第1章 蛋白质的结构与功能.ppt

长沙医学院生化教研室第一章蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein长沙医学院生化教研室 蛋白质蛋白质(protein(protein，Pr)Pr)是是由由许许多多氨氨基基酸酸(amino(amino acids)acids)通通过过肽肽键键(peptide(peptide bond)bond)相相连连形形成成的的高高分分子子含氮含氮化合物。化合物。长沙医学院生化教研室 蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性 分分布布广广：所所有有器器官官、组组织织及及细细胞胞的的各各个个部部分分都含有蛋白质。都含有蛋白质。1.1.蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分 含量高：含量高：细胞内细胞内最丰富最丰富的有机分子，占人体干重的有机分子，占人体干重的的4545，脾、肺及横纹肌等组织高达，脾、肺及横纹肌等组织高达8080。长沙医学院生化教研室作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）代谢调节作用代谢调节作用免疫保护作用免疫保护作用物质的转运和存储物质的转运和存储运动与支持作用运动与支持作用参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递2.2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3.3.氧化供能氧化供能具有催化功能的蛋具有催化功能的蛋白质白质免疫球蛋白免疫球蛋白如肌动蛋白、肌球蛋白如肌动蛋白、肌球蛋白长沙医学院生化教研室蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecular Component of ProteinThe Molecular Component of Protein第一节第一节长沙医学院生化教研室一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、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。锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。主要有主要有C C、H H、O O、N N和和 S S。长沙医学院生化教研室 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由由于于体体内内的的含含氮氮物物质质以以PrPr为为主主，可可通通过过样样品品中的含氮量推算出中的含氮量推算出PrPr的大致含量：的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点长沙医学院生化教研室组成蛋白质的基本单位组成蛋白质的基本单位自自然然界界中中的的AAAA有有300300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质的的AAAA仅有仅有2020种。种。二、氨基酸二、氨基酸 (amino acid,aa/AA)(amino acid,aa/AA)基本氨基酸基本氨基酸/编码氨基酸编码氨基酸1.1.种类：种类：长沙医学院生化教研室 手性碳原子手性碳原子2.2.氨基酸结构通式：氨基酸结构通式：长沙医学院生化教研室H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸RC+NH3COO-H长沙医学院生化教研室长沙医学院生化教研室1.1.均为均为-氨基酸，其中氨基酸，其中脯氨酸脯氨酸为亚氨基酸；为亚氨基酸；2.2.均为均为L-L-构型（构型（甘氨酸甘氨酸例外）；例外）；3.3.区别在于区别在于R R基团的不同。基团的不同。标准氨基酸的共同结构特点：标准氨基酸的共同结构特点：长沙医学院生化教研室三、氨基酸的分类三、氨基酸的分类 根据根据R R侧链基团侧链基团的结构和性质的不同，可的结构和性质的不同，可将将2020种氨基酸分为种氨基酸分为5 5类：类：1.1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸2.2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸3.3.芳香族氨基酸芳香族氨基酸4.4.酸性氨基酸酸性氨基酸5.5.碱性氨基酸碱性氨基酸长沙医学院生化教研室 1.1.非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸长沙医学院生化教研室 2.2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸 长沙医学院生化教研室 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-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巯基巯基长沙医学院生化教研室3.3.芳香族氨基酸芳香族氨基酸TrpTyr长沙医学院生化教研室4.4.