蛋白质的结构与功能 (2)ppt课件

1、 第二章第二章 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and Function of ProteinStructure and Function of Protein内内 容容 蛋白质的基本组成单位氨基酸及其连接方式蛋白质的基本组成单位氨基酸及其连接方式 蛋白质的一级、二级、三级、四级结构，模体、结构域蛋白质的一级、二级、三级、四级结构，模体、结构域 蛋白质一级结构与空间结构和功能的关系蛋白质一级结构与空间结构和功能的关系 蛋白质的理化性质及其提取、纯化的原理蛋白质的理化性质及其提取、纯化的原理 蛋白质组和蛋白质组学蛋白质组和蛋白质组学第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分

2、子组成蛋白质的元素组成：蛋白质的元素组成：碳碳 50%50%55%55%氧氧 19%19%24%24%氮氮 13%13%19%19%（平均（平均16%16%）氢氢 6%6%7%7%硫硫 0 04%4%个别蛋白质含磷或金属元素个别蛋白质含磷或金属元素定氮法测定样品中的蛋白质含量定氮法测定样品中的蛋白质含量每克样品中的蛋白质含量为：每克样品中的蛋白质含量为： 每克样品中的含氮量每克样品中的含氮量 1616100 = 每克样品中的含氮量每克样品中的含氮量6.25一、一、蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位-L- -L- -氨基酸氨基酸（一）氨基酸（一）氨基酸（amino acidamino ac

3、id）的结构（通式）的结构（通式）L- -氨基酸氨基酸。RHRHCOOHNH2NH2COOHL-构型镜子D-构型CC（二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类1.1.按按R R基团在中性溶液中的极性和解离状态分类：基团在中性溶液中的极性和解离状态分类： 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸 极性疏水性氨基酸极性疏水性氨基酸 酸性氨基酸酸性氨基酸 碱性氨基酸碱性氨基酸 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸H3+NCHCOO-HH3+NCHCOO-CH3H3+NCHCOO-CHCH3CH3H3+NCHCOO-CHCH3CH3CH2H3+NCHCHCH3CH3CH2COO-+NH2CHCOO-CH2CH2

4、CH2甘氨酸甘氨酸（glycine,Gly）丙氨酸丙氨酸（alanine,Ala）缬氨酸缬氨酸（valine,Val）亮氨酸亮氨酸（leucine,Leu）苯丙氨酸苯丙氨酸（phenylalanine,Phe）异亮氨酸异亮氨酸（isoleucine,Ile）H3+NCHCOO-CH2 脯氨酸脯氨酸（proline,Pro） 极性中性氨基酸极性中性氨基酸半胱氨酸半胱氨酸（cysteine,Cys）H3+NCHCOO-CH2NHH3+NCHCH2COO-SHOHH3+NCHCOO-CH2H3+NCHCH2COO-OH丝氨酸丝氨酸（serine,Ser）色氨酸色氨酸（tryptophan,Trp）酪

5、氨酸酪氨酸（tyrosine.Tyr）CHOHH3+NCHCOO-CH3H3+NCHCOO-CH2CH2CH3SOH3+NCHCOO-CH2CH2CNH2H3+NCHCOO-CH2NH2OC蛋氨酸蛋氨酸（methionine,Met）谷氨酰胺谷氨酰胺（glutamine,Gln）苏氨酸苏氨酸（threonine,Thr）天冬酰胺天冬酰胺（asparagine,Asn）酸性氨基酸酸性氨基酸COO-H3+NCHCOO-CH2CH2H3+NCHCOO-CH2COO-天冬氨酸天冬氨酸（aspartic acid,Asp）谷氨酸谷氨酸（glutamic acid,Glu） 酸性氨基酸酸性氨基酸CH2+N

6、H3H3+NCHCOO-CH2CH2CH2+NH3NHCH2H3+NCHCOO-CH2CH2NHC赖氨酸赖氨酸（lysine,Lys）精氨酸精氨酸（arginine,Arg）+NHH3+NCHCOO-CH2HN组氨酸组氨酸（histidine,His）中性氨基酸按中性氨基酸按R R基团的结构不同分为：基团的结构不同分为： 脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸 含硫氨基酸含硫氨基酸 芳香族氨基酸芳香族氨基酸 亚氨基酸亚氨基酸 羟基氨基酸羟基氨基酸 酰胺类氨基酸酰胺类氨基酸脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸(5(5种种) )H3+NCHCOO-HH3+NCHCOO-CH3H3+NCHCOO-CHCH3CH3H3+NCH

7、COO-CHCH3CH3CH2H3+NCHCHCH3CH3CH2COO-甘氨酸甘氨酸（glycine,Gly）丙氨酸丙氨酸（alanine,Ala）缬氨酸缬氨酸（valine,Val）亮氨酸亮氨酸（leucine,Leu）异亮氨酸异亮氨酸（isoleucine,Ile）支支链链氨氨基基酸酸芳香族氨基酸（芳香族氨基酸（3 3种）种）苯丙氨酸苯丙氨酸（phenylalanine,Phe）H3+NCHCOO-CH2H3+NCHCOO-CH2NHOHH3+NCHCOO-CH2色氨酸色氨酸（tryptophan,Trp）酪氨酸酪氨酸（tyrosine.Tyr）羟基氨基酸（羟基氨基酸（ 2 2种）种）H3

