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1、,第三部分 蛋白质的组成及分子结构,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,蛋白质的生物学功能,蛋白质的分类,1. 根据蛋白质组成成分，可分为： 单纯蛋白质 不含有非蛋白质部分，水解后的最终产物只有氨基酸。 结合蛋白质 由单纯蛋白和辅基 (无机离子或有机化合物) 结合而成的蛋白质。 2. 根据蛋白质形状，可分为： 纤维状蛋白质 球状蛋白质,结合蛋白质及其辅基,第一节 蛋白质的基本组成单位及其连接方式,一、蛋白质的基本组成单位 氨基酸,(一) 氨基酸的结构与分类,C 的基本结构,COOH,H2N
2、,R,CH,R 基团,-碳原子 (C ),1. 结构 (1) 与羧基相邻的 -碳原子上都有一个氨基，因而称为 -氨基酸；生物体内构成蛋白质的 20 种氨基酸均为 -氨基酸。,L-构型,D-构型,(2) 除甘氨酸外，其他氨基酸分子中的 -碳原子为不对称碳原子，使氨基酸具有旋光性。每一种氨基酸具有 D-型和 L-型两种立体异构体。 天然蛋白质中氨基酸都为 L-型。,2. 分类 (1) 按 R 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 极性中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 (2) 中性氨基酸按 R 基团的结构不同分为： 脂肪族氨基酸 含硫氨基酸 芳香族氨基酸 亚氨基酸 羟基氨基酸
3、 酰胺类氨基酸,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 半胱氨酸 Cysteine Cys C 丝氨酸 Serine Ser S 色氨酸 Tryptophan Trp W 酪氨酸 Tyrosine Tyr Y 甲硫氨酸 Methionine Met M 苏氨酸 Threonine Thr T 谷氨酰胺 Glutamine Gln Q 天冬酰胺 Asparagine
4、Asn N 赖氨酸 Lysine Lys K 精氨酸 Arginine Arg R 组氨酸 Histidine His H 天冬氨酸 Aspartic Acid Asp D 谷氨酸 Glutamic acid Glu E,(二) 氨基酸的理化性质 1. 氨基酸的两性解离 (amphoteric dissociation) 与等电点 (isoelectric point) 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。 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
5、为该氨基酸的等电点。,2. 氨基酸的紫外吸收和呈色反应,色氨酸与酪氨酸在接近 280 nm 波长处有吸收峰，且与其含量呈正比，可用于蛋白质的定量分析。,三种芳香族氨基酸的紫外吸收光谱,茚三酮反应 (Ninhydrin reaction),蓝紫色化合物的最大吸收峰在 570 nm 处，茚三酮反应为氨基酸定量分析方法。,二、氨基酸在蛋白质中的连接方式 肽键,肽键是由一个氨基酸的 -羧基与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合形成的化学键,肽链的书写：一般从 N 端向 C 端书写，N 端在左侧，C 端在右侧。,两个半胱氨酸的 -SH 基脱氢生成二硫键 (-S-S-),第二节 蛋白质的分子结构,高级结构或空间
6、构象,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,一、蛋白质的一级结构,(一) 蛋白质一级结构的概念 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中，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 胰岛素的一级结构： A 链由 21 个氨基酸残基组成，B 链由 30 个氨基酸残基组成，A 链含一个链内二硫键， A 链与 B 链之间有二个二硫键,胰岛素由 A、B 两条多肽链组成，A 有一个链内二硫键，A 与 B 之间有两个链间二硫键。由于两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。,人胰岛素的一级结构,(二) 多肽链的氨基酸序列分析 1. Edman 降解法分析多肽链的N 端氨基酸序列
7、2. 质谱法分析多肽链的氨基酸序列 用蛋白水解酶水解多肽链成小片段； 测定小片段的序列； 拼出完整的多肽链序列。,Edman 降解法,PITC,二、蛋白质的空间结构,(一) 蛋白质的二级结构 (secondary structure) 指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。,维系二级结构的主要化学键：氢键 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),-螺旋 (右手螺旋),-折叠 (顺向平行),-折叠 (反向平行),-转
8、角：多肽链中肽段出现 180 回折时的结构。,-转角多由 4 个氨基酸残基组成，第 1 个氨基酸的羰基氧与第 4 个氨基酸残基的氨基氢形成氢键。,无规卷曲： 没有确定规律性的那部分肽链结构。,反向平行 -折叠,无规卷曲,限制性内切酶 BamHI 中的二级结构,模体 (motif) 在许多蛋白质的分子中，二个或三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；或者仅是一个具有特定功能的很短的肽段。 螺旋-转角-螺旋模体：存在于 DNA 结合蛋白中 锌指模体：存在于 DNA 结合蛋白中 精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸 (RGD)：是蛋白质与蛋白质之间相互结合的靶点,螺旋-转角-螺旋 (HTH)
