生物化學(xué)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能課件

1、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Protein蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸是由許多氨基酸(amino acids)通過(guò)肽鍵通過(guò)肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。相連形成的高分子含氮化合物。蛋白質(zhì)的功能1. 蛋白質(zhì)是生物體的重要組成成分蛋白質(zhì)是生物體的重要組成成分2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能1）作為生物催化劑）作為生物催化劑2）代謝調(diào)節(jié)作用）代謝調(diào)節(jié)作用3）免疫保護(hù)作用）免疫保護(hù)作用4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)5）運(yùn)動(dòng)與支持作用）運(yùn)動(dòng)與支持作用6）參與細(xì)胞間信息傳遞）參與細(xì)胞間

2、信息傳遞3. 氧化供能氧化供能蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)的分子組成The Molecular Component of Protein 蛋白質(zhì)的元素組成主要有主要有C、H、O、N和和S。 有些蛋白質(zhì)含有少量有些蛋白質(zhì)含有少量P或金屬元素或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo等等蛋白質(zhì)的含氮量平均為蛋白質(zhì)的含氮量平均為16。 通過(guò)樣品含氮量計(jì)算蛋白質(zhì)含量的公式：通過(guò)樣品含氮量計(jì)算蛋白質(zhì)含量的公式：蛋白質(zhì)含量蛋白質(zhì)含量 ( g % ) = 含氮量含氮量( g % ) 6.25 蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)1/16%氨基酸 蛋白質(zhì)的基本組成單位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余種，余種，

3、但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，種，且均屬且均屬 L- -氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H1. 非極性疏水性氨基酸非極性疏水性氨基酸2. 極性極性中中性氨基酸性氨基酸3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 堿性氨基酸堿性氨基酸（一）氨基酸的分類(lèi)（一）氨基酸的分類(lèi)1. 非極性疏水性氨基酸非極性疏水性氨基酸HCHNH3COOH3CCHNH3COOCHCHNH3COOH3CH3CCH2CHNH3COOCHH3CH3CCHCHNH3COOCH2H3CH3CGlycine(Gly)Iso

4、leucine (Ile)Leucine (Leu)Valine (Val)Alanine (Ala)甘甘氨氨酸酸丙丙氨氨酸酸纈纈氨氨酸酸亮亮氨氨酸酸異異亮亮氨氨酸酸CH2CHNH3COO苯苯丙丙氨氨酸酸Phenylalanine (Phe)CHCOOH2NH2CCH2CH2脯脯氨氨酸酸Proline (Pro)2. 極性中性氨基酸極性中性氨基酸Tryptophan (Try)Methionine (Met)Cysteine (Cys)Serine (Ser)色色氨氨酸酸絲絲氨氨酸酸酪酪氨氨酸酸半半胱胱氨氨酸酸蛋蛋氨氨酸酸CH2CHNH3COO天天冬冬酰酰胺胺Asparagine (Asn)谷

5、谷氨氨酰酰胺胺Glutamine (Gln)NHCHCCH2CHNH3COOHOCH2CHNH3COOHSCH2CHNH3COOTyrosine (Tyr)HOCH2CHNH3COOCH3SCH2CH2CHNH3COOCCHCHNH3COOH3CCH2CHNH3COOH2NOCH2CH2NOHO 蘇蘇氨氨酸酸Threonine (Thr)3. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 堿性氨基酸堿性氨基酸Aspartic acid (Asp)Glutamic acid (Glu)天天冬冬氨氨酸酸谷谷氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COOOOCOOC CH2Lysine (Lys)精精氨氨酸酸賴(lài)賴(lài)