8、+NCHCH2COO-OH丝氨酸丝氨酸（serine,Ser）CHOHH3+NCHCOO-CH3苏氨酸苏氨酸（threonine,Thr）含硫氨基酸（含硫氨基酸（ 2 2种）种）半胱氨酸半胱氨酸（cysteine,Cys）H3+NCHCH2COO-SHH3+NCHCOO-CH2CH2CH3S蛋氨酸蛋氨酸（methionine,Met）亚氨基酸（亚氨基酸（1 1种）种）+NH2CHCOO-CH2CH2CH2 脯氨酸脯氨酸（proline,Pro）酰胺类氨基酸（酰胺类氨基酸（2 2种）种）OH3+NCHCOO-CH2CH2CNH2H3+NCHCOO-CH2NH2OC谷氨酰胺谷氨酰胺（glutami

9、ne,Gln）天冬酰胺天冬酰胺（asparagine,Asn）CCH2COOH3NHSCCH2COOH3NHS+胱氨酸结构式胱氨酸结构式在某些蛋白质分子中，有时两个半胱氨酸的在某些蛋白质分子中，有时两个半胱氨酸的-SH基脱氢生成二硫键，基脱氢生成二硫键，于是这两个半胱氨酸便结合成胱氨酸于是这两个半胱氨酸便结合成胱氨酸（三）氨基酸的理化性质（三）氨基酸的理化性质氨基酸的两性解离与等电点氨基酸的两性解离与等电点1.氨基酸的两性解离氨基酸的两性解离+H+H3+NCHRCOO-H2NCHRCOOHH3+NCHRCOOHH2NCHRCOO-+OH-+H+OH-pH pI等电点（等电点（isoelectr

10、ic point,pIisoelectric point,pI） 氨基酸在某一溶液中，所带的正负电荷相氨基酸在某一溶液中，所带的正负电荷相等时的等时的pHpH值，即为这种氨基酸的等电点值，即为这种氨基酸的等电点紫外吸收性质紫外吸收性质波长（波长（nm）吸光度（吸光度（Absorption）230 240 250 260 270 280 290 300 310色氨酸色氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)(ninhydrin reaction)OOOHOHR CHCOOHNH2OOHOH+ RCHO + NH3 + CO2茚三酮 氨基酸 茚三

11、酮(还原型) 醛OOHOH+ NH3OOOON茚三酮 蓝色或紫色化合物2二、二、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式氨基酸在蛋白质分子中的连接方式 肽键肽键（peptide bondpeptide bond），），即酰胺键即酰胺键（一）肽键及肽（一）肽键及肽H2NCHCO OHR1H2NCHCO OHR2H2NCHCOOHR3 HH2O肽键肽键氨基酸残基氨基酸残基二肽二肽 HH2O肽键肽键（二）肽的书写及其命名（二）肽的书写及其命名 书写原则书写原则H2NCHCO OHR1H2NCHCO OHR2H2NCHCOOHR3 H肽键肽键 H肽键肽键侧侧 链链主主 链链N N端端用用NH2NH2或或HH表示

12、表示C C端端用用COOHCOOH或或OHOH表示表示命名原则命名原则甘氨酰丙氨酰半胱氨酸甘氨酰丙氨酰半胱氨酸CH2H2NCHCOOHSHH2NCHCO OHHCH3H2NCHCO OH H H肽的分类肽的分类寡肽（寡肽（oligopeptideoligopeptide）: :氨基酸残基数小于氨基酸残基数小于1010多肽（多肽（polypeptidepolypeptide）: :氨基酸残基数小于氨基酸残基数小于5050蛋白质（蛋白质（proteinprotein）: :氨基酸残基数大于氨基酸残基数大于5050三、生物活性肽（三、生物活性肽（biological active biologica

13、l active peptide) peptide)）-谷胱甘肽（谷胱甘肽（ -glutathione,GSH-glutathione,GSH）-OOCCHCH2CH2C CHC CH2COO-NHNHCH2SH+NH3OO -谷氨酰谷氨酰半胱半胱氨酰氨酰甘氨酸甘氨酸-谷胱甘肽具有抗氧化功能谷胱甘肽具有抗氧化功能H2O22GSH（还原型）（还原型）2H2OGSSG（氧化型）（氧化型）NADP+NADPH+H+GSH过氧化物酶过氧化物酶GSH还原酶还原酶一些生物活性肽的结构与功能一些生物活性肽的结构与功能下丘脑分泌，促腺垂体分泌促甲状腺素焦谷组脯-NH2促甲状腺素释放因子胰岛-细胞分泌的激素，调

14、节糖代谢H 组丝谷胺甘苏苯丙苏丝天酪丝赖酪亮天丝精精丙谷胺天苯丙缬谷胺色亮蛋天胺苏OH胰高血糖素（牛）神经递质H 精脯赖脯谷胺苯丙甘亮蛋OHP物质血管疏张肽H 精脯脯甘苯丙丝脯苯丙精OH血浆缓激肽（牛）垂体后叶分泌，促进肾保留水H 半酪苯丙谷胺天胺半脯精甘NH2抗利尿激素（加压素）升高血压，刺激肾上腺皮质分泌醛固酮H 天精缬酪异组脯苯丙OH血管紧张素-II（牛）脑内存在的抑制疼痛的阿片样肽H 酪甘甘苯丙蛋 OH蛋氨酸脑啡肽 生理活性 分 子 结 构 生物活性肽 SS第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构从不同的层面上可将蛋白质的从不同的层面上可将蛋白质的 分子结构分为：分子结构分为：一

