生物化学第章蛋白质的结构和功能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

目录目录蛋白质结构与功效蛋白质结构与功效第第1 1章章Structure and Function of Protein第1页目录目录n什么是蛋白质什么是蛋白质?蛋蛋 白白 质质(protein)是是 由由 许许 多多 氨氨 基基 酸酸(amino acids)经经过过肽肽键键(peptide bond)相相连连形成高分子含氮化合物。形成高分子含氮化合物。第2页目录目录n蛋白质研究历史蛋白质研究历史18331833年年，从从麦麦芽芽中中分分离离淀淀粉粉酶酶；随随即即从从胃胃液液中中分离到类似胃蛋白酶物质。分离到类似胃蛋白酶物质。18641864年，血红蛋白被分离并结晶。年，血红蛋白被分离并结晶。1919世世纪纪末末，证证实实蛋蛋白白质质由由氨氨基基酸酸组组成成，并并合合成成了各种短肽。了各种短肽。2020世世纪纪初初，发发觉觉蛋蛋白白质质二二级级结结构构；完完成成胰胰岛岛素素一级结构测定。一级结构测定。第3页目录目录2020世世纪纪中中叶叶，各各种种蛋蛋白白质质分分析析技技术术相相继继建建立立，促进了蛋白质研究快速发展；促进了蛋白质研究快速发展；19621962年，确定了血红蛋白四级结构。年，确定了血红蛋白四级结构。2020世世纪纪9090年年代代，功功效效基基因因组组与与蛋蛋白白质质组组研研究究地地展开。展开。第4页目录目录n蛋白质生物学主要性蛋白质生物学主要性分分布布广广：全全部部器器官官、组组织织都都含含有有蛋蛋白白质质；细细胞各个部分都含有蛋白质。胞各个部分都含有蛋白质。含含量量高高：蛋蛋白白质质是是细细胞胞内内最最丰丰富富有有机机分分子子，占占人人体体干干重重4545，一一些些组组织织含含量量更更高高，比比如如脾、肺及横纹肌等高达脾、肺及横纹肌等高达8080。1.蛋白质是生物体主要组成成份蛋白质是生物体主要组成成份第5页目录目录作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）代谢调整作用代谢调整作用免疫保护作用免疫保护作用物质转运和存放物质转运和存放运动与支持作用运动与支持作用参加细胞间信息传递参加细胞间信息传递2.蛋白质含有主要生物学功效蛋白质含有主要生物学功效3.氧化供能氧化供能第6页目录目录蛋白质分子组成蛋白质分子组成The Molecular Component of Protein第一节第一节第7页目录目录n组成蛋白质元素组成蛋白质元素主要有主要有C C、H H、O O、N N和和 S S。有些蛋白质含有少许磷或金属元素铁、铜、有些蛋白质含有少许磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。第8页目录目录 各种蛋白质含氮量很靠近，平均为各种蛋白质含氮量很靠近，平均为16。因因为为体体内内含含氮氮物物质质以以蛋蛋白白质质为为主主，所所以以，只只要要测测定定生生物物样样品品中中含含氮氮量量，就就能能够够依依据据以以下下公式推算出蛋白质大致含量：公式推算出蛋白质大致含量：100克样品中蛋白质含量克样品中蛋白质含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%n蛋白质元素组成特点蛋白质元素组成特点第9页目录目录一、组成人体蛋白质一、组成人体蛋白质20种氨基酸均种氨基酸均属于属于L-氨基酸氨基酸 存存在在自自然然界界中中氨氨基基酸酸有有300300余余种种，但但组组成成人人体体蛋蛋白白质质氨氨基基酸酸仅仅有有2020种种，且且均均属属 L-L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。第10页目录目录H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸通式氨基酸通式RC+NH3COO-H第11页目录目录非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可依据侧链结构和理化性质可依据侧链结构和理化性质进行分类进行分类第12页目录目录(一一)侧链含烃链氨基酸属于非极性脂肪族氨侧链含烃链氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸基酸第13页目录目录(二二)侧链有极性但不带电荷氨基酸是极性中侧链有极性但不带电荷氨基酸是极性中性氨基酸性氨基酸第14页目录目录(三三)侧链含芳香基团氨基酸是芳香族氨基酸侧链含芳香基团氨基酸是芳香族氨基酸第15页目录目录(四四)侧链含负性解离基团氨基酸是酸性氨基酸侧链含负性解离基团氨基酸是酸性氨基酸第16页目录目录(五五)侧链含正性解离基团氨基酸属于碱性氨侧链含正性解离基团氨基酸属于碱性氨基酸基酸第17页目录目录n几个特殊氨基酸几个特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2第18页目录目录 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3第19页目录目录三、三、20种氨基酸含有共同或特异理化性质种氨基酸含有共同或特异理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液酸碱度。