚基结合的平衡常数不同，第一个亚基结合O O2 2后，可促进其它亚基与后，可促进其它亚基与O O2 2的结合。的结合。协同效应协同效应90一个亚基与其配体（一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2)结合后，能影响此寡聚结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体的结合能力，称为体中另一个亚基与配体的结合能力，称为协同效应协同效应(cooperativity)。正协同效应正协同效应(positivecooperativity)：促进作用促进作用负协同效应负协同效应(negativecooperativity)：抑制作用抑制作用70生物大分子的结构与功能Hb结合氧的理论解释结合氧的理论解释71生物大分子的结构与功能变构效应变构效应变构剂变构剂变构蛋白变构蛋白由一个由一个O O2 2与与HbHb亚基结合后引起亚基的构象变化亚基结合后引起亚基的构象变化变构效应（变构效应（allostericeffect）：蛋白质分子的特定部位与小）：蛋白质分子的特定部位与小分子化合物结合后，引起蛋白质分子空间构象改变，从而促使分子化合物结合后，引起蛋白质分子空间构象改变，从而促使生物学活性变化的现象。生物学活性变化的现象。小分子小分子O O2 2或其它化合物称为变构剂。或其它化合物称为变构剂。Hb或其它构象改变的蛋白质称为变构蛋白。或其它构象改变的蛋白质称为变构蛋白。72生物大分子的结构与功能疯牛病疯牛病由朊病毒蛋白由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物引起的一组人和动物神经退行性病变。神经退行性病变。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的折叠的PrPsc，从而致病。，从而致病。疾病与核酸无关。疾病与核酸无关。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病（三）（三）蛋白质构象改变引起疾病蛋白质构象改变引起疾病73生物大分子的结构与功能朊病毒致病过程中的构象变化朊病毒致病过程中的构象变化示意图示意图蛋白质构象疾病：蛋白质构象疾病：错误构象相互聚集，形成抗蛋白水解酶的错误构象相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病。淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病。n老年痴呆老年痴呆(Alzheimersdisease)n疯牛病疯牛病(Madcowdisease,orbovinespongiformencephalopathyorBSE)n亨汀顿舞蹈病亨汀顿舞蹈病(Huntingtonsdisease)74生物大分子的结构与功能一、蛋白质的两性电离性质一、蛋白质的两性电离性质 体内多数蛋白质体内多数蛋白质pI为为pH5.0，体液，体液pH7.4,阴离子？阴离子？阳离子阳离子?pH pI蛋白质的等电点（蛋白质的等电点（pI）：）：在某一在某一pH溶液中，蛋白质解离成阴、溶液中，蛋白质解离成阴、阳离子的趋势相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液阳离子的趋势相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的的pH值称为该蛋白质的等电点。值称为该蛋白质的等电点。第四节第四节蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质75生物大分子的结构与功能二、二、蛋白质具有胶体性质蛋白质具有胶体性质1.有许多高分子溶液的性质（有许多高分子溶液的性质（Mr1万万-100万万kD，直径直径1-100nm，为胶粒范围之内为胶粒范围之内），如：），如：扩散慢扩散慢易沉降易沉降粘度大粘度大不能透过半透膜不能透过半透膜2.蛋白质胶体溶液的稳定因素：蛋白质胶体溶液的稳定因素：水化膜水化膜颗粒表面电荷颗粒表面电荷76生物大分子的结构与功能三、蛋白质的变性（三、蛋白质的变性（DenaturationDenaturation）在某些物理和化在某些物理和化学因素作用下，蛋白质学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，特定的空间构象被破坏，即有序的空间结构变成即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和导致其理化性质改变和生物活性丧失。生物活性丧失。77生物大分子的结构与功能变性因素：变性因素：1）物理因素：高温、高压、射线等）物理因素：高温、高压、射线等2）化学因素：强酸、强碱、重金属盐等）化学因素：强酸、强碱、重金属盐等变性后的表现：变性后的表现：1）生物学活性消失）生物学活性消失2）理化性质改变）理化性质改变变性的意义：变性的意义：1 1）利用变性：酒精消毒，高温高压灭菌，血滤液制备）利用变性：酒精消毒，高温高压灭菌，血滤液制备2 2）防止变性：低温保存蛋白质制剂）防止变性：低温保存蛋白质制剂3 3）取代变性：乳品解毒）取代变性：乳品解毒(用于急救重金属中毒用于急救重金属中毒)78生物大分子的结构与功能w复性复性-恢复活性恢复活性：去除变性因素后，变性蛋白恢复原来的空间结构，恢去除变性因素后，变性蛋白恢复原来的空间结构，恢复生物活性的现象。