生化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

蛋白質(zhì)（Protein）是由許多氨基酸（aminoacids）通過肽鍵（peptidebond）相連形成的高分子含氮化合物蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能：1）生物催化劑（酶）2）代謝調(diào)節(jié)3）免疫保護4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和儲存5）運動和支持作用6）參與細胞間信息傳遞本文檔共87頁；當前第1頁；編輯于星期二\3點0分第一節(jié)

蛋白質(zhì)的分子組成TheMolecularComponentofProtein本文檔共87頁；當前第2頁；編輯于星期二\3點0分碳(C)50%~55%氫(H)6%~8%氧(O)19%~24%氮(N)13%~19%硫(S)0%~4%

少量的：磷(P)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋅(Zn)和碘(I)等組成蛋白質(zhì)的元素：主要元素組成：本文檔共87頁；當前第3頁；編輯于星期二\3點0分蛋白質(zhì)元素組成特點各種蛋白質(zhì)含氮量很接近，平均為16％可根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：

每克樣品中蛋白質(zhì)的含量＝每克樣品含氮克數(shù)×6.251/16%本文檔共87頁；當前第4頁；編輯于星期二\3點0分凱氏定氮法----只能檢測樣品中氮的含量，并不能鑒定蛋白質(zhì)的真?zhèn)翁烊粍又参锸澄锏闹饕煞种挥械鞍踪|(zhì)含有氮，其他主要成分（糖、脂）都不含氮非蛋白氮氮含量性質(zhì)用途三聚氰胺66.6%白色無味化工原料尿素46.6%刺鼻農(nóng)業(yè)肥料肼86.1%液態(tài)火箭燃料本文檔共87頁；當前第5頁；編輯于星期二\3點0分H甘氨酸CH3丙氨酸L-α-氨基酸的通式R一、氨基酸(aminoacid，aa)——蛋白質(zhì)的基本組成單位本文檔共87頁；當前第6頁；編輯于星期二\3點0分構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸(aa)的特點：1.均為L－α氨基酸，各種aa的R側(cè)鏈各不相同2.α－碳原子上均連有一個氨基(脯氨酸除外)3.α-碳原子為不對稱(手性)碳原子(甘氨酸除外）本文檔共87頁；當前第7頁；編輯于星期二\3點0分（一）氨基酸的分類根據(jù)氨基酸側(cè)鏈基團(Ｒ)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，將其分為5類：1.非極性氨基酸2.不帶電荷的極性氨基酸4.酸性氨基酸5.堿性氨基酸3.芳香族氨基酸本文檔共87頁；當前第8頁；編輯于星期二\3點0分1.非極性氨基酸包括7個：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、甲硫氨酸（Met）和脯氨酸（Pro）本文檔共87頁；當前第9頁；編輯于星期二\3點0分2.不帶電荷的極性氨基酸R-基含有極性基團絲氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、蘇氨酸(Thr)、包括5個：本文檔共87頁；當前第10頁；編輯于星期二\3點0分3.芳香族氨基酸包括3個：色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)酪氨酸(Tyr)、本文檔共87頁；當前第11頁；編輯于星期二\3點0分4.酸性氨基酸R-基有COOH(COO-)帶負電荷本文檔共87頁；當前第12頁；編輯于星期二\3點0分5.堿性氨基酸R-基有NH2(NH3+)賴氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、組氨酸(His)帶正電荷本文檔共87頁；當前第13頁；編輯于星期二\3點0分精氨酸（Arg）組氨酸（His）本文檔共87頁；當前第14頁；編輯于星期二\3點0分1.兩性解離及等電點（二）氨基酸的理化性質(zhì)等電點(pI)：aa酸性解離和堿性解離的程度相等，成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH值就稱為該aa的等電點pI=1/2（pK1+pK2）除堿性aa外，其余氨基酸等電點均小于pH7本文檔共87頁；當前第15頁；編輯于星期二\3點0分+OH+H++OH+H+pH<pIpH>pIpH=pI問題：組氨酸在pH值為5.5的溶液中帶？電荷本文檔共87頁；當前第16頁；編輯于星期二\3點0分2.紫外吸收性質(zhì)色氨酸和酪氨酸在280nm波長附近對紫外光有最大吸收峰據(jù)此可以通過測定蛋白質(zhì)溶液280nm的吸光值快速測定其蛋白質(zhì)含量本文檔共87頁；當前第17頁；編輯于星期二\3點0分3.茚三酮反應aa與水合茚三酮一起加熱，生成藍紫色的化合物，在570nm處有最大吸收峰。據(jù)此亦可用作aa含量分析本文檔共87頁；當前第18頁；編輯于星期二\3點0分（一）肽與肽鍵二、肽（peptide）