15、级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构（一）蛋白质一级结构的概念（一）蛋白质一级结构的概念蛋白质的一级结构（蛋白质的一级结构（primary structureprimary structure）是指）是指蛋白质分子中多肽链的氨基酸排列顺序。一级蛋白质分子中多肽链的氨基酸排列顺序。一级结构的化学键是肽键。一级结构是蛋白质的基结构的化学键是肽键。一级结构是蛋白质的基本结构，它是蛋白质空间结构和特异功能的基本结构，它是蛋白质空间结构和特异功能的基础。础。H2NCHCO OHR1H2NCHCO OHR2H2NCHCOOHR3 H肽键肽键

16、 H肽键肽键Insulin 1953 Frederick Sanger 1965 Scientist in our country- Success, Pity! 人胰岛素的一级结构人胰岛素的一级结构胰岛素由胰岛素由A、B两条多肽链组成，两条多肽链组成，A链含链含21个氨基酸残基，个氨基酸残基，B链含链含30个个氨基酸残基。氨基酸残基。A链内有一个链内二硫键，链内有一个链内二硫键，A与与B之间有两个链间二硫键。之间有两个链间二硫键。由于两条链之间由共价键相连接，所以由于两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。胰岛素没有四级结构。SerGlyIleValGluGlnCysCysThrI

17、leCysSerLeuTyrGlnLeuGluAsnTyrCysAsnPheValAsnGlnHisLeuCysGlySerHisLeuValGluAlaLeuTyrLeuValCysGlyGlyGluArgPhePheTyrThrProLysThrNH215101520COOHA链链NH2151015202530HOOCB链链蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构构象构象 蛋白质的多肽链经过其分子内部众多基团蛋白质的多肽链经过其分子内部众多基团的折叠盘曲，形成特定的三维空间结构，的折叠盘曲，形成特定的三维空间结构，即称为构象。空间结构决定着蛋白质的理即称为构象。空间结构决定着蛋白质的理化性质及功能

18、。化性质及功能。蛋白质的空间结构包括二级结构、三级结构蛋白质的空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构和四级结构（一）蛋白质的二级结构（一）蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(secondary structure)(secondary structure)是是指蛋白质分子中指蛋白质分子中多肽链主链原子中的局部空间多肽链主链原子中的局部空间分布状态，即多肽链主链原子的空间构象分布状态，即多肽链主链原子的空间构象, ,不不涉及侧链原子的空间排布。涉及侧链原子的空间排布。H2NCHCO OHR1H2NCHCO OHR2H2NCHCOOHR3 H肽键肽键 H肽键肽键 肽单元（肽单元（

19、peptide unitpeptide unit）：）：CNCN单键的键长为单键的键长为0.147nm0.147nm，C=NC=N双键的键长为双键的键长为0.128nm0.128nm，肽键，肽键CNCN的键长为的键长为0.132nm0.132nm，介于单键，介于单键与与双键之间，偏向于双键，不能扭转。双键之间，偏向于双键，不能扭转。肽键的两个原子与其相连的三个原子间的键角之肽键的两个原子与其相连的三个原子间的键角之和为和为360360，所以，肽键周围的，所以，肽键周围的6 6个原子在一个平个原子在一个平面上，此平面称为肽单元。面上，此平面称为肽单元。或称肽键平面或称肽键平面肽单元构成蛋白质主链

20、空间构象的基本单位是肽肽单元构成蛋白质主链空间构象的基本单位是肽单元单元CCCCCOOHHHHHRRRN N键长0.132nm360360键长0.123nm键长0.153（二）蛋白质二级结构（二）蛋白质二级结构主要构象形式主要构象形式: : - -螺旋、螺旋、 - -折叠（折叠（ - -片层）片层） - -转角转角 无规卷曲无规卷曲 - -螺旋（螺旋（ -helix -helix）0.54 nm0.15 nmRRRRRRRRROOOOOOONNNNNNNCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCNNNNNNNNNNN侧链基团碳原子氮原子氧原子氢原子 - -螺

21、旋的的主要特点螺旋的的主要特点 - -螺旋结构是以肽平面单螺旋结构是以肽平面单位形成的右手螺旋结构，位形成的右手螺旋结构，每每3.63.6个氨基酸螺旋上升一个氨基酸螺旋上升一周，螺距为周，螺距为0.54nm0.54nm。每个肽平面的每个肽平面的N-HN-H与第与第4 4个个肽平面的肽平面的C-OC-O形成氢键。氢形成氢键。氢键氢键之间共包含键氢键之间共包含1313个原个原子。与螺旋长轴相平行。子。与螺旋长轴相平行。 - -螺旋的所有肽键均参与螺旋的所有肽键均参与氢键的形成。氢键的形成。R R基团伸向螺基团伸向螺旋的外侧。旋的外侧。1)1) 维持维持 - -螺旋结构稳定的因螺旋结构稳定的因素是氢

22、键素是氢键。 - -折叠（折叠（ -pleated sheet -pleated sheet） - -折叠折叠主要特点主要特点1.1. - -折叠结构呈折纸样，多肽折叠结构呈折纸样，多肽链充分伸展，肽平面之间折叠链充分伸展，肽平面之间折叠成锯齿样结构。成锯齿样结构。2.2. - -折叠结构的肽端常常折叠结构的肽端常常2 2个以上的个以上的 - -折叠平行排列，肽折叠平行排列，肽段之间形成氢键。即一个肽链段之间形成氢键。即一个肽链的肽键羰基氧与另一肽链的肽的肽键羰基氧与另一肽链的肽键氨基氢形成氢键。所有的肽键氨基氢形成氢键。所有的肽键均参加氢键的形成。键均参加氢键的形成。3.R3.R基团交替地伸