处溶液酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)在在某某一一pH溶溶液液中中，氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子趋趋势势及及程程度度相相等等，成成为为兼兼性性离离子子，呈呈电电中中性性。此时溶液此时溶液pH值值称为该氨基酸称为该氨基酸等电点等电点。（一）氨基酸含有两性解离性质（一）氨基酸含有两性解离性质第20页目录目录pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸兼性离子氨基酸兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子第21页目录目录（二）含共轭双键氨基酸含有紫外吸收性质（二）含共轭双键氨基酸含有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸最色氨酸、酪氨酸最大吸收峰在大吸收峰在 280 nm 附附近。近。大大多多数数蛋蛋白白质质含含有有这这两两种种氨氨基基酸酸残残基基，所所以以 测测 定定 蛋蛋 白白 质质 溶溶 液液280nm光光吸吸收收值值是是分分析析溶溶液液中中蛋蛋白白质质含含量量快快速速简便方法。简便方法。芳香族氨基酸紫外吸收芳香族氨基酸紫外吸收第22页目录目录（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨氨基基酸酸与与茚茚三三酮酮水水合合物物共共热热，可可生生成成蓝蓝紫色紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm处。处。因因为为此此吸吸收收峰峰值值与与氨氨基基酸酸含含量量存存在在正正比比关系，所以可作为氨基酸定量分析方法。关系，所以可作为氨基酸定量分析方法。第23页目录目录四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成多肽链多肽链肽肽键键(peptide bond)是是由由一一个个氨氨基基酸酸-羧羧基基与另一个氨基酸与另一个氨基酸-氨基脱水缩合而形成化学键。氨基脱水缩合而形成化学键。（一）（一）氨基酸经过肽键连接而形成肽氨基酸经过肽键连接而形成肽(peptide)第24页目录目录+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键第25页目录目录肽肽是是由由氨氨基基酸酸经经过过肽肽键键缩缩合合而而形形成成化化合合物。物。两两分分子子氨氨基基酸酸缩缩合合形形成成二二肽肽，三三分分子子氨氨基基酸缩合则形成三肽酸缩合则形成三肽肽肽链链中中氨氨基基酸酸分分子子因因为为脱脱水水缩缩合合而而基基团团不不全，被称为氨基酸残基全，被称为氨基酸残基(residue)。由由十十个个以以内内氨氨基基酸酸相相连连而而成成肽肽称称为为寡寡肽肽(oligopeptide)，由由更更多多氨氨基基酸酸相相连连形形成成肽肽称称多多肽肽(polypeptide)。第26页目录目录N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-氨基氨基一端一端C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-羧基羧基一端一端n多肽链有两端：多肽链有两端：多多肽肽链链(polypeptide chain)是是指指许许多多氨氨基酸之间以肽键连接而成一个结构。基酸之间以肽键连接而成一个结构。第27页N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶第28页目录目录（二）（二）体内存在各种主要生物活性肽体内存在各种主要生物活性肽 1.谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH)第29页目录目录GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+nGSH与与GSSG间转换间转换 第30页目录目录 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽第31页目录目录蛋白质分子结构蛋白质分子结构The Molecular Structure of Protein 第二节第二节第32页目录目录n蛋白质分子结构包含蛋白质分子结构包含:高级高级结构结构一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)第33页目录目录定义定义:蛋白质一级结构指在蛋白质分子从蛋白质一级结构指在蛋白质分子从N-端至端至C-端端氨基酸排列次序氨基酸排列次序。