肽鍵（peptidebond）是由一個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基脫去一分子水縮合而形成的化學鍵本文檔共87頁；當前第19頁；編輯于星期二\3點0分+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵本文檔共87頁；當前第20頁；編輯于星期二\3點0分+HOCOCH2NH2HC苯丙氨酸肽鍵COHOCH3HCCH2NH2HCNCOH苯丙氨酰丙氨酸COHOCH3NHHC丙氨酸HHOH本文檔共87頁；當前第21頁；編輯于星期二\3點0分肽鍵中與Ｃ-Ｎ相連的氧原子和氫原子呈反式構(gòu)型（反式）（順式）CNOHCNOHC=N雙鍵為0.127nm因此，肽鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)肽鍵中Ｃ－Ｎ鍵長為0.132nmC—N單鍵為0.149nm，本文檔共87頁；當前第22頁；編輯于星期二\3點0分肽鍵的6個原子Cα1、C、N、O、H、Cα2位于同一平面，構(gòu)成肽單元(peptideunit)本文檔共87頁；當前第23頁；編輯于星期二\3點0分肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物MetPhe二肽LysMetPhe三肽CysThrLysMetPhe五肽寡肽(oligopeptide)由10個以內(nèi)氨基酸連成的小肽多肽(polypeptide)由許多氨基酸連成的肽多肽鏈（polypeptidechain）是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)本文檔共87頁；當前第24頁；編輯于星期二\3點0分多肽鏈有兩端：

N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端

C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端CysMetPheLysSerThrValNH2COOH氨基末端(Ｎ－端)羧基末端(C－端)本文檔共87頁；當前第25頁；編輯于星期二\3點0分氨基酸殘基(aminoacidresidue)：是指氨基酸在形成肽鏈時丟失了一分子水，肽鏈中的氨基酸分子已不完整蛋白質(zhì)與多肽的區(qū)別：Peptide空間構(gòu)象不穩(wěn)定氨基酸殘基數(shù)較少Protein空間構(gòu)象相對穩(wěn)定氨基酸殘基數(shù)較多本文檔共87頁；當前第26頁；編輯于星期二\3點0分（二）生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione，GSH)構(gòu)成第一個肽鍵的羧基是谷氨酸的γ－羧基由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)組成的三肽GluCysGly(1)組成(2)功能GSH是體內(nèi)重要的還原劑本文檔共87頁；當前第27頁；編輯于星期二\3點0分由下丘腦分泌，其功能是促進腺垂體釋放促甲狀腺素(調(diào)節(jié)糖代謝)2.促甲狀腺素釋放激素(1)組成pyro-GluHisPro-NH2(2)功能焦谷氨酸組氨酸脯氨酰胺本文檔共87頁；當前第28頁；編輯于星期二\3點0分第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)TheMolecularstructureofProtein本文檔共87頁；當前第29頁；編輯于星期二\3點0分一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）高級結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)包括：本文檔共87頁；當前第30頁；編輯于星期二\3點0分一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

