生物化学：蛋白质的化学课件.ppt

1、 蛋白质蛋白质(protein)(protein)是由氨基酸为是由氨基酸为单位组成的一类重要的生物大分单位组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础子，是生命的物质基础。第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 第第三三节节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 及分离纯化及分离纯化第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成 蛋白质分子中主要的元素组成是：蛋白质分子中主要的元素组成是：C C、H H、O O、N N、S S等。其中等。其中N N元素的含量相对稳定，约元素的含量相对稳定，约为为16%16%，故每克氮相当于，故每克氮相当于6.2

2、56.25克克蛋白质。蛋白质。一、氨基酸一、氨基酸(amino acid)(amino acid)组成蛋白质的基本单位是氨基酸。如将组成蛋白质的基本单位是氨基酸。如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约二十种不同的氨基酸。除约二十种不同的氨基酸。除脯氨酸脯氨酸和和甘甘氨酸氨酸外，其余均属于外，其余均属于L-L-氨基酸氨基酸。L-L-氨基酸的结构通式氨基酸的结构通式 COOH H2N C H R CCOOHHRH2NCCOOHNH2RHL-AAD-AA为了表达蛋白质或多肽结构的需要，为了表达蛋白质或多肽结构的需要，氨基酸的名称常常使用三字母的简写符氨基酸的名称常

3、常使用三字母的简写符号来表示，有时也用单字母的简写符号号来表示，有时也用单字母的简写符号来表示，单字母主要用于表示长链多肽来表示，单字母主要用于表示长链多肽的氨基酸顺序。的氨基酸顺序。（一）氨基酸的分类：（一）氨基酸的分类：从结构通式中可以看出，各种氨基酸从结构通式中可以看出，各种氨基酸的区别就在于侧链的区别就在于侧链R基的不同。组成蛋白基的不同。组成蛋白质的氨基酸按其质的氨基酸按其-碳原子上侧链碳原子上侧链R的结构的结构分为分为20种，种，20种氨基酸可按种氨基酸可按R的结构和极的结构和极性的不同进行分类。性的不同进行分类。1.根据根据R基的化学结构，基的化学结构，20种常见氨基酸可种常见氨

4、基酸可以分为脂肪族、芳香族和杂环族三类以分为脂肪族、芳香族和杂环族三类。（1）脂肪族氨基酸）脂肪族氨基酸含一氨基一羧基的中性氨基酸：含一氨基一羧基的中性氨基酸：GlyGly、AlaAla、ValVal、LeuLeu、IleIle含羟基的氨基酸：含羟基的氨基酸：SerSer、ThrThr含硫的氨基酸：含硫的氨基酸：CysCys、MetMet含酰胺基的氨基酸：含酰胺基的氨基酸：AsnAsn、GlnGln含一氨基二羧基的酸性氨基酸：含一氨基二羧基的酸性氨基酸：AspAsp、GluGlu含二氨基一羧基的碱性氨基酸：含二氨基一羧基的碱性氨基酸：LysLys、ArgArg(2)(2)芳香族氨基酸芳香族氨基

5、酸 PhePhe、TyrTyr、(Try)(Try)(3)(3)杂环族氨基酸杂环族氨基酸HisHis、ProPro、(Try)(Try)2.根据根据R基极性来分，基极性来分，20种氨基酸可以分种氨基酸可以分为四类。为四类。(1)非极性非极性R基氨基酸基氨基酸Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Met、Pro(2)不带电荷的极性不带电荷的极性R基氨基酸基氨基酸R基中含有不解离的极性基团，能与水形成氢键。基中含有不解离的极性基团，能与水形成氢键。Ser、Thr、Tyr(OH)Cys(SH)Asn、Gln(酰胺基酰胺基)Gly的侧链介于极性与非极性之间，有时也把它归的侧链介于极性与非极性

