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1、单元1 生物大分子 第一节 蛋白质的结构与功能,什么是蛋白质?,蛋白质（Protein）： 是一类由氨基酸通过肽键连接而成的具有特定空间结构的高分子含氮化合物，是一切生命体的重要组成成分。,“头等重要的，原始的”,是构成组织细胞的最基本物质 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。,蛋白质的生理功能,2. 是生命活动的物质基础 1）作为生物催化剂（酶）,2）物质的转运和存储,血红蛋白 运输氧 铜蓝蛋白 运输铜 铁 蛋 白 贮存铁,3）运动与支持作用,机体的结
2、构蛋白：肌肉、头发、骨骼、牙齿等,4）免疫保护作用,抗原抗体反应,5）凝血功能,6）其他作用,参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控：如激素或生长因子等 参与细胞间信息传递：信号传导中的受体、信息分子等,3. 氧化供能,一、蛋白质的分子组成,元素 基本组成单位 氨基酸 氨基酸结构通式和分类 氨基酸在蛋白质中的连接方式,元 素,1. 组成特点：主要含有C、H、O、N 、S 少量含有P、 Se 金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo 个别含有 I 2. 蛋白质 N（16%） 100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,凯氏定氮法,基本组成单位 氨基
3、酸（amino acid）,氨基酸结构通式,L-氨基酸,D-氨基酸,特点： -氨基酸 L- -氨基酸 R 各不相同,甘氨酸和 脯氨酸除外,对于氨基酸分子，有所谓CORN原则来确定D/L异构体，CORN指的是氨基酸分子中的：COOH, R, NH2 和 H（R是侧链基团） CORN以C为旋转中心，由H原子开始，如果CORN形成右手螺旋则为D-型，如果形成左手螺旋则为L-型。,L-型,D-型,氨基酸的分类（20种编码氨基酸AA/aa）,必需氨基酸：8种 “一两色素本来淡些” （异亮、亮、色、苏、苯丙、赖、蛋、缬）,非必需氨基酸,非极性疏水性氨基酸,甘,异亮,丙,缬,亮,苯,脯,极性中性氨基酸,丝,
4、苏,酪,半,天胺,色,蛋,谷胺,酸性氨基酸,谷,天,侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。,碱性氨基酸,赖,精,组,侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。,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,半胱氨酸,胱氨酸,蛋白质中氨基酸的连接方式,通过肽键相连-蛋白质中的主要化学键,肽（二肽、三肽寡肽、多肽） 多肽链、多肽主链、多肽侧链、氨基酸残基 多肽的书写：如 H-甘-丙-谷组-蛋-OH,简写成：丙甘天冬,谷胱甘肽(glutathione, GSH),谷氨酰半胱氨酰甘氨酸,GSH
5、有抗氧化剂的作用，可还原细胞内产生的过氧化氢,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,促甲状腺释放激素,抗利尿素与催产素(9肽)、胰高血糖素（29肽）、脑啡肽（5肽）、 降钙素（32肽）、 ACTH（39肽）、胰岛素（51肽）、肌肽（2肽）、 P物质（10肽、属神经肽类）、内啡肽（31肽）,二、蛋白质的分子结构与功能,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,空间结构,一级结构,一级结构：从N末端至C末端的氨基酸排列顺序 基本结构键： 肽键（有些蛋白质还包括二硫键）,第一个被确定一级结构的蛋白质,一级结构是蛋白质空间结构和特异生物学功能的基础。,空间结构,空间结构（构象）：
6、分子内各原子的空间排布 蛋白质在一级结构的基础上，分子单键旋转而盘曲、折叠形成特定空间构象。 空间结构包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。,二级结构：多肽主链原子局部空间排列,肽键平面随C两侧单键旋转而构成的排布,二级结构的基础,二级结构基本形式,-螺旋,右手螺旋 每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基 螺旋上升一圈高度为0.54nm 相邻螺旋间形成氢键（数量大，构象稳定） R侧链基团伸向螺旋外侧,-螺旋结构特点,肌红蛋白,毛发横切面和毛发-角蛋白的结构,-折叠,-折叠结构特点,伸展锯齿状，平面夹角110，-R位于上下 涉及的肽段较短，一般为510个氨基酸残基 折叠结构间靠氢键相连 肽链走向可以
7、相同也可以相反，走向相反更为稳定,反向平行结构更稳定,蛛丝蛋白结构,溶菌酶,-转角结构及特点,多肽链180回折处 4个氨基酸残基构成 第1个和第4个构成氢键,不规则卷曲,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。 相对没有规律性的排布，但是其同样表现重要生物学功用。,细胞色素C的三级结构,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-折叠，它就会出现相应的二级结构。,三级结构：是指整条肽链中全部氨基酸残基的相 对空间排布，即整条肽链所有原子在三维空间的 排布位置。 （由于-R侧链间的相互作用进一步折叠） 主要的化学键：疏水作用、离子键、氢键、 范德华力
8、、二硫键等,主要的化学键（维系力）,氢键、离子键、疏水键、范德华力等。,疏水基团埋藏在分子内部 亲水基团暴露在分子表面,肌红蛋白结构,肌红蛋白为单肽链蛋白质，含153个氨基酸残基，它含有8个螺旋区，并含有转角等二级结构。,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。,蚯蚓血红蛋白中四个 -螺旋组成的结构域,两个铁原子,免疫球蛋白 -折叠结构域,四级结构： 2条或2条以上的具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互聚合形成的三维空间构象。 每一条都具有完整三级结构的多肽链，称为亚基。 主要的化学键：疏水键、氢键、盐键、范德华力 优