定義：指蛋白質(zhì)中氨基酸的數(shù)目、排列順序及共價連接主要的化學鍵：

肽健，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵(P8)氨基酸序列書寫：以N-末端開始，C-末端結(jié)束，依次編1、2、3………CysMetPheLysSerThrValNH2COOH本文檔共87頁；當前第31頁；編輯于星期二\3點0分胰島素的一級結(jié)構(gòu)各種蛋白質(zhì)的根本差異在于一級結(jié)構(gòu)的不同本文檔共87頁；當前第32頁；編輯于星期二\3點0分二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)定義：是指蛋白質(zhì)分子中一段多肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及到aa側(cè)鏈R基團的構(gòu)象主要的化學鍵：氫鍵負電性很強的原子（如氧或氮）和與氧或氮共價結(jié)合的氫原子相互吸引的作用力本文檔共87頁；當前第33頁；編輯于星期二\3點0分蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)類型：α－螺旋結(jié)構(gòu)(α－h(huán)elix)β－折疊結(jié)構(gòu)(β－pleatedsheet)β-轉(zhuǎn)角(β－turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)本文檔共87頁；當前第34頁；編輯于星期二\3點0分(一)α－螺旋由肽鍵平面(肽單元)盤旋形成的右手螺旋狀構(gòu)象1.概念本文檔共87頁；當前第35頁；編輯于星期二\3點0分2.α-螺旋的結(jié)構(gòu)特征(1)以肽鍵平面(肽單元)為單位,以α-碳原子為轉(zhuǎn)折盤旋形成右手螺旋本文檔共87頁；當前第36頁；編輯于星期二\3點0分(2)每3.6個氨基酸殘基繞成一個螺圈(3600)螺距為0.54nm每個氨基酸上升0.15nm肽鍵平面與中心軸平行本文檔共87頁；當前第37頁；編輯于星期二\3點0分(3)主鏈原子構(gòu)成螺旋的主體,側(cè)鏈在其外部本文檔共87頁；當前第38頁；編輯于星期二\3點0分(4)肽鍵的CO和NH

都形成氫鍵是穩(wěn)定螺旋的主要作用力氫鍵的方向與中心軸大致平行,本文檔共87頁；當前第39頁；編輯于星期二\3點0分（二）β－折疊又叫-片層，由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象在-折疊中，-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團處于折疊的棱角上1.概念本文檔共87頁；當前第40頁；編輯于星期二\3點0分2.β－折疊結(jié)構(gòu)特點(１)相鄰肽鍵平面的夾角為1100

