生物化学 Biochemistry

绪 论 Biochemistry: Neuberg ,1903 Chemistry of life 绪 论 Biochemistry: Neuberg ,1903 Chemistry of life 运用化学和物理学及生物学原理和技术，主要是化学原理来研究生命现象的学科。 生物化学研究的最终目的是在分子水平揭示生命活动的本质，以及致病机制和治疗原理。

生物化学的内容 1.叙述生化： 组成与结构 2.动态生化： 代谢与调控 3.功能生化： 结构与功能

参考书 Nelson DL,Lehninger Principles of Biochemistry Stryer L., Biochemistry Voet and Voet, Biochemistry Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry Harper’s Biochemistry

第一章 氨基酸 Amino Acids

生物大分子蛋白质、核酸都是由基本结构单位组成的多聚体（polymer）；可形成聚合体的基本结构单位称为单体（monomer）。 蛋白质的基本结构单体是氨基酸 核酸的基本结构单体是核苷酸

The Structure and Function of Amino Acids 氨基酸的结构与功能 The Structure and Function of Amino Acids

一、构成人体蛋白质氨基酸均为L--氨基酸

L-氨基酸的通式 R CH3 丙氨酸 H 甘氨酸

氨基酸分类 按R-基团结构分 按R-基团极性分 脂肪族氨基酸 芳香族氨基酸 中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸

（一）氨基酸的差异在于侧链结构-R基团 二、氨基酸的侧链结构决定其功能 （一）氨基酸的差异在于侧链结构-R基团 (1)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 包括丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸。 此类氨基酸在水溶液中溶解度小。

(2)中性氨基酸有甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸 、甲硫氨酸、苏氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺。 Gly

(3)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 此类氨基酸有苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，其侧链分别有苯基、酚基和吲哚基。 Trp Tyr

(4)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸 此类氨基酸有天冬氨酸、谷氨酸，其侧链都含有羧基，均可解离而带负电荷。

(5)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸 此类氨基酸有赖氨酸、精氨酸和组氨酸，其侧链分别含有氨基、胍基和咪唑基，均可发生质子化，使之带正电荷。 氨基酸分类（五）

几种特殊氨基酸 脯氨酸 （亚氨基酸）

 半胱氨酸 + -HH 二硫键 胱氨酸

（二） -R基团赋予氨基酸不同的极性 蛋白质中的L--氨基酸依据极性的分类 类别 主要氨基酸 非极性 脂肪族氨基酸 丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 亚氨基酸 脯氨酸 极性 中性氨基酸 甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸、色氨酸 酸性氨基酸 天冬氨酸、谷氨酸 碱性氨基酸 赖氨酸、精氨酸、组氨酸

（三） 氨基酸-R基团直接影响多肽链结构 重要的L--氨基酸的主要功能特点 名称 结构与功能特点 半胱氨酸 氧化状态下，多肽链中不相邻的两个半胱氨酸通过二硫键相连，增强蛋白质结构的稳定性；巯基易与重金属离子结合 天冬氨酸、谷氨酸 携带强负电荷，常位于水溶性蛋白的表面；可结合带正电荷的分子或金属离子 苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸 侧链结构大且极性较弱或无极性，常位于水溶性蛋白的内部 甘氨酸 是唯一不存在不对称立体结构的氨基酸，有较大的旋转自由度，赋予多肽链更多的柔性；是最小的氨基酸，能够存在于空间致密的蛋白质中，如胶原 组氨酸 咪唑基团容易发生质子化，进而影响其所在的蛋白质构象，因此是许多蛋白质功能的调节机制 异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸 均含有较大的疏水侧链，其刚性结构特征及疏水相互作用都对蛋白折叠有重要的影响力，常作为水溶性蛋白的内部支撑结构 赖氨酸、精氨酸 有带正电荷的柔性侧链，常作为蛋白的亲水表面，且易于结合带有负电荷的其他分子，如DNA 甲硫氨酸 是多肽链生物合成的起始氨基酸；参与体内含硫化合物代谢及甲基化反应 脯氨酸 N原子在杂环中移动的自由度受到限制，常位于多肽链的转角处 丝氨酸、苏氨酸 侧链短，所含羟基常作为酶反应中的供氢体；亲水性强，位于水溶性蛋白表面

