生物化學-蛋白質

Apolypeptideisasinglelinearpolymerchainofaminoacidsbondedtogetherbypeptidebondsbetweenthecarboxylandaminogroupsofadjacentaminoacidresidues.Thesequenceofaminoacidsinaproteinisdefinedbythesequenceofagene,whichisencodedinthegeneticcode.石河子大學醫(yī)學院生化系Theenzymehexokinaseisshownasaconventionalball-and-stickmolecularmodel.Toscaleinthetopright-handcorneraretwoofitssubstrates,ATPandglucose.石河子大學醫(yī)學院生化系石河子大學醫(yī)學院生化系蛋白質的結構與功能第一章StructureandFunctionofProtein石河子大學醫(yī)學院生化系主要內容：蛋白質簡介蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質主要內容：蛋白質簡介蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質一、什么是蛋白質?蛋白質(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。二、蛋白質的生物學重要性1.蛋白質是生物體重要組成成分2.蛋白質具有重要的生物學功能3.氧化供能主要內容：蛋白質簡介蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質蛋白質的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)石河子大學醫(yī)學院生化系

組成蛋白質的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘

。各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量(g%)=每克樣品含氮克數×6.25×100

蛋白質元素組成的特點一、氨基酸

——組成蛋白質的根本單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸〔甘氨酸除外〕。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R非極性疏水性氨基酸極性中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸〔一〕氨基酸的分類*20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00纈氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucineLeuL

5.98異亮氨酸

isoleucineIleI

6.02苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非極性疏水性氨基酸目錄色氨酸

tryptophanTryW

5.89絲氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTryY

5.66

半胱氨酸

cysteineCysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagineAsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

蘇氨酸

threonineThrT5.602.極性中性氨基酸目錄天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22賴氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76組氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.堿性氨基酸目錄不同氨基酸其側鏈各異(熟記一字符號口訣〕老歪阿金酪YR精天地古衣天D谷E看來本色華美K賴苯色FW姑嫌厚冬嫌淡谷酰Q,冬酰N幾種特殊氨基酸脯氨酸〔亞氨基酸〕

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH〔二〕氨基酸的理化性質1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，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。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反響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系，因此可作為氨基酸定量分析方法。二、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?！惨弧畴?peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵*肽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，三分子氨基酸縮合那么形成三肽……*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)。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構。N末端C末端牛核糖核酸酶〔二〕幾種生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH復原酶NADPH+H+NADP+

體內許多激素屬寡肽或多肽神經肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經肽三、蛋白質的分類*根據蛋白質組成成分單純蛋白質結合蛋白質=蛋白質部分+非蛋白質部分*根據蛋白質形狀纖維狀蛋白質球狀蛋白質Tobeabletoperformtheirbiologicalfunction,proteinsfoldintooneormorespecificspatialconformations,drivenbyanumberofnon-covalentinteractionssuchashydrogenbonding,ionicinteractions,VanDerWaalsforces,andhydrophobicpacking.Tounderstandthefunctionsofproteinsatamolecularlevel,itisoftennecessarytodeterminetheirthree-dimensionalstructure.Thisisthetopicofthescientificfieldofstructuralbiology,whichemploystechniquessuchasX-raycrystallography,NMRspectroscopy,anddualpolarisationinterferometrytodeterminethestructureofproteins.Proteinstructure,fromprimarytoquaternarystructure.

ImageofaCowwithBovinespongiformencephalopathy(BSE).Afeatureofsuchdiseaseistheinabilityoftheinfectedanimaltostand.主要內容：蛋白質簡介蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質

蛋白質的分子結構

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)石河子大學醫(yī)學院生化系蛋白質的分子結構包括

一級結構(primarystructure)二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)高級結構定義蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序。一、蛋白質的一級結構主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的根底。目錄二、蛋白質的二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，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鏈的構象

。定義

主要的化學鍵：

氫鍵

〔一〕肽單元參與肽鍵的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)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。蛋白質二級結構的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

〔二〕-螺旋目錄〔三〕-折疊〔四〕-轉角和無規(guī)卷曲

-轉角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那局部肽鏈結構?！参濉衬ｓw在許多蛋白質分子中，可發(fā)現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，被稱為模體(motif)。鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體鋅指結構〔六〕氨基酸殘基的側鏈對二級結構形成的影響蛋白質二級結構是以一級結構為根底的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成-螺旋或β-折疊，它就會出現相應的二級結構?！搽姾桑臻g〕三、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals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?！惨弧扯x肌紅蛋白(Mb)N端

C端纖連蛋白分子的結構域〔二〕結構域大分子蛋白質的三級結構?？煞指畛梢粋€或數個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結構域(domain)。〔三〕分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。*分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水局部結合隨后松開，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合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。*分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質的四級結構蛋白質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，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基(subunit)。血紅蛋白的四級結構