9、 模体 由 2 个-螺旋和 1 个 -转角构成，其中 -螺旋结合于 DNA 分子的深沟中。,锌指 (Zinc finger) 模体 Zn 原子与两对半胱氨酸 (或一对半胱氨酸，一对组氨酸) 残基的侧链相结合，形成手指状结构。,1 个 -螺旋 2 个反向平行的 -折叠,锌指结构镶嵌于 DNA 双螺旋的大沟,类固醇激素受体的结构,(二) 蛋白质的三级结构 (tertiary structure) 蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即多肽链中所有原子 (包括主链和侧链) 在三维空间的排布位置。 稳定三级结构的化学键： 氢键 离子键 (盐键) Van der Waals 力
10、疏水作用 有些蛋白质的二硫键也是维系其三级结构稳定性的重要因素。,次级键 (非共价键 ),氢键的结合力较弱，受温度、离子强度与 pH 的影响。 盐键是带电基团的相互吸引，受离子强度与 pH 的影响。 Van der Waals 力是原子间的相互吸引力。 疏水作用是非极性侧链之间排斥水而相互聚集的吸引作用。,蛋白质的结构域 (domain) 具有二级结构的多肽链，特别是长的多肽链在形成三级结构时，可能组合成数个相互连续而又相对独立的疏密不等的区域，各行使其功能，这些区域称为结构域。,Src 蛋白的三个结构域,SH2 和 SH3 分别识别、结合蛋白质的相关结构。,(三) 蛋白质的四级结构 (qua
11、ternary structure),许多蛋白质含有两条以上具有独立三级结构的多肽链，这些多肽链通过非共价键相互连接形成的多聚体结构称为蛋白质的四级结构。每条具有独立三级结构的多肽链则称为此蛋白质的亚基 (subunit)。 氢键 离子键 (盐键) Van der Waals 力 疏水作用,稳定四级结构的化学键,血红素,成人血红蛋白由 2 条 链和 2 条 链组成，每一亚基含一个血红素分子。,血红蛋白的四级结构,(四) 蛋白质空间结构的确定 X 射线晶体分析 (X-ray crystallography) 核磁共振光谱分析 (nuclear magnetic resonance spectro
12、scopy),蛋白质结晶,三、蛋白质结构与功能的关系,1. 蛋白质一级结构的变化导致其空间结构及功能的改变。 镰刀型贫血的致病机理,2. 一级结构差别很大的蛋白质可能有相似的空间结构 八种不同来源的胰岛素分子中存在氨基酸组成的差异，但不影响胰岛素的生物活性。,第三节 蛋白质的理化性质及其 提取、纯化原理,(一) 蛋白质的两性解离 在一定 pH 条件下，蛋白质所带的正、负电荷相等，净电荷为零，蛋白质成为兼性离子，此时溶液的 pH 称为该蛋白质的等电点。,一、蛋白质的理化性质,蛋白质 带正电荷,蛋白质 带负电荷,(二) 蛋白质的胶体性质 蛋白质的分子量为 10 - 1000 kD，分子直径为 1
13、- 100 nm，属胶体颗粒。 蛋白质是亲水胶体，球状蛋白质分子的亲水基团位于分子的表面，与水结合，形成包绕分子表面的水化膜。 蛋白质胶体稳定的因素： 水化膜 胶体颗粒表面的电荷,(三) 蛋白质的变性与沉淀 1. 蛋白质的变性 (denaturation) 在某些物理和化学因素作用下，蛋白质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。 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。 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,天然状态，有活性,加入尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,蛋白质的变性与复性,若蛋白
14、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) 。,2. 蛋白质沉淀 (precipitation) 蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀。 若去除蛋白质的水化膜和中和其电荷，蛋白质便发生 沉淀。 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) 蛋白质的紫外吸收与呈色反应,1. 蛋白质的紫外吸收 蛋白质分子中的酪氨酸和色 氨酸含有共轭双键，在 280 nm 处有特征性
15、吸收峰。,2蛋白质的呈色反应 双缩脲反应 酚试剂呈色反应 考马斯亮蓝法,二、蛋白质的提取与纯化原理,SDS-聚丙烯酰胺凝胶 (polyacrylamide gel electrophoresis, PAGE ) 电泳，常用于测定蛋白质的分子量及其纯度。,样品,M,样品,等电聚焦 (isoelectric focusing, IEF) 在 pH 呈梯度的电场中，不同等电点的蛋白质带有不同的电荷并向相反电极方向泳动。当蛋白质迁移到与其等电点相同的 pH 时，该蛋白质便因不带电荷而停止泳动。,+ (H2SO4),pH3,pH10,+ (H2SO4),- (NaOH),pI 4.5 5.1 6.0 7.9 8.1,pH3,pH10,- (NaOH),双向凝胶电泳 (2-D electrophoresis),双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。,蛋白质组 (proteome) 一个组织或一个细胞中基因组所表达的全部蛋白质，或在特定条件下，一个细胞内所存在的所有蛋白质。,蛋白质组学 (proteomics) 研究和阐述在不同条件下，蛋白质组中全部蛋白质的结构、性质与功能，影响因素及其相互联系。,