6、之间，有时也把它归为非极性类。为非极性类。(3)带正电荷的带正电荷的R基氨基酸（碱性氨基酸）基氨基酸（碱性氨基酸）Lys、Arg、His(4)带负电荷的带负电荷的R基氨基酸（酸性氨基酸）基氨基酸（酸性氨基酸）Asp、Glu（一）氨基酸的分类：（一）氨基酸的分类：根据根据R R侧链基团解离性质的不同，可将氨侧链基团解离性质的不同，可将氨基酸进行分类：基酸进行分类：1.1.酸性氨基酸酸性氨基酸GluGlu，AspAsp；侧链基团；侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。2.2.碱性氨基酸碱性氨基酸HisHis，ArgArg，LysLys；侧链基团在中性溶液中

7、解离后带正电荷侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。的氨基酸。3.3.中性氨基酸中性氨基酸 侧链基团在中性溶液中侧链基团在中性溶液中不发生解离，因而不带电荷的氨基酸。可分不发生解离，因而不带电荷的氨基酸。可分为：为：a)a)极性氨基酸：极性氨基酸：TyrTyr，CysCys，SerSer，ThrThr，AsnAsn，GlnGln，TrpTrp；a)a)非极性氨基酸：非极性氨基酸：GlyGly，AlaAla，ValVal，LeuLeu，IleIle，ProPro，Phe,Met Phe,Met。（二）氨基酸的理化性质：（二）氨基酸的理化性质：1.1.物理性质物理性质无色结晶，每种氨基酸都有

8、自己特有的结晶形无色结晶，每种氨基酸都有自己特有的结晶形状，可用于鉴定。状，可用于鉴定。熔点极高（熔点极高（200200以上）。以上）。有不同的味道。有不同的味道。除胱氨酸、半胱氨酸、酪氨酸外，氨基酸一般除胱氨酸、半胱氨酸、酪氨酸外，氨基酸一般都溶于水，但在水中的溶解度差别较大。在稀酸、都溶于水，但在水中的溶解度差别较大。在稀酸、稀碱中溶解最好。稀碱中溶解最好。除脯氨酸溶于乙醇、乙醚之外，绝大多数氨基除脯氨酸溶于乙醇、乙醚之外，绝大多数氨基酸都不溶于有机溶剂。所以可用有机溶剂沉淀法生酸都不溶于有机溶剂。所以可用有机溶剂沉淀法生产氨基酸。产氨基酸。2 2两性解离及等电点两性解离及等电点：氨基酸分

9、子是一种两性电解质。氨基酸分子是一种两性电解质。通过改变通过改变溶液的溶液的pHpH可使氨基酸分子的解离状态发生改可使氨基酸分子的解离状态发生改变。变。氨基酸分子带有相等正、负电荷时，溶液氨基酸分子带有相等正、负电荷时，溶液的的pHpH值称为该氨基酸的值称为该氨基酸的等电点等电点（pIpI）。）。氨基酸的解离情况氨基酸的解离情况COO-C HH3N+R-pK1+H+H+COOHCHH3N+RH+H+pK2-COO-CHH2NR净电荷净电荷 +0 -+0 -正离子正离子 两性离子两性离子 负离子负离子 等电点等电点pIpI3 3紫外吸收性质：紫外吸收性质：组成天然蛋白质分子的组成天然蛋白质分子的

10、2020种氨基酸中，种氨基酸中，只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外光有光吸收。其吸收峰在光有光吸收。其吸收峰在280nm280nm左右，以左右，以色氨酸色氨酸吸收最强。吸收最强。可利用此性质采用紫外分分光度法测定可利用此性质采用紫外分分光度法测定蛋白质的含量。蛋白质的含量。4 4茚三酮反应：茚三酮反应：l氨基酸可与茚三酮缩合产生氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色蓝紫色化化合物，其最大吸收峰在合物，其最大吸收峰在570nm570nm。可利用此。可利用此性质测定氨基酸的含量。性质测定氨基酸的含量。二、肽二、肽(peptide)(peptide)（一）肽键与肽链：（一）

11、肽键与肽链：蛋白质是由若干氨蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的的-羧基与另一个氨基酸分子的羧基与另一个氨基酸分子的-氨氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽肽。两氨基酸单位之间的酰胺键，称为两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键肽键。多肽链中的氨基酸单位称为多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基氨基酸残基。多多肽链具有方向性，头端为肽链具有方向性，头端为氨基端氨基端（N N端），尾端），尾端为端为羧基端羧基端（C C端）。端）。凡氨基酸残基数目在凡氨基酸

