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1、第五节第五节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、一级结构与功能的关系 蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。切相关。 1、同功能蛋白质一级结构的种属、同功能蛋白质一级结构的种属差异与分子进化差异与分子进化同功能蛋白质：不同生物体中表现同一功能的蛋白质，又称同源蛋白质。对比不同生物的同源蛋白质的氨基酸序列可以发现，它们长度相同或相近，而且许多位置的氨基酸是相同的。这些相同的氨基酸残基称为不变残基不变残基。不变残基对于同源蛋白的功能是必需的。其它对于不同种属有相当大变
2、化的残基称为可变残基可变残基。根据可变残基能推测生物种属间在系统发生上的联系。同源蛋白质的氨基酸序列的相似性称为顺顺序同源性序同源性。生物生物与人不同的与人不同的AAAA数目数目黑猩猩黑猩猩0恒河猴恒河猴1兔兔9袋鼠袋鼠10牛、猪、羊、牛、猪、羊、10狗、驴狗、驴11马马12鸡、火鸡鸡、火鸡13不同生物与人的不同生物与人的CytcCytc的的AAAA差异数目差异数目生物生物与人不同的与人不同的AAAA数目数目响尾蛇响尾蛇14海龟海龟15金枪鱼金枪鱼21角饺角饺23小蝇小蝇25蛾蛾31小麦小麦35粗早链孢霉粗早链孢霉43酵母酵母44根据细胞色素根据细胞色素C的的顺序种属差异建立顺序种属差异建立起
3、来的进化树起来的进化树2、一级结构的变异与分子病分子病：由于基因突变导致蛋白质一级结构发生变异，使蛋白质的生物学功能减退或丧失，甚至造成生理功能的变化而引起的疾病，称为分子病。镰刀状红细胞贫血病镰刀状红细胞贫血病正常红细胞与正常红细胞与镰刀形红细胞镰刀形红细胞的扫描电镜图的扫描电镜图 -链链N端氨基酸排列顺序端氨基酸排列顺序12345678Hb-A（正常人）（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHb-S（患（患者）者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys镰刀形红镰刀形红细胞细胞正常红正常红细胞细胞2、空间结构与功能的关系核糖核酸酶的变
4、性与复性一级结构是空间构象的基础一级结构是空间构象的基础牛核糖核酸酶的一牛核糖核酸酶的一级结构级结构二二硫硫键键 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Anfinsen实验肌红蛋白与血红蛋白的结构与功能肌红蛋白与血红蛋白的结构与功能目目录录肌红蛋白(Mb)由153个氨基酸残基组成,血红蛋白(Hb)的亚基有141个氨基酸,亚基有146个氨基酸残基。Mb and Hb的两种亚基氨基酸残基数和序列均有变化，但它们的三级结构几乎完全相同。说明肌红蛋白和血红蛋白的亚基和亚基都起源于一个共同的祖
5、先。在血红蛋白和肌红蛋白分子中与辅基血红素相连的氨基酸都是组氨酸。说明不同氨基酸序列中只有关键的氨基酸不变才能产生相同的构象，执行相同的功能。这种关键氨基酸通常提供形成蛋白质构象的必要基团。肌红蛋白和血红蛋白的每条链都含一个血红素辅基。血红素由四个吡咯环构成的原卟啉和一个铁离子组成。作为亚铁离子，可形成6个配位键：其中4个与卟啉与环的氮原子连接，第五个与His93相连，第六个与氧可逆结合附近有个His64辅助氧的结合。血红蛋白与氧结合的协同性肌红蛋白与血红蛋白都能与氧结合，但肌红蛋白是单体蛋白而血红蛋白是四聚体蛋白。血红蛋白氧饱和度在溶液中血红蛋白分子上已结合氧的位置数与可结合氧的位置数之比称
6、为饱和度（saturation)。肌红蛋白氧饱和度P O2=13.33kPaP O2=2.67kPaHb释放氧Mb释放氧Mb和和Hb的氧合曲线比较的氧合曲线比较HbHb的输氧功能的输氧功能MbMb的储氧功能的储氧功能血红蛋白与氧结合的分子机制脱氧血红蛋白亚脱氧血红蛋白亚 基间的交联键基间的交联键第六节蛋白质的性质第六节蛋白质的性质 蛋白质两性解离性质和等电点蛋白质两性解离性质和等电点pH=pI净电荷净电荷=0pHpI净电荷为负净电荷为负PrCOOHNH3+H+OH-+H+OH-PrCOO-NH2PrCOO-NH3+ 当当蛋蛋白白质质溶溶液液在在某某一一定定pH值值时时，使使某某特特定定蛋蛋白白
