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1、蛋白质的结构与功能,(Structure and Function of Protein),一、定义,蛋白质(protein)是氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的含氮生物大分子,是构成生命的物质基础之一.,二、生理功能,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。,1）催化功能（酶） 2）免疫保护作用（抗体） 3）物质的转运和存储（载脂蛋白） 4）运动与支持作用（肌球蛋白） 5）参与信息传递
2、（G蛋白） 6）遗传调控功能 （组蛋白）,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能,蛋 白 质 的 分 子 组 成,第 一 节,一、蛋白质的元素组成,主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Go、Mo，个别蛋白质还含有I 。,各种蛋白质的含氮量很接近 平均为16据此可推算蛋白质的大致含量,一、蛋白质元素组成的特点,考考你,按照WHO与中国的婴幼儿配方奶粉标准，婴儿配方奶粉理化指标(012个月)每100克奶粉的蛋白质含量在10.0克20.0克；实验室抽样检测某奶粉，称取1克奶粉，测定N的含量是0.024克，此奶粉是否合格？这样的检测方法有什么弊端
3、?,三聚氰胺事件,二、蛋白质的基本组成单位,蛋白质是高分子化合物，水解可以生成小分子化合物。彻底水解后发现其基本组成单位是氨基酸（animo acid， AA，aa）。,（一）氨基酸的命名,（二）氨基酸的结构特点,蛋白质水解所得的都是-氨基酸,Ala,L-氨基酸组成天然蛋白质,(三)氨基酸的分类 根据R的结构不同分类,(四)氨基酸的理化性质,1.物理性质白色结晶,高熔点 溶于强酸、碱，在水中溶解度各不相同,2.两性解离与等电点(pI) AA是两性电解质，具有两性解离的特点,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
4、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。,3.氨基酸的紫外吸收 Trp Tyr Phe OD280Pro. OD280Pro.定量,4.茚三酮反应 AA的定性或定量检测,三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,肽键 肽、寡肽、多肽 多肽链 氨基酸残基 多肽主链、多肽侧链,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,* 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,* 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(residue)。,* 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
5、)。,九肽/寡肽,多肽的表示方法,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,一种生物活性肽,谷胱甘肽（GSH）,谷胱甘肽,参与细胞的氧化还原作用 保护某些Pro.的活性巯基,小结,前言 蛋白质的定义；蛋白质与生命活动密切相关第一节 蛋白质的分子组成 一、蛋白质的元素组成 二、氨基酸的结构特点；氨基酸的分类与理化 性质 三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式肽,课后练习,组成蛋白质的基本元素、特征元素以及应用（计算）。蛋白质基本组成单位、种类、特征。氨基酸的分类，酸性氨基酸和碱性氨基酸分别包括哪些氨基酸？,蛋 白 质 的 分 子 结 构,第 二 节,氨基酸之间是以肽键(
6、peptide bond)相连,蛋白质的分子结构包括一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)高级结构涵盖了分子中每一个原子在空间中的相对位置,定义 蛋白质的一级结构指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,二、蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所
7、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平面 。,形成二级结构的基础-肽平面,蛋白质二级结构的主要形式 (蛋白质主链构象的结构单元),-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet )-转角 ( -turn )无规卷曲 ( random coil ),（一） -螺旋,螺旋,定义:多肽链中肽平面通过-碳原子的相对旋转,沿长轴的方向按规律盘绕形成的紧密盘曲构象。,特点: 右手螺旋 3.6AA/圈 氢键稳定构象 R基团在螺旋外侧影响构象,（二）-折叠,片层结构,定义: 一种比较伸展、呈锯齿状的肽链结构特点： 氢键垂直于折叠的长轴 两平面夹角110