体内常见的蛋白质翻译后发生化学修饰的氨基酸残基 （四） 氨基酸的侧链可有其他化学基团修饰 体内常见的蛋白质翻译后发生化学修饰的氨基酸残基 常见的化学修饰种类 发生修饰的主要氨基酸残基 磷酸化 丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸 N-糖基化 天冬酰胺 O-糖基化 丝氨酸、苏氨酸 羟基化 脯氨酸 赖氨酸 甲基化 赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸 乙酰化 赖氨酸、丝氨酸 硒化 半胱氨酸

组成蛋白质的氨基酸的其他功能及重要衍生物举例 三、氨基酸及其衍生物具有除形成多肽链外的多种重要功能 组成蛋白质的氨基酸的其他功能及重要衍生物举例 氨基酸名称 重要功能及衍生物 甘氨酸 神经递质；参加体内嘌呤类、卟啉类和肌酸的合成 谷氨酸 神经递质；其-脱羧产物γ-氨基丁酸亦是重要的神经递质 色氨酸 转化生成重要的神经递质5–羟色胺 精氨酸 产生重要的信号物质一氧化氮（NO）；参加合成尿素的鸟氨酸循环 甲硫氨酸 为体内的毒物或药物甲基化代谢提供甲基，起到解毒的作用 天冬氨酸 神经递质；三羧酸循环中的重要成分；参加合成尿素的鸟氨酸循环 酪氨酸 黑色素 组氨酸 脱羧形成的组胺具有血管舒张作用，并参与多种变态反应

非蛋白质组成氨基酸及其衍生物功能举例 氨基酸名称 功能 瓜氨酸、鸟氨酸 参加体内尿素合成 同型半胱氨酸 转甲基作用的产物 β-丙氨酸 泛酸（一种维生素）的成分之一 L-肉毒碱 化学结构为L-β-羟--三甲胺丁酸，参加脂质转运

四、氨基酸的理化性质是其分离和鉴定的依据 （一） 氨基酸具有两性离子特征 由于所有氨基酸都含有可解离的-氨基和-羧基，因此，氨基酸溶解在水中是一种偶极离子（dipolar ion），又称两性离子（zwitterion）。其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点 (isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。

+OH- +OH- +H+ +H+ pH>pI pH<pI pH=pI 阳离子 氨基酸的兼性离子 阴离子

氨基酸具有特征性的滴定曲线 甘氨酸滴定曲线 +NH3CH2COO- NH2CH2COO- +NH3CH2COOH + NH3CH2COO-

（二）氨基酸的化学反应特性决定其体内功能 体内氨基酸化学反应 一个氨基酸的羧基可与另一个氨基酸的氨基反应成肽，形成共价的肽 键。通过连续的肽键，许多氨基酸即可聚合成多肽或蛋白质分子 -氨基参与体内多种化学反应。氨基酸的-氨基能与醛类化合物生成弱碱，称为Schiff碱，这是体内氨基酸转氨基作用的中间代谢物

（三） 可利用氨基酸理化特性对其进行定性 定量分析 氨基酸与茚三酮试剂发生呈色反应 氨基酸与2，4-二硝基氟苯反应生成二硝基苯基氨基酸 氨基酸与亚硝酸反应生成氮气 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质 薄层层析是鉴定氨基酸及其修饰的经典方法

含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质 色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。 芳香族氨基酸的紫外吸收

（四）氨基酸定量定性分析已进入自动化时代 随着毛细管电泳（capillary electrophoresis，CE；液相层析（liquid chromatography, LC）自动化及质谱（mass spectrometry，MS）技术的发展，目前氨基酸的检测分析可以在自动分析仪器中快速完成。

第二章 多肽与蛋白质 Peptides and Proteins

1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1864年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶。 19世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽 。 1938年，德国化学家Gerardus J. Mulder引用“Protein” 一词来描述蛋白质。

