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1、八第一章蛋白质结构及功能八第一章蛋白质结构及功能教学内容第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成一、一、蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成二、二、蛋白质的结构单位蛋白质的结构单位三、三、蛋白质的辅基蛋白质的辅基四、肽键和肽四、肽键和肽（一）（一）肽键与肽键平面肽键与肽键平面（二）（二）肽肽（三）（三）生物活性肽生物活性肽第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构一、一、一级结构一级结构二、二级结构二级结构三、三、三级结构三级结构四、四、四级结构四级结构五、五、维持蛋白质结构的化学键维持蛋白质结构的化学键第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、一、蛋白质一级结构与功
2、能的关系蛋白质一级结构与功能的关系二、二、蛋白质构象与功能的关系蛋白质构象与功能的关系第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质一、一、一般性质一般性质二、二、大分子性质大分子性质第五节第五节 蛋白质的分离、纯化与结构蛋白质的分离、纯化与结构分析分析蛋白质化学与中药蛋白质化学与中药2024/9/212第一节 蛋白质的分子组成蛋白质(Protein)是生命的物质基础，是生物体的基本组成成分，几乎所有的细胞和组织都含蛋白质。蛋白质是组织细胞的结构成分，并参与几乎所有的生命活动。蛋白质在物质转运、物质代谢、遗传信息控制、损伤修复、信号转导、免疫防御等以及高等动物的识别与记忆、感觉与思维等方面都起
3、着重要的作用。2024/9/213一、蛋白质的元素组成 蛋白质主要由C、H、O、N四种元素组成，还含有少量的S。N元素是蛋白质的特征元素，在蛋白质分子中的含量比较恒定，约占16%。因此，可通过测定样品中的含N量来计算出蛋白质的含量。样品蛋白质含量 = 样品含氮量2024/9/214二、蛋白质的结构单位（一）氨基酸的结构合成天然的蛋白质的氨基酸共有20种，称为标准氨基酸，它们具有相应的遗传密码。20种标准氨基酸中，脯氨酸是-亚氨基酸，其余都是-氨基酸。20种标准氨基酸中，除甘氨酸以外，其余19种氨基酸的-碳原子都是手性碳原子，均为L-氨基酸。2024/9/215氨基酸的结构2024/9/216（
4、二）氨基酸的分类分类依据分类依据分类依据分类依据分分分分 类类类类R R基结构与基结构与基结构与基结构与性质性质性质性质非极性脂肪族非极性脂肪族非极性脂肪族非极性脂肪族R R基氨基酸、极性不带电荷基氨基酸、极性不带电荷基氨基酸、极性不带电荷基氨基酸、极性不带电荷R R基氨基酸、芳香族基氨基酸、芳香族基氨基酸、芳香族基氨基酸、芳香族R R基氨基酸、基氨基酸、基氨基酸、基氨基酸、带正电荷带正电荷带正电荷带正电荷R R基氨基酸、带负电荷基氨基酸、带负电荷基氨基酸、带负电荷基氨基酸、带负电荷R R基氨基酸基氨基酸基氨基酸基氨基酸R R基酸碱性基酸碱性基酸碱性基酸碱性酸性氨基酸、碱性氨基酸、中性氨基酸酸
5、性氨基酸、碱性氨基酸、中性氨基酸酸性氨基酸、碱性氨基酸、中性氨基酸酸性氨基酸、碱性氨基酸、中性氨基酸人体内能否人体内能否人体内能否人体内能否自己合成自己合成自己合成自己合成必需氨基酸、非必需氨基酸必需氨基酸、非必需氨基酸必需氨基酸、非必需氨基酸必需氨基酸、非必需氨基酸分解产物进分解产物进分解产物进分解产物进一步转化一步转化一步转化一步转化生糖氨基酸、生酮氨基酸、生糖兼生酮氨基生糖氨基酸、生酮氨基酸、生糖兼生酮氨基生糖氨基酸、生酮氨基酸、生糖兼生酮氨基生糖氨基酸、生酮氨基酸、生糖兼生酮氨基酸酸酸酸2024/9/2171.非极性脂肪族R基氨基酸习惯名称习惯名称习惯名称习惯名称符号符号符号符号分子量