6、氨氨酸酸Arginine (Arg) 組組氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COONH2CH2CH2CH2CH2CHNH3COONH2CNHCH2CH2NHHCNCHNHCHistidine (His)幾種特殊氨基酸幾種特殊氨基酸甘氨酸甘氨酸Gly：無(wú)手性碳原子。：無(wú)手性碳原子。半胱氨酸半胱氨酸Cys：可形成二硫鍵。：可形成二硫鍵。NH2CHCOOHCH2NH2CHCOOHCH22Cys胱氨酸二硫鍵SHSSCH2CHNH2COOH2H* 肽鍵肽鍵(peptide bond)：是由一個(gè)氨基是由一個(gè)氨基酸的酸的 -羧基與另一個(gè)氨基酸的羧基與另一個(gè)氨基酸的 -氨基氨基脫水縮合而形成的化學(xué)

7、鍵。脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。肽肽(peptide)H2N C CHR1OHO+N CHHHR2COOHH2OH2N CCHR1ONCHR2COOHH肽鍵 多肽鏈多肽鏈 多肽鏈多肽鏈(polypeptide chain) 二肽，三肽二肽，三肽 寡肽寡肽(oligopeptide)，多肽，多肽(polypeptide) 氨基酸殘基氨基酸殘基(residue) 氨基末端（氨基末端（amino terminal）和羧基末端）和羧基末端（carboxyl terminal） 主鏈和側(cè)鏈主鏈和側(cè)鏈多肽鏈幾種生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): :SH為活性為活性

8、基團(tuán)基團(tuán)為為酸性酸性肽肽 是體內(nèi)重要的是體內(nèi)重要的還原劑還原劑GSH過(guò)氧過(guò)氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH還原酶還原酶NADPH+H+ NADP+ 主要功能主要功能: :蛋蛋 白白 質(zhì)質(zhì) 的的 分分 子子 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)The Molecular Structure of Protein蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括：蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括： 一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu) (primary structure)二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu) (secondary structure)三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu) (tertiary structure)四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu) (quaternary structure)高級(jí)結(jié)

9、構(gòu)高級(jí)結(jié)構(gòu)定義：定義：蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)主要化學(xué)鍵：主要化學(xué)鍵：肽鍵肽鍵二硫鍵二硫鍵的位置屬于一級(jí)結(jié)構(gòu)研究范疇。的位置屬于一級(jí)結(jié)構(gòu)研究范疇。 一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)3021二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈對(duì)空間位置

10、，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象的構(gòu)象 。定義：定義：穩(wěn)定因素穩(wěn)定因素： 氫鍵氫鍵 （一）肽鍵平面（一）肽鍵平面 形成肽鍵的形成肽鍵的C-N鍵具有部分雙鍵的性鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，使得形成的酰胺鍵的四個(gè)原子及相鄰質(zhì)，使得形成的酰胺鍵的四個(gè)原子及相鄰的的C處于同一平面上處于同一平面上叫酰胺平面或肽鍵叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。平面。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。肽單元肽單元RCCCOORNCN肽鍵平面肽鍵平面HHHH 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折疊折疊 ( -pleated sheet ) -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 ( -tur

11、n ) 無(wú)規(guī)卷曲無(wú)規(guī)卷曲 ( random coil ) （二）（二） -螺旋螺旋: 多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋右手螺旋，側(cè)鏈側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。伸向螺旋外側(cè)。 每圈螺旋含每圈螺旋含3.6個(gè)氨基酸個(gè)氨基酸，螺距為，螺距為0.54nm，即即0.15nm/氨基酸殘基氨基酸殘基。 每個(gè)肽鍵的亞氨氫和第四個(gè)肽鍵的羰基氧形每個(gè)肽鍵的亞氨氫和第四個(gè)肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵氫鍵與螺旋長(zhǎng)軸基本平與螺旋長(zhǎng)軸基本平行。行。（三）（三） - -折疊折疊多肽鏈充分伸展，相鄰酰胺平面之間折疊成多肽鏈充分伸展，相鄰酰胺平面之間折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈位于鋸齒