1951年, Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构——α-螺旋(α-helix)。 1953年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。 1962年，John Kendrew和Max Perutz确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代以后，后基因组计划。

什么是蛋白质? 蛋白质（protein）是由许多氨基酸（amino acids）通过肽键（peptide bond） 相连形成的高分子含氮化合物。

蛋白质的生物学重要性 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 1. 蛋白质是生物 体重要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。

2. 蛋白质具有重要的生物学功能 3. 氧化供能 1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递 3. 氧化供能

Primary Structure of Peptides and Proteins 第一节 肽和蛋白质的一级结构 Primary Structure of Peptides and Proteins

、肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚体 （一）氨基酸通过肽键相连形成肽/蛋白质 肽/蛋白质分子中的氨基酸通过脱水生成的共价键被称为肽键(peptide bond)，肽键是一种酰胺键，具有部分双键的性质。 肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 氨基酸通过肽键(peptide bond) 相互连接而形成多肽和蛋白质。

* 一分子氨基酸与另一分子氨基酸脱去一分子水缩合成二肽。 * 二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽 …… * 一般来说，由数个、十数个氨基酸组成的肽习惯称为寡肽(oligopeptide)，而很多氨基酸组成的肽称为多肽（polypeptide）。通常，多肽分子质量<10 kD；而蛋白质则是由一条或多条肽链组成的更大分子，但两者经常通用。 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。

多肽链具有方向性： 氨基末端（amino terminal）或 N 末端：多肽链中有游离氨基的一端称氨基末端(amino terminal)或N-端。 羧基末端（carboxyl terminal）或C 末端：多肽链中有游离羧基的一端称为羧基末端(carboxyl terminal)或C-端。 多肽链从氨基末端走向羧基末端。

N末端 C末端 牛核糖核酸酶

肽是根据由N-端至C-端参与其组成的氨基酸残基命名的 + -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键

（二）体内存在多种重要的生物活性肽 1.谷胱甘肽是体内重要的还原剂 谷胱甘肽 (glutathione, GSH)

H2O2 2GSH NADP+ GSH过氧化物酶 GSH还原酶 2H2O GSSG NADPH+H+

2.体内有许多激素属寡肽或多肽

在神经传导过程中起重要作用的肽类称为神经肽(neuropeptide)。 3. 神经肽是脑内一类重要的肽 在神经传导过程中起重要作用的肽类称为神经肽(neuropeptide)。 较早发现的有脑啡肽(5肽)、β-内啡肽(31肽)和强啡肽(17肽)等。 近年发现的孤啡肽(17肽)，其一级结构类似于强啡肽。

二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂 主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。  组成蛋白质的元素： 主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。

由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：  蛋白质元素组成的特点： 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数× 6.25×100 1/16%

(一)蛋白质的分子组成与结构特征是其分类的基础 1. 蛋白质根据分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋白质两类： 单纯蛋白质（simple protein） 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分 （conjugated protein） 辅基 （prosthetic group）

结合蛋白质及其辅基 分类 辅基 举例 脂蛋白 脂类 血浆脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等） 糖蛋白 糖基或糖链 胶原蛋白、纤连蛋白等 核蛋白 核酸 核糖体 磷蛋白 磷酸基团 酪蛋白（casein） 血红素蛋白 血红素（铁卟啉） 血红蛋白、细胞色素c 黄素蛋白 黄素核苷酸（FAD、FMN） 琥珀酸脱氢酶 金属蛋白 铁 铁蛋白 锌 乙醇脱氢酶 钙 钙调蛋白 锰 丙酮酸羧化酶 铜 细胞色素氧化酶

2. 蛋白质根据结构特点进行分类 ，可分为： 超家族（super family） 家族（family） 亚家族（subfamily） 3. 蛋白质根据其形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两类 ，可分为： 纤维状蛋白质 球状蛋白质

(二)蛋白质分子结构可区分为4个层次 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure) 高级结构 或 空间构象(conformation)