6、（分子量（分子量（分子量（DaDa）p pK K1 1p pK K2 2p pK KR R等电点等电点等电点等电点甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸GlyGlyGG75752.342.349.609.605.975.97丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸AlaAlaA A89892.342.349.699.696.016.01脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸ProProP P1151151.991.9910.9610.966.486.48缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸ValValV V1171172.322.329.629.625.975.97亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸LeuLeuL L1311312.362.369.609.6
7、05.985.98异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸IleIleI I1311312.362.369.689.686.026.02甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸MetMetMM1491492.282.289.219.215.745.742024/9/2182.极性脂肪族不带电荷R基氨基酸习惯名称习惯名称习惯名称习惯名称符号符号符号符号分子量（分子量（分子量（分子量（DaDa）p pK K1 1p pK K2 2p pK KR R等电点等电点等电点等电点丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸SerSerS S1051052.212.219.159.155.685.68苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸ThrThrT T
8、1191192.112.119.629.625.875.87半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸CysCys C C1211211.961.9610.2810.288.188.185.075.07天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺AsAsn nN N1321322.022.028.808.805.415.41谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺GlnGlnQQ1461462.172.179.139.135.655.652024/9/2193.芳香族R基氨基酸其中酪氨酸的R基含酚羟基，具有极性。苯丙氨酸（R基为苯环）、色氨酸（R基为吲哚基）为非极性氨基酸。2024/9/2110习惯名称习惯名称习惯名称习惯
9、名称符号符号符号符号分子量（分子量（分子量（分子量（DaDa）p pK K1 1p pK K2 2p pK KR R等电点等电点等电点等电点苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸PhePheF F1651651.831.839.139.135.485.48酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸TyrTyrY Y1811812.202.209.119.1110.0710.075.665.66色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸TrpTrpWW2042042.382.389.399.395.895.894.带正电荷R基氨基酸习惯名称习惯名称习惯名称习惯名称符号符号符号符号分子量分子量分子量分子量（DaDa）p pK K1 1p
10、pK K2 2p pK KR R等电点等电点等电点等电点赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸LysLysK K1461462.182.188.958.9510.5310.539.749.74组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸HisHisH H1551559.179.176.006.007.597.597.597.59精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸ArgArgR R1741742.172.179.049.0412.4812.4810.7610.762024/9/21115.带负电荷R基氨基酸习惯名称习惯名称习惯名称习惯名称符号符号符号符号分子量分子量分子量分子量（DaDa）p pK K1 1p pK K2 2p pK KR