不同蛋白結構層次的關系主要內容：蛋白質簡介蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質

蛋白質結構與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)石河子大學醫(yī)學院生化系認識蛋白質1777年，法國化學家馬凱〔MacquerP.J.〕將加熱后能凝固的物質稱為“蛋白性物質〞。十九世紀三十年代，荷蘭生理學家米勒〔MüllerG.J.〕分析血清、蛋清、蠶絲等:組成都很相似，在生物體無所不在，最重要，命名為Proteid。瑞典化學家柏齊力烏斯Berzelius〕稱之為protein，此詞來自希臘語，意思是“最重要的〞、“第一位的〞。簡單實驗推出偉大定律

記美國生物化學家安芬森〔ChristianB.Anfinsen〕的發(fā)現安芬森生于1916年3月26日，27歲哈佛醫(yī)學院生物化學博士核糖核酸酶，4個二硫鍵變性與復性：尿素和復原劑-巰基乙醇105種二硫鍵的組合熱動力假設：天然存在的活性蛋白質是自由能最低狀態(tài)的最穩(wěn)定構象?！惨弧骋患壗Y構是空間構象的根底一、蛋白質一級結構與功能的關系牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵天然狀態(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〔二〕一級結構與功能的關系例：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)這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病〞。（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結構二、蛋白質空間結構與功能的關系目錄Hb與Mb一樣能可逆地與O2結合，Hb與O2結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數〔稱百分飽和度〕隨O2濃度變化而改變?！捕逞t蛋白的構象變化與結合氧肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線*協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現象，稱為協(xié)同效應。如果是促進作用那么稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)如果是抑制作用那么稱為負協(xié)同效應(negativecooperativity)O2血紅素與氧結合后，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。變構效應(allostericeffect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為變構效應?！踩车鞍踪|構象改變與疾病蛋白質構象疾?。杭僭O蛋白質的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質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，產生毒性而致病，表現為蛋白質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。ThereiscorticalatrophyinAlzheimer'sDisease,associatedwithlossofgyriandsulciinthetemporallobeandparietallobe,andpartsofthefrontalcortexandcingulategyrus.

Huntington'sdiseaseisinheritedinan

autosomaldominantfashion.Theprobabilityofeachoffspringinheritinganaffectedgeneis50%.Inheritanceisindependentofgender,andthephenotypedoesnotskipgenerations.AreaofthebrainmostdamagedinearlyHuntington'sdisease–striatum(showninpurple)瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病結構決定功能蛋白質結構紛繁復雜生物的多樣性多姿多彩的美麗世界Diverseisbeautiful!(多樣性)

物種不同、個體各異。五彩繽紛，千姿百態(tài)，各得其所，爭芳斗艷。

Denaturationisaprocessinwhichproteinsornucleicacidslosethetertiarystructureandsecondarystructurewhichispresentintheirnativestate,byapplicationofsomeexternalstressorcompoundsuchasastrongacidorbase,aconcentratedinorganicsalt,anorganicsolvent(e.g.,alcoholorchloroform),orheat.Ifproteinsinalivingcellaredenatured,thisresultsindisruptionofcellactivityandpossiblycelldeath.Denaturedproteinscanexhibitawiderangeofcharacteristics,fromlossofsolubilitytocommunalaggregation.

PhotomicrographofasectionthroughthecerebralcortexofapatientwithAlzheimer'sdisease.ThesectionwasimmunostainedwithanantibodytotheproteinAbeta(brown)andcounterstainedwithhematoxylin(blue).10Xmicroscopeobjective.主要內容：蛋白質簡介蛋白質的分子組成蛋白質的分子結構蛋白質結構與功能的關系蛋白質的理化性質

第四節(jié)蛋白質的理化性質與別離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein石河子大學醫(yī)學院生化系〔一〕蛋白質的兩性電離一、理化性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，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。*蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、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稱為蛋白質的等電點?！捕车鞍踪|的膠體性質蛋白質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。*蛋白質膠體穩(wěn)定的因素顆粒外表電荷水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩(wěn)定的蛋白質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的聚沉〔三〕蛋白質的變性、沉淀和凝固*蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。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——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質的一級結構。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,防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑〔如疫苗等〕的必要條件。假設蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或局部恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation)。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*蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發(fā)生沉淀，但并不變性。*蛋白質的凝固作用(proteincoagulation)蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較鞏固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中?！菜摹车鞍踪|的紫外吸收由于蛋白質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。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定?！参濉车鞍踪|的呈色反響⒈茚三酮反響(ninhydrinreaction)蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反響。⒉雙縮脲反響(biuretreaction)蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現紫色或紅色，此反響稱為雙縮脲反響，雙縮脲反響可用來檢測蛋白質水解程度。二、蛋白質的別離和純化〔一〕透析及超濾法*透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法。*超濾法應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，到達濃縮蛋白質溶液的目的?！捕潮恋?、鹽析及免疫沉淀*使用丙酮沉淀時，必須在0～4℃低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質溶液體積。蛋白質被丙酮沉淀后，應立即別離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。*鹽析(saltprecipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等參加蛋白質溶液，使蛋白質外表電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀?！踩畴娪镜鞍踪|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。這種通過蛋白質在電場中泳動而到達別離各種