7、质质分分子子上上所所带带正正负负电电荷荷相相等等，成成为为两两性性离离子子，在在电电场场中中既既不不向向阳阳极极也也不不向向阴阴极极移移动动，此此时时溶溶液液的的pH值值即即为为该该蛋蛋白白质质的的等等电点电点 （isoelectric point，pI）蛋白质电泳蛋白质在溶液中解离成带电颗粒，在电场中可以向与其电荷相反的电极移动，这种现象称为：电泳电泳不同种类的蛋白质由于等电点的不同，在一个指定pH条件下所带电荷的性质和多少也不相同，加上它们分子量大小、颗粒形状的不同，因此在电场中移动的方向和速度各不相同。根据这一原理可用此方法对蛋白质进行分离和分析。1）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。）
8、圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。2）平板电泳：铺有凝胶的平板上进行的电泳。）平板电泳：铺有凝胶的平板上进行的电泳。+ -+ 聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳 既可以作为蛋白质纯度检验方法，也可以既可以作为蛋白质纯度检验方法，也可以纯化、制备蛋白质。纯化、制备蛋白质。PAGE垂垂直直平平板板电电泳泳示示意意图图低低浓度浓度浓缩浓缩胶胶高高浓度浓度分离分离胶胶聚丙烯酰胺凝胶电泳具有三种物理效应：聚丙烯酰胺凝胶电泳具有三种物理效应： 浓缩效应浓缩效应 分子筛效应分子筛效应 电荷效应电荷效应蛋白质胶体性质蛋白质胶体性质 由由于于蛋蛋白白质质分分子子量量很很大大，在在水水溶溶液液中中形形成成1-1
9、00nm1-100nm的的颗颗粒粒，因因而而具具有有胶胶体体溶溶液液的的特特征征。可可溶溶性性蛋蛋白白质质分分子子表表面面分分布布着着大大量量极极性性氨氨基基酸酸残残基基，对对水水有有很很高高的的亲亲和和性性，通通过过水水合合作作用用在在蛋蛋白白质质颗颗粒粒外外面面形形成成一一层层水水化化层层，同同时时这这些些颗颗粒粒带带有有电电荷荷，因因而而蛋蛋白白质质溶溶液液是是相相当当稳定的亲水胶体。稳定的亲水胶体。+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
10、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蛋白质胶体性质的应用蛋白质胶体性质的应用透析法透析法:利用蛋白质不能透过半透膜的的性利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析蛋白质的目的。这种方法称为透析（dialysis）。）。 透析与超过滤简易装置透析与超过滤简易装置蛋白质的分子
11、量及其测定蛋白质的分子量及其测定蛋白质的相对分子量很大，一般在104106或更大。蛋白质的分子量除了根据其化学组成来测定外，主要是利用蛋白质的某些物理化学性质来测定。1、沉降速度法是利用超速离心机测定蛋白质相对分子量是利用超速离心机测定蛋白质相对分子量的一种方法。的一种方法。将蛋白质溶液放在超速离心机的离心管中将蛋白质溶液放在超速离心机的离心管中进行超速离心。进行超速离心。60 00080 000rpm.使蛋白质分子沉淀下来，当蛋白质的分子使蛋白质分子沉淀下来，当蛋白质的分子大小和形状相同时下沉速度也会相同，在大小和形状相同时下沉速度也会相同，在离心管中产生一个明显的界面，利用光学离心管中产生
12、一个明显的界面，利用光学系统可以观察到此界面的移动，从而测定系统可以观察到此界面的移动，从而测定蛋白质的沉降速度。蛋白质的沉降速度。超离心法最为准确，但需昂贵的超速离心机。超离心法最为准确，但需昂贵的超速离心机。用光学方法测定界面移动的速度即为蛋白质的离心用光学方法测定界面移动的速度即为蛋白质的离心沉降速度。沉降速度。蛋白质的沉降速度与分子大小和形状有关，因为沉蛋白质的沉降速度与分子大小和形状有关，因为沉降系数降系数S大体上和分子量成正比关系，故可应用超大体上和分子量成正比关系，故可应用超速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状高度不速离心法测定蛋白质分子量，但对分子形状高度不对称的大多数纤维状
13、蛋白质不适用。对称的大多数纤维状蛋白质不适用。离离心心机机结结构构示示意意图图转头转头转头腔转头腔沉降样品沉降样品驱动马达驱动马达真空真空冷冻冷冻沉降系数沉降系数(sedimentation coefficient, S)一种蛋白质在单位离心力场里的沉降速度。一种蛋白质在单位离心力场里的沉降速度。常用常用S（Svedberg unit)表示。表示。 s=v2x v=沉降速度（沉降速度（dx/dt）=离心机转子角速度（弧度离心机转子角速度（弧度/s） x=蛋白质界面中点与转子中心的距离蛋白质界面中点与转子中心的距离（cm）已测得许多蛋白质的已测得许多蛋白质的S值都在值都在110-1320010-