12、残基数目在5050个以上，且具有特定个以上，且具有特定空间结构的肽称空间结构的肽称蛋白质蛋白质；凡氨基酸残基数目；凡氨基酸残基数目在在5050个以下，且无特定空间结构者称个以下，且无特定空间结构者称多肽多肽。（二）生物活性肽：（二）生物活性肽：生物体内具有一定生物学活性的肽类物生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称质称生物活性肽生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。神经肽、肽类激素等。1.1.谷胱甘肽（谷胱甘肽（GSHGSH）：）：l全称为全称为-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型（化、还原，故有还原型（GSHG

13、SH）与氧化型（）与氧化型（GSSGGSSG）两种存在形式。两种存在形式。Glu-Cys-Gly Glu-Cys-Gly SH S S Glu-Cys-Gly 谷胱甘肽的生理功用：谷胱甘肽的生理功用：解毒作用解毒作用：与毒物或药物结合，消除其：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；毒性作用；参与氧化还原反应参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基：使巯基酶的活性基团团-SH-SH维持还原状态；维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂：消除氧化剂对红细胞

14、膜结构的破坏作用。对红细胞膜结构的破坏作用。2.2.多肽类激素：多肽类激素：种类较多，生理功能各异。主要见于下种类较多，生理功能各异。主要见于下丘脑及垂体分泌的激素。丘脑及垂体分泌的激素。第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特定分子结构的高分子化合物。的，具有特定分子结构的高分子化合物。蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即四级结构均属于空间结构，即构

15、象构象。构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）非共价键（次级键）来维来维系。系。一、蛋白质分子中的非共价键一、蛋白质分子中的非共价键(次级键次级键)1.1.氢键：氢键：氢键氢键(hydrogen bond)(hydrogen bond)的形成常见的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。与另一电负性很强的原子之间。氢键在维氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。氢键的键能较低氢键的

16、键能较低(12kJ/mol)12kJ/mol)，因而易被破，因而易被破坏。坏。蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成2.2.疏水键：疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。用力。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链等的侧链基团。基团。3.3.离子键（

17、盐键）：离子键（盐键）：离子键离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。蛋白质分子中离子键的形成蛋白质分子中离子键的形成4 4范德华氏（范德华氏（van der Waals)van der Waals)引力：引力：原子之间存在的相互作用力。原子之间存在的

18、相互作用力。二、蛋白质的一级结构二、蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的线状结构。链的线状结构。维系蛋白质一级结构的主要维系蛋白质一级结构的主要化学键为化学键为肽键肽键。胰岛素（胰岛素（InsulinInsulin）由）由5151个氨基酸残基组成，分为个氨基酸残基组成，分为A A、B B两条链。两条链。A A链链2121个氨基酸残基，个氨基酸残基，B B链链3030个氨基酸残个氨基酸残基。基。A A、B B两条链之间通过两条链之间通过两个二硫键两个二硫键联结

19、在一起，联结在一起，A A链另有链另有一个链内二硫键一个链内二硫键。蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定 研究蛋白质的一级结构从确定组成蛋白质的研究蛋白质的一级结构从确定组成蛋白质的单元结构单元结构氨基酸算起，已有氨基酸算起，已有150年的悠久历史，年的悠久历史，直到直到1953年，年，Sanger首次阐明胰岛素的氨基酸首次阐明胰岛素的氨基酸排列顺序，为研究蛋白质的一级结构开辟了道排列顺序，为研究蛋白质的一级结构开辟了道路。这在分子生物学的发展进程中是一个重要路。这在分子生物学的发展进程中是一个重要突破。目前关于核酸的一级结构研究，由于突破。目前关于核酸的一级结构研究，由于Sanger等发

20、明了加减法，可以得到了突飞猛进等发明了加减法，可以得到了突飞猛进的发展。的发展。蛋白质分子一级结构的研究包括氨基酸的组蛋白质分子一级结构的研究包括氨基酸的组成、氨基酸的排列顺序、二硫键位置、肽链数目成、氨基酸的排列顺序、二硫键位置、肽链数目和末端氨基酸种类等等。和末端氨基酸种类等等。样品必需纯（样品必需纯（97%97%以上）；以上）；知道蛋白质的分子量；知道蛋白质的分子量；知道蛋白质由几个亚基组成；知道蛋白质由几个亚基组成；测定蛋白质的氨基酸组成；并根据分子量测定蛋白质的氨基酸组成；并根据分子量计算每种氨基酸的个数。计算每种氨基酸的个数。测定水解液中的氨量，计算酰胺的含量。测定水解液中的氨量，