复生物活性的现象。是否所有的蛋白质变性都是可逆的？为什么？是否所有的蛋白质变性都是可逆的？为什么？理理论论上上可可以以，但但很很难难使使外外界界因因素素完完全全复复原原。有有些些蛋蛋白白质质的的变变性性作作用用是是可可逆逆的的，其其变变性性如如不不超超过过一一定定限限度度，经经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。适当处理后，可重新变为天然蛋白质。79生物大分子的结构与功能四、蛋白质的紫外吸收特征四、蛋白质的紫外吸收特征由由于于蛋蛋白白质质分分子子中中含含有有共共轭轭双双键键的的色色氨氨酸酸和和酪酪氨氨酸酸，因因此此在在280nm波波长长处处有有特特征征性性吸吸收收峰峰。蛋蛋白白质质的的A280与与其其浓浓度度呈呈正正比比关关系系，因因此此可可作蛋白质定量测定。作蛋白质定量测定。80生物大分子的结构与功能1、茚三酮反应、茚三酮反应(ninhydrin reaction)蛋白质水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应。蛋白质水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应。2、双缩脲反应、双缩脲反应(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，硫酸铜共热，呈现紫色或红色呈现紫色或红色，称为，称为双缩脲反应双缩脲反应，双缩脲反应可用来检，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。测蛋白质水解程度。五、蛋白质的呈色反应五、蛋白质的呈色反应OOO|2H2NCNH2-2H2NCNHCNH2+NH3尿素尿素双缩脲双缩脲氨氨双缩脲双缩脲紫色紫色NaOHCuSO481生物大分子的结构与功能一、透析及超滤法分离蛋白质与小分子化合物一、透析及超滤法分离蛋白质与小分子化合物*透析透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。开的方法。*超滤法超滤法(ultrafiltration)应用正压或离心力使蛋白质溶液透过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，达到浓有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。缩蛋白质溶液的目的。第五节第五节蛋白质的分离、纯化与结构分析蛋白质的分离、纯化与结构分析82生物大分子的结构与功能血液透析血液透析小分子溶出小分子被小分子被带出带出透析机透析机透析液透析液加加压压血液血液透析：利用蛋白质分子较大，透析：利用蛋白质分子较大，不能透过半透膜的性质，不能透过半透膜的性质，用半透膜将蛋白质与无机盐、用半透膜将蛋白质与无机盐、单糖等小分子物质分开单糖等小分子物质分开83生物大分子的结构与功能二、有机溶剂沉淀、盐析及免疫沉淀二、有机溶剂沉淀、盐析及免疫沉淀 *丙丙酮酮、乙乙醇醇等等有有机机溶溶剂剂，可可破破坏坏蛋蛋白白质质的的水水化化层层，在在04低低温温下下，使使蛋蛋白白质质沉沉淀淀。环环境境温温度度高高等等不不良良因因素影响下，有机溶剂可促使蛋白质变性。素影响下，有机溶剂可促使蛋白质变性。*盐盐析析(salt precipitation)是是将将硫硫酸酸铵铵、硫硫酸酸钠钠或或氯氯化化钠钠等等加加入入蛋蛋白白质质溶溶液液，使使蛋蛋白白质质表表面面电电荷荷被被中中和和且且水水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。*免疫沉淀法：免疫沉淀法：利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，利用特异抗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并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。中分离获得抗原蛋白。84生物大分子的结构与功能三、电泳法分离蛋白质三、电泳法分离蛋白质蛋蛋白白质质在在高高于于或或低低于于其其pIpI的的溶溶液液中中为为带带电电的的颗颗粒粒，在在电电场场中中能能向向正正极极或或负负极极移移动动。这这种种通通过过蛋蛋白白质质在在电电场场中中泳泳动动而而达达到到分分离离各各种种蛋蛋白白质质的的技技术术,称称为为电电泳泳(elctrophoresis)。根据支撑物不根据支撑物不同，分为薄膜电同，分为薄膜电泳、凝胶电泳等泳、凝胶电泳等85生物大分子的结构与功能86生物大分子的结构与功能几种重要的蛋白质电泳几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量，常用于蛋白质分子量的测定。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而分离，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。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术。是蛋白质组学研究的重要技术。