三、氨基酸残基的排列顺序决定蛋白质的一级结构 蛋白质一级结构(primary structure)是指蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序。 形成一级结构的化学键： 肽键（主要化学键） 二硫键

CN键长比较: O -C-N- 0.132nm H -C=N- 0.127nm -C-N- 0.149nm 肽键性质： 1，刚性，不可旋转 2，反式排列 3，处于同一平面上，与前后-C构成肽单元

二硫键 牛胰岛素的空间结构

四、蛋白质一级结构比对可用于同源蛋白质分析 蛋白质一级结构（氨基酸序列）比对常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。 序列比对方法（sequence-comparison method）关键在于将2个序列准确地对齐，使之达到相同序列最大化，插入或删除序列最小化的目的，然后计算相同的氨基酸数。 同源蛋白质仅指同一基因进化而来的蛋白质。 序列相似但非进化相关的2个蛋白质的序列，常被称为相似（analogy）序列 。

一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。 ？

Three Dimentional Structure of Peptides and Proteins 第二节 肽、蛋白质的高级结构 Three Dimentional Structure of Peptides and Proteins

一、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质 的二级结构 一、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质 的二级结构 蛋白质的二级结构(secondary structure)是指组成蛋白质的肽链的主链的空间结构，也就是肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。 肽链主链骨架原子包括N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和CO（羰基碳）3个原子依次重复排列。

蛋白质二级结构的主要形式： -螺旋 (  -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) Ω-环 -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ) 维系二级结构的主要化学键：氢键

（一）肽键是一个刚性的平面 参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。

（二）-螺旋是常见的蛋白质二级结构

α-螺旋结构要点 连续排列的肽单元平面旋转形成面螺旋 右手螺旋 酰胺平面与螺旋的长轴平行 一个AA0.15nm,每3.6个为一圈(0.54nm) 螺旋借助相邻两圈之-NH---CO-稳定 AA的侧链伸向螺旋外侧 AA的大小和电荷可以影响螺旋的形成

α-螺旋常位于蛋白质分子表面，亲水性较好 存在两性螺旋 存在于血浆脂蛋白、多肽激素、蛋白激酶、肌红蛋白、血红蛋白等球状蛋白中 毛发中的角蛋白、肌肉的肌球蛋白、纤维蛋白几乎都是

（三）-折叠使多肽链形成片层结构

β-折叠 较为伸展,酰胺平面以锯齿状排列 两个片段可以是平行或反平行 AA间距 平行 0.65nm 反平行 0.70nm 只有片段间氢键,无片段内氢键 AA的侧链伸向锯齿状结构的外侧 小侧链的AA有利于β-折叠的生成 蚕丝蛋白都是β-折叠 羊毛和真丝弹性比较

（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

（五）模体是蛋白质的超二级结构 在许多蛋白质分子中，由几个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近、相互作用，所形成的折叠模样，称为超二级结构（supersecondary structure），又称折叠（fold）或模体（motif）。

模体(motif)： 数个至数十个AA组成的具有自身相对独立构象和功能的小区域，模体可构成结构域，也可独立存在。

超二级结构形式有3种：αα，βαβ，ββ 细胞色素C的αα结构 细胞核抗原的βαβ结构 纤溶酶原的ββ结构

模体常见的形式 α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体 链-β转角-链模体 链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体 钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构 (zinc finger)

锌指结构zinc finger DNA结合蛋白 β折叠- β折叠-α-螺旋模体

（六）氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。 这是氨基酸残基的侧链的相互作用可稳定或去稳定相应的二级结构的原因。

电性：同性相斥 R性质：立体障碍 Pro：亚氨基无氢，环改变走向 一段肽链有多个谷氨酸或天冬氨酸残基相邻，则在pH7.0时，这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨碍α-螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍α-螺旋的形成。 天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响α-螺旋形成。 脯氨酸的结构不利于形成α-螺旋。 形成β-折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才能容许两条肽段彼此靠近。 电性：同性相斥 R性质：立体障碍 Pro：亚氨基无氢，环改变走向

二、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成蛋白质三级结构 （一）三级结构是指整条多肽链的空间分布 蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置，包括一级结构中相距甚远的肽段的空间位置关系。