21、计算酰胺的含量。测定蛋白质的一级结构的要求测定蛋白质的一级结构的要求测定蛋白质的一级结构的主要意义：测定蛋白质的一级结构的主要意义：一级结构是研究高级结构的基础。一级结构是研究高级结构的基础。可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。的关系。可以为生物进化理论提供依据可以为生物进化理论提供依据 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白导致血红蛋白-链第六位氨基酸残基由谷氨链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下酸改变为缬

22、氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。细胞色素细胞色素c c的一级结构与生物进化的关系的一级结构与生物进化的关系三、蛋白质的二级结构三、蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二级结构的主要化学键是级结构的主要化学键是氢键氢键。（一）蛋白质立体结构原则：（一）蛋白质立体结构原则：1.1.由于由于C=OC=O双键中的双键中的电子云

23、与电子云与N N原子上的未共原子上的未共用电子对发生用电子对发生“电子共振电子共振”，使，使肽键具有部分双键肽键具有部分双键的性质的性质，不能自由旋转。，不能自由旋转。2.2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称为称为肽单元或肽键平面肽单元或肽键平面。但由于。但由于-碳原子与其他碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。以作相对旋转。肽键平面肽键平面由于肽键具有部分双键由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为被

24、束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单元肽键平面或肽单元。（二）蛋白质二级结构的类型：（二）蛋白质二级结构的类型：蛋白质的二级结构主要包括蛋白质的二级结构主要包括-螺旋，螺旋，-折迭，折迭，-转角及无规卷曲转角及无规卷曲等几种类型。等几种类型。1.-螺旋螺旋：-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为：所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为：为一右手螺旋；为一右手螺旋；螺旋每圈包含螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，个氨基酸残基，螺距螺距为为5.44埃；埃；螺旋以氢键维系。螺旋以氢键维系。影响影响-螺旋稳定的因素有：螺旋稳

25、定的因素有：极大的侧链基团（存在空间位阻）；极大的侧链基团（存在空间位阻）；连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；残基（同种电荷的互斥效应）；有有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。2.-2.-折迭：折迭：-折迭是由若干肽段或肽链排列起来所形成折迭是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象，其结构特征为：的扇面状片层构象，其结构特征为：由若干条肽段或肽链平行或反平行排列由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构；组成片状结构；主链骨架伸展呈锯齿状；主链骨架伸展呈锯齿状；借相邻主链之间的氢键维系

26、。借相邻主链之间的氢键维系。3.-3.-转角：转角：-转角是多肽链转角是多肽链180回折部分所形成的一回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：种二级结构，其结构特征为：主链骨架本身以大约主链骨架本身以大约180回折回折;回折部分通常由四个氨基酸残基构成回折部分通常由四个氨基酸残基构成;构象依靠第一残基的构象依靠第一残基的-CO基与第四残基基与第四残基的的-NH基之间形成氢键来维系。基之间形成氢键来维系。4.4.无规卷曲：无规卷曲：无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。的卷曲构象。在蛋白质分子中，若干具有二级结构的肽在蛋白质分子中，若干具有二

27、级结构的肽段在空间上相互接近，形成具有特殊功能段在空间上相互接近，形成具有特殊功能的结构区域，称的结构区域，称模序（模序（motif)或超二级结构。或超二级结构。四、蛋白质的三级结构四、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或亚基内所是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，也就是一条多肽链的完整有原子的空间排布，也就是一条多肽链的完整的三维结构。的三维结构。维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如键），如疏水键、氢键、盐键、范氏引力疏水键、氢键、盐键、范氏引力等，等，但也有共价键，如但也有共价键，如二硫键二硫键等。等。胰