，呈鋸齒狀排列；側(cè)鏈Ｒ基團交錯地分布在片層平面的兩側(cè)本文檔共87頁；當前第41頁；編輯于星期二\3點0分本文檔共87頁；當前第42頁；編輯于星期二\3點0分(３)由氫鍵維持穩(wěn)定。其方向與折疊的長軸接近垂直(２)２～５條肽段平行排列構(gòu)成，肽段之間可順向平行(均從N-C)，也可反向平行本文檔共87頁；當前第43頁；編輯于星期二\3點0分(三)β－轉(zhuǎn)角肽鏈出現(xiàn)1800回折的轉(zhuǎn)角處結(jié)構(gòu)稱為β－轉(zhuǎn)角1.概念2.結(jié)構(gòu)特征*第一個殘基的C=O與第四個殘基的N-H形成氫鍵*常見于球狀蛋白質(zhì)分子表面本文檔共87頁；當前第44頁；編輯于星期二\3點0分(四)無規(guī)卷曲概念沒有確定規(guī)律性的肽鍵構(gòu)象常見于球狀蛋白質(zhì)分子中，在其它類型二級結(jié)構(gòu)肽段之間起活節(jié)作用，有利于整條肽鏈盤曲折疊本文檔共87頁；當前第45頁；編輯于星期二\3點0分本文檔共87頁；當前第46頁；編輯于星期二\3點0分(五)超二級結(jié)構(gòu)指在多肽鏈內(nèi)順序上相互鄰近的二級結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚集體具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)，被稱為模體（motif）本文檔共87頁；當前第47頁；編輯于星期二\3點0分鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)本文檔共87頁；當前第48頁；編輯于星期二\3點0分三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（一）定義一條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，也就是整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置主要的化學鍵：疏水鍵、鹽鍵(離子鍵)、氫鍵、范德華力本文檔共87頁；當前第49頁；編輯于星期二\3點0分卵溶菌酶的三級結(jié)構(gòu)含有螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲四種二級結(jié)構(gòu)本文檔共87頁；當前第50頁；編輯于星期二\3點0分疏水鍵示意圖疏水鍵由非極性基團受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力本文檔共87頁；當前第51頁；編輯于星期二\3點0分離子鍵由異性電荷間的靜電吸引形成本文檔共87頁；當前第52頁；編輯于星期二\3點0分氫鍵負電性很強的原子（如氧或氮）和與氧或氮共價結(jié)合的氫原子相互吸引，這種作用力稱為氫鍵本文檔共87頁；當前第53頁；編輯于星期二\3點0分本文檔共87頁；當前第54頁；編輯于星期二\3點0分（二）結(jié)構(gòu)域在較大的蛋白質(zhì)分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，形成兩個或多個穩(wěn)定的球形結(jié)構(gòu)單位，稱為結(jié)構(gòu)域酵母己糖激酶的三級結(jié)構(gòu)兩個結(jié)構(gòu)域之間有一個裂隙本文檔共87頁；當前第55頁；編輯于星期二\3點0分四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

(quaternarystructure)

蛋白質(zhì)分子由兩條或兩條以上肽鏈組成，每條肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為亞基亞基(subunit)本文檔共87頁；當前第56頁；編輯于星期二\3點0分蛋白質(zhì)分子中各個亞基的空間排布，以及亞基接觸部位的布局和相互作用蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)亞基間的結(jié)合力主要是疏水鍵，其次是離子鍵和氫鍵本文檔共87頁；當前第57頁；編輯于星期二\3點0分本文檔共87頁；當前第58頁；編輯于星期二\3點0分第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein本文檔共87頁；當前第59頁；編輯于星期二\3點0分（一）一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以124個氨基酸殘基組成的牛胰核糖核酸酶（4對二硫鍵）為例說明本文檔共87頁；當前第60頁；編輯于星期二\3點0分本文檔共87頁；當前第61頁；編輯于星期二\3點0分牛胰核糖核酸酶的變性與復性β-巰基乙醇尿素或鹽酸胍透析有活性無活性本文檔共87頁；當前第62頁；編輯于星期二\3點0分1.一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)功能相似胰島素的一級結(jié)構(gòu)及種屬差異（二）一級結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)本文檔共87頁；當前第63頁；編輯于星期二\3點0分ACTH促腎上腺素皮質(zhì)激素MSH促黑激素2.一級結(jié)構(gòu)不同的蛋白質(zhì)功能不同本文檔共87頁；當前第64頁；編輯于星期二\3點0分

蛋白質(zhì)分子中起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基缺失或被替代，將嚴重影響空間構(gòu)象乃至生理功能例子：鐮刀狀紅細胞貧血

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”本文檔共87頁；當前第65頁；編輯于星期二\3點0分HbS與HbA的區(qū)別β-亞基第6位氨基酸正常人：Glu(GAG)患者：Val(GUG)本文檔共87頁；當前第66頁；編輯于星期二\3點0分二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（一）蛋白質(zhì)的功能依賴于特定的空間結(jié)構(gòu)肌紅蛋白（1個亞基）與血紅蛋白（4個亞基）的一級結(jié)構(gòu)有較大差異，但均具有與氧可逆地結(jié)合的能力本文檔共87頁；當前第67頁；編輯于星期二\3點0分兩者分別與血紅素共價結(jié)合后，再通過血紅素中的亞鐵離子與氧結(jié)合本文檔共87頁；當前第68頁；編輯于星期二\3點0分O2本文檔共87頁；當前第69頁；編輯于星期二\3點0分氧飽和度靜脈血動脈血氧分壓P50100%-HbMb血紅蛋白與氧結(jié)合的正協(xié)同效應（二）血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)變化與結(jié)合氧的能力本文檔共87頁；當前第70頁；編輯于星期二\3點0分*協(xié)同效應（cooperativity)