肌红蛋白 (Mb) myoglobin 153 AA 1 Heme A~H八段α-螺旋 无-S-S-键 功能：储存O2

(二) 维持三级结构稳定主要依靠非共价键 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称非共价键、次级键，主要有氢键、范德华力（Van der Waals force）、疏水作用（hydrophobic interactin）和盐键（salting bond）（又称离子键）等。

a

（三）三级结构可含有功能各异的结构域 在二级结构或超二级结构的基础上，多肽链可形成在三级结构层次上的局部折叠区，称为结构域(domain)。 纤连蛋白分子的结构域

（四）根据结构域可对蛋白质进行分类： 根据结构域可将球状蛋白质分为4类： 反平行α螺旋结构域（全α-结构） 平行或混合型β折叠片结构域（α，β-结构） 反平行β折叠片结构域(全β-结构) 富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白质结构）

A. 全α-结构域 B. 平行或混合型β折叠片结构域 C. 全β-结构域 D. 富含二硫键结构域

结构域 (domain) 3-磷酸甘油醛脱氢酶 3-磷酸甘油醛 NAD+

分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。 （五）分子伴侣参与蛋白质的折叠 分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。 * 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。 * 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。 * 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。

目前已知参与蛋白质折叠的分子伴侣可分为3类： 热激蛋白70(Hsp70)：Hsp70在真核和原核生物中高度保守，它可部分逆转变性或聚集的蛋白质 。 伴侣蛋白(chaperonin)：伴侣蛋白普遍存在于细菌、线粒体、叶绿体和真核生物，主要有2个家族：Hsp60（在大肠杆菌中又称为GroEL）和Hsp10。 核质蛋白(nucleoplasmin) ：是一种主要的细胞核可溶性蛋白质,在真核生物的生殖细胞及体细胞中广泛存在,体外研究表明,它与核小体装配及受精后精子染色质的解聚及鱼精蛋白的替代有关。 1978年从非洲爪蟾卵细胞和卵母细胞中分离出来,是爪蟾卵母细胞核中含量最丰富的蛋白,大约构成整个核蛋白的7%至10%，当时的描述是:一种酸性、热稳定性蛋白,在体外能促进纯化的组蛋白和DNA装配成核小体，现在知道哺乳动物细胞核中也存在。

伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用

（一）具有四级结构形式的蛋白质由多亚基组成 三、多亚基的蛋白质具有四级结构形式 （一）具有四级结构形式的蛋白质由多亚基组成 体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。 各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。

（二）亚基通过亚基间的相互作用联系在一起 血红蛋白的四级结构 由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。

（三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质 生物体内许多蛋白质往往由多个亚基组成，亚基之间凭借次级键形成蛋白质四级结构。 胰岛素受体：由4个亚基组成(α2β2) ，α亚基与β亚基形成单体(monomer)，2个单体形成二聚体(dimer)。

血红蛋白的一、二、三、四级结构

一级结构：相邻AA间的共价结合 二级结构：短距离AA之间的非共价连接 三级结构：远距离AA之间的非共价连接 四级结构：多亚基之间的非共价连接

只有一条多肽链的蛋白质肯定没有四级结构。 含有二条以上多肽链的蛋白质一定具有四级结构。 多分子聚合物不属于四级结构

蛋白质结构与功能的关系Structure and Function of Proteins 第三节 蛋白质结构与功能的关系Structure and Function of Proteins

一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础 （一）一级结构是空间构象的基础 牛核糖核酸酶的一级结构 二硫键

天然状态，有催化活性 去除尿素、 β-巯基乙醇 尿素、 β-巯基乙醇 非折叠状态，无活性

（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 ──────────────────────── 氨基酸残基序号 胰岛素 ─────────────── A8 A9 A10 B30 人 Thr Ser Ile Thr 牛 Ala Ser Val Ala 猪 Thr Ser Ile Ala 羊 Ala Gly Val Ala 马 Thr Gly Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala

促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(α-MSH, β-MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成，但作用较弱。