28、岛素分子的三级结构胰岛素分子的三级结构溶菌酶分子的三级结构溶菌酶分子的三级结构结构域：结构域：在一级结构上相距较远的氨基酸残基，通过在一级结构上相距较远的氨基酸残基，通过三级结构的形成，多肽链的弯折，彼此聚集在三级结构的形成，多肽链的弯折，彼此聚集在一起，从而形成一些在功能上相对独立的，结一起，从而形成一些在功能上相对独立的，结构较为紧凑的区域，称为构较为紧凑的区域，称为结构域结构域（domain）。）。五、蛋白质的四级结构五、蛋白质的四级结构蛋 白 质 的 四 级 结 构（蛋 白 质 的 四 级 结 构（q u a t e r n a r y q u a t e r n a r y stru

29、cture)structure)就是指蛋白质分子中亚基的立就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局。布局。亚基亚基(subunit)(subunit)就是指参与构成蛋白质四级就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。结构的、每条具有三级结构的多肽链。维系蛋白质四级结构的是维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氢键、盐键、范氏引力、疏水键氏引力、疏水键等非共价键。等非共价键。亚基的立体排布亚基的立体排布蛋白质四级结构与功能的关系蛋白质四级结构与功能的关系变构效应变构效应当血红蛋白的一个当血红蛋白的一个亚基与氧分子结合以亚

30、基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈线呈“S S”形。这种由于蛋白质分子构象改形。这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为称为变构效应变构效应。血红蛋白的氧饱和曲线血红蛋白的氧饱和曲线血红蛋白的变构血红蛋白的变构蛋白质的结构层次可总结为蛋白质的结构层次可总结为:一级结构（肽链结构，指多肽链中的氨基酸排列顺序）一级结构（肽链结构，指多肽链中

31、的氨基酸排列顺序）二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形成的有规律性的结二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形成的有规律性的结构）构）超二级结构（相邻二级结构的聚集体）超二级结构（相邻二级结构的聚集体）结构域（在空间上可明显区分的相对独立的区域性结构）结构域（在空间上可明显区分的相对独立的区域性结构）三级结构（球状蛋白质中所有原子在空间的相对位置）三级结构（球状蛋白质中所有原子在空间的相对位置）四级结构（亚基聚合体）四级结构（亚基聚合体）一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系六、蛋白质的结构与功能的关系六、蛋白质的结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与

32、功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 一级结构是基础一级结构是基础1.一级结构不同一级结构不同,生物功能各异生物功能各异 2.一级结构中一级结构中关键部分相同关键部分相同,生物功能相同生物功能相同3.一级结构中一级结构中关键部分改变关键部分改变,生物功能改变或丧失生物功能改变或丧失1.酶原的酶原的激活激活二、蛋白质构象与功能的关系二、蛋白质构象与功能的关系2.蛋白质蛋白质前体与活性前体与活性3.蛋白质的蛋白质的别（变）构作用别（变）构作用：4.蛋白质蛋白质变性变性,生物功能丧失生物功能丧失 牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶牛胰岛素的牛胰岛素的激活激活第第三三节节

33、蛋白质的理化性质及分离纯化蛋白质的理化性质及分离纯化 一、蛋白质的理化性质一、蛋白质的理化性质 （一）蛋白质的两性解离与等电点：（一）蛋白质的两性解离与等电点：由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链上存在游离由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链上存在游离的氨基和游离的羧基，因此蛋白质与氨基酸一样的氨基和游离的羧基，因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质，因而也具有特定的等电点具有两性解离的性质，因而也具有特定的等电点。各种蛋白质分子由于所含的碱性氨基酸和各种蛋白质分子由于所含的碱性氨基酸和酸性氨基酸的数目不同，因而有各自的等电酸性氨基酸的数目不同，因而有各自的等电点。点。凡碱性氨基酸含量较多的蛋白质，

34、等电点凡碱性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏碱性，如组蛋白、精蛋白等。反之，凡就偏碱性，如组蛋白、精蛋白等。反之，凡酸性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏酸性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏酸性。酸性。人体体液中许多蛋白质的等电点在人体体液中许多蛋白质的等电点在pH5.0左右，所以在体液中以负离子形式存在。左右，所以在体液中以负离子形式存在。（二）蛋白质的胶体性质：（二）蛋白质的胶体性质：蛋白质分子的颗粒直径已达蛋白质分子的颗粒直径已达1100nm1100nm，处于，处于胶体颗粒的范围。因此，蛋白质具有亲水溶胶体颗粒的范围。因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。胶的性质。蛋白质分子表面的蛋白质分