11、 R等电点等电点等电点等电点天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸AspAspD D1331331.881.889.609.603.653.652.772.77谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸GluGluE E1471472.192.199.679.674.254.253.223.222024/9/2112（三）氨基酸的性质1.紫外吸收特征色氨酸和酪氨酸对280nm的紫外线有一吸收峰，由于大多蛋白质含色氨酸和酪氨酸，测定样品溶液280nm的吸光度，用于蛋白质定量分析。2024/9/21132.茚三酮反应 -氨基酸可与茚三酮水合物发生氧化还原反应，生成蓝紫色化合物。该化合物在570nm处有一个吸收峰，可用于氨
12、基酸的定量分析。 2024/9/21143.两性电离和等电点氨基酸含有呈酸式电离的羧基和呈碱式电离的氨基，因此氨基酸是两性电解质，电离以后可以既带正电荷又带负电荷，称为兼性离子。 在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的倾向相等，溶液中的氨基酸以兼性离子形式存在，且净电荷为零，此时溶液的pH值称为氨基酸的等电点（isoelectric point, pI）。 2024/9/2115氨基酸的两性电离2024/9/2116三、蛋白质的辅基分类分类分类分类辅基辅基辅基辅基举例举例举例举例糖蛋白糖蛋白糖蛋白糖蛋白糖类糖类糖类糖类免疫球蛋白、凝集素、干扰素、人绒毛膜促性腺激免疫球蛋白、凝集素、干扰
13、素、人绒毛膜促性腺激免疫球蛋白、凝集素、干扰素、人绒毛膜促性腺激免疫球蛋白、凝集素、干扰素、人绒毛膜促性腺激素素素素磷蛋白磷蛋白磷蛋白磷蛋白磷酸基磷酸基磷酸基磷酸基酪蛋白酪蛋白酪蛋白酪蛋白核糖核蛋白核糖核蛋白核糖核蛋白核糖核蛋白 核酸核酸核酸核酸核糖体、端粒酶、信号识别颗粒核糖体、端粒酶、信号识别颗粒核糖体、端粒酶、信号识别颗粒核糖体、端粒酶、信号识别颗粒血红素蛋白血红素蛋白血红素蛋白血红素蛋白 血红素血红素血红素血红素血红蛋白血红蛋白血红蛋白血红蛋白黄素蛋白黄素蛋白黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸黄素核苷酸黄素核苷酸黄素核苷酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶金属蛋白金属蛋白金属蛋白
14、金属蛋白铁铁铁铁铁蛋白铁蛋白铁蛋白铁蛋白锌锌锌锌醇脱氢酶、碳酸酐酶醇脱氢酶、碳酸酐酶醇脱氢酶、碳酸酐酶醇脱氢酶、碳酸酐酶钙钙钙钙钙调蛋白钙调蛋白钙调蛋白钙调蛋白钼钼钼钼固氮酶固氮酶固氮酶固氮酶铜铜铜铜铜蓝蛋白铜蓝蛋白铜蓝蛋白铜蓝蛋白2024/9/2117（一）肽键与肽键平面 1.肽键 ：一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基缩合失去一分子水形成。2024/9/21182.肽键平面肽键属于单键，但具有部分双键刚性的性质，不能自由旋转。与肽键相连的原子始终处在同一个平面，称为“肽键平面”（amide plane）。 2024/9/2119肽键平面肽键平面肽键平面肽键平面肽键肽键肽键平面2024/
15、9/2120（二）肽1.肽是氨基酸的链状缩合物多个氨基酸通过肽键连接起来的分子称为肽。2-10个称寡肽（oligopeptide），10个以上称多肽（polypeptide）。2.蛋白质是大分子肽在蛋白质分子中，当很多氨基酸通过肽键连接起来成为一条很长的链状结构时，称为多肽链（polypeptide chain）。2024/9/2121一些蛋白质的分子量蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质来源来源来源来源分子量分子量分子量分子量（DaDa）氨基酸数氨基酸数氨基酸数氨基酸数肽链数肽链数肽链数肽链数细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素c c人人人人13000130001041041 1核糖核酸酶核糖核酸酶核糖核酸