指一個亞基與其配體（Hb中的配體為O2）結(jié)合后，能影響蛋白質(zhì)分子中另一個亞基與配體的結(jié)合能力促進正協(xié)同效應抑制負協(xié)同效應本文檔共87頁；當前第71頁；編輯于星期二\3點0分O2血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，繼而引起肽鏈構(gòu)象改變變構(gòu)效應蛋白質(zhì)分子與其它小分子物質(zhì)結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生改變,其功能也隨之變化的現(xiàn)象本文檔共87頁；當前第72頁；編輯于星期二\3點0分Mb只有三級結(jié)構(gòu)，對氧的親和力大，功能為儲存氧Hb有四個亞基，對氧的親和力相對要小，功能是在肺和肌肉組織間運輸氧結(jié)論：空間結(jié)構(gòu)不同的蛋白質(zhì)，在體內(nèi)發(fā)揮不同的生理功能本文檔共87頁；當前第73頁；編輯于星期二\3點0分（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變與疾病若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生如：瘋牛病、致死性家族性失眠癥等本文檔共87頁；當前第74頁；編輯于星期二\3點0分瘋牛病是朊病毒蛋白構(gòu)象改變引起的人和動物神經(jīng)退行性病變正常的朊病毒蛋白（prionprotein，PrP）富含α－螺旋，稱為PrPCPrPC在某種未知蛋白質(zhì)的作用下，可轉(zhuǎn)變成全為-折疊的PrPSC，從而致病PrPCα－螺旋

正常PrPSC-折疊瘋牛病本文檔共87頁；當前第75頁；編輯于星期二\3點0分第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及其分離純化本文檔共87頁；當前第76頁；編輯于星期二\3點0分（一）兩性解離和等電點蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)。在溶液中的帶電狀況主要取決于溶液的pH值PrCOOHNH3+PrCOO-NH3+PrCOO-NH2pH=pIpH<pIpH>pI+OH-+H++OH-+H+等電點（pI）：在某一pH值溶液中，蛋白質(zhì)酸性基團和堿性基團的解離程度相當，蛋白質(zhì)分子所帶正負電荷相等，凈電荷為零，此時溶液的pH值稱為蛋白質(zhì)的等電點(pI)本文檔共87頁；當前第77頁；編輯于星期二\3點0分蛋白質(zhì)分子顆粒大小1~100nm之間,屬膠體顆粒范圍，蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定膠體的原因：表面形成水化膜表面同種電荷的斥力（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)是親水膠體本文檔共87頁；當前第78頁；編輯于星期二\3點0分+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的沉聚本文檔共87頁；當前第79頁；編輯于星期二\3點0分（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀與凝固變性后的蛋白稱為變性蛋白質(zhì)1.蛋白質(zhì)的變性（denaturation）

在某些理化因素作用下，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)被破壞，失去其原有的性質(zhì)和生物學活性，稱為蛋白質(zhì)的變性作用本文檔共87頁；當前第80頁；編輯于星期二\3點0分常見的變性因素：強酸、強堿、有機溶劑、生物堿、尿素、胍、重金屬化學因素：物理因素：熱、紫外線、超聲波、劇烈振蕩本文檔共87頁；當前第81頁；編輯于星期二\3點0分變性蛋白質(zhì)的主要特征:（2）生物活性喪失（1）破壞非共價鍵(甚至二硫鍵)，空間結(jié)構(gòu)被破壞，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——變性的本質(zhì)（3）變性蛋白質(zhì)的溶解度降低