一、一、氨基酸排列次序决定蛋白质氨基酸排列次序决定蛋白质一级结构一级结构n主要化学键主要化学键:肽键肽键，有些蛋白质还包含二硫键。，有些蛋白质还包含二硫键。第34页目录目录一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功效功效基础基础，但不是决定蛋白质空间构象但不是决定蛋白质空间构象唯一原因唯一原因。第35页目录目录二、二、多肽链局部主链构象为蛋白质多肽链局部主链构象为蛋白质二级结构二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子相相对对空空间间位位置，并不包括氨基酸残基侧链构象置，并不包括氨基酸残基侧链构象。n定义定义:n主要化学键主要化学键：氢键氢键 第36页目录目录（一）参加肽键形成（一）参加肽键形成6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参参加加肽肽键键6个个原原子子C 1、C、O、N、H、C 2位位于于同同一一平平面面，C 1和和C 2在在平平面面上上所所处处位位置置为为反反式式(trans)构构型型，此此同同一一平平面面上上6个原子组成了所谓个原子组成了所谓肽单元肽单元(peptide unit)。第37页目录目录（一）参加肽键形成（一）参加肽键形成6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参参加加肽肽键键6个个原原子子C 1、C、O、N、H、C 2位位于于同同一一平平面面，C 1和和C 2在在平平面面上上所所处处位位置置为为反反式式(trans)构构型型，此此同同一一平平面面上上6个原子组成了所谓个原子组成了所谓肽单元肽单元(peptide unit)。第38页目录目录 -螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)（二）（二）-螺旋结构是常见蛋白质二级结构螺旋结构是常见蛋白质二级结构n蛋白质二级结构蛋白质二级结构第39页目录目录n-螺旋螺旋第40页目录目录（三）（三）-折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽链形成片层结构第41页目录目录（四）（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在普遍存在-转角转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性那部分无规卷曲是用来阐述没有确定规律性那部分肽链结构。肽链结构。第42页目录目录（五）模体（五）模体是含有特殊功效超二级结构是含有特殊功效超二级结构在许多蛋白质分子中，可发觉二个或三个含在许多蛋白质分子中，可发觉二个或三个含有二级结构肽段，在空间上相互靠近，形成一个有二级结构肽段，在空间上相互靠近，形成一个有规则二级结构组合，被称为有规则二级结构组合，被称为超二级结构超二级结构。二级结构组合形式有二级结构组合形式有3 3种：种：，。第43页目录目录二个或三个含有二级结构肽段，在空间上二个或三个含有二级结构肽段，在空间上相互靠近，形成一个特殊空间构象，称为相互靠近，形成一个特殊空间构象，称为模体模体(motif)。模体是含有特殊功效超二级结构。模体是含有特殊功效超二级结构。第44页目录目录钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子模体钙离子模体锌指结构锌指结构-螺旋螺旋-转角（或转角（或环）环）-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角-链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角-链模体链模体n模体常见形式模体常见形式第45页目录目录（六）氨基酸残基侧链对二级结构形成影响（六）氨基酸残基侧链对二级结构形成影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础。一蛋白质二级结构是以一级结构为基础。一段肽链其氨基酸残基侧链适合形成段肽链其氨基酸残基侧链适合形成-螺旋或螺旋或-折折叠，它就会出现对应二级结构。叠，它就会出现对应二级结构。第46页目录目录三、三、在二级结构基础上多肽链深入折叠形在二级结构基础上多肽链深入折叠形成蛋白质三级结构成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。