16、酶核糖核酸酶A A牛胰牛胰牛胰牛胰13700137001241241 1溶菌酶溶菌酶溶菌酶溶菌酶C C鸡蛋清鸡蛋清鸡蛋清鸡蛋清13930139301291291 1肌红蛋白肌红蛋白肌红蛋白肌红蛋白人人人人17053170531531531 1糜蛋白酶糜蛋白酶糜蛋白酶糜蛋白酶A A牛胰牛胰牛胰牛胰21600216002412413 3糜蛋白酶原糜蛋白酶原糜蛋白酶原糜蛋白酶原A A牛胰牛胰牛胰牛胰22000220002452451 1血红蛋白血红蛋白血红蛋白血红蛋白人人人人64500645005745744 4白蛋白白蛋白白蛋白白蛋白人人人人68500685006096091 1己糖激酶己糖激酶己
17、糖激酶己糖激酶酵母酵母酵母酵母1020001020009729722 2RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌450000450000415841585 5载脂蛋白载脂蛋白载脂蛋白载脂蛋白B B人人人人513000513000453645361 1谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌6190006190005628562812122024/9/2122多肽链的结构 2024/9/2123氨基酸残基的氨基酸残基的氨基酸残基的氨基酸残基的R R基构成多肽链的基构成多肽链的基构成多肽链的基构成多肽链的侧链侧链侧链侧链（
18、side chainside chain），参与形），参与形），参与形），参与形成肽键的原子与成肽键的原子与成肽键的原子与成肽键的原子与-碳原子一起构成其碳原子一起构成其碳原子一起构成其碳原子一起构成其主链骨架主链骨架主链骨架主链骨架（backbonebackbone），），），），保留了完整的保留了完整的保留了完整的保留了完整的-羧基的末端称羧基的末端称羧基的末端称羧基的末端称羧基端或羧基端或羧基端或羧基端或C C端端端端（C-terminusC-terminus）；）；）；）；保留了完整的保留了完整的保留了完整的保留了完整的-氨基的末端称氨基的末端称氨基的末端称氨基的末端称氨基端或氨基端或
19、氨基端或氨基端或N N端端端端（N-terminusN-terminus）。）。）。）。侧链侧链N端端C端端主链骨架主链骨架HOH（三）生物活性肽分类分类分类分类举例（氨基酸数）举例（氨基酸数）举例（氨基酸数）举例（氨基酸数）功能功能功能功能（1 1）血液活性肽）血液活性肽）血液活性肽）血液活性肽血管紧张素血管紧张素血管紧张素血管紧张素（8 8）增大外周阻力，升高动脉血压增大外周阻力，升高动脉血压增大外周阻力，升高动脉血压增大外周阻力，升高动脉血压缓激肽（缓激肽（缓激肽（缓激肽（9 9）抑制组织炎症抑制组织炎症抑制组织炎症抑制组织炎症胰高血糖素（胰高血糖素（胰高血糖素（胰高血糖素（2929）促
20、进肝糖原分解促进肝糖原分解促进肝糖原分解促进肝糖原分解（2 2）脑组织活性肽）脑组织活性肽）脑组织活性肽）脑组织活性肽促甲状腺激素释放激素（促甲状腺激素释放激素（促甲状腺激素释放激素（促甲状腺激素释放激素（3 3）刺激垂体前叶促甲状腺激素分泌刺激垂体前叶促甲状腺激素分泌刺激垂体前叶促甲状腺激素分泌刺激垂体前叶促甲状腺激素分泌促性腺激素释放激素（促性腺激素释放激素（促性腺激素释放激素（促性腺激素释放激素（1010）促进黄体生成素和促卵泡激素分泌促进黄体生成素和促卵泡激素分泌促进黄体生成素和促卵泡激素分泌促进黄体生成素和促卵泡激素分泌生长激素释放抑制激素（生长激素释放抑制激素（生长激素释放抑制激素
21、（生长激素释放抑制激素（1414）抑制生长激素等分泌抑制生长激素等分泌抑制生长激素等分泌抑制生长激素等分泌促肾上腺皮质激素释放激素（促肾上腺皮质激素释放激素（促肾上腺皮质激素释放激素（促肾上腺皮质激素释放激素（4141）促进促肾上腺皮质激素分泌促进促肾上腺皮质激素分泌促进促肾上腺皮质激素分泌促进促肾上腺皮质激素分泌促肾上腺皮质激素（促肾上腺皮质激素（促肾上腺皮质激素（促肾上腺皮质激素（3939）刺激肾上腺皮质激素分泌刺激肾上腺皮质激素分泌刺激肾上腺皮质激素分泌刺激肾上腺皮质激素分泌抗利尿激素（抗利尿激素（抗利尿激素（抗利尿激素（9 9）增强肾脏钠水重吸收，刺激血管收缩增强肾脏钠水重吸收，刺激血
22、管收缩增强肾脏钠水重吸收，刺激血管收缩增强肾脏钠水重吸收，刺激血管收缩催产素（催产素（催产素（催产素（9 9）刺激子宫收缩刺激子宫收缩刺激子宫收缩刺激子宫收缩 促黑激素（促黑激素（促黑激素（促黑激素（1818）调节黑素细胞代谢调节黑素细胞代谢调节黑素细胞代谢调节黑素细胞代谢（3 3）神经肽）神经肽）神经肽）神经肽脑啡肽（脑啡肽（脑啡肽（脑啡肽（5 5）神经传导，痛觉抑制神经传导，痛觉抑制神经传导，痛觉抑制神经传导，痛觉抑制（4 4）肠道活性肽）肠道活性肽）肠道活性肽）肠道活性肽胃泌素胃泌素胃泌素胃泌素1414、1717、3434（1414、1717、3434）胰泌素（胰泌素（胰泌素（胰泌素（2