23、向此锯齿状基团交替地伸向此锯齿状结构的上、下方。根据肽段的结构的上、下方。根据肽段的走向，走向， 几条几条 - -折叠肽段有顺折叠肽段有顺向平行与反向平行之分。向平行与反向平行之分。4.4.维持维持 - -折叠结构稳定的因素折叠结构稳定的因素是氢键。是氢键。 顺向平行 反向平行 N末端 N末端 N末端 C末端0.7nm -折叠结构（A：顺向平行，B：反向平行) - -转角（转角（ -turn -turn）是多肽链中的肽段出是多肽链中的肽段出现现1801800 0回折时的结构。回折时的结构。 - -转角常出现在肽链转角常出现在肽链呈呈180180回折处，多由回折处，多由4 4个氨基酸残基组成，个

24、氨基酸残基组成，第第1 1个氨基酸的羰基氧个氨基酸的羰基氧与第与第4 4个氨基酸残基的个氨基酸残基的氨基氢形成氢键。氨基氢形成氢键。 - -转角的第转角的第2 2个氨基酸多个氨基酸多为脯氨酸。为脯氨酸。RROOCCCCCHNNOCCHNH无规无规卷曲卷曲指某些肽指某些肽段似乎无段似乎无确定规律确定规律的折叠方的折叠方式。式。-螺旋-折叠-转角无规卷曲无规卷曲 限制性内切核酸酶限制性内切核酸酶BamHIBamHI的三级结构的三级结构（示二级结构的几种类型）（示二级结构的几种类型）几种蛋白质中二级结构的特征几种蛋白质中二级结构的特征蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 分子量分子量 -螺旋螺旋 -折叠折叠

25、-转角转角名称名称 残基数残基数 数目数目 残基残基% 数目数目 残基残基% 数目数目胰岛素胰岛素 51 5733 3 52 1 6 0细胞色素细胞色素C 104 13000 5 39 0 0 6核糖核酸酶核糖核酸酶A 124 13700 3 26 6 35 2溶菌酶溶菌酶 129 14300 6 40 6 12 6肌红蛋白肌红蛋白 153 16890 8 79 0 0 6胰凝乳蛋白胰凝乳蛋白 241 21630 3 14 12 45 17碳酸酐酶碳酸酐酶 258 28000 7 20 13 37 4羧基肽酶羧基肽酶A 307 34600 9 38 8 17 13 模体（模体（motifmot

26、if）模体：亦称超二级结构。在许多蛋白质的分子中，模体：亦称超二级结构。在许多蛋白质的分子中，常发现几个（多为常发现几个（多为2 2 3 3个）具有二级结构的肽段相互个）具有二级结构的肽段相互靠近，形成具有特定功能的空间构象；或者仅是一靠近，形成具有特定功能的空间构象；或者仅是一个具有特定功能的很短的肽段。个具有特定功能的很短的肽段。 模体的形式有：模体的形式有：-螺旋螺旋- - -转角转角- - -螺旋螺旋 锌指结构锌指结构 亮氨酸拉练亮氨酸拉练 三环域三环域 -折叠折叠- - -螺旋螺旋- - -折叠折叠螺旋螺旋转角NChelix-turn-helix(HTH) zinc finger m

27、otifZn组氨酸残基半胱氨酸残基-折叠-折叠-螺旋ZnYKCGERSFVEKSALSRHQRVHKNCLZn 碱性亮氨酸拉链模体碱性亮氨酸拉链模体 （basic leucine zipper,bZIPbasic leucine zipper,bZIP）三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构（蛋白质的三级结构（tertiary structuretertiary structure）是蛋白质分子中二）是蛋白质分子中二级结构元件之间的空间相互关系，即多肽链中所有原子（级结构元件之间的空间相互关系，即多肽链中所有原子（包括包括主链和侧链主链和侧链）在三维空间的排布位置与它们的相互

28、关系。）在三维空间的排布位置与它们的相互关系。稳定三级结构的主要化学键是非共价键（次级键），有些蛋白稳定三级结构的主要化学键是非共价键（次级键），有些蛋白质质具有的二硫键也是维系其三级结构稳定性的重要因素具有的二硫键也是维系其三级结构稳定性的重要因素。 次级键：氢键、离子键（盐键）、疏水作用、次级键：氢键、离子键（盐键）、疏水作用、 Van der WaalsVan der Waals力（原子间的相互引力）力（原子间的相互引力）-螺旋-折叠-转角无规卷曲无规卷曲 限制性内切核酸酶BamHI的三级结构（示二级结构的几种类型）蛋白质结构域蛋白质结构域具有二级结构的多肽链，特别是长的多肽链具有二级结

29、构的多肽链，特别是长的多肽链在进一步折叠与盘曲形成三级结构时，可能在进一步折叠与盘曲形成三级结构时，可能组合成数个相互连续而又相对独立的疏密不组合成数个相互连续而又相对独立的疏密不等的区域，以执行某种特定的功能，这些区等的区域，以执行某种特定的功能，这些区域称为结构域（域称为结构域（domaindomain）。）。肌红蛋白肌红蛋白结构域结构域纤连蛋白结构纤连蛋白结构由两个相似的亚基组成二聚体，由两个相似的亚基组成二聚体，以羧基末端的两个二硫键连成以羧基末端的两个二硫键连成“V”V”形结构，有形结构，有7 7个球状的结构个球状的结构域。域。肝素肝素A纤维蛋白纤维蛋白ADNA细胞细胞A肝素肝素B胶