n主要化学键主要化学键:整条肽链中全部氨基酸残基相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基相对空间位置。即肽链中全部原子在三维空间排布位置。即肽链中全部原子在三维空间排布位置。n定义定义:（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基相对空间位置残基相对空间位置第47页目录目录第48页目录目录 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端第49页目录目录纤连蛋白分子结构域纤连蛋白分子结构域（二）结构域（二）结构域是三级结构层次上局部折叠区是三级结构层次上局部折叠区分子量较大蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密分子量较大蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密区域，并各行其功效，称为结构域区域，并各行其功效，称为结构域 (domain)。第50页目录目录（三）分子伴侣（三）分子伴侣参加蛋白质折叠参加蛋白质折叠分子伴侣分子伴侣(chaperon)经过提供一个保护环境从而经过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠整天然构象或形成四级结构。加速蛋白质折叠整天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段疏水部分结合随即分子伴侣可逆地与未折叠肽段疏水部分结合随即松开，如此重复进行可预防错误聚集发生，使肽松开，如此重复进行可预防错误聚集发生，使肽链正确折叠。链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集肽段结合，使之解聚后，分子伴侣也可与错误聚集肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。再诱导其正确折叠。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键正确形分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键正确形成起了主要作用。成起了主要作用。第51页伴侣蛋白在蛋白质折叠中作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中作用第52页目录目录亚基之间结合主要是氢键和离子键。亚基之间结合主要是氢键和离子键。四、四、含有二条以上多肽链蛋白质含含有二条以上多肽链蛋白质含有四级结构有四级结构蛋白质分子中各亚基空间排布及亚基接触蛋白质分子中各亚基空间排布及亚基接触部位布局和相互作用，称为部位布局和相互作用，称为蛋白质四级结构蛋白质四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，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三级结构，称为蛋白质每一条多肽链都有完整三级结构，称为蛋白质亚基亚基 (subunit)。第53页目录目录由由2个个亚亚基基组组成成蛋蛋白白质质四四级级结结构构中中，若若亚亚基基分分子子结结构构相相同同，称称之之为为同同二二聚聚体体(homodimer)，若若亚亚基基分分子子结结构不一样，则称之为构不一样，则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。血红蛋白四血红蛋白四级结构级结构第54页目录目录五、蛋白质分类五、蛋白质分类n依据蛋白质组成成份依据蛋白质组成成份:单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 =蛋白质部分蛋白质部分 +非蛋白质部分非蛋白质部分n依据蛋白质形状依据蛋白质形状:纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质第55页目录目录六、蛋白质组学六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一个细胞或一个生物所表蛋白质组是指一个细胞或一个生物所表示全部蛋白质，即示全部蛋白质，即“一个基因组所表示全套一个基因组所表示全套蛋白质蛋白质”。