酸性氨基酸酸性氨基酸5.5.碱性氨基酸碱性氨基酸胍基胍基咪唑基咪唑基长沙医学院生化教研室几种特殊的氨基酸几种特殊的氨基酸:支链氨基酸：缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸支链氨基酸：缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸亚氨基酸：脯氨酸亚氨基酸：脯氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸酸性氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸含含-OH-OH氨基酸：丝氨酸，苏氨酸氨基酸：丝氨酸，苏氨酸长沙医学院生化教研室1.各种蛋白质中含量相近的元素是各种蛋白质中含量相近的元素是 A碳碳 B氢氢 C氧氧 D氮氮 E硫硫2能出现在蛋白质分子中的下列氨基酸，哪一种没有遗传密码？能出现在蛋白质分子中的下列氨基酸，哪一种没有遗传密码？A色氨酸色氨酸 B蛋氨酸蛋氨酸 C谷氨酰胺谷氨酰胺 D脯氨酸脯氨酸 E羟脯氨酸羟脯氨酸3.不出现于蛋白质中的氨基酸是不出现于蛋白质中的氨基酸是(1995年年)A半胱氨酸半胱氨酸 B胱氨酸胱氨酸 C瓜氨酸瓜氨酸 D精氨酸精氨酸 E赖氨酸赖氨酸4.组成人体蛋白质分子的氨基酸属于下列哪一种？组成人体蛋白质分子的氨基酸属于下列哪一种？AL-AA BD-AA CL-AA DD-AA5下列氨基酸中，属于酸性氨基酸的是下列氨基酸中，属于酸性氨基酸的是(2008年年)A精氨酸精氨酸 B甘氨酸甘氨酸 C亮氨酸亮氨酸 D天冬氨酸天冬氨酸6含有两个羧基的氨基酸是含有两个羧基的氨基酸是(1997年年)A谷氨酸谷氨酸 B丝氨酸丝氨酸 C酪氨酸酪氨酸 D赖氨酸赖氨酸 E苏氨酸苏氨酸7以下哪种氨基酸是含硫的氨基酸？以下哪种氨基酸是含硫的氨基酸？(1999年年)A谷氨酸谷氨酸 B赖氨酸赖氨酸 C亮氨酸亮氨酸 D蛋氨酸蛋氨酸 E酪氨酸酪氨酸 8下列哪一种氨基酸是亚氨基酸下列哪一种氨基酸是亚氨基酸?(2000年年)ALys BPro CHis DTrp EIle9.含有两个氨基的氨基酸是含有两个氨基的氨基酸是(2004年年)A.Lys B.Trp C.Val D.Glu E.Leu长沙医学院生化教研室四、氨基酸的理化性质四、氨基酸的理化性质1.1.两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。取决于所处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)(isoelectric point,pI)在在某某一一pH的的溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼兼性性离离子子，呈呈电电中性。此时溶液的中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。长沙医学院生化教研室pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI+H+OH-+H+pHpI兼性离子兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子NH2COOHPrNH2COOHNH3+COO-3-PrNH+COONH2COO-R2-PrNHCOORCOOHNH3+PrCOOHNH3+长沙医学院生化教研室 血浆中，大部分蛋白质的等电点在血浆中，大部分蛋白质的等电点在pH5.0pH5.0左右，因而在生理条件下，血浆蛋左右，因而在生理条件下，血浆蛋白质带白质带 电荷。电荷。人体内，组成蛋白质的氨基酸以人体内，组成蛋白质的氨基酸以酸性氨酸性氨基酸基酸居多，所以大部分蛋白质的等电点在居多，所以大部分蛋白质的等电点在7.07.0以下。以下。?负负长沙医学院生化教研室二、蛋白质的胶体性质二、蛋白质的胶体性质 蛋白质是生物大分子，分子量在蛋白质是生物大分子，分子量在1 1万万1010万万之间，分子直径在胶体颗粒的范围之间，分子直径在胶体颗粒的范围（1 1 100100nmnm），），因此蛋白质具有胶体的性质。因此蛋白质具有胶体的性质。颗粒表面电荷、水化膜颗粒表面电荷、水化膜蛋白质胶体稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素:长沙医学院生化教研室+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉长沙医学院生化教研室（一）变性：（一）变性：在在某某些些物物理理或或化化学学因因素素的的作作用用下下，蛋蛋白白质质特特定定的的空空间间构构象象被被破破坏坏，从从而而导导致致其其理理化化性性质质改改变变和和生生物物活活性性丧丧失失，称称为为蛋白质的蛋白质的变性变性。三、蛋白质的变性、沉淀和凝固三、蛋白质的变性、沉淀和凝固长沙医学院生化教研室 造成变性的因素造成变性的因素如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、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重金属离子及生物碱试剂等。