Structure and Function of Protein

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1 Structure and Function of Protein
第 一 章 蛋白质的结构与功能 Structure and Function of Protein

2 概 述 一、蛋白质的生物学重要性 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。
概 述 一、蛋白质的生物学重要性 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％。

3 2. 蛋白质具有重要的生物学功能 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 7）氧化供能

4 二、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。

5 蛋白质的分子组成 元素 生命 蛋白质 C H O N S 氨基酸 墙组成建筑物 沙土砌成砖 砖块垒成墙

6 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein
第 一 节 蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein

7 一、组成蛋白质的元素及特点* C 50 ~ 55 % 主要元素组成 H 6 ~ 7 % O 19 ~ 24 % N 13 ~ 19 %
S ~ 4 % 主要元素组成 有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se、I等。

8 由于生物样品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％。 由于生物样品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%

9 二、蛋白质的基本组成单位*—氨基酸 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种。 氨基均连接在紧靠羧基的-碳原子上故称-氨基酸且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。 氨基酸的通式:L-α-氨基酸

10 不同的理化性质和功能 侧链 两性解离特性 L--氨基酸的通式 R CH3 丙氨酸 H 甘氨酸 

11 20种氨基酸中，除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-α-氨基酸。
例外： 甘氨酸 — 没有手性 脯氨酸—亚氨基酸

12 三、氨基酸的分类* （按R基团在中性溶液中的解离性质分） 非极性疏水性氨基酸(7种) 极性中性氨基酸(8种) 酸性氨基酸 （Asp、Glu）
碱性氨基酸（Arg、His、Lys）

13 非极性疏水性氨基酸 甘氨酸 glycine Gly G 丙氨酸 alanine Ala A 缬氨酸 valine Val V 亮氨酸 leucine Leu L 异亮氨酸 isoleucine Ile I 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 脯氨酸 proline Pro P

14 2. 极性中性氨基酸 色氨酸 tryptophan Trp W 丝氨酸 serine Ser S 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 半胱氨酸 cysteine Cys C 蛋氨酸 methionine Met M 天冬酰胺 asparagine Asn N 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 苏氨酸 threonine Thr T

15 3. 酸性氨基酸 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 谷氨酸 glutamic acid Glu E 4. 碱性氨基酸 赖氨酸 lysine Lys K 精氨酸 arginine Arg R 组氨酸 histidine His H

16 习惯分类方法 芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe 含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr 含硫氨基酸：Cys、Met 杂环族氨基酸：His
杂环族亚氨基酸：Pro 支链氨基酸：Val、Leu、Ile

17 另外： 1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修 饰的——修饰氨基酸 如：脯氨酸 羟基化 成 羟脯氨酸 赖氨酸 羟基化 成 羟赖氨酸 2、半胱氨酸常以胱氨酸的形式存在

18 半胱氨酸 + -HH 二硫键 胱氨酸

19 四、氨基酸的理化性质 1. 两性解离及等电点 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。

20 pH>pI pH<pI pH=pI 思考:酸性氨基酸的等电点偏酸还是偏碱? 阳离子 氨基酸的兼性离子 阴离子 +OH- +OH-

21 2. 紫外吸收性质 色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。

22 3. 茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。

23 五、氨基酸之间的连接方式 1）连接方式：肽键
肽键(peptide bond)：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。 氨基酸残基(residue) :肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。

24 氨基酸残基 + 羧基末端 氨基末端 1 2 -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键 氨基酸残基

25 * 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……
* 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。 * 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。

26 C端 N端 ２）多肽链有方向性： N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 N C
Ala-Tyr-Asp-Gly N C C端 N端

27 N末端 C末端 牛核糖核酸酶

28 六、重要的生物活性肽(了解) 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)

29 GSH 有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢
H2O2 2GSH NADP+ GSH过氧化物酶 GSH还原酶 2H2O GSSG NADPH+H+

30 2. 多肽类激素及神经肽 体内许多激素属寡肽或多肽 抗利尿素与催产素(9肽)、胰高血糖素（29肽）、
降钙素（32肽）、ACTH（39肽）、胰岛素（51肽） 神经肽(neuropeptide) P物质（10肽、属神经肽类）、β内啡肽（31肽）

31 七、蛋白质的分类(了解) * 根据蛋白质组成分 单纯蛋白质 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分 * 根据蛋白质形状分 纤维状蛋白质
球状蛋白质 * 根据蛋白质功能分

32 蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein
第 二 节 蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein

33 蛋白质的分子结构包括（人为划分） 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

34 一、蛋白质的一级结构 定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸 的排列顺序。 主要的维系键：肽键 有些蛋白质还包括二硫键。
肽键具有部分双键性质: 比一般C-N键短、不能自由旋转 第一个被确定一级结构的蛋白质：胰岛素

35 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础,但不是唯一的决定因素。

36 二、蛋白质的二级结构 (一)定义: 蛋白质分子中某一段肽链主链原子的局部空间结构，不包括氨基酸残基侧链的构象 。
二级结构的基本单位：肽键平面或肽单元

37 肽单元(肽键平面-理解) 肽键平面——由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的4个原子和两侧的a-碳原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元。

38 由于α-碳原子与其他原子之间均以单键相连，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转

39 -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil )
(二）蛋白质二级结构的主要形式* *-螺旋 (  -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil )

40 1. α-螺旋*： α-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象

41 结构要点*： （1）主链通过α-碳原子旋转形成稳固的右 手螺旋。 （2）每3.6个氨基酸残基上升一圈，间距 0.15nm，螺距0.54nm。 （3）相邻两圈螺旋之间借氢键稳定。（这是 稳定α-螺旋的主要键） （4）肽链中氨基酸侧链R，伸展在螺旋外侧。 （其形状、大小及电荷影响 α-螺旋的形成）

42 2. -折叠 β-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象

43 结构特征： (1)肽键平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键 平面间呈1100夹角 (2)氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方 或下方。
　　(1)肽键平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键 　 平面间呈1100夹角 (2)氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方 或下方。 (3)依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链 间的C＝O与N-H形成氢键，使构象稳定。 (4)两段肽链可以是逆向平行，也可以是顺 向平行。

44 β-折叠包括顺向平行和反向平行两种类型

45 3. -转角 是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构 4. 无规卷曲 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

46 （四）主要的维系键：氢键 （五）影响二级结构形成的因素： 1）侧链基团的大、小 2）侧链基团的带电性质 3）脯氨酸是α-螺旋的绝对破坏者

47 三、蛋白质的三级结构 （一） 定义 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。 次级键 （二）维系键：
疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。 （二）维系键：

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49 对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能

50 肌红蛋白 (Mb) N 端 C端 为单肽蛋白质，含有153个氨基酸，有8个螺旋区

51 （三）结构域 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能。
三级结构中独立执行某种功能的局部区域，称为结构域(domain) 。

52 四、蛋白质的四级结构 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条具有完整三级结构的多肽链，称为蛋白质的亚基(subunit)。
定义: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。 作用力:亚基之间的结合力主要是疏水力，其次是氢键、离子键和范德华力 。

53 从一级结构到四级结构 血红蛋白

54 The Relation of Structure and Function of Protein
第 三 节 蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein

55 一、蛋白质一级结构与功能的关系 （一）一级结构是空间构象的基础 一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。
　　一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。 　　如不同哺乳类动物的胰岛素分子，一级结构中仅个别氨基酸有差异，形成的空间结构与功能均相似 　　在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明显的影响。

56 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 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。
N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) 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”。

57 分子伴侣(molecular chaperones)
一级结构是决定蛋白质空间构象唯一的决定因素吗? 分子伴侣(molecular chaperones) 分子伴侣是蛋白质合成过程中形成空间结构的控制因子。 在新生肽链的折叠、加工和穿膜进入细胞的过程中起关键作用。 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。

58 二、蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。 肌红蛋白 Mb 血红蛋白 Hb

59 第四节 蛋白质的理化性质和分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein

60 一、理化性质 （一）蛋白质的两性电离特性 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)

61 碱负 酸正 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

62 思考： 　1）含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点 是偏酸还是偏碱？ 2）等电点为6的蛋白质于8.6的缓冲溶 液中，其于电场中向何方向移动？ 　应用：电泳、离子交换层析分离蛋白质

63 （二）蛋白质的胶体性质 1、分子大，不易透过半透膜-用于透析、超滤。 举例：胶原蛋白的分离纯化 2、可形成稳定的水溶液： 　　稳定因素*:水化膜、表面电荷 思考：若欲使蛋白质沉淀，可采取何策略？

64 溶液中蛋白质的聚沉 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 带正电荷的蛋白质
不稳定的蛋白质颗粒 酸 碱 溶液中蛋白质的聚沉

65 （三）蛋白质的变性、沉淀和凝固 １、蛋白质的变性(denaturation) １）定义*：在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失的现象。

66 ２）变性的本质： ３）造成变性的因素 物理因素：高温、高压、紫外线照射、 剧烈震荡等 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重 金属盐等
空间结构破坏（次级键断裂），不改变蛋白质的一级结构。 ３）造成变性的因素 物理因素：高温、高压、紫外线照射、　　 　　　　　剧烈震荡等 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重 金属盐等

67 ４）性质改变*： ①生物学活性丧失 ②溶解度下降 ③粘度增加 ④易被蛋白酶水解

68 临床医学上，变性因素常被用来消毒及灭菌。
应用举例 临床医学上，变性因素常被用来消毒及灭菌。 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。

69 ２、蛋白质的复性 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(renaturation) 。

70 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

71 ３、蛋白质沉淀 在一定条件下，蛋白质从溶液中析出的现象。 变性与沉淀的关系 变性的蛋白质易于沉淀，但不一定沉淀；沉淀了的蛋白质也并不一定变性。

72 ４、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。

73 （四）蛋白质的紫外吸收* 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。

74 ⒉双缩脲反应(biuret reaction)
（五）蛋白质的呈色反应 ⒈Folin-酚试剂反应 蛋白质分子中带有酚羟基的酪氨酸在碱性条件下,能与酚试剂反应生成蓝色化合物。 ⒉双缩脲反应(biuret reaction) 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，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。

75 附：蛋白质的分离纯化方法 （三）利用溶解度和亲和力差别 （一）根据分子大小不同 透析、超滤、凝胶过滤、超速离心等
（二）根据带电性质和多少不同 电泳、离子交换层析等 （三）利用溶解度和亲和力差别 丙酮沉淀、盐析、免疫沉淀、亲和层析等