30、原蛋白胶原蛋白细胞细胞B纤维蛋白纤维蛋白BGRD细胞癌基因细胞癌基因srcsrc的表达产物的表达产物SrcSrc结构展开图结构展开图此蛋白是典型的非受体型酪氨酸蛋白激酶，含三个结构域：SH2、SH3和蛋白激酶。其C端含一个可被磷酸化的酪氨酸残基。SH2和SH3可分别识别蛋白质的相关结构，并与之相结合。蛋白激酶结构域具有蛋白激酶活性（见第十九章细胞信号转导）。NCSH3SH2蛋白激酶可被磷酸化酪氨酸残基四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构含有两条以上具有独立三级结构的多肽链的蛋白质，含有两条以上具有独立三级结构的多肽链的蛋白质，其多肽链通过非共价键相互连接形成的多聚体结构。每其多肽链通过非共

31、价键相互连接形成的多聚体结构。每个具有独立三级结构的多肽链程为亚基。蛋白质四级结个具有独立三级结构的多肽链程为亚基。蛋白质四级结构是蛋白质分子中各亚基之间的空间排布。构是蛋白质分子中各亚基之间的空间排布。 稳定蛋白质四级结构的化学键是氢键、离子键、稳定蛋白质四级结构的化学键是氢键、离子键、疏水作用和疏水作用和Van der WaalsVan der Waals力等次级键。力等次级键。1221NCNC血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构成人血红蛋白由成人血红蛋白由2条条 链和链和2条条 链组成链组成,各亚基分别含一个血红素各亚基分别含一个血红素.五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类（一）根据蛋白质的

32、组成可分成：（一）根据蛋白质的组成可分成：单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质（二）根据蛋白质的形状分为：（二）根据蛋白质的形状分为：纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质（三）根据功能分为：（三）根据功能分为：酶、运输蛋白质、贮存蛋白质、结构蛋白质、酶、运输蛋白质、贮存蛋白质、结构蛋白质、保护性蛋白质等保护性蛋白质等第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系 蛋白质的空间结构与功能的关系蛋白质的空间结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系（一）（一）一级结构是空间构象的基础一级结

33、构是空间构象的基础SerGlyIleValGluGlnCysCysThrIleCysSerLeuTyrGlnLeuGluAsnTyrCysAsnPheValAsnGlnHisLeuCysGlySerHisLeuValGluAlaLeuTyrLeuValCysGlyGlyGluArgPhePheTyrThrProLysThrNH215101520COOHA链链NH2151015202530HOOCB链链8mol/L8mol/L尿素尿素-巯基乙醇巯基乙醇去除变性剂去除变性剂和还原剂和还原剂核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复性（二）一级结构与功能的关系（二）一级结构与功能的关系 多肽和蛋白质

34、的一级结构相似，其空多肽和蛋白质的一级结构相似，其空间构象和功能也相似。间构象和功能也相似。 磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶结构域1空间构象的相似性 磷酸丙糖异构酶催化3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮的互变，丙 酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转移磷酸基生成ATP和烯醇式 丙酮酸，但其空间结构具有相似性，其空间结构的中心均是由 8个-折叠组成的-折叠桶，每个-折叠又被-螺旋所分隔磷酸丙糖异构酶磷酸丙糖异构酶丙酮酸激酶结构域1Insulin 切除切除A A链的第一个氨基酸残基，胰岛素活性只链的第一个氨基酸残基，胰岛素活性只剩下剩下2%2%10%10%；切除前个氨基酸残基，则活；切除前个氨基酸残基，则活性丧失

35、。切除链的性丧失。切除链的28283030氨基酸残基，活性氨基酸残基，活性不受影响。不受影响。哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异 部分部分动物种类动物种类 胰岛素氨基酸残基序号胰岛素氨基酸残基序号 A5 A6 A10 B30 人人 Thr Ser Ile ThrThr Ser Ile Thr 猪猪 Thr Ser Ile AlaThr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile AlaThr Ser Ile Ala 兔兔 Thr Gly Ile SerThr Gly Ile Ser 牛牛 Ala Gly Val AlaAla Gly Val Ala 羊羊

36、 Ala Ser Val AlaAla Ser Val Ala 马马 Thr Ser Ile AlaThr Ser Ile Ala 0 1 0 12 11 011 10 1 010 9 3 2 0 11 10 6 5 3 010 9 5 4 2 3 0 9 8 6 5 4 5 2 0 10 11 7 8 6 7 6 6 0 13 12 11 10 9 10 9 8 12 013 12 12 11 10 10 9 8 10 2 011 10 10 9 8 8 7 6 10 3 3 0 14 15 22 21 20 21 19 18 21 19 20 17 0 15 14 11 10 9 9 8

37、9 11 8 8 7 22 018 17 14 13 11 12 11 11 13 11 12 11 24 10 021 21 19 18 17 18 17 17 18 17 18 17 26 18 15 027 26 22 22 22 21 22 21 24 23 24 22 29 24 22 24 031 30 29 28 27 25 27 26 28 28 27 27 31 28 29 32 14 0人,猩猩猕猴马驴猪、牛、羊狗小灰鲸兔袋鼠鸡、火鸡企鹅北京鸭响尾蛇啮龟牛蛙金枪鱼螺旋蝇蚕蛾 蚕蛾螺旋蝇金枪鱼牛蛙啮龟响尾蛇北京鸭企鹅鸡，火鸡袋鼠兔 小灰鲸狗猪牛羊驴马猕猴人，猩猩人与一些动物细