23、727）调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌调节消化道运动、消化腺分泌（5 5）其他组织活性肽）其他组织活性肽）其他组织活性肽）其他组织活性肽心钠素（心钠素（心钠素（心钠素（2828）促进肾脏排钠排水，降低动脉血压促进肾脏排钠排水，降低动脉血压促进肾脏排钠排水，降低动脉血压促进肾脏排钠排水，降低动脉血压降钙素（降钙素（降钙素（降钙素（3232）防止血钙血磷过高防止血钙血磷过高防止血钙血磷过高防止血钙血磷过高2024/9/2124谷胱甘肽2024/9/
24、2125第二节 蛋白质的分子结构2024/9/2126一、一级结构蛋白质的一级结构（primary structure）是指多肽链中氨基酸组成与排列顺序。一级结构决定蛋白质的高级结构，它包括氨基酸所有的共价连接，尤其是肽键和二硫键。 氨基酸的排列顺序是由遗传密码决定的，通过肽键连接起来，故肽键是蛋白质结构中的主键。 2024/9/2127胰岛素的一级结构2024/9/2128二、二级结构 蛋白质的生物学活性和理化性质主要由其空间结构的完整性决定，空间结构是指蛋白质的二、三、四级结构，又称为高级结构。蛋白质的二级结构（secondary structure）是指蛋白质分子中由于主链原子肽键平面的
25、相对旋转，构成的有规则的局部空间构象，如螺旋、折叠、转角等。蛋白质多肽链在二级结构的基础上进一步聚集、折叠形成超二级结构。2024/9/2129螺旋-螺旋（-helix）是指肽键平面通过-碳原子的旋转，主链原子盘绕成右手螺旋结构。螺旋上升一圈大约需要个氨基酸残基，螺距为，螺旋直径为，R基分布在螺旋的外侧。相邻两个螺旋之间肽键的C=O与HN形成氢键，从而使-螺旋能够稳定。 2024/9/2130-螺旋（-helix）结构示意图2024/9/21310.50nm0.54nm氢键氢键-碳原子碳原子侧链侧链2. -折叠 -折叠（-pleated sheet）是蛋白质分子中肽链相对伸展的一种结构形式，其
26、主链通过肽键平面折叠成锯齿状。一个折叠单位含两个氨基酸，R基交替排列在-折叠两侧。同一条肽链内的若干肽段或不同肽链之间所形成的数段-折叠可以平行结合，形成裙褶样结构。相邻-折叠主链骨架的C=O和HN之间形成氢键，使其构象稳定。数段结合的-折叠可以是同相平行，也可以是反向平行。2024/9/2132-折叠（-pleated sheet）结构示意图2024/9/2133转角 -转角（-turn）是指蛋白质分子中，肽链形成180的回折，构成一个转角。一个-转角由4个氨基酸构成，其中第1个氨基酸残基的C=O与第4个氨基酸残基的HN之间形成氢键，使构象稳定。第2个氨基酸常为脯氨酸。2024/9/2134
27、-转角（ -turn）结构示意图 2024/9/21354.无规卷曲 无规卷曲（random coil）是指蛋白质分子中的某些肽段，其走向没有规律可循，肽链的肽键平面不规则排列，形成较为松散的二级空间结构。 2024/9/21365.超二级结构超二级结构（super secondary structure）又叫模体（motif）或基序，是指二级结构单元进一步聚集和结合形成的特定构象单元，如、等。超二级结构是蛋白质从二级结构延伸到三级结构的一个新的结构层次，如螺旋-环-螺旋（HLH）、亮氨酸拉链和锌指结构。2024/9/2137超二级结构2024/9/2138亮氨酸拉链2024/9/2139亮氨
28、酸疏水亮氨酸疏水亮氨酸疏水亮氨酸疏水R R R R基基基基DNADNADNADNA锌指结构2024/9/2140HisHisCysCysCysCysCysZnB B B B A A A A 三、三级结构 三级结构（tertiary structure）是指在二级结构基础上，多肽链中相距较远的侧链R基通过相互作用进一步盘绕成特定的、不规则的空间构象，其包括了主链和侧链所有原子的空间排布。维系三级结构的化学键主要有疏水键、氢键、离子键和范德华力等非共价键及二硫键等少量共价键。蛋白质的多肽链在形成三级结构时，其非极性的疏水侧链形成疏水核，而大多数极性基团则分布在分子的表面，形成亲水区。 2024/9