8、 反向平行稳定,-折叠一般与结构蛋白的空间构象有关，但也存在与某些球状蛋白中，如溶菌酶,（三）-转角和无规卷曲,1、-转角,2、无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体/基序（motif）,锌指基序,各种蛋白依其一级结构特点在多肽链的不同区域 可形成不同的二级结构,三、蛋白质的三级结构,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。,（一） 定义,纤连蛋白分子的结构域 及其配体,（二）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，称为结构域(domain) 。,肌红蛋白
9、 (Mb) 血红蛋白（Hb）亚基,亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,四、蛋白质的四级结构,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。,有些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)。,血红蛋白的四级结构,人血红蛋白 蚯蚓血红蛋白 四级结构,蛋白质结构与功能的关系,（一）一级结构是空间构象的基础 多肽链中AA的排列顺序决定了肽链的折叠、盘曲方式,一、蛋白质一级结构与功能的关系,e.g. 脯氨酸由于其亚氨基少一个氢原子，无法形成氢键，而且CN键不能旋转，所以是螺旋的破坏者，肽链中出
10、现脯氨酸就中断螺旋，形成一个“结节”。,（二）一级结构与功能的关系,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”。,只是一个氨基酸之差，患者的红细胞在缺氧状态下变成镰刀形，异常血红蛋白(HbS)从球状变为纤维状，而且易于在红细胞中析出。,（二）一级结构与功能的关系,例2：苯丙酮尿症（PKU）R243Q、Y204C、Y356X、R111X、R413P、R252Q、Y161S 等AA点突变,PKU患儿,PKU发病机制,新生儿 PKU 检测,美赞臣投入超2000万 PKU患儿救助5年计划启动,救助计划将以3年为一期，向中西部地区22个省份的500名PKU新生儿免费提供P
11、KU特殊奶粉，开展各地新生儿疾病筛查中心医务人员的培训、新生儿疾病筛查和PKU疾病的健康知识普及。,（三）蛋白质空间构象改变与疾病,蛋白质构象疾病：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理：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、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,小结,*蛋白质结构的概念、作用力蛋白质结构与功能的关系,课后练习,对蛋白质的各级结构列表总结。维持蛋白质各级的作用力是什
12、么？举例说明蛋白质一级结构与功能的关系及空间结构与功能的关系？,第三节 蛋白质的理化性质,一、蛋白质的两性电离和等电点,可解离基团： N-terminal NH2 -NH3+ C-terminal COOH R侧链,蛋白质的两性电离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。,一级结构不同 蛋白质pI不同,蛋白电泳,血清中含有清蛋白、
13、球蛋白、球蛋白、球蛋白和各种脂蛋白等。,人血清蛋白质的分类，等电点，分子量及迁移率,二、蛋白质的胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，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,透析,沉降系数(S),密度梯度离心,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,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。,造成变性的因素加热、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
14、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。,变性核糖核酸酶的复性,PS：变性、复性针对的是蛋白质的活性而言。,蛋白质沉淀蛋白质变性后，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。,蛋白质的沉淀,变性的蛋白易于沉淀 沉淀的蛋白不一定变性,e.g.盐析,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、蛋白质的紫外吸收
15、性质,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、蛋白质的呈色反应,（一）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。,（二）茚三酮反应(ninhydrin reaction) 弱酸条件下，蛋白质经水解后产生的游离-氨基可发生茚三酮反应。,（三）Folin-酚反应碱性条件下，蛋白质中的Tyr残基能与酚试剂反应生成蓝色化合物。Lowry法测定蛋白质浓度的原理：蛋白质在碱性溶液中其肽键与Cu2+螯合，形成蛋白质-铜复合物，此复合物使酚试剂的磷钼酸还原，产生蓝色化合物，在一定条件下，利用蓝色深浅与蛋白质浓度的线性关系作标准曲线并测定样品中蛋白质的浓度。,小结,蛋白质的理化性质 一、两性解离与pI 二、胶体性质 三、变性、沉淀与凝固 四、UV吸收 五、呈色反应,课后练习,蛋白质pI的定义和应用。什么是蛋白质的变性作用？变性后蛋白有什么特点？举例说明实际工作中应用和避免蛋白质变性的例子。简述蛋白质沉淀的原理、方法和应用。,