38、胞色素人与一些动物细胞色素C C一级结构氨基酸差异的数量比较一级结构氨基酸差异的数量比较 动物体细胞色素C一级结构的进化树图中的数字表示该类动物与其祖先相比细胞色素C一级结构氨基酸残基的差异数真菌植物蝗虫苍蝇蜜蜂蛾,天蛾海星七鳃鳗角鲨昆虫类软骨鱼类响尾蛇龟企鹅鸡、火鸡鸵鸟鸸鹋鸟类和与爬行类鸽鸭蚯蚓牛蛙金枪鱼鲤鱼两 类硬骨鱼类河马狗、海豹、蝙蝠马、猪、羊、牛小鼠兔人类、猩猩猴袋鼠哺乳类513718169168239228973164618161111112161354231112229二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系（一）肌红蛋白血红蛋白结构（一）肌红蛋白血红蛋白结构

39、（一）肌红蛋白的空间结构与功能的关系（一）肌红蛋白的空间结构与功能的关系 肌红蛋白（肌红蛋白（myoglobin, Mbmyoglobin, Mb）是由）是由153153个氨基个氨基酸残基组成的单一多肽链的蛋白质，含酸残基组成的单一多肽链的蛋白质，含8 8个个 螺旋（螺旋（A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H），其辅基），其辅基为血红素。为血红素。血红素的结构血红素的结构 肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构含有8个-螺旋，分别取名为A、B、C、D、E、F、G、H。血红素位于E和F之间，F8组93(绿色)与Fe形成第5个配位键。ABCDEFGH9364（二）血红蛋白空

40、间结构与功能的关系（二）血红蛋白空间结构与功能的关系 成人血红蛋白由成人血红蛋白由2 2个个 亚基与亚基与2 2个个 亚基组成的四聚亚基组成的四聚体（体（ 2 2 2 2 ），每个亚基含），每个亚基含1 1个血红素分子。血个血红素分子。血红蛋白每红蛋白每1 1个亚基可结合个亚基可结合1 1个氧分子。个氧分子。 氧分子与血红蛋白的结合具有正协同效应。氧分子与血红蛋白的结合具有正协同效应。1221NCNC血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构成人血红蛋白由成人血红蛋白由2条条 链和链和2条条 链组成链组成,各亚基分别含一个血红素各亚基分别含一个血红素.血红素与血红素与O O2 2结合结合His8F

41、F肽段肽段FeHis8F F肽段肽段FeO OO O卟啉平面卟啉平面卟啉平面卟啉平面+O2NNNNOHOHOONNFe2+O2NNF8 HisE7 HisIIIIIIIV血红素与氧结合模示图 血红素是4个吡咯环通过4个甲炔桥相连形成的平板状铁卟啉化合物，2价铁离子居于卟啉环的中央。铁离子有6个配位键，其中4个配位键与4个吡咯环的N原子相连接，1个与F8（-螺旋F中第8个残基）组氨酸（93）相结合，氧分子则与第6个配位键相结合，并与E7组氨酸（64）相接近。血红素未结合氧时，Fe偏离卟啉平面约0.06nm，偏向-螺旋F8组氨酸侧，当结合氧后，Fe被拉入卟啉环中，这样带动F8发生位移，进而引发一系

42、列构象改变。 NNF8 HisNNF8 HisO2O2卟啉平面 血红蛋白血红蛋白T T态与态与R R态态血红蛋白血红蛋白4 4个亚基的排布是个亚基的排布是 1 1/ / 1 1和和 2 2 2 2呈双重对称排布。呈双重对称排布。紧张态（紧张态（T T态）态）HbHb对氧的亲和力低。当血红蛋白结合氧时，对氧的亲和力低。当血红蛋白结合氧时，由于铁离子的位移带动由于铁离子的位移带动 - -螺旋螺旋F F做相应的移动，做相应的移动，进而引发亚基间的盐键断裂，使亚基间的结合松弛，进而引发亚基间的盐键断裂，使亚基间的结合松弛， 1 1/ / 1 1和和 2 2 2 2之间移位之间移位1515 ；松弛态（；

43、松弛态（R R态）的态）的HbHb亚基对氧的亚基对氧的亲和力高，容易与氧结合。亲和力高，容易与氧结合。 1511222112+ O2 O2T态R态 脱氧血红蛋白各亚基内和各亚基间的盐键NH3+NH3+NH3+NH3+COOCOOCOOCOOCOOCOO天冬94组146赖40精141天冬126精天冬141126赖40组146天冬942112 血红蛋白四个亚基之间和亚基内共有8个盐键。在血红蛋白结合氧时，由于亚基的变构和亚基间的协同效应，亚基间的盐键一一断开，使血红蛋白由T态构象转变为R态构象。血红蛋白肌红蛋白结合氧释放氧 肌红蛋白与血红蛋白的带氧曲线肌红蛋白的氧饱和曲线为距形双曲线,血氧饱和度为

44、20%时仍能带氧,肌肉缺氧时(氧饱和度为5%)大量释放氧,以供肌肉收缩需要;血红蛋白的氧饱和曲线为S形曲线,表明血红蛋白四个亚基对氧的结合具有正协同效应。（三）蛋白质构象与疾病（三）蛋白质构象与疾病蛋白构象疾病：即使蛋白质的一级结构没有蛋白构象疾病：即使蛋白质的一级结构没有发生改变，但若蛋白质的折叠发生错误，发生改变，但若蛋白质的折叠发生错误，使其空间构象发生改变，仍可影响蛋白质使其空间构象发生改变，仍可影响蛋白质的功能，严重时可导致疾病，称为蛋白构的功能，严重时可导致疾病，称为蛋白构象疾病。象疾病。 如人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、如人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨庭顿舞蹈病、疯牛病等。