29、/21411.部分蛋白质的三级结构人肌红蛋白：153个氨基酸构成，包括8段-螺旋（78%）及无规卷曲和-折叠。整个分子呈球形，内部几乎都是疏水基团，极性基团位于表面。分子结构有一凹陷的口袋区，结合有一个血红素辅基。牛胰核糖核酸酶：124个氨基酸构成，4个二硫键，3段较短-螺旋和3段较长-折叠。2024/9/2142肌红蛋白2024/9/2143牛胰核糖核酸酶2024/9/21442.结构域许多较大蛋白质的三级结构中存在一个或多个稳定的、相对紧密的且在构象上常明显可区分的球状区域，这种结构称为结构域（domain）。结构域与结构域之间常由无规卷曲的松散肽段相连，可通过适当酶切与分子其他部分分开。
30、一个结构域常常由一个外显子编码，可有几十个至几百个氨基酸残基组成。 同一蛋白质分子中的各结构域相对独立，并且具有不同的生理功能。2024/9/2145Src结构域 （为蛋白酪氨酸激酶）2024/9/2146四、四级结构 由两条或更多的多肽链构成的蛋白质分子，还要具备四级结构（quaternary structre）才具有活性。 在四级结构中，每一条肽链都有特定且相对独立的三级结构，称为该蛋白质的一个亚基。多个亚基之间按照特定的方式以非共价键结合，形成特定的空间结构，称为蛋白质的四级结构。在四级结构中，亚基与亚基之间通过疏水键、氢键、离子键和范德华力等非共价键相互作用而聚合在一起。 2024/9
31、/2147血红蛋白四级结构示意图血红蛋白由4个亚基构成的异四聚体，包括两个-亚基，两个-亚基。2024/9/2148 蛋白质一、二、三、四级结构示意图2024/9/2149（B）二级结构（）二级结构（-螺旋）螺旋） （A）一级结构）一级结构 （C）三级结构）三级结构 （B）二级结构（）二级结构（-折叠）折叠） （D）四级结构）四级结构 血红素辅基血红素辅基 五、维持蛋白质分子空间构象的主要化学键 1.氢键 氢键（hydrogen bond）是蛋白质分子中最多的非共价键。是指当氢原子与电负性很强的原子相连时，会带上部分正电荷，与另一带部分负电荷的原子产生静电引力。2.离子键 离子键（ionic
32、interaction or ionic bond）又称盐键（salt bridge），是带正电荷的基团与带负电荷的基团之间所产生的静电引力。 2024/9/2150五、维持蛋白质分子空间构象的主要化学键 3.疏水键 疏水键（hydrophobic interaction）是指两个疏水基团为了避开水相而相互聚集在一起的作用力。 4.范德华力 范德华力（Van der Waals interactions）是指任何两个原子间的距离保持范德华半径时的一种静电引力。 5.二硫键 二硫键（disulfide bond or disulfide bridge）由蛋白质分子中两个半胱氨酸残基侧链上的巯基（
33、SH）氧化脱氢产生。 2024/9/2151二硫键2024/9/2152胱氨酸胱氨酸胱氨酸胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸蛋白质分子中的主要次级键 2024/9/2153 离子键离子键离子键离子键 疏水键疏水键疏水键疏水键 二硫键二硫键二硫键二硫键 氢键氢键氢键氢键 范德华力范德华力范德华力范德华力 第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质的一级结构和空间结构与功能均有密切的关系。蛋白质的一级结构决定其高级结构，一级结构含有其空间构象的全部信息，而蛋白质的空间构象决定蛋白质的生物学功能。 通过对蛋白质结构与功能关系研究发现：功能不同蛋白质其氨基酸序列一定不同；
34、已经阐明的数千种遗传病都存在蛋白质一级结构异常；不同物种具有相似功能的蛋白质其一级结构和构象也相似。2024/9/2154一、一级结构与功能的关系 蛋白质的一级结构决定其构象蛋白质的一级结构相似则其功能也一致改变蛋白质的一级结构可以直接影响其功能2024/9/21551.蛋白质的一级结构决定其构象2024/9/21562.蛋白质的一级结构相似则其功能也一致胰岛素的来源胰岛素的来源胰岛素的来源胰岛素的来源胰岛素的一级结构差异胰岛素的一级结构差异胰岛素的一级结构差异胰岛素的一级结构差异A-8A-8A-9A-9A-10A-10B-30B-30人人人人苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸异
35、亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸猪、狗猪、狗猪、狗猪、狗苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸牛牛牛牛丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸羊羊羊羊丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸马马马马苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸兔兔兔兔苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸丝氨酸丝氨