9、势：对称性、结构稳定性、提高遗传效率,血红蛋白结构,血红蛋白结构,蛋白质结构与功能的关系,一级结构是空间结构与功能的基础 功能活性依赖特定空间结构,一级结构是空间结构与功能的基础,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,透析去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态， 无活性,不同哺乳类动物胰岛素功能相似，因为一 级结构中氨基酸及排列顺序差别不大。,S S,S S,S S,N,N,A链 21AA,B链 30AA,胰岛素 A8 A10 B30 人 苏 异亮 苏 牛 丙 缬 猪 丙,-链N端氨基酸排列顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 （正常人） Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-
10、Lys （患 者） Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys,例：镰刀形红细胞性贫血,一级结构与疾病,正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图,功能活性依赖特定空间结构,蛋白质空间结构改变与疾病,若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但其空间结构发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。（蛋白质构象疾病）,致病机理：蛋白质错误折叠后相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性。,疯牛病中的蛋白质构象改变 疯牛病是由朊病毒蛋白(PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。 正常的PrP富含-螺旋，在某种未知蛋白质的作用下可转变成为全-折叠，从而致病。,（一）按
11、组成分类（单纯蛋白质、结合蛋白质）,单纯蛋白质,三、蛋白质的分类,（二）按分子形状分类,球状蛋白质,纤维状蛋白质,活性蛋白质 （如酶、激素蛋白、转运蛋白、运动蛋白、 保护和防御蛋白、受体蛋白）,（三）按功能分类,非活性蛋白质（如角蛋白、胶原蛋白）,结合蛋白质,（一）两性解离和等电点 （二）胶体性质 （三）变性、沉淀和凝固 （四）紫外吸收性质 （五）呈色反应,四、蛋白质的理化性质及应用,（一）两性解离和等电点,当溶液处于某一定pH值时，某蛋白质分子不解离，或解离成阳离子和阴离子的趋势相等，即净电荷为零，呈兼性离子状态，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点 （pI）。,电泳,电泳：带电粒子在电场中
12、向相反电极移动的现象 蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。通过这种技术能将混合蛋白质分离、纯化。,（二）胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量多在1万至10kD万之间，其分子的直径可达1100nm，为胶体颗粒范围之内。,* 蛋白质胶体稳定的因素 水化膜 颗粒表面电荷,溶液中蛋白质的聚合沉淀,透析,蛋白质大分子 不能透过半透膜,分离纯化蛋白质,（三）变性、沉淀和凝固,* 蛋白质的变性 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。,引起变性的因素: 物理、化学与生物学因素
13、 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 。,变性的本质, 破坏非共价键和二硫键，使蛋白质分子从严密有规则的空间结构变成松散紊乱的结构状态，不改变蛋白质的一级结构。,变性后的特点,溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，生物学活性丧失，易沉淀，易被蛋白酶降解。,应用举例 酒精消毒及灭菌。 高温、高压灭菌 乳品解毒（用于解救重金属中毒） 防止蛋白质变性以有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）。,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。,* 蛋白质沉淀 在一定条件下，蛋白质疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，从溶液中析出的现象。
14、变性的蛋白质易于沉淀，沉淀的蛋白质不一定变性。（如盐析） 盐析：在蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐，破坏蛋白质的胶体稳定性，使之从溶液中沉淀。,水化膜,+H+,+OH-,+OH-,+OH-,+H+,+H+,溶液中蛋白质的聚合沉淀,带负电荷的蛋白质,* 蛋白质的凝固作用 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）紫外吸收性质,由于蛋白质分子中含有酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。吸收值与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,（五）呈色反应,双缩脲反应 蛋白质定量、定性 茚三酮反应 测定常用方法,核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可
15、缺少的组成部分。 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。 因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。,第二节 核酸的结构与功能,核酸的分类及分布,90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。,分布于细胞核、细胞液。,脱氧核糖核酸 (DNA),核糖核酸 (RNA),携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,一、核酸的分子组成,(1) 嘌呤,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),碱 基,N,N,H,N,H,N,N,H,2,O,(2) 嘧啶,胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),戊 糖（五碳糖）,核 苷,核苷酸的连接方式,核苷酸（脱氧核苷酸）之间以磷酸二酯键连接形成多聚核苷酸链（多聚脱氧核苷酸链），即核酸。,碱基 （腺嘌呤）,戊糖（核糖）,磷 酸, 点击观察结构变化 ,核苷或者脱氧核苷中戊糖5-OH与磷酸通过酯键相连,核 苷 酸,O,腺苷,碱基,戊糖,核苷