35、子表面的水化膜和表面电荷水化膜和表面电荷是稳定是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。1.蛋白质表面具有水化层蛋白质表面具有水化层蛋白质分子表面有许多亲水的基团，蛋白质分子表面有许多亲水的基团，如如-NH2、-COOH、-OH、-SH、-CO-NH-等，在水溶液中能与水分子起水化等，在水溶液中能与水分子起水化作用作用(hydration)，使蛋白质分子表面形，使蛋白质分子表面形成一个水化层。由于水化层的存在，蛋成一个水化层。由于水化层的存在，蛋白质颗粒彼此不能接近，因而增加了蛋白质颗粒彼此不能接近，因而增加了蛋白质溶液的稳定性，阻碍蛋白质胶粒从白质溶液的稳定性，阻碍蛋

36、白质胶粒从溶液中沉淀出来。溶液中沉淀出来。2.蛋白质表面具有同性电荷蛋白质表面具有同性电荷蛋白质表面的可解离基团，在适当蛋白质表面的可解离基团，在适当的的pH条件下，都带有相同的电荷，能条件下，都带有相同的电荷，能与周围电性相反的离子构成稳定的双电与周围电性相反的离子构成稳定的双电层层(electric double layer)，使蛋白质颗，使蛋白质颗粒不至于聚集沉淀。粒不至于聚集沉淀。蛋白质颗粒由于蛋白质颗粒由于水化层水化层与与双电层双电层两方两方面的稳定因素，所以作为胶体系统是相面的稳定因素，所以作为胶体系统是相当稳定的，如果破坏了这些因素，蛋白当稳定的，如果破坏了这些因素，蛋白质颗粒会

37、相互聚集而沉淀。质颗粒会相互聚集而沉淀。与低分子物质比较，蛋白质分子扩与低分子物质比较，蛋白质分子扩散速度慢，不易透过半透膜，粘度大，散速度慢，不易透过半透膜，粘度大，在分离提纯蛋白质过程中，我们可利用在分离提纯蛋白质过程中，我们可利用蛋白质的这一性质，将混有小分子杂质蛋白质的这一性质，将混有小分子杂质的蛋白质溶液放于半透膜制成的囊内，的蛋白质溶液放于半透膜制成的囊内，置于流动水或适宜的缓冲液中，小分子置于流动水或适宜的缓冲液中，小分子杂质皆易从囊中透出，保留了比较纯化杂质皆易从囊中透出，保留了比较纯化的囊内蛋白质，这种方法称为透析的囊内蛋白质，这种方法称为透析(dialysis)。（三）蛋白

38、质的变性、沉淀和凝固：（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固：（1）蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为的现象称为沉淀沉淀。稳定因素一旦改变容易沉淀。稳定因素一旦改变容易沉淀。（2）蛋白质的变性蛋白质的变性在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的格的空间结构被破坏空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，称为的改变，称为蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)(denaturation)。引起蛋白质变性的因素有：引

39、起蛋白质变性的因素有：物理因素：高温、高压、紫外线、物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等；电离辐射、超声波等；化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。重金属盐等。变性蛋白质的性质改变：变性蛋白质的性质改变：物理性质：旋光性改变，溶解度下物理性质：旋光性改变，溶解度下降，沉降率升高，粘度升高，光吸收度降，沉降率升高，粘度升高，光吸收度增加等；增加等；化学性质：官能团反应性增加，易化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解。被蛋白酶水解。生物学性质：原有生物学活性丧失，生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性改变。抗原性改变。避免变性避免变性在制备有生

40、物活性的酶、蛋白质、激素在制备有生物活性的酶、蛋白质、激素或其他制品时，要求所需成分不变性，所或其他制品时，要求所需成分不变性，所以应严格控制操作条件，必要时还可以加以应严格控制操作条件，必要时还可以加入保护剂、抑制剂以增强蛋白质的抗变性入保护剂、抑制剂以增强蛋白质的抗变性能力。能力。利用变性利用变性细菌蛋白、杂蛋白应变性除去。细菌蛋白、杂蛋白应变性除去。核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复性（3）凝固凝固 加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是