第56页目录目录（二）蛋白质组学研究技术平台（二）蛋白质组学研究技术平台 蛋白质组学是高通量，高效率研究蛋白质组学是高通量，高效率研究:双向电泳分离样品蛋白质双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点定位、切取蛋白质点定位、切取 蛋白质点质谱分析蛋白质点质谱分析 （三）蛋白质组学研究科学意义（三）蛋白质组学研究科学意义第57页目录目录蛋白质结构与功效关系蛋白质结构与功效关系The Relation of Structure and Function of Protein第三节第三节第58页目录目录（一）一级结构是空间构象基础（一）一级结构是空间构象基础一、蛋白质一级结构一、蛋白质一级结构是高级结构是高级结构与功效基础与功效基础牛核糖核酸酶一牛核糖核酸酶一级结构级结构二二硫硫键键第59页目录目录 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，无活性第60页目录目录（二）一级结构相同蛋白质含有相同高级结构（二）一级结构相同蛋白质含有相同高级结构与功效与功效胰岛素胰岛素氨基酸残基序号氨基酸残基序号A5A6A10B30人人ThrSerIleThr猪猪ThrSerIleAla狗狗ThrSerIleAla兔兔ThrGlyIleSer牛牛AlaGlyValAla羊羊AlaSerValAla马马ThrSerIleAla第61页目录目录（三）（三）氨基酸序列提供主要生物化学信息氨基酸序列提供主要生物化学信息一些广泛存在于生一些广泛存在于生物界蛋白质如细胞色素物界蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较，比较它们一级结构，能够帮它们一级结构，能够帮助了解物种进化间关系。助了解物种进化间关系。第62页目录目录（四）主要蛋白质氨基酸序列改变可引发疾病（四）主要蛋白质氨基酸序列改变可引发疾病n例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146)这种由蛋白质分子发生变异所造成疾病，称这种由蛋白质分子发生变异所造成疾病，称为为“分子病分子病”。第63页目录目录n肌红蛋白肌红蛋白/血红蛋白血红蛋白含有血红素辅基含有血红素辅基血红素结构血红素结构 二、二、蛋白质功效依赖特定空间结构蛋白质功效依赖特定空间结构（一）（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相同血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相同第64页目录目录n肌红蛋白肌红蛋白(myoglobin，Mb)肌肌红红蛋蛋白白是是一一个个只只有有三三级级结结构构单单链链蛋蛋白白质质，有有8 8段段-螺螺旋旋结构。结构。血血红红素素分分子子中中两两个个丙丙酸酸侧侧链链以以离离子子键键形形式式与与肽肽链链中中两两个个碱碱性性氨氨基基酸酸侧侧链链上上正正电电荷荷相相连连，加加之之肽肽链链中中F8F8组组氨氨酸酸残残基基还还与与FeFe2+2+形形成成配配位位结结合合，所所以以血血红红素辅基与蛋白质部分稳定结合。素辅基与蛋白质部分稳定结合。第65页目录目录n血红蛋白血红蛋白(hemoglobin，Hb)血血红红蛋蛋白白含含有有4个个亚亚基基组组成成四四级级结结构构，每每个个亚亚基基可可结结合合1 1个个血血红红素素并并携带携带1 1分子氧分子氧。Hb亚亚基基之之间间经经过过8对对盐盐键键，使使4个个亚亚基基紧紧密密结结合合而而形形成成亲亲水水球球状状蛋蛋白。白。第66页目录目录Hb与与Mb一一样样能能可可逆逆地地与与O2结结合合，Hb与与O2 2结结合合后后称称为为氧氧合合Hb。氧氧合合Hb占占总总Hb百百分分数数（称（称百分饱和度百分饱和度）随）随O2 2浓度改变而改变。浓度改变而改变。（二）血红蛋白亚基构象改变可影响亚基（二）血红蛋白亚基构象改变可影响亚基与氧结合与氧结合第67页目录目录肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)氧解离曲线氧解离曲线第68页目录目录n协同效应协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质一个亚基与其配体结合一个寡聚体蛋白质一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力现象，称为能力现象，称为协同效应协同效应。假如是促进作用则称为假如是促进作用则称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity)假如是抑制作用则称为假如是抑制作用则称为负协同效应负协同效应(negative cooperativity)第69页目录目录第70页目录目录O2血血红红素素与与氧氧结结合合后后，铁铁原原子子半半径径变变小小，就就能能进进入入卟卟啉啉环环小小孔孔中中，继继而而引发肽链位置变动。引发肽链位置变动。第71页目录目录n变构效应变构效应(allosteric effect)蛋蛋白白质质空空间间结结构构改改变变伴伴随随其其功功效效改改变变，称为称为变构效应变构效应。第72页目录目录（三）蛋白质构象改变（三）蛋白质构象改变可引发疾病可引发疾病蛋蛋白白质质构构象象疾疾病病：若若蛋蛋白白质质折折叠叠发发生生错错误误，尽尽管管其其一一级级结结构构不不变变，但但蛋蛋白白质质构构象象发发生生改改变变，仍仍可可影影响响其其功功效效，严严重重时时可可造造成成疾疾病发生。