36、酸丝氨酸丝氨酸2024/9/21573.改变蛋白质的一级结构可以直接影响其功能2024/9/2158正常正常正常正常链：链：链：链： H-H-H-H-缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸异常异常异常异常链：链：链：链： H- H- H- H-缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸 正常红细胞正常红细胞正常红细胞正常红细胞 镰状红细胞镰状
37、红细胞镰状红细胞镰状红细胞二、空间构象与功能的关系 1.构象决定性质和功能蛋白质根据构象可分为纤维状蛋白质和球状蛋白质：纤维状蛋白质多为结构蛋白；球状蛋白质主要是酶、调节蛋白、转运蛋白和免疫球蛋白等。2024/9/21592.变构改变活性（1）血红蛋白变构血红蛋白的主要功能是对O2和CO2的运输。当血红蛋白结合氧之前叫脱氧血红蛋白，分子构象为紧张态（T态），当血红蛋白结合氧以后，11与22两个二聚体彼此滑动15，其构象由T（tense）态转变为松弛态（R态），称为氧合血红蛋白。 T态：亚基之间结合力强，氧合力弱R态：亚基之间结合力弱，氧合力强2024/9/2160血红蛋白结合氧前后构象的变化
38、2024/9/2161Hb (T态态)HbO2 (R态态)112215（2）血红蛋白氧解离曲线2024/9/2162（3）血红蛋白运氧能力影响因素PCO2、2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）、体温升高，pH降低时，血红蛋白氧合力减弱，氧解离曲线右移。2,3-BPG是糖酵解2,3-BPG支路中间产物，糖酵解加强，其含量增加，使血红蛋白氧合力减弱，促进氧分子释放，氧解离曲线右移。CO使血红蛋白氧合力增强，氧解离曲线左移。2024/9/2163（4）变构蛋白与变构效应一些物质能与蛋白质相互作用，称为蛋白质的配体。蛋白质分子中与配体结合的部位称为配体结合位点或配体结合域。变构蛋白常有两个或多个配体
39、结合位点，他们可结合相同或不同的配体。其中能使蛋白质变构的配体叫变构剂，变构剂结合的位点又叫调节部位。变构效应分异促效应（变构剂与配体是不同物质）和同促效应（即协同效应，变构剂与配体是相同物质）；协同效应又分为正协同效应和负协同效应。2024/9/21643.蛋白质构象病2024/9/2165一、一般性质1.蛋白质的紫外吸收特征蛋白质分子中的肽键吸收220nm紫外线；蛋白质分子中的酪氨酸和色氨酸残基的吸收280nm紫外线。蛋白质溶液对280nm紫外线的的吸光度与浓度成正比，用于蛋白质定量分析。2024/9/21662.蛋白质的呈色反应 蛋白质能与某些试剂产生特殊的颜色反应，可以用于对蛋白质的定
40、量分析。茚三酮反应：蛋白质分子游离氨基与茚三酮反应，呈蓝紫色。双缩脲反应：2分子尿素脱氨缩合成双缩脲，碱性条件下与Cu2+螯合成紫红色。蛋白质分子中肽键可发生双缩脲反应。酚试剂反应：含磷钼酸-磷钨酸，碱性条件下与蛋白质生成深蓝色（磷钼蓝和磷钨蓝混合物）。米伦试剂反应、考马斯亮篮颜色反应2024/9/21673.氨基端反应2,4-二硝基氟苯、丹磺酰氯、异硫氰酸苯酯可与肽链氨基端的-氨基反应，水解后得到相应的衍生物，通过层析鉴定。可用于分析蛋白质的一级结构。2024/9/21684.蛋白质的两性电离和等电点蛋白质分子的-氨基和-羧基虽然都参与形成肽键，但是在蛋白质的侧链上仍然存在一些可电离的基团，
41、如天冬氨酸和谷氨酸残基的-羧基和-羧基，赖氨酸的-氨基、精氨酸的胍基和组氨酸的咪唑基等，它们有的呈酸式电离，有的呈碱式电离，因此，蛋白质和氨基酸一样可以电离成兼性离子。 在某一pH条件下，蛋白质的净电荷为零，则该pH值为蛋白质的等电点（pI）。2024/9/2169蛋白质的等电点2024/9/2170二、大分子特性1.蛋白质溶液是胶体溶液蛋白质的分子量在一万到百万之间，分子的直径在胶体颗粒的范围（1100nm）。因此，当蛋白质溶于水中，可以形成胶体溶液。由于蛋白质表面分布有很多亲水的基团，会结合很多水分子，形成水化膜，使蛋白质颗粒不容易聚集起来。另一方面，蛋白质分子在溶液pH值不等于pI时，往