41、变性后的蛋沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质。白质。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。二、蛋白质的分离与纯化二、蛋白质的分离与纯化（一）盐析与有机溶剂沉淀：（一）盐析与有机溶剂沉淀：1.1.盐析：盐析：在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉淀析出，称为沉淀析出，称为盐析盐析。低盐浓度可使大多数蛋白质溶解度增低盐浓度可使大多数蛋白质溶解度增加，这种现象称为加，这种现象称为盐溶作用盐溶作用(salting in)。常用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、硫酸常

42、用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、硫酸钠等。钠等。盐析时，溶液的盐析时，溶液的pH在蛋白质的等电在蛋白质的等电点处效果最好。点处效果最好。盐析沉淀蛋白质时，通常盐析沉淀蛋白质时，通常不会引起蛋白质的变性。不会引起蛋白质的变性。分段盐析：分段盐析：半饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆球蛋白，而半饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆球蛋白，而饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆清蛋白。饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆清蛋白。2.2.有机溶剂沉淀蛋白质：有机溶剂沉淀蛋白质：凡能与水以任意比例混合的有机溶剂，如凡能与水以任意比例混合的有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可用于沉淀蛋白质。乙醇、甲醇、丙酮等，均可用于沉淀蛋白质。沉淀原理是：沉淀原理是

43、：脱水作用；脱水作用；使水的介电使水的介电常数降低，蛋白质溶解度降低。常数降低，蛋白质溶解度降低。3 3、重金属盐沉淀蛋白质重金属盐沉淀蛋白质 蛋白质可以与重金属离子结合成盐沉蛋白质可以与重金属离子结合成盐沉淀，沉淀的条件以淀，沉淀的条件以pH稍大于等电点为宜。稍大于等电点为宜。因为此时蛋白质分子有较多的负离子易与因为此时蛋白质分子有较多的负离子易与重金属离子结合成盐。重金属沉淀的蛋白重金属离子结合成盐。重金属沉淀的蛋白质常是变性的。质常是变性的。（二二）层析：）层析：层析（层析（chromatography)chromatography)是一种利用混合物中各组是一种利用混合物中各组分理化性质

44、的差异，在相互接触的两相（固定相分理化性质的差异，在相互接触的两相（固定相与流动相）之间的分布不同而进行分离分析的技与流动相）之间的分布不同而进行分离分析的技术方法。术方法。主要的层析技术有离子交换层析，凝胶层析，吸主要的层析技术有离子交换层析，凝胶层析，吸附层析及亲和层析等。附层析及亲和层析等。在外电场的作用下，带电颗粒，例如不处于等电在外电场的作用下，带电颗粒，例如不处于等电点状态的蛋白质分子，将各着向着与其电性相反的点状态的蛋白质分子，将各着向着与其电性相反的电极移动，这种现象称为电泳。电极移动，这种现象称为电泳。蛋白质在电场中移动的速度和方向主要取决于蛋蛋白质在电场中移动的速度和方向主

45、要取决于蛋白质分子所带电荷的性质、数量以及蛋白质分子的白质分子所带电荷的性质、数量以及蛋白质分子的大小和形状，在一定条件下，各种蛋白质的电泳迁大小和形状，在一定条件下，各种蛋白质的电泳迁移率不同，因而可以达到蛋白质分离的目的。移率不同，因而可以达到蛋白质分离的目的。电泳法是分离和分析蛋白质的重要方法。电泳法是分离和分析蛋白质的重要方法。（四）超速离心：（四）超速离心：利用物质密度的不同，经超速离心后，分利用物质密度的不同，经超速离心后，分布于不同的液层而分离。布于不同的液层而分离。超速离心也可用来测定蛋白质的分子量，超速离心也可用来测定蛋白质的分子量，蛋白质的分子量与其沉降系数蛋白质的分子量与