变性的本质变性的本质 变性后理化性质的变化变性后理化性质的变化溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，生物活性丧失生物活性丧失，易被蛋白酶水解，易被蛋白酶水解。破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。一级结构。最主要最主要长沙医学院生化教研室 应用举例应用举例临床上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。临床上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。鸡蛋、肉类等经加温后蛋白质变性，熟后更易鸡蛋、肉类等经加温后蛋白质变性，熟后更易消化。消化。保存蛋白质制剂（如疫苗等）。保存蛋白质制剂（如疫苗等）。长沙医学院生化教研室 若若蛋蛋白白质质变变性性程程度度较较轻轻，去去除除变变性性因因素素后后，蛋蛋白白质质仍仍可可恢恢复复或或部部分分恢恢复复其其原原有有的的构构象象和和功功能能，称称为为复性复性(renaturation)。长沙医学院生化教研室 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性牛核糖核酸酶变性与复性牛核糖核酸酶变性与复性长沙医学院生化教研室（二）蛋白质沉淀（二）蛋白质沉淀概念：概念：在一定条件下，蛋白质疏水侧链暴露在外，在一定条件下，蛋白质疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，从溶液中析出肽链融汇相互缠绕继而聚集，从溶液中析出的现象，称为的现象，称为沉淀沉淀。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。生沉淀，但并不变性。长沙医学院生化教研室（三）蛋白质的凝固（三）蛋白质的凝固u 概念：概念：加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝凝固固。此凝块不溶于强酸或强碱中。此凝块不溶于强酸或强碱中。凝固实际上是蛋白质变性后进一步发凝固实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。因此，凡凝固的蛋白展的不可逆的结果。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性质一定发生变性。长沙医学院生化教研室四、蛋白质的紫外吸收四、蛋白质的紫外吸收由由于于蛋蛋白白质质分分子子中中含含有有共共轭轭双双键键的的酪酪氨氨酸酸和和色色氨氨酸酸，因因此此在在280nm280nm波波长长处处有有特特征性吸收峰。征性吸收峰。蛋蛋白白质质的的ODOD280280与与其其浓浓度度呈呈正正比比关关系系，因此可作蛋白质定量测定。因此可作蛋白质定量测定。长沙医学院生化教研室五、蛋白质的呈色反应五、蛋白质的呈色反应1.茚三酮反应茚三酮反应蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。茚三酮反应。2.双缩脲反应双缩脲反应 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现硫酸铜共热，呈现紫色紫色或或红色红色.可用来检测蛋白质水解程度。可用来检测蛋白质水解程度。长沙医学院生化教研室第五节 蛋白质的分离、纯化与结构分析长沙医学院生化教研室（一）透析及超滤法（一）透析及超滤法 1.透析透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。物分开的方法。透析液透析液浓缩的蛋白浓缩的蛋白混合样品混合样品透析袋透析袋长沙医学院生化教研室临床应用：临床应用：血液透析血液透析 血液和透析液在透析器内借半透膜接触和浓度血液和透析液在透析器内借半透膜接触和浓度梯度进行物质交换，血液中的代谢废物和过多的梯度进行物质交换，血液中的代谢废物和过多的电解质向透析液移动，透析液中的钙离子、碱基电解质向透析液移动，透析液中的钙离子、碱基等向血液中移动。等向血液中移动。长沙医学院生化教研室 2.2.超滤法超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。的目的。长沙医学院生化教研室（二）丙酮沉淀、盐析、免疫沉淀（二）丙酮沉淀、盐析、免疫沉淀 盐析盐析盐能破坏其水化膜，中和其所带电荷，而盐能破坏其水化膜，中和其所带电荷，而 且不会导致蛋白质变性且不会导致蛋白质变性有机溶剂（乙醇、丙酮等）沉淀有机溶剂（乙醇、丙酮等）沉淀破坏其水化膜破坏其水化膜生物碱试剂沉淀生物碱试剂沉淀中和其正电荷中和其正电荷重金属盐沉淀重金属盐沉淀中和其负电荷中和其负电荷长沙医学院生化教研室 利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。离获得抗原蛋白。免疫沉淀法：免疫沉淀法：长沙医学院生化教研室（三）电泳（三）电泳指指带带电电粒粒子子在在电电场场中中向向电电性性相相反反的的电电极极泳泳动的现象。动的现象。电泳电泳(elctrophoresis):影响电泳的因素：影响电泳的因素：所带电荷的性质、数量、分子大小、形状所带电荷的性质、数量、分子大小、形状长沙医学院生化教研室1、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳：聚丙烯酰胺凝胶电泳：常用于蛋白质分子量的测定。