(三)氨基酸序列提供重要的生物化学信息 一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。

（四）重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病 例：镰刀形红细胞贫血 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) HbS β 肽链 HbA β 肽 链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。

A.正常的血细胞，血红蛋白肽链中的第六个氨基酸是谷氨酸； B.镰形细胞，其血红蛋白的第六个氨基酸是缬氨酸

正电荷的Glu变成了疏水性的Val Hbs互相黏在一起形成纤维状沉淀，扭曲并刺破红细胞。 第6个Glu 位于亚基螺旋A ，变成Val后形成了黏性位点“sticky”，正好位于蛋白质的表面。 EF loop Val 6 2 1 α α β1 β2 -亚基有一个与此“sticky” 互补的位点，位于螺旋 E/F loop之间。 102

HbS红血细胞的寿命不如正常红细胞，很易破坏，导致慢性 贫血的发生。 All normal cells 镰状红细胞可被困在小血管， 既阻止氧气被运送到组织，又 会导致严重的疼痛并伤害、损 伤器官（如肝，肾，肺，心脏 和脾脏）。严重情况下可能会 导致死亡。 Sickled cells present HbS红血细胞的寿命不如正常红细胞，很易破坏，导致慢性 贫血的发生。 105

二、蛋白质空间结构表现功能 (一)血红蛋白构象改变引起功能变化 1. 肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基 血红素结构

肌红蛋白(myoglobin，Mb) 肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构。 血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。

血红蛋白(hemoglobin，Hb) 血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构。 Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。

2. 血红蛋白的构象变化影响结合氧的能力 Hb与Mb一样能可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。

肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线

Hb与Mb的氧饱和曲线 氧合Hb (Mb)与pO2的关系 Hb ：S状曲线 Mb ：直角双曲线 S状曲线提供了一个灵敏可调的范围(低pO2)和一个平坦不可调的范围(高pO2)。

意义： 肺部pO2较高，在一定范围内变化时，不至于太大地影响氧饱和度。(80-100mmHg) 组织 pO2 较低，略有变 化，即可获得饱和度的变化，充分地获氧。(20-40mmHg)

结构与功能的关系： 一级结构决定构象 空间构象决定功能： , 亚基与Mb的三级结构相似，都能结合O2。 不同来源的Hb其三,四级结构相似,运输O2 Hb：四亚基，运输O2 Mb：单亚基，储存O2

别构效应(allosteric effect) X射线衍射图： Hb与HbO2构象不同 定义：某些因素作用于蛋白质时，可结合至蛋白质的某一部位，而使此蛋白质构象发生改变，从而调节该蛋白质的活性。 Hb：别构蛋白 O2：别构效应剂 别构效应具有普遍性

协同效应(cooperativity) 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。 如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity)

血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。 O2

（二）蛋白质构象改变可导致构象病 蛋白质构象疾病（Protein Conformational Diseases） ：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。

蛋白质构象改变导致疾病的机制：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。 这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。

疯牛病 疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。 正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。 PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。 PrPc α-螺旋 PrPsc β-折叠 正常 疯牛病

老年痴呆症，又称阿尔茨海默病 (Alzheimer‘s disease,AD) ，是发生在老年期及老年前期的一 种原发性退行性脑病，其特征性病理变化为大脑 皮层萎缩，并伴有β-淀粉样蛋白沉积，神经原纤 维缠结 ，记忆性神经元数目大量减少，形成脑部 老年斑。

Chemical and Physical Properties of Proteins 第四节 蛋白质的理化性质 Chemical and Physical Properties of Proteins

蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 一、蛋白质具有两性电离性质 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。

二、蛋白质具有胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之间，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。 蛋白质胶体稳定的因素： 颗粒表面电荷 水化膜

溶液中蛋白质的聚集和沉淀 水化膜 + 带正电荷的蛋白质 在等电点的蛋白质 － 带负电荷的蛋白质 酸 碱 酸 碱 脱水作用 + 不稳定的蛋白质颗粒 酸 碱 溶液中蛋白质的聚集和沉淀