45、亨庭顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病：疯牛病： 疯牛病是由疯牛病是由朊病毒蛋白（朊病毒蛋白（prion protein, PrPprion protein, PrP）引起）引起的一种神经退行性病变。具有传染性，通过的一种神经退行性病变。具有传染性，通过PrPPrP组成的传组成的传染性颗粒传播。可遗传或散发。染性颗粒传播。可遗传或散发。 朊病毒蛋白是正常存在于人体神经原、神经胶质细胞朊病毒蛋白是正常存在于人体神经原、神经胶质细胞等多种细胞的细胞膜上的糖蛋白。等多种细胞的细胞膜上的糖蛋白。 朊病毒（朊病毒（prion,PrPprion,PrPscsc）是正常朊病毒蛋白（）是正常朊病毒蛋白（PrPPrPc

46、 c）的）的空间构象由空间构象由 螺旋变成螺旋变成 折叠所致。折叠所致。 朊病毒本身不能自我复制，但可以攻击大脑的正常朊朊病毒本身不能自我复制，但可以攻击大脑的正常朊病毒蛋白，使之构象改变并与其结合，形成朊病毒二聚体病毒蛋白，使之构象改变并与其结合，形成朊病毒二聚体此二聚体现再攻击正常朊病毒蛋白，形成朊病毒四聚体。此二聚体现再攻击正常朊病毒蛋白，形成朊病毒四聚体。而复始，脑组织中朊病毒不断积蓄，造成脑组织发生退行而复始，脑组织中朊病毒不断积蓄，造成脑组织发生退行病变。病变。 正常朊病毒蛋白与朊病毒空间结构的差异 朊病毒（PrPsc）是蛋白质，不含核酸。它是正常朊病毒蛋白（PrPc）的空间构象由

47、-螺旋变成-片层结构所致。因此，这类疾病又称蛋白质构象病。朊病毒本身不能复制，但它却可以攻击大脑的正常朊病毒蛋白，使其发生构象改变，并与其结合，成为致病的朊病毒二聚体。此二聚体再攻击正常的朊病毒蛋白。这样，脑组织中的朊病毒不断积蓄，造成脑组织发生退行性变。 正常朊病毒蛋白结构 （显示-螺旋） 朊病毒结构（显示-片层结构）第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 及其分离纯化及其分离纯化一、蛋白质的理化性质一、蛋白质的理化性质（一）蛋白质的两性电离及（一）蛋白质的两性电离及等电点（等电点（pIpI)P PNHNH3 3+ +COOHCOOHP PNHNH3 3+ +COOCOO- -P P

48、NHNH2 2 COOCOO- -+OH+OH- -+OH+OH- -+H+H+ +H+H+ +pHpHpIpHpI( (二二) )蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质蛋白质分子的直径为蛋白质分子的直径为1 1100nm100nm，属于胶体。，属于胶体。蛋白质分子能与水结合（每克蛋白可结合水蛋白质分子能与水结合（每克蛋白可结合水0.3g0.3g0.5g0.5g），形成分子表面的水化膜。），形成分子表面的水化膜。蛋白质分子表面带有电荷。蛋白质分子表面带有电荷。蛋白质分子表面的水化膜和电荷是维持蛋白质分子表面的水化膜和电荷是维持蛋白质在溶液中稳定的两个重要因素。蛋白质在溶液中稳定的两个重要因素。（三）

49、蛋白质的变性与复性、沉淀和凝固（三）蛋白质的变性与复性、沉淀和凝固蛋白质的变性：在某些理化因素的作用下，蛋白质的变性：在某些理化因素的作用下，导致蛋白质的空间构象被破坏，使其理化导致蛋白质的空间构象被破坏，使其理化性质发生改性质发生改变，生物学活性丧失，称为蛋白质的变性。变，生物学活性丧失，称为蛋白质的变性。蛋白质变性时，其氨基酸排列顺序没有蛋白质变性时，其氨基酸排列顺序没有改变，即其一级结构并未受到破坏改变，即其一级结构并未受到破坏蛋白质的复性：若蛋白质变性程度较轻，蛋白质的复性：若蛋白质变性程度较轻，当去除变性因素后，其空间构象恢复或部当去除变性因素后，其空间构象恢复或部分恢复，随之功能恢

50、复或部分恢复，这种分恢复，随之功能恢复或部分恢复，这种过程称为蛋白质的复性。过程称为蛋白质的复性。SerGlyIleValGluGlnCysCysThrIleCysSerLeuTyr GlnLeuGluAsnTyrCysAsnPheValAsnGlnHisLeuCysGlySerHisLeuVal GluAlaLeuTyrLeuValCysGlyGlyGluArg PhePheTyrThrProLysThrNH215101520COOHA链链NH2151015202530HOOCB链链8mol/L8mol/L尿素尿素-巯基乙醇巯基乙醇去除变性剂去除变性剂和还原剂和还原剂核糖核酸酶的变性与复性核

51、糖核酸酶的变性与复性蛋白质的沉淀：在某些化学因素的作用下，蛋白质的沉淀：在某些化学因素的作用下，使蛋白质从溶液中析出的现象，称为蛋白使蛋白质从溶液中析出的现象，称为蛋白质的沉淀。质的沉淀。 沉淀的根本原因是破坏了蛋白质的水沉淀的根本原因是破坏了蛋白质的水化膜及中和了蛋白质所带的电荷。蛋白质化膜及中和了蛋白质所带的电荷。蛋白质在其等电点时最易沉淀。在其等电点时最易沉淀。 沉淀的蛋白质不一定变性，变性的蛋沉淀的蛋白质不一定变性，变性的蛋白质也不一定沉淀。白质也不一定沉淀。蛋白质的凝固：如对沉淀的蛋白质进一步蛋白质的凝固：如对沉淀的蛋白质进一步加热，可使其形成较坚实的凝快，此称为加热，可使其形成较坚