87生物大分子的结构与功能四、层析四、层析(chromatography)或色谱法分离蛋白质或色谱法分离蛋白质待分离蛋白质溶液（流动相）经过一种固态物质待分离蛋白质溶液（流动相）经过一种固态物质（固定相）时，根据待分离蛋白质的颗粒大小、电荷（固定相）时，根据待分离蛋白质的颗粒大小、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，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质复分配，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。88生物大分子的结构与功能离子交换：离子交换：蛋白质的电荷量及性质不同。蛋白质的电荷量及性质不同。阳离子交换剂：阳离子交换剂：CM-纤维素纤维素阴离子交换剂：阴离子交换剂：DEAE-纤维素纤维素89生物大分子的结构与功能亲和层析：抗原亲和层析：抗原-抗体，配体抗体，配体-受体，金属离子，生受体，金属离子，生物素等物素等高效液相（高效液相（HPLC）：）：反相反相HPLC，离子离子HPLC，凝凝胶过滤胶过滤HPLC91生物大分子的结构与功能五、超速离心法分离蛋白质五、超速离心法分离蛋白质*超超速速离离心心法法(ultracentrifugation)：根根据据蛋蛋白白质质的的分子量与形状分离。分子量与形状分离。*蛋蛋白白质质在在离离心心场场中中的的行行为为用用沉沉降降系系数数(sedimentation coefficient,S)表表示示,沉沉降降系系数数与与蛋蛋白白质质的的密密度度和和形形状状相关相关。因因为为沉沉降降系系数数S大大体体上上和和分分子子量量成成正正比比关关系系，故故可可应应用用超超速速离离心心法法测测定定蛋蛋白白质质分分子子量量，但但对对分分子子形形状状高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。92生物大分子的结构与功能dx/dt沉降系数沉降系数S=-x1013 2x93生物大分子的结构与功能94生物大分子的结构与功能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Edman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。六、应用化学或反向遗传学方法分析多肽链的六、应用化学或反向遗传学方法分析多肽链的氨基酸序列氨基酸序列95生物大分子的结构与功能96生物大分子的结构与功能97生物大分子的结构与功能蛋白质的蛋白质的aa排列顺序的决定排列顺序的决定将将蛋蛋白白质质部部分分水水解解成成为为肽肽段段，再再逐逐个个鉴鉴定定各各肽肽段的段的aa序列，将各肽段连接起来即可。序列，将各肽段连接起来即可。方方法法：用用两两种种（或或以以上上）不不同同方方法法水水解解蛋蛋白白质质，因因水水解解部部位位不不同同，可可得得到到两两系系列列不不同同的的小小肽肽段段，再再从从两两系系列列中中找找出出关关键键性性的的重重叠叠的的肽肽段段，即即可可将将肽段连接得到蛋白质序列。肽段连接得到蛋白质序列。方法方法1方法方法298生物大分子的结构与功能99生物大分子的结构与功能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DNA序列序列排列出排列出mRNA序列序列100生物大分子的结构与功能*二级结构测定二级结构测定通通常常采采用用圆圆二二色色光光谱谱(circular dichroism，CD)测测定定溶溶液液状状态态下下的的蛋蛋白白质质二二级级结结构构含含量量。-螺螺旋旋的的CDCD峰峰有有222nm222nm处处的的负负峰峰、208nm208nm处处的的负负峰峰和和198 198 nmnm处处的的正正峰峰三三个个成成分分；而而-折折叠叠的的CDCD谱不很固定。谱不很固定。七、应用物理学、生物信息学原理进行蛋白七、应用物理学、生物信息学原理进行蛋白质空间结构测定质空间结构测定101生物大分子的结构与功能*三级结构测定三级结构测定X射射线线衍衍射射法法(X-ray diffraction)和和核核磁磁共共振振技技术术(nuclear magnetic resonance,NMR)是是研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。102生物大分子的结构与功能103生物大分子的结构与功能同源建模同源建模折叠识别折叠识别从无到有从无到有 蛋白质结构预测蛋白质结构预测104生物大分子的结构与功能复习题复习题组成蛋白质的元素有哪几种？其中哪一种的含量可组成蛋白质的元素有哪几种？其中哪一种的含量可以表示蛋白质的相对含量？以表示蛋白质的相对含量？何谓氨基酸的等电点？酸性和碱性氨基酸的等电点何谓氨基酸的等电点？酸性和碱性氨基酸的等电点如何计算？如何计算？肽键和肽链；肽键和肽链；试述蛋白质一级结构和高级结构的概念及维持各级试述蛋白质一级结构和高级结构的概念及维持各级结构的键和力？结构的键和力？什么是蛋白质的二级结构，主要有哪几种？什么是蛋白质的二级结构，主要有哪几种？举例说明蛋白质结构与功能的关系举例说明蛋白质结构与功能的关系何谓蛋白质的变性？有何实际重要意义？何谓蛋白质的变性？有何实际重要意义？举例说明蛋白质分离纯化方法及其原理。举例说明蛋白质分离纯化方法及其原理。105生物大分子的结构与功能