病发生。第73页目录目录蛋白质构象改变造成疾病机理蛋白质构象改变造成疾病机理：有些蛋白：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀病理改变。白质淀粉样纤维沉淀病理改变。这类疾病包含这类疾病包含：人纹状体脊髓变性病、老：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。第74页目录目录疯牛病是由朊病毒蛋白疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引发一组人和动物神经退行性病变。引发一组人和动物神经退行性病变。正常正常PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质作用下可转变成全为在某种未知蛋白质作用下可转变成全为-折叠折叠PrPsc，从而致病。，从而致病。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病n疯牛病中蛋白质构象改变疯牛病中蛋白质构象改变第75页目录目录第四节第四节蛋白质理化性质蛋白质理化性质The Physical and Chemical Characters of Protein第76页目录目录一、一、蛋白质含有两性电离性质蛋白质含有两性电离性质蛋蛋白白质质分分子子除除两两端端氨氨基基和和羧羧基基可可解解离离外外，氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链中中一一些些基基团团，在在一一定定溶溶液液pH条条件件下下都可解离成带负电荷或正电荷基团。都可解离成带负电荷或正电荷基团。当当蛋蛋白白质质溶溶液液处处于于某某一一pH时时，蛋蛋白白质质解解离离成成正正、负负离离子子趋趋势势相相等等，即即成成为为兼兼性性离离子子，净净电电荷荷为零，此时溶液为零，此时溶液pH称为称为蛋白质等电点。蛋白质等电点。n蛋白质等电点蛋白质等电点(isoelectric point,pI)第77页目录目录二、蛋白质含有胶体性质二、蛋白质含有胶体性质蛋蛋白白质质属属于于生生物物大大分分子子之之一一，分分子子量量可可自自1万万至至100万万之之巨巨，其其分分子子直直径径可可达达1100nm，为为胶粒范围之内。胶粒范围之内。颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜n蛋白质胶体稳定原因蛋白质胶体稳定原因:第78页+带正电荷蛋白质带正电荷蛋白质带负电荷蛋白质带负电荷蛋白质在等电点蛋白质在等电点蛋白质水化膜水化膜+带正电荷蛋白质带正电荷蛋白质带负电荷蛋白质带负电荷蛋白质不稳定蛋白质颗粒不稳定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聚沉溶液中蛋白质聚沉第79页目录目录三、蛋白质空间结构破坏而引发变性三、蛋白质空间结构破坏而引发变性在在一一些些物物理理和和化化学学原原因因作作用用下下，其其特特定定空空间间构构象象被被破破坏坏，也也即即有有序序空空间间结结构构变变成成无无序序空空间间结结构构，从从而而造造成成其其理理化化性性质质改改变变和和生生物物活活性性丧失。丧失。n蛋白质变性蛋白质变性(denaturation)第80页目录目录n造成变性原因造成变性原因:如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、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重金属离子及生物碱试剂等。n变性本质变性本质:破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质一级结构。质一级结构。第81页目录目录n 应用举例应用举例:临床医学上，变性原因常被应用来消毒及临床医学上，变性原因常被应用来消毒及灭菌。灭菌。另外另外,预防蛋白质变性也是有效保留蛋白质预防蛋白质变性也是有效保留蛋白质制剂（如疫苗等）必要条件。制剂（如疫苗等）必要条件。第82页目录目录若若蛋蛋白白质质变变性性程程度度较较轻轻，去去除除变变性性原原因因后后，蛋蛋白白质质仍仍可可恢恢复复或或部部分分恢恢复复其其原原有有构构象象和功效，称为和功效，称为复性复性(renaturation)。第83页目录目录 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，无活性第84页目录目录在在一一定定条条件件下下，蛋蛋白白疏疏水水侧侧链链暴暴露露在在外外，肽肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变变性性蛋蛋白白质质易易于于沉沉淀淀，有有时时蛋蛋白白质质发发生生沉沉淀淀，但并不变性。但并不变性。