52、实的凝快，此称为蛋白质的凝固。蛋白质的凝固。（四）蛋白质的紫外吸收（四）蛋白质的紫外吸收蛋白质吸收紫外线，其最大吸收峰在蛋白质吸收紫外线，其最大吸收峰在280nm280nm。这是含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸所引起。这是含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸所引起。200200210210220220280280波长（波长（nmnm）吸光度吸光度肽键吸收肽键吸收（五）蛋白质的呈色反应（五）蛋白质的呈色反应双缩脲反应：蛋白质于双缩脲反应：蛋白质于CuSO4共热，产生紫共热，产生紫色或红色。色或红色。脲脲H H2 2NCNHNCNH2 2O O双缩脲双缩脲H H2 2NCNHCNHNCNHCNH2 2O OO

53、 ONH2NH2C CNHNHC CNH2NH2O OO ONH2NH2C CNHNHC CNH2NH2O OO OH H2 2NCNHCNHNCNHCNH2 2O OO OH H2 2NCNHCNHNCNHCNH2 2O OO OCuCu2+2+双缩脲反应双缩脲反应CCCONHRCONHRCCOHNCHNCRORCuCu2+2+肽段肽段二、蛋白质的分离于纯化二、蛋白质的分离于纯化（一）透析及超滤法（一）透析及超滤法1. 透析：利用只允许分子量小于透析：利用只允许分子量小于10000以下以下的化合物通过的透析袋，把大分子蛋白与的化合物通过的透析袋，把大分子蛋白与小分子化合物分开的方法。小分子化

54、合物分开的方法。透析(dialysis):磁力搅拌器透析前透析后透析袋通过透析，小分子通透透析袋，散布于透析液中，大分子量的蛋白质不能通透透析袋，留在透析袋内。从而，蛋白质溶液中的小分子物质通过透析被分离除去。超滤：利用具有一定大小孔径的微孔滤膜，超滤：利用具有一定大小孔径的微孔滤膜，通过施加正压使溶液中的分子量的物质保通过施加正压使溶液中的分子量的物质保留在膜的上面，而能通过滤膜的物质被滤留在膜的上面，而能通过滤膜的物质被滤出。出。超滤（ultrafiltration）: 在一定的压力下，使蛋白质溶液在通过一定孔径的超滤膜时，小分子量物质滤过，而大分子量的蛋白质被截留，从而达到分离纯化的目的

55、。这种方法既可以纯化蛋白质，又可达到浓缩蛋白质溶液的目的。 磁力搅拌器待超滤的蛋白质溶液加压的氮气超滤膜（二）有机溶剂、盐析及免疫沉淀（二）有机溶剂、盐析及免疫沉淀有机溶剂沉淀：有机溶剂沉淀：降低溶液的介电常数，使蛋降低溶液的介电常数，使蛋白质分子间相互吸引而沉淀。白质分子间相互吸引而沉淀。盐析：向蛋白质溶液中加入盐析：向蛋白质溶液中加入中性盐使蛋白质中性盐使蛋白质从溶液中析出的现象，称为从溶液中析出的现象，称为盐析。盐析。 中性盐可破坏蛋白质的水化膜并中和其电荷。中性盐可破坏蛋白质的水化膜并中和其电荷。1. 免疫沉淀：利用某种蛋白质的特异性抗体，免疫沉淀：利用某种蛋白质的特异性抗体，与蛋白质

56、混合溶液中该种蛋白质形成抗原与蛋白质混合溶液中该种蛋白质形成抗原-抗体复合物而达到分离的方法。抗体复合物而达到分离的方法。（三）电泳：带电粒（三）电泳：带电粒子（如蛋白质）在子（如蛋白质）在电场中向着与其所电场中向着与其所带电荷相反的电极带电荷相反的电极移动的现象，称为移动的现象，称为电泳。电泳。SDS-PAGE可测定蛋可测定蛋白质的分子量白质的分子量（四）层析技术：根据待分离物质的理化性（四）层析技术：根据待分离物质的理化性质（如溶解度、吸附能力、分子形状、所质（如溶解度、吸附能力、分子形状、所带电荷、分子量等）的不同，利用其对固带电荷、分子量等）的不同，利用其对固定相和流动相亲和力的不同而

57、达到分离的定相和流动相亲和力的不同而达到分离的技术。技术。 离子交换层析分离蛋白质示意图用高浓度的阴离子洗脱 带负电荷少的蛋白质先洗脱下来+用低浓度的阴离子洗脱+ 带负电荷多的蛋白质后洗脱下来阴离子交换剂洗脱洗脱洗脱样品凝胶颗粒大分子先洗脱下来小分子后洗脱下来 凝胶过滤分离蛋白质示意图凝胶过滤法凝胶过滤法可测定蛋白可测定蛋白质的分子量质的分子量（五）离心技术：根据待分离物质密度（如（五）离心技术：根据待分离物质密度（如蛋白质）的差别，在离心场力的作用下对蛋白质）的差别，在离心场力的作用下对其进行分离纯化的方法。可测定蛋白质的其进行分离纯化的方法。可测定蛋白质的分子量。分子量。匀浆沉淀上清1 000g,5min上清上清上清上清沉淀沉淀沉淀沉淀沉淀4 000g,10min15 000g,20min30 000g,30min100 000g,90min