12、結(jié)構(gòu)的上下方。鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下方。 兩段以上的兩段以上的 -折疊結(jié)構(gòu)平行排列折疊結(jié)構(gòu)平行排列 ，兩鏈間可，兩鏈間可順向平行，也可反向平行順向平行，也可反向平行 。兩鏈間的肽鍵之間形成兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵氫鍵，以穩(wěn)固，以穩(wěn)固 -折疊折疊結(jié)構(gòu)。氫鍵與螺旋長(zhǎng)軸垂直。結(jié)構(gòu)。氫鍵與螺旋長(zhǎng)軸垂直。 （四）（四） - -轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲 - -轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角：無(wú)規(guī)卷曲：沒(méi)有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。無(wú)規(guī)卷曲：沒(méi)有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。 肽鏈內(nèi)形成肽鏈內(nèi)形成180180回折?；卣?。含含4 4個(gè)氨基酸殘基，第一個(gè)氨基酸殘基與個(gè)氨基酸殘基，第一個(gè)氨基酸殘基與第四個(gè)形成氫鍵。第四個(gè)形成氫鍵

13、。 第二個(gè)氨基酸殘基常為第二個(gè)氨基酸殘基常為脯氨酸（脯氨酸（ProPro）。）。 - -轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角：三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)疏水鍵疏水鍵、離子鍵、氫鍵和、離子鍵、氫鍵和 范德華力等。范德華力等。 穩(wěn)定因素：穩(wěn)定因素：整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。定義定義 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C端端亞基之間的結(jié)合力主要是亞基之間的結(jié)合力主要是氫鍵和離子鍵。氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中蛋白質(zhì)分子中兩條或兩條兩條或兩條亞基的空間排布亞基的空

14、間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱(chēng)為及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱(chēng)為蛋白蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。每條具有完整三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱(chēng)為每條具有完整三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱(chēng)為亞亞基基 (subunit)。血紅蛋白（血紅蛋白（Hb）的四級(jí)結(jié)構(gòu)）的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化（一）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)（一）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì) 蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬(wàn)至萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。，為膠粒范圍之內(nèi)。 * 蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷顆粒表面電荷水化膜水化膜（

15、二）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固（二）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固 * 蛋白質(zhì)的變性蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)分在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。質(zhì)改變和生物活性的喪失。 造成變性的因素：造成變性的因素：如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等重金屬離子及生物堿試劑等 。 變性的本質(zhì)：變性的本質(zhì)： 破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用

16、舉例應(yīng)用舉例臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來(lái)臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來(lái)消毒消毒及及滅菌。滅菌。防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。（如疫苗等）的必要條件。 蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變：蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變：溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。生物活性喪失及易受蛋白酶水解。若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱(chēng)為象和功能，稱(chēng)為復(fù)性復(fù)性。復(fù)性復(fù)性(renat

17、uration) 天然狀態(tài)，天然狀態(tài)，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無(wú)活性非折疊狀態(tài)，無(wú)活性* 蛋白質(zhì)沉淀蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。但并不變性。 * 蛋白質(zhì)的凝固作用蛋白質(zhì)的凝固作用(protein coagulation) 蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱

18、可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。 蛋白質(zhì)的沉淀蛋白質(zhì)的沉淀-鹽析鹽析*鹽析鹽析(salt precipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)電荷被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。沉淀。 蛋白質(zhì)的沉淀-有機(jī)溶劑沉淀*使用使用丙酮丙酮沉淀時(shí)，必須在沉淀時(shí)，必須在04低溫下進(jìn)行，低溫下進(jìn)行，丙酮用量一般丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應(yīng)立即分離。除了丙酮白質(zhì)被丙酮沉淀后，應(yīng)立即分離。除了丙酮以外，也可用以外，也可用乙醇乙醇沉淀。沉淀。 蛋白質(zhì)的沉淀-重金屬鹽類(lèi)沉淀 Cu2+、Hg2+、Ag 2+苦味酸，鞣酸。蛋白質(zhì)的沉淀-生物堿試劑沉淀（三）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)（三）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)茚三酮反應(yīng)茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction) 蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸氨基酸也可發(fā)生茚也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。三酮反應(yīng)。 雙縮脲反應(yīng)雙縮脲反應(yīng)(biuret reaction)蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)酸銅