常用于蛋白质分子量的测定。蛋白质的分离与纯化蛋白质的分离与纯化根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。几种重要的蛋白质电泳：几种重要的蛋白质电泳：长沙医学院生化教研室2、等电聚焦电泳：、等电聚焦电泳：通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质。通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质。3、双向凝胶电泳：、双向凝胶电泳：蛋白质组学研究的重要技术。蛋白质组学研究的重要技术。蛋白质的分离与纯化蛋白质的分离与纯化长沙医学院生化教研室（四）层析（四）层析(chromatography)原理原理:待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据待分离的态物质（固定相）时，根据待分离的PrPr颗粒大颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使小、电荷多少及亲和力等，使PrPr组分在两相中组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相达到分离反复分配，并以不同速度流经固定相达到分离蛋白质的目的蛋白质的目的 。长沙医学院生化教研室1.1.离子交换层析：离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。常用的层析方法：常用的层析方法：长沙医学院生化教研室2.2.凝胶过滤凝胶过滤(gel filtration)：又称分子筛层析，又称分子筛层析，利用利用各各蛋白质分子蛋白质分子大小不同分离。大小不同分离。长沙医学院生化教研室（五）超速离心（五）超速离心(ultracentrifugation)超超速速离离心心法法既既可可以以用用来来分分离离纯纯化化蛋蛋白白质质也可以用作测定蛋白质的分子量。也可以用作测定蛋白质的分子量。蛋蛋白白质质在在离离心心场场中中的的行行为为用用沉沉降降系系数数(sedimentation coefficient,S)表表示示，沉沉降降系系数与蛋白质的密度和形状相关数与蛋白质的密度和形状相关。长沙医学院生化教研室六、多肽链中氨基酸序列分析六、多肽链中氨基酸序列分析分析蛋白质中氨基酸残基组成分析蛋白质中氨基酸残基组成多肽链的氨基末端与羧基末端的测定多肽链的氨基末端与羧基末端的测定两种以上方法水解肽链，得到一系列大小不同的肽段两种以上方法水解肽链，得到一系列大小不同的肽段测定各肽段的氨基酸排列顺序测定各肽段的氨基酸排列顺序分析有重叠结构的各个肽段序列，推导出完整分析有重叠结构的各个肽段序列，推导出完整肽链中氨基酸顺序肽链中氨基酸顺序长沙医学院生化教研室（1 1）N N端测定：端测定：二硝基氟苯法二硝基氟苯法 (FDNB(FDNB法法)、丹磺酰氯法、丹磺酰氯法 (DNS(DNS法法)（2 2）C C端测定：端测定：羧肽酶羧肽酶A A：水解除：水解除ArgArg、LysLys、ProPro外的氨基酸残基外的氨基酸残基 羧肽酶羧肽酶B B：只水解：只水解ArgArg、LysLys 羧肽酶羧肽酶C C：所有的氨基酸残基：所有的氨基酸残基（3 3）常用水解肽链的酶：）常用水解肽链的酶：胰蛋白酶：水解胰蛋白酶：水解ArgArg、LysLys羧基侧的肽键羧基侧的肽键 糜蛋白酶：水解芳香族氨基酸羧基侧的肽键糜蛋白酶：水解芳香族氨基酸羧基侧的肽键 溴化氰（溴化氰（CNBrCNBr）：水解）：水解MetMet羧基侧的肽键羧基侧的肽键长沙医学院生化教研室例根据下列资料推出某肽的氨基酸排列顺序。例根据下列资料推出某肽的氨基酸排列顺序。1 1）完全酸水解得到）完全酸水解得到PhePhe、ProPro、GluGlu、LysLys、MetMet和和NHNH3 3：2 2）用）用FDNBFDNB试剂处理得到试剂处理得到DNPDNPPhe Phe 3 3）用溴化腈水解此肽得到一个以高丝氨酸内酯结尾）用溴化腈水解此肽得到一个以高丝氨酸内酯结尾的二肽和一个三肽的二肽和一个三肽4 4）用胰蛋白酶水解产生一个三肽）用胰蛋白酶水解产生一个三肽5 5）用羧肽酶）用羧肽酶A A或羧肽酶或羧肽酶B B处理都不能得到阳性结果处理都不能得到阳性结果 Phe-Met-Lys-Glu-Pro长沙医学院生化教研室课后思考题课后思考题1 1名词解释：亚基、蛋白质的等电点、蛋白质的名词解释：亚基、蛋白质的等电点、蛋白质的变性变性2 2何谓蛋白质一、二、三、四级结构，维持蛋白何谓蛋白质一、二、三、四级结构，维持蛋白质各级结构的化学鍵是什么？质各级结构的化学鍵是什么？3.3.简述谷胱甘肽的结构特点及生理功能简述谷胱甘肽的结构特点及生理功能;（20052005年年南方医科大学生物化学试题）南方医科大学生物化学试题）4.4.-螺旋结构特点；螺旋结构特点；5.5.请举例说明蛋白质一级结构与功能的关系请举例说明蛋白质一级结构与功能的关系(北京北京大学医学部大学医学部20022002年生物化学试题年生物化学试题)；6.6.什么是蛋白质的变性？变性的机制是什么？举什么是蛋白质的变性？变性的机制是什么？举例说明蛋白质变性在临床上的应用。例说明蛋白质变性在临床上的应用。