生物化學與分子生物學(全套課件127P)

生物化學與分子生物學生物化學與分子生物學1一．生物化學與分子生物學的定義

生物化學是用化學的理論和方法研究生命現(xiàn)象的科學。分子生物學是研究生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的學科。生物化學與分子生物學是同一個二級學科,在大學本科階段可以作為兩門課開設,也可以作為一門課開設.緒論一．生物化學與分子生物學的定義生物化學是用化學的理論和方2二．生物化學與分子生物學的研究范疇（一）生物體的組成物質(zhì)復雜性組成物質(zhì)多；分子大；空間結(jié)構(gòu)復雜。規(guī)律性元素→構(gòu)件小分子→聚合物（生物大分子）；結(jié)構(gòu)與功能相適應。二．生物化學與分子生物學的研究范疇（一）生物體的組成物質(zhì)3（二）物質(zhì)和能量代謝

復雜性多步化學反應構(gòu)成代謝途徑；多條代謝途徑相互交織成網(wǎng)；物質(zhì)代謝和能量代謝相互交織；調(diào)節(jié)控制有條不紊。

規(guī)律性反應類型不多；反應機理符合有機化學理論；調(diào)節(jié)控制與生物學功能相適應。

（二）物質(zhì)和能量代謝復雜性規(guī)律性4（三）信息分子的生物合成

復雜性合成過程復雜；調(diào)節(jié)控制復雜；與生命現(xiàn)象的關(guān)系復雜。

規(guī)律性遺傳密碼已經(jīng)破譯；基因表達的基本過程已經(jīng)清楚；生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系逐漸明晰；研究方法日新月異。

（三）信息分子的生物合成復雜性規(guī)律性5三.生物化學與分子生物學同生產(chǎn)實踐的關(guān)系

啟蒙階段食品選擇和加工；醫(yī)療。

發(fā)展階段維生素、抗生素→醫(yī)療；代謝→食品、醫(yī)療；分子生物學→基因工程、蛋白質(zhì)工程。

發(fā)展前景生物制品；轉(zhuǎn)基因動植物；基因芯片；基因診斷；基因治療。三.生物化學與分子生物學同生產(chǎn)實踐的關(guān)系啟蒙階段發(fā)展前6四.生物化學的發(fā)展史1.煉金術(shù)階段:

現(xiàn)代化學起源于煉金術(shù)(alchemy)。換言之，煉金活動是化學的前史?！癱hemistry”一詞也來自alchemy,而alchemy=al(the)+chem,其中的chem來自中國的“金”的古漢語發(fā)音。煉金術(shù)在各個古代文明中都占重要位置,并不是中國特有,一般而言都是如何將銅,鉛,錫變成金、銀這樣的貴金屬的實用學問。在西方,煉金術(shù)從公元前幾百年開始到17世紀為止,延續(xù)了2000年；在中國也生存了差不多同樣長的時間。

中國的煉金術(shù)除了得到貴金屬以外，還致力于研制長生不老之藥“金丹”。因此,中國的煉金術(shù)的化學成份比其他古代文明要濃。

中國的煉金術(shù)隨絲綢之路傳到了阿拉伯文化圈,所以有了alchemy這個行業(yè)。西臘文明在歐州歷史上曾一度失傳,幸好阿拉伯人繼承了其精華(7~14世紀),11~13世紀十字軍的侵略將散落在阿拉伯文化中的希臘文化又帶回了歐洲,也順便將中國的煉金術(shù)帶進入了西方文明。此后，西方的煉金術(shù)活動朝著獨自的方向發(fā)展，特別是對酸,堿,鹽等物質(zhì)的化學性質(zhì)有了相當?shù)闹R積累。四.生物化學的發(fā)展史1.煉金術(shù)階段:72.從煉金術(shù)到化學:

17世紀興起的文藝復興活動使alchemy真正向現(xiàn)代的chemistry過渡。當時的化學家,要么是貴族,要么是業(yè)余愛好。在與英國的Newton同時期的貴族RobertBoyle(1627-1691)對氣體和真空進行了研究,寫了“TheScepticalChymist(1661)”一書,主張決別帶有神秘色彩的煉金術(shù),而以理性思考的態(tài)度來研究化學。他發(fā)現(xiàn)了波以爾法則PV=Const,實際上就是現(xiàn)代物理化學的起點。1662英國設立了RoyalSociety,1666年P(guān)arisAcademia分別設立,為科學研究和交流提供了土壤。這是化學與煉金術(shù)決別的標志。

隨后,空氣中含有不同成分1764年CO2(Black),1766年H2(Canvendish),1772年O2(Sheele),1772年N2(Ratherford),1774年Cl2(Sheele),相繼被發(fā)現(xiàn)。1774年Lavoisier確立了物質(zhì)不滅定理,1777年確立了燃燒理論。此后的化學反應的定比例法則(JosephLouisProust,1799)及化學元素分析方法的發(fā)展,為有機化學的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。2.從煉金術(shù)到化學:83.有機化學的發(fā)展

簡單的說,有機化學就是H,C,N,O的化學。其發(fā)展是必然的,因為人對生命物質(zhì)的興趣要比對非生命物質(zhì)更濃?；瘜W分析的手段發(fā)展后,勢必要用來研究有機的物質(zhì)。通過有機化學研究知道的物質(zhì)結(jié)構(gòu),成為生物化學研究的起點。

有機化學的發(fā)展,是從尿素的合成開始的。1828年Wohler(德)從無機鹽合成了尿素1831年Liebig(德)有機物元素分析定量法的發(fā)明1840年有機基團(group)的概念的形成1848年P(guān)asteur(法)酒石酸的光學異構(gòu)體的發(fā)1858年Kekule(德)C原子的四價理論1865年Kekule(德)Benzen環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)1869年元素周期表的確立1874年van‘tHoff(荷)C4的正四面體結(jié)構(gòu)1884年Fischer(德)糖的化學結(jié)構(gòu)研究的開始3.有機化學的發(fā)展94.生物化學重大發(fā)展年代表1897年Buchner發(fā)現(xiàn)酵母細胞質(zhì)能使糖發(fā)酵1902年Fischer肽鍵理論1926年Sumner結(jié)晶得到了脲酶,證明酶就是蛋白質(zhì)1935年Schneider將同位素應用于代謝的研究1944年Avery等人證明遺傳信息在核酸上1953年Sanger的胰島素氨基酸序列測定Waston-Click提出DNA雙螺旋模型1958年P(guān)erutz等解明肌紅蛋白的立體結(jié)構(gòu)1970年發(fā)現(xiàn)了DNA限制性內(nèi)切酶1972年DNA重組技術(shù)的建立1978年DNA雙脫氧測序法的成功…1990年人類基因組計劃的實施,2003年完成,進入后基因組時代4.生物化學重大發(fā)展年代表1897年Buchner發(fā)現(xiàn)酵10生物化學中的關(guān)鍵技術(shù)電泳（1923）生物大分子的分離、分析超離心（1925）蛋白質(zhì)、細胞亞器官的分離；分子量的確定同位素標記（1934）物質(zhì)代謝途徑、生物大分子結(jié)構(gòu)測定層析（1944）生物大分子的分離純化X-光衍射、NMR：生物大分子結(jié)構(gòu)測定生物化學中的關(guān)鍵技術(shù)電泳（1923）生物大分子的分離、分析11五．生物化學與分子生物學

同有關(guān)學科的關(guān)系生物化學與分子生物學是生物學的最深層次；生物化學與分子生物學是化學的最高層次；生物化學與分子生物學為農(nóng)學、醫(yī)學和食品科學提供理論依據(jù)和研究手段；物理學、信息科學和數(shù)學為生物化學與分子生物學提供研究手段。五．生物化學與分子生物學