蛋白质的变性(denaturation) 三、很多因素可引起蛋白质变性 蛋白质的变性(denaturation) 在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。

变性的本质 —— 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。 造成变性的因素 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。

应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。

蛋白质的复性(renaturation) 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性 。

天然状态，有催化活性 去除尿素、 β-巯基乙醇 尿素、 β-巯基乙醇 非折叠状态，无活性

在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。 蛋白质沉淀 在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。 蛋白质的凝固作用(protein coagulation) 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。

四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰 由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。

五、蛋白质呈色反应可用于溶液蛋白质测定 （一）蛋白质经水解后产生茚三酮反应 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应(ninhydrin reaction) 。

（二）肽链中的肽键可与双缩脲试剂反应 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应(biuret reaction) 。 双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。

第五节 蛋白质的分离、纯化、鉴定 和结构分析 Isolation, Purification, Identification and Structural Analysis of Proteins

第六节 血浆蛋白质 Plasma Proteins

一、采用电泳法可将血浆蛋白质分成若干组分 电泳法是分离、分析血浆蛋白质的主要方法。采用醋酸纤维素膜电泳，可将血浆蛋白质分为5个组分。 按泳动快慢依次为：清蛋白、α1-、α2-、β-和γ-球蛋白（globulin）。而采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)可将血浆蛋白分离出100种以上。   白蛋白 1 2   血浆蛋白的电泳图

血浆蛋白质主要成分及功能 功 能 血浆蛋白质 抗蛋白酶 抗凝乳蛋白酶、α1-抗胰蛋白酶、α2-巨球蛋白、抗凝血酶 血液凝固 功 能 血浆蛋白质 抗蛋白酶 抗凝乳蛋白酶、α1-抗胰蛋白酶、α2-巨球蛋白、抗凝血酶 血液凝固 各种凝血因子、纤维蛋白原 酶 血液中功能酶：如凝血因子、胆碱酯酶 组织细胞漏出的酶：如转氨酶 激素 红细胞生成素 免疫功能 γ-免疫球蛋白、补体蛋白、β2-微球蛋白 参与炎症反应 急性时相反应蛋白：如C反应蛋白、α1-酸性糖蛋白（血清类黏蛋白） 肿瘤胚胎性蛋白 α1甲胎蛋白（AFP） 转运或结合蛋白 清蛋白——结合、运输胆红素、非酯化脂肪酸、离子（Ca2＋），金属离子（Cu2＋、Zn2＋）、正铁血红素、类固醇激素和各种药物分子 血浆铜蓝蛋白——含有Cu2＋（但Cu2＋转运可能主要依赖清蛋白） 皮质类固醇结合球蛋白（运皮质激素蛋白）——结合皮质醇 结合珠蛋白——结合细胞外的血红蛋白 脂蛋白（乳糜微粒、VLDL、LDL、HDL）——运输甘油三酯、胆固醇、磷脂等 血红素结合蛋白——结合血红素 视黄醇结合蛋白——结合视黄醇 性激素结合球蛋白——结合睾酮、雌二醇 甲状腺素结合球蛋白——结合T3、T4 运铁蛋白——运输铁 甲状腺素运载蛋白——结合T4并与视黄醇结合蛋白形成复合物

二、血浆中大多数蛋白质具有特殊的 生物学功能 （一）血浆蛋白质大多数属于分泌性蛋白质 （二）清蛋白是血浆中含量最多的蛋白质 血浆渗透压75-80% 结合、转运物质

（三）很多血浆蛋白具有特殊的结合功能 1．前清蛋白运输视黄醇 2．运铁蛋白是铁的转运载体 3．甲状腺素结合球蛋白运输甲状腺素 4．结合珠蛋白-血红蛋白复合物可防止血红 蛋白在肾小管沉积 5．血浆铜蓝蛋白可结合铜 6．免疫球蛋白与机体的防御机制

要点 氨基酸 L-- 三字符号 分类 等电点 测定基础 蛋白质 肽键、寡肽、多肽 四层次结构 模体、结构域 结构与功能的关系 等电点