46、其沉降系数S S成正比。成正比。蛋白质的分离纯化 蛋白质的分离和纯化蛋白质的分离和纯化主要是利用蛋白质之间各种特性的差异，包括蛋白质分子的酸碱性质、分子的大小和形状、溶解度、吸附性质和对配体分子的特异亲合力。蛋白质的酸碱性质：蛋白质的酸碱性质：蛋白质是两性电解质。在蛋白质分子中，可解离基团主要来自侧链上的功能团，此外还有少数的末端-羧基和-氨基。可以把蛋白质分子看作是一个多价离子，所带电荷的性质和数量是由蛋白质分子中的可解离基团的种类和数目以及溶液的pH所决定的。对某一种蛋白质来说，在某一pH时，它所带的 正电荷与负电荷恰好相等，即净电荷为零，这一pH称蛋白质的等电点。蛋白质的等电点在中性盐存

47、在下可发生明显的变化，这是由于蛋白质分子中的可解离基团可与中性盐中的阳离子或阴离子相结合。在没有其他盐类干扰时，蛋白质的 质子供体基团解离出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的pH称为蛋白质的等离子点。蛋白质分子的形状：蛋白质分子的形状：测定蛋白质分子的形状或构象，最精确的方法是 X射线晶体结构分析，但这种方法只能测定晶体状态的蛋白质空间结构。对于溶液中的蛋白质分子的形状，只能借助间接的方法来描述蛋白质分子构象的轮廓。测定蛋白质分子测定蛋白质分子相对质量的方法相对质量的方法根据化学组成测定最低相对分子质量：测定某一微量元素或某一氨基酸的含量如铁原子或色氨酸，并假设蛋白质分子中只有一个铁

48、原子或一个色氨酸，即最低相对分子质量=铁的原子量/铁的百分含量渗透压法：在半透膜存在时，蛋白质溶液将产生渗透压（平衡时的静水压力）。理想溶液的渗透压与溶质的浓度呈线性相关，其关系可用范托夫公式表示：=cRT/Mr，在高分子溶液中，/c=RT/Mr+Kc，渗透压法简单、准确、且不受蛋白质分子的形状和水化程度影响，但受pH的影响，不能区别溶液中蛋白质分子是否均一。沉降法：离心力作用沉降速率法：单位离心场的沉降速度是个定值，称沉降系数s。见P296页沉降平衡法：沉降产生浓度梯度凝胶过滤法：标准蛋白质（已知Mr和斯托克半径）和待测蛋白质必须具有相同的分子形状（接近球体），分子形状为线型或与凝胶发生吸附

49、的蛋白质不可用此法测定。SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳法：加入SDS和少量巯基乙醇，则电泳迁移率主要取决于其相对分子质量，而与电荷和分子形状无关。蛋白质的胶体性质：蛋白质溶液属于胶体系统，其具备形成胶体系的条件：分散相（蛋白质分子颗粒）的质点大小在1100nm，能在分散介质中作布朗运动；分散相的质点带同种电荷，不易凝聚成大颗粒而沉淀；分散相的质点能与溶剂形成溶剂化层如水化层而不易凝聚。蛋白质在溶液中的稳定性是有条件的，相对的。如果条件改变，则蛋白质就会从溶液中沉淀出来，如改变质点大小、电荷或水化层等。沉淀蛋白质的方法如下：盐析法：加入大量的中性盐，脱去水化层而沉淀有机溶剂沉淀法：加入极性的有机溶剂如

50、甲醇等，脱去水化层并增加质点间的相互作用而沉淀重金属盐沉淀法：当pH大于等电点时，蛋白质颗粒带净负电荷，易与重金属离子结合成不溶性盐而沉淀生物碱或酸类沉淀法：当pH小于等电点时，蛋白质颗粒带净正电荷，易与生物碱或酸根负离子结合成不溶性盐而沉淀加热变性沉淀法：蛋白质因加热变性而凝固蛋白质沉淀法蛋白质沉淀法 蛋白质纯化的总目标是增加制品的纯度，即设法除去变性的和不需要的蛋白质以增加单位蛋白质重量中所需蛋白质的含量或生物活性。分离纯化蛋白质的程序为：前处理（细胞或组织处理）、粗分级分离（除去杂蛋白）和细分级分离。蛋白质的分离纯化方法蛋白质的分离纯化方法分子大小透析和超过滤：透析指利用蛋白质分子不能通