12課外閱讀書籍

Lehninger：PrinciplesofBiochemistry

Stryer：Biochemistry王鏡巖《生物化學》沈仁權(quán)《生物化學教程》鄭集《普通生物化學》Garrett,andGrisham:Biochemistry(影印版)羅紀盛等生物化學簡明教程朱玉賢李毅現(xiàn)代分子生物學RobertF.Weaver:Molecularbiology(影印版)課外閱讀書籍13六．學習方法積極培養(yǎng)學習的興趣；記憶與理解相互促進；注重閱讀和練習；注重學習科學思維的方法和實驗技能；注重與數(shù)理化特別是化學知識的聯(lián)系；注重與生物學功能的聯(lián)系。六．學習方法積極培養(yǎng)學習的興趣；14蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunctionofProtein蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第一章StructureandFunc15什么是蛋白質(zhì)?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。什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(ami16蛋白質(zhì)研究的歷史1833年，Payen和Persoz分離出淀粉酶。1838年，荷蘭科學家G.J.Mulder引入“protein”（源自希臘字proteios，意為primary）一詞

1864年，Hoppe-Seyler從血液分離出血紅蛋白，并將其制成結(jié)晶。19世紀末，F(xiàn)ischer證明蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的，并將氨基酸合成了多種短肽。蛋白質(zhì)研究的歷史1833年，Payen和Persoz分離出淀171951年,

Pauling采用X（射）線晶體衍射發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)——α-螺旋(α-helix)。1953年，F(xiàn)rederickSanger完成胰島素一級序列測定。1962年，JohnKendrew和MaxPerutz確定了血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)。20世紀90年代以后，隨著人類基因組計劃實施，功能基因組與蛋白質(zhì)組計劃的展開，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究達到新的高峰。1951年,Pauling采用X（射）線晶體衍射發(fā)現(xiàn)了蛋18蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularCompone19蛋白質(zhì)的生物學重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細胞中可達細胞干重的70%以上。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分蛋白質(zhì)的生物學重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞20作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲運動與支持作用參與細胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能3.氧化供能作為生物催化劑（酶）2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能3.氧21組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘。組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和S。

22

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物23一、組成人體蛋白質(zhì)的20種L-

-氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。一、組成人體蛋白質(zhì)的20種L--氨基酸存在自然界中的氨基24生物化學與分子生物學(全套課件127P)25H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-HH甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H26

除了20種基本的氨基酸外，近年發(fā)現(xiàn)硒代半胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質(zhì)。硒代半胱氨酸從結(jié)構(gòu)上來看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少數(shù)天然蛋白質(zhì)中，包括過氧化物酶和電子傳遞鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質(zhì)合成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體機制尚不完全清楚。除了20種基本的氨基酸外，近年發(fā)現(xiàn)硒代半胱氨酸在某些27體內(nèi)也存在若干不參與蛋白質(zhì)合成但具有重要生理作用的L-α-氨基酸，如參與合成尿素的鳥氨酸（ornithine）、瓜氨酸（citrulline）和精氨酸代琥珀酸（argininosuccinate）。體內(nèi)也存在若干不參與蛋白質(zhì)合成但具有重要生理作用的L-α-氨28非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進行分類非極性脂肪族氨基酸二、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進行分類29(一)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸(一)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸30(二)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸甲硫氨酸(二)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸甲硫氨酸31(三)側(cè)鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸(三)側(cè)鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸32(四)側(cè)鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸(四)側(cè)鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸33(五)側(cè)鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸(五)側(cè)鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸34幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2幾種特殊氨基酸脯氨酸CH2CHCOO-NH2+CH2CH35

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH-OOC-CH-36在蛋白質(zhì)翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸可分別被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸。蛋白質(zhì)分子中20種氨基酸殘基的某些基團還可被甲基化、甲?；⒁阴；愇於┗土姿峄?。這些翻譯后修飾，可改變蛋白質(zhì)的溶解度、穩(wěn)定性、亞細胞定位和與其他細胞蛋白質(zhì)相互作用的性質(zhì)等，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)生物多樣性的一個方面。在蛋白質(zhì)翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸可分別被羥化為羥脯37三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)兩性解離及等電點氨基38pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨39（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大40（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物41四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白質(zhì)或活性肽肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白質(zhì)或活性肽肽鍵(peptid42+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵43肽(peptide)是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。肽(peptide)是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。兩44N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-羧基的一端多肽鏈有兩端：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)。N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端多肽鏈有兩端：多肽鏈(45N末端C末端牛核糖核酸酶N末端C末端牛核糖核酸酶46

蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成、折疊成特定的空間結(jié)構(gòu)、并具有特定生物學功能的多肽。一般而論，蛋白質(zhì)的氨基酸殘基數(shù)通常在50個以上，50個氨基酸殘基以下則仍稱為多肽。蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成、折疊成特定的空47（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glut48GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSS49

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽神經(jīng)肽(neuropeptide50蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructu51蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:

高級結(jié)構(gòu)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)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:高級結(jié)構(gòu)一級結(jié)52定義:蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。定義:一、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)主要的化學鍵:53一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋54目前已知一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)數(shù)量已相當可觀，并且還以更快的速度增加。國際互聯(lián)網(wǎng)有若干重要的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，例如EMBL（EuropeanMolecularBiologyLaboratoryDataLibrary）Genbank（GeneticSequenceDatabank）PIR（ProteinIdentificationResourceSequenceDatabase）收集了大量最新的蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)及其他資料，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的深入研究提供了便利。目前已知一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)數(shù)量已相當可觀，并且還以更快的速度增55二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)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對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義:

主要的化學鍵：氫鍵

二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部56

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)所謂肽鏈主鏈骨架原子即N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3個原子依次重復排列。

-螺旋(-helix)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)所謂肽鏈主鏈57（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上參與肽鍵的6個原子C58生物化學與分子生物學(全套課件127P)59

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)-螺旋(-helix)（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的60（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)61（三）

-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)（三）-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)62生物化學與分子生物學(全套課件127P)63（四）

-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷64（五）二級結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子中的模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：αα，βαβ，ββ。（五）二級結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子中的模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可65二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構(gòu)象，稱為模體(motif)

。模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊66鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)α-螺旋-β轉(zhuǎn)角（或環(huán)）-α-螺旋模體鏈-β轉(zhuǎn)角-鏈模體鏈-β轉(zhuǎn)角-α-螺旋-β轉(zhuǎn)角-鏈模體模體常見的形式鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)α-螺旋-β轉(zhuǎn)角（或環(huán)）67（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈影響二級結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成

-螺旋或β-折疊，它就會出現(xiàn)相應的二級結(jié)構(gòu)。（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈影響二級結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一68三、多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步折疊形成三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和范德華力等。主要的化學鍵:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。定義:（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置三、多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步折疊形成三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子69

肌紅蛋白(Mb)N端C端肌紅蛋白(Mb)N端C端70生物化學與分子生物學(全套課件127P)71（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的獨立功能區(qū)分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個結(jié)構(gòu)較為緊密且穩(wěn)定的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。大多數(shù)結(jié)構(gòu)域含有序列上連續(xù)的100至200個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)常分解出獨立的結(jié)構(gòu)域，而各結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象可以基本不改變，并保持其功能。超二級結(jié)構(gòu)則不具備這種特點。因此，結(jié)構(gòu)域也可看作是球狀蛋白質(zhì)的獨立折疊單位，有較為獨立的三維空間結(jié)構(gòu)。（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的獨立功能區(qū)分子量較大的蛋白質(zhì)常723-磷酸甘油醛脫氫酶亞基的結(jié)構(gòu)示意圖3-磷酸甘油醛脫氫酶亞基的結(jié)構(gòu)示意圖73（三）蛋白質(zhì)的多肽鏈須折疊成正確的空間構(gòu)象分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。（三）蛋白質(zhì)的多肽鏈須折疊成正確的空間構(gòu)象分子伴侶(chap74亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。許多功能性蛋白質(zhì)分子含有2條或2條以上多肽鏈。每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋75由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為76五、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)五、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì)=77蛋白質(zhì)家族（proteinfamily）