蛋白质变性后絮状物加热可变成比较坚固凝蛋白质变性后絮状物加热可变成比较坚固凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。n蛋白质沉淀蛋白质沉淀n蛋白质凝固作用蛋白质凝固作用(protein coagulation)第85页目录目录四、蛋白质四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰在紫外光谱区有特征性吸收峰因为蛋白质分子中含有共轭双键酪氨酸和因为蛋白质分子中含有共轭双键酪氨酸和色氨酸，所以在色氨酸，所以在280nm波优点有特征性吸收峰。波优点有特征性吸收峰。蛋白质蛋白质OD280与其浓度呈正比关系，所以可作与其浓度呈正比关系，所以可作蛋白质定量测定。蛋白质定量测定。第86页目录目录蛋白质经水解后产生氨基酸也可发生茚三蛋白质经水解后产生氨基酸也可发生茚三酮反应。酮反应。蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，展现紫色或红色，此反应称为硫酸铜共热，展现紫色或红色，此反应称为双双缩脲反应缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。程度。五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量溶液含量1.茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)2.双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)第87页目录目录第五节第五节蛋白质分离纯化与结构分析蛋白质分离纯化与结构分析The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein第88页目录目录一、一、透析及超滤法可去除蛋白质溶液中小透析及超滤法可去除蛋白质溶液中小分子化合物分子化合物应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量超滤膜，到达浓缩蛋白质溶液目定截留分子量超滤膜，到达浓缩蛋白质溶液目标。标。n透析透析(dialysis)n超滤法超滤法利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开方法物分开方法。第89页目录目录二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是惯用二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是惯用蛋白质沉淀方法蛋白质沉淀方法使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀时，必须在时，必须在04低温下进行，低温下进行，丙酮用量普通丙酮用量普通10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应马上分离。除了丙酮以外，被丙酮沉淀后，应马上分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。也可用乙醇沉淀。盐析盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，造成蛋白质沉淀。被中和以及水化膜被破坏，造成蛋白质沉淀。第90页目录目录免疫沉淀法：免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可取得将某一纯化蛋白质免疫动物可取得抗该蛋白特异抗体。利用特异抗体识别对应抗原抗该蛋白特异抗体。利用特异抗体识别对应抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物性质，可从蛋白质蛋白，并形成抗原抗体复合物性质，可从蛋白质混合溶液中分离取得抗原蛋白。混合溶液中分离取得抗原蛋白。第91页目录目录三、利用荷电性质可用电泳法将三、利用荷电性质可用电泳法将蛋白质分离蛋白质分离蛋蛋白白质质在在高高于于或或低低于于其其pIpI溶溶液液中中为为带带电电颗颗粒粒，在在电电场场中中能能向向正正极极或或负负极极移移动动。这这种种经经过过蛋蛋白白质质在在电电场场中中泳泳动动而而到到达达分分离离各各种种蛋蛋白白质质技技术术,称称为为电电泳泳(elctrophoresis)。依依据据支支撑撑物物不不一一样样，可可分分为为薄薄膜膜电电泳泳、凝凝胶胶电泳等。电泳等。第92页目录目录SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳，惯用于蛋白质分子，惯用于蛋白质分子量测定。量测定。等电聚焦电泳等电聚焦电泳，经过蛋白质等电点差异而分离，经过蛋白质等电点差异而分离蛋白质电泳方法。蛋白质电泳方法。双向凝胶电泳双向凝胶电泳是蛋白质组学研究主要技术。