14、13之间，因此，采用之间，因此，采用110-13S作为沉降系数的一个单位。作为沉降系数的一个单位。例如：某蛋白质的沉降系数为例如：某蛋白质的沉降系数为3010-13S，可用可用30S表示。表示。由沉降系数由沉降系数S可根据斯维得贝格可根据斯维得贝格Svedberg方方程计算蛋白质分子的相对分子质量：程计算蛋白质分子的相对分子质量： M=RST/D1i R：气体常数：气体常数 T：绝对温度：绝对温度 D：扩散系数：扩散系数 i:蛋白质的偏微比容蛋白质的偏微比容 ：溶剂的密度：溶剂的密度2、凝胶过滤（、凝胶过滤（又称分子筛层析）是根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的方法之一。原理是：使用葡聚糖凝胶
15、（商品名Sephadex)和琼脂糖凝胶（商品名Sepharose）。该凝胶具有网状结构，网孔大小用交联剂与葡聚糖或琼脂糖的比例来实现。这些网孔只允许较小的分子进入珠内，而大于网孔的分子则被排阻。当用洗脱液洗脱时被排阻的大分子先洗脱下来，小分子后洗下来。交联葡聚糖（交联葡聚糖（Sephadex）凝胶过滤法凝胶过滤法当当kd=0时时，Ve=Vo，溶质全从，溶质全从Vo出来，出来，无分配。无分配。当当kd=1时时，Ve=Vo+Vi，溶溶质质全全进进筛筛子子，各各物物质质尽尽管管有有分分配配，但但各物质不能分开。各物质不能分开。当当0kd1时时，Ve=Vo+kdVi,各溶质具不同分配，得以分离。各溶质
16、具不同分配，得以分离。3、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳相对迁移率：蛋白质分子的移动距离与前沿物质移动距离的比值。相对迁移率与蛋白质相对分子质量的对数呈直线关系。蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀 如如果果加加入入适适当当的的试试剂剂使使蛋蛋白白质质分分子子处处于于等等电电点点状状态态或或失失去去水水化化层层（消消除除相相同同电电荷荷，除除去去水水膜膜），蛋蛋白白质质胶胶体体溶溶液就不再稳定并将产生沉淀。液就不再稳定并将产生沉淀。 沉淀方法类别沉淀方法类别: : 1 1、高浓度中性盐（盐析、盐溶）、高浓度中性盐（盐析、盐溶） 2 2、酸硷（等电点沉淀）、酸硷（等电点沉淀） 3 3、有机溶剂沉淀、有机溶剂沉淀
17、 4 4、重金属盐类沉淀、重金属盐类沉淀 5 5、生物碱试剂和某些酸类沉淀、生物碱试剂和某些酸类沉淀 6 6、加热变性沉淀、加热变性沉淀盐析法盐析法:在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有效地破坏蛋白铵、氯化钠等中性盐，可有效地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现象称为盐析（沉淀，这种现象称为盐析（salting out）。）。2.盐溶和盐析盐溶和盐析 盐溶：低浓度的中性盐在蛋白质分子表面形成双电层， 使蛋白质溶解度增加；
18、 盐析：高浓度的中性盐破坏蛋白质分子表面的水化层， 使蛋白质溶解度降低，发生沉淀析出。 分段盐析：不同蛋白质盐析所需的盐浓度不同，蛋白质溶液中，逐渐增大盐浓度，不同蛋白质先后析出，称分段盐析。3.有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法 a 有机溶剂（与水相溶）争取蛋白质颗粒上的水 膜，使之沉淀。 b 有机溶剂：乙醇、丙酮 c 低温操作，边加入边搅拌，防止局部过热，引 起变性，尽量缩短处理时间。 蛋白质变性与复性蛋白质变性与复性 蛋蛋白白质质各各自自所所特特有有的的高高级级结结构构，是是表表现现其其物物理理性性质质和和化学特性以及生物学功能的基础。化学特性以及生物学功能的基础。 当当天天然然蛋蛋白白质质受
19、受到到某某些些物物理理因因素素和和化化学学因因素素的的影影响响，使使其其分分子子内内部部原原有有的的高高级级构构象象发发生生变变化化时时，蛋蛋白白质质的的理理化化性性质质和和生生物物学学功功能能都都随随之之改改变变或或丧丧失失，但但并并未未导导致致其其一一级级结结构构的的变化，这种现象称为变性作用（变化，这种现象称为变性作用（denaturationdenaturation）。）。 表征表征：生物活性丧失；物理性质（溶解度、：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改变质（化学反应，被酶解性）改变 应用应用