:氨基酸序列相似而且空間結(jié)構(gòu)與功能也十分相近的蛋白質(zhì)。屬于同一蛋白質(zhì)家族的成員，稱為同源蛋白質(zhì)（homologousprotein）。

蛋白質(zhì)超家族（superfamily）

:2個或2個以上的蛋白質(zhì)家族之間，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有發(fā)揮相似作用的同一模體結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)家族（proteinfamily）:氨基酸序列相78蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第三節(jié)79（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)二硫鍵（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是高級結(jié)構(gòu)與80

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性天然狀態(tài)，有催化活性尿素、去除尿素、非折疊81（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象以及功能也相似。────────────────────────

氨基酸殘基序號胰島素───────────────

A5A6A10A30────────────────────────

人ThrSerIleThr

豬ThrSerIleAla

狗ThrSerIleAla

兔ThrGlyIleSer

牛AlaGlyValAla

羊AlaSerValAla

馬ThrSerIleAla────────────────────────（二）一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)相82（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細胞色素(cytochromeC)，比較它們的一級結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進化間的關(guān)系。（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息一些廣泛存在于生物界的83（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·····C(146)

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”。（四）重要蛋白質(zhì)的氨基酸序列改變可引起疾病例：鐮刀形紅細胞貧84肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的功能依賴特定空間結(jié)構(gòu)（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)相似肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基血紅素結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的功能85肌紅蛋白(myoglobin，Mb)

肌紅蛋白是一個只有三級結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段α-螺旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結(jié)合，所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分穩(wěn)定結(jié)合。肌紅蛋白(myoglobin，Mb)肌紅蛋白是一個只有三級86血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個亞基組成的四級結(jié)構(gòu)，每個亞基可結(jié)合1個血紅素并攜帶1分子氧。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使4個亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個亞基組87脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵脫氧Hb亞基間和亞基內(nèi)的鹽鍵88Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構(gòu)象變化可影響亞基與氧結(jié)合Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合89肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線90協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(negativecooperativity)協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個91生物化學與分子生物學(全套課件127P)92血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼93別構(gòu)效應(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為別構(gòu)效應。別構(gòu)效應(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)94（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊95蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導致疾病的機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導致疾病的機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，96瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)97第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)98一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解99二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。顆粒表面電荷水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1100+++++++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)的聚沉+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白101三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。蛋白質(zhì)的變性(denaturation)三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性在某些物理和化學因素作用下，102造成變性的因素:如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì):——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。造成變性的因素:變性的本質(zhì):——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變103

應用舉例:臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。此外,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。

應用舉例:104若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復或部分恢復其原有的構(gòu)象和功能，稱為復性(renaturation)。若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復或部分恢105

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性天然狀態(tài)，有催化活性尿素、去除尿素、非折疊106在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。

蛋白質(zhì)沉淀蛋白質(zhì)的凝固作用(proteincoagulation)在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集107四、蛋白質(zhì)在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的A280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。四、蛋白質(zhì)在紫外光譜區(qū)有特征性吸收峰由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛108蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。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)紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。五、應用蛋白質(zhì)呈色反應可測定蛋白質(zhì)溶液含量茚三酮反應(ninhydrinreaction)雙縮脲反應(biuretreaction)蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。蛋白質(zhì)和多肽109第五節(jié)蛋白質(zhì)的分離純化與結(jié)構(gòu)分析TheSeparationandPurificationandStructureAnalysisofProtein第五節(jié)蛋白質(zhì)的分離純化與結(jié)構(gòu)分析TheSeparatio110一、透析及超濾法可去除蛋白質(zhì)溶液中的小分子化合物應用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。透析(dialysis)超濾法利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。一、透析及超濾法可去除蛋白質(zhì)溶液中的小分子化合物應用正壓或離111二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用的蛋白質(zhì)濃縮方法使用丙酮沉淀時，必須在0～4℃低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。鹽析(saltprecipitation)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)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質(zhì)沉淀。二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用的蛋白質(zhì)濃縮方法使用丙酮沉112免疫沉淀法：將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。免疫沉淀法：將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體113三、利用荷電性質(zhì)可電泳分離蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質(zhì)在電場