42、往带有同种电荷而相互排斥。因此，蛋白质溶液是稳定亲水胶体溶液。 2024/9/21712.沉降与沉降系数在离心力的作用下，蛋白质颗粒发生沉降，对于某一特定蛋白质颗粒，其沉降速度在单位离心力场强度下为一常数，称为蛋白质的沉降系数，用S（Svedberg，1S=10-13秒）表示。蛋白质的沉降速度与蛋白质的分子质量和分子形状有关，用沉降系数可以粗略地反映蛋白质分子的大小。 2024/9/21723.变性与复性天然蛋白质在某些物理或化学因素作用下，其特定的天然空间构象部分或全部改变，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，称之为蛋白质变性(denaturation)。 变性蛋白质表现为结晶性丧失、扩
43、散系数减小、溶解度降低、黏度增大、280nm吸光度增加、易被蛋白酶水解。2024/9/21733.变性与复性当蛋白质溶液的pH值接近其等电点，则加热可以使蛋白质形成较坚固的凝块，该凝块不溶于强酸或强碱，称为蛋白质凝固（coagulation）。有些蛋白质变性是可逆的，当变性程度较轻，去除使其变性的因素，能恢复或部分恢复其原来的空间构象，并恢复其生物学活性，称为蛋白质复性（renaturation）。2024/9/2174核糖核酸酶的变性与复性示意图2024/9/21758M尿素或尿素或-巯基乙醇巯基乙醇透析透析第五节蛋白质的分离、纯化与结构分析一、蛋白质沉淀蛋白质分子相互聚集从溶液中析出的现象
44、称为蛋白质沉淀(precipitation)。使蛋白质溶液稳定的因素主要有两个：同种电荷和水化膜。如果破坏使蛋白质溶液稳定的两个因素（如调节溶液pH值至等电点或加入脱水剂），蛋白质则会相互聚集而从溶液中析出沉淀。2024/9/2176蛋白质的沉淀示意图2024/9/21771.盐析法 盐析法（salting out）是指向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（中和电荷、破坏水化膜），从而使蛋白质从溶液中析出沉淀的方法。常用的中性盐：(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4等。沉淀下来的蛋白质，一般不变性。2024/9/21782.有机溶剂沉淀蛋白质有机溶剂（如乙醇、丙酮等）沉
45、淀蛋白质，是利用它们的强亲水性破坏水化膜，由于它们不能中和蛋白质所带电荷，因此，需要在等电点附近沉淀蛋白质。在常温下一般会发生变性，但是在低温条件下，变性则发生得缓慢。 2024/9/21793.重金属离子沉淀蛋白质带负电荷的蛋白质可与重金属离子（如铅、汞、铜、银等）结合形成不溶性盐而沉淀。需调节溶液的pHpI。沉淀下来的蛋白质一般发生了变性。2024/9/21804.生物碱试剂及某些酸类沉淀蛋白质带正电荷的蛋白质也可以与生物碱试剂（苦味酸、鞣酸、钨酸）或某些酸类（如三氯醋酸、硝酸、过氯酸等）的酸根结合形成盐而沉淀。需调节溶液的pH25Kr/min，离心力89K），分析性的超速离心可以测定蛋白
46、质的分子量。常用离心方法有：差速离心、密度梯度离心等。2024/9/2182三、电泳技术电泳（electrophoresis）是利用带电颗粒在电场中将向与自身电荷相反的电极移动，从而到达分离的方法。带电胶体颗粒在相同电场中的电泳行为与带电荷量、分子质量和分子形状有关。常用的电泳技术有琼脂糖凝胶电泳（agarose gel electrophoresis，AGE）、聚丙烯酰胺凝胶电泳（polyacrylamide gel electrophoresis，PAGE）、等电聚焦电泳（isoelectric focusing，IEF）、双向电泳（two dimensional electrophore
47、sis，2DE）、毛细管电泳（capillary electrophoresis，CE）等。 2024/9/2183四、层析技术层析技术（chromatography）主要是根据混合溶液中蛋白质分子的大小、形状、极性、亲和力等差异而加以分离的方法，又叫色谱法。通常是指待分离的液体（流动相，mobile phase）经过一个固态物质（固定相，solid phase）后所发生的各组分在两个相中分布的变化。层析技术包括离子交换层析（ion exchange chromatography）、凝胶过滤层析(gel filtration chromatography)、亲和层析(affinity chromatography)等。 2024/9/2184层析技术2024/9/2185蛋白质化学与中药2024/9/2186