20、：变性灭菌、消毒；变性制食品；：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老抗衰老 蛋白质复性蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为这种现象成为复性复性（renaturation）。）。蛋白质的紫外吸收光谱蛋白质的紫外吸收光谱 蛋蛋白白质质在在远远紫紫外外光光区区（200-230nm200-230nm）有有较较大大的的吸吸收收，在在280nm
21、280nm有有一一特特征征吸吸收收峰峰，可可利利用用这这一一特特性性对对蛋蛋白白质质进进行行定性定量鉴定。定性定量鉴定。蛋白质质量浓度蛋白质质量浓度/（mg/ml）=1.55A1cm-0.76A1cm280260测定范围：测定范围：0.10.5mg/ml蛋白质主要呈色反应蛋白质主要呈色反应 双缩脲反应双缩脲反应 酚试剂反应酚试剂反应 蛋白质定量、定性蛋白质定量、定性 茚三酮反应茚三酮反应 测定常用方法测定常用方法 双缩脲反应蛋白质在碱性溶液中也蛋白质在碱性溶液中也能与硫酸铜发生相同反应，能与硫酸铜发生相同反应，产生红紫色络合物产生红紫色络合物红紫色络合物红紫色络合物(硷性溶液硷性溶液)Cu2+
22、第七节第七节 蛋白质的分类蛋白质的分类根据分子根据分子形状分类形状分类球状蛋白质球状蛋白质纤维状蛋白质纤维状蛋白质结合结合蛋白质蛋白质根据组根据组成分类成分类简单简单蛋白质蛋白质活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、受体蛋白保护和防御蛋白、受体蛋白.）根据功根据功能分类能分类非活性蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）非活性蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）简单蛋白质分类简单蛋白质分类结合蛋白质分类结合蛋白质分类一、蛋白质的分离纯化一、蛋白质的分离纯化蛋白质分离纯化的一般原则蛋白质分离纯化的一般原则 提纯的目标：尽量提纯的目标：尽量提高蛋白质的纯度或提
23、高蛋白质的纯度或比活性比活性，设法除去变性的和不需要的蛋白质，设法除去变性的和不需要的蛋白质，尽可能尽可能提高蛋白质的产量提高蛋白质的产量。根据蛋白质的性质加以选择，如根据蛋白质的性质加以选择，如分子大小，溶分子大小，溶 解度、电荷、吸附性质及生物亲和力解度、电荷、吸附性质及生物亲和力等。等。第八节第八节 蛋白质的分离纯化蛋白质的分离纯化 1、从从组组织织细细胞胞中中溶溶解解放放出出蛋蛋白白质质，并并保保持持天天然然状状态态，常常用用低低温温冰冰冻冻、化化学学试试剂剂及及溶溶菌菌酶酶破破壁壁、破破膜膜，再再用用溶剂提取。溶剂提取。2、分离所需要蛋白质与其他蛋白质、分离所需要蛋白质与其他蛋白质a
24、等电点沉淀等电点沉淀b盐析和有机溶剂分级分离盐析和有机溶剂分级分离纯化：纯化：a离子交换层析离子交换层析b凝胶过滤层析凝胶过滤层析c亲和层亲和层析析d电泳方法电泳方法 一般程序：一般程序： 3、结晶提纯、结晶提纯 a 多次结晶，除杂蛋白和变性蛋白多次结晶，除杂蛋白和变性蛋白 b 结晶的最佳条件：略过饱和溶液结晶的最佳条件：略过饱和溶液 各步骤要求条件温和，并加少量杀菌剂。各步骤要求条件温和，并加少量杀菌剂。 防止蛋白质变性、蛋白质酶作用及微生物防止蛋白质变性、蛋白质酶作用及微生物污染。污染。问答题问答题1、为什麽说蛋白质是生命活动最重要的物质基础？、为什麽说蛋白质是生命活动最重要的物质基础？2
25、、试试比比较较Gly、Pro与与其其它它常常见见氨氨基基酸酸结结构构的的异异同同，它它们们对多肽链二级结构的形成有何影响？对多肽链二级结构的形成有何影响？3、试试举举例例说说明明蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的关关系系（包包括括一一级级结结构构、高级结构与功能的关系）。高级结构与功能的关系）。4、为什么说蛋白质水溶液是一种稳定的亲水胶体？、为什么说蛋白质水溶液是一种稳定的亲水胶体？5、什什麽麽是是蛋蛋白白质质的的变变性性？变变性性的的机机制制是是什什麽麽？举举例例说说明明蛋白质变性在实践中的应用。蛋白质变性在实践中的应用。名词解释名词解释等电点（等电点（pI） 肽键和肽链肽键和肽链 肽平面肽平面及二面角及二面角 一级结构一级结构 二级结构二级结构 三级三级结构结构 四级结构四级结构 超二级结构超二级结构 结结构域构域 蛋白质变性与复性蛋白质变性与复性 分子病分子病 肽肽