是蛋白质组学研究主要技术。n几个主要蛋白质电泳几个主要蛋白质电泳:第93页目录目录四、四、应用相分配或亲和原理可将蛋白质应用相分配或亲和原理可将蛋白质进行层析分离进行层析分离待待分分离离蛋蛋白白质质溶溶液液（流流动动相相）经经过过一一个个固固态态物物质质（固固定定相相）时时，依依据据溶溶液液中中待待分分离离蛋蛋白白质质颗颗粒粒大大小小、电电荷荷多多少少及及亲亲和和力力等等，使使待待分分离离蛋蛋白白质质组组分分在在两两相相中中重重复复分分配配，并并以以不不一一样样速速度流经固定相而到达分离蛋白质目标。度流经固定相而到达分离蛋白质目标。n层析层析(chromatography)分离蛋白质原理分离蛋白质原理第94页目录目录离子交换层析：离子交换层析：利用各蛋白质电荷量及性质利用各蛋白质电荷量及性质不一样进行分离。不一样进行分离。凝胶过滤凝胶过滤(gel filtration)又称分子筛层析又称分子筛层析，利，利用各蛋白质分子大小不一样分离。用各蛋白质分子大小不一样分离。n蛋白质分离惯用层析方法蛋白质分离惯用层析方法第95页目录目录第96页目录目录第97页目录目录五、五、利用蛋白质颗粒沉降行为不一利用蛋白质颗粒沉降行为不一样可进行超速离心分离样可进行超速离心分离超速离心法超速离心法(ultracentrifugation)既能够既能够用来分离纯化蛋白质也能够用作测定蛋用来分离纯化蛋白质也能够用作测定蛋白质分子量。白质分子量。蛋白质在离心场中行为用蛋白质在离心场中行为用沉降系数沉降系数(sedimentation coefficient,S)表示，沉表示，沉降系数与蛋白质密度和形状相关降系数与蛋白质密度和形状相关。第98页目录目录因因为为沉沉降降系系数数S大大致致上上和和分分子子量量成成正正比比关关系系，故故可可应应用用超超速速离离心心法法测测定定蛋蛋白白质质分分子子量量，但但对对分分子子形形状状高高度度不不对对称称大大多多数数纤纤维维状状蛋白质不适用。蛋白质不适用。第99页目录目录六、应用化学或反向遗传学方法可分析六、应用化学或反向遗传学方法可分析多肽链氨基酸序列多肽链氨基酸序列分析已纯化蛋白质氨基酸残基组成分析已纯化蛋白质氨基酸残基组成测定多肽链氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基测定多肽链氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基把肽链水解成片段，分别进行分析把肽链水解成片段，分别进行分析测定各肽段氨基酸排列次序，普通采取测定各肽段氨基酸排列次序，普通采取Edman降解法降解法普通需用数种水解法，并分析出各肽段中氨基酸次普通需用数种水解法，并分析出各肽段中氨基酸次序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基酸次序结果。酸次序结果。第100页目录目录n经过核酸来推演蛋白质中氨基酸序列经过核酸来推演蛋白质中氨基酸序列按照三联密码标准推演出氨基酸序列按照三联密码标准推演出氨基酸序列分离编码蛋白质基因分离编码蛋白质基因测定测定DNA序列序列排列出排列出mRNA序列序列第101页目录目录七、应用物理学、生物信息学原理七、应用物理学、生物信息学原理可进行蛋白质空间结构测定可进行蛋白质空间结构测定n二级结构测定二级结构测定通通常常采采取取圆圆二二色色光光谱谱(circular dichroism，CD)测测定定溶溶液液状状态态下下蛋蛋白白质质二二级级结结构构含含量量。-螺螺旋旋CDCD峰峰有有222nm222nm处处负负峰峰、208nm208nm处处负负峰峰和和198 198 nmnm处正峰三个成份；而处正峰三个成份；而-折叠折叠CDCD谱不很固定。谱不很固定。第102页目录目录n三级结构测定三级结构测定X射射线线衍衍射射法法(X-ray diffraction)和和核核磁磁共共振振技技术术(nuclear magnetic resonance,NMR)是是研究蛋白质三维空间结构最准确方法。研究蛋白质三维空间结构最准确方法。第103页目录目录同源模建同源模建：将待研究序列与已知结构同源蛋白质序：将待研究序列与已知结构同源蛋白质序列对齐列对齐赔偿氨基酸替补、插入和缺失赔偿氨基酸替补、插入和缺失经过经过模建和能量优化计算，产生目标序列三维结构。序模建和能量优化计算，产生目标序列三维结构。序列相同性越高，预测模型也越准确。列相同性越高，预测模型也越准确。折叠识别折叠识别：经过预测二级结构、预测折叠方式和参：经过预测二级结构、预测折叠方式和参考其它蛋白空间结构，从而产生目标序列三维结构。考其它蛋白空间结构，从而产生目标序列三维结构。从无到有从无到有：依据单个氨基酸形成二级结构倾向，加：依据单个氨基酸形成二级结构倾向，加上各种作用力力场信息，直接产生目标序列三维结上各种作用力力场信息，直接产生目标序列三维结构。构。n依据蛋白质氨基酸序列预测其三维空间结构：依据蛋白质氨基酸序列预测其三维空间结构：第104页