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本课件围绕蛋白质的结构与功能展开，先讲蛋白质的元素组成、氨基酸分类与肽键连接，再依次说明一级至四级结构与α-螺旋、β-折叠等构象，最后结合血红蛋白、肌红蛋白与蛋白质构象病案例，说明结构与功能高度统一的规律。
第三章蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein
一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。
二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：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％。
1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能
三、蛋白质的分类*根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分*根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质
蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第一节
一组成蛋白质的元素主要有C(50~55%)、H(6~7%)、O(19~24%)、N(13~19%)和S(0~4%)。
有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。
体内的含氮物质以蛋白质为主，通过测定生物样品中的含氮量，可以推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量( g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%蛋白质元素组成的特点
二氨基酸——组成蛋白质的基本单位存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。
H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式Rα
1.非极性氨基酸2.极性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸（一）氨基酸的分类
非极性R基氨基酸(Ala,A)(Pro,P)(Val,V)(Phe,F)(Leu,L)(Leu,L)(Met,M)(Trp,W)
不带电荷的极性R基氨基酸（Polar,uncharged R Group）7种(Ser,S)(Thr,T)(Cys,C)(Tyr,Y)(Gly,G)(Asn,N)(Gln,Q)
带正电荷的R基氨基酸（Positively Charged R Group）3种碱性氨基酸,在pH7时携带正电荷（Lys,K)(Arg,R)(His,H)
带负电荷的R基氨基酸（Negatively Charged R Group）2种酸性氨基酸,含有2个羧基,在pH7时分子带负电荷(Asp,D)(Glu,E)
重要AA的特征：含芳香环的氨基酸：Phe(F),Trp(W)，Tyr(Y)含羟基氨基酸：Ser(S),Thr(T),Tyr(Y)含硫的氨基酸：Cys(C)（巯基）,Met(M)含酰胺基氨基酸：Asn(N),Gln(Q)酸性氨基酸：Asp(D),Glu(E)碱性氨基酸：Lys(K),Arg(R),His(H)亚氨基酸：Pro(P)没有旋光性的氨基酸：Gly(G)
半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH
（二）氨基酸的理化性质1.两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处溶液的酸碱度。
等电点(isoelectric point, pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。
此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。
As an acid（proton donor）：As a base（proton acceptor）：
pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子
2.紫外吸收大多数蛋白质含有色氨酸和酪氨酸，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。
色氨酸、酪氨酸及苯丙氨酸的最大吸收峰在280 nm附近。
3.茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。
由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。
+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键三氨基酸的连接方式
*肽键(peptidebond)是由一个氨基酸的 -羧基与另一个氨基酸的 -氨基脱水缩合而形成的化学键。
*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。
*肽（peptide）是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。
*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……*由20个以上的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。
*多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。
N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端*多肽链有两端
N末端C末端牛核糖核酸酶
（二）几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione, GSH)
GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+
蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein第二节
一级结构二级结构三级结构四级结构空间结构是不是所有的蛋白质都有一、二、三、四级结构呢？
定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。
一、蛋白质的一级结构(primary structure)主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
Ser-Val-Tyr-Cys; SLYC
牛胰岛素的一级结构
蛋白质的一级结构研究一级结构的研究包括：蛋白质的氨基酸组成测定，肽链数目的确定，末端氨基酸种类测定，氨基酸的排列顺序测定，二硫键位置的测定。
大致步骤如下：1.获取一定量纯的蛋白质样品，测其分子量，然后将样品完全水解，确定该蛋白质的氨基酸种类、数目。
2.进行末端测定，确定该蛋白质的肽链数目，N-端和C-端是什么氨基酸。
3.肽链的拆分:经末端的分析，若该蛋白质含有两条以上的肽链，而且肽链之间是通过非共价键连接，使用蛋白质变性剂将其变性后分开；若蛋白质肽链之间通过共价键相连，则可采取过甲酸氧化法或巯基乙醇还原法将其分开。
4.各肽链中氨基酸排列顺序的测定:使用两种以上的方法将肽链部分水解成肽段，测各肽段的氨基酸顺序，然后使用片段重叠法推测出完整肽链的氨基酸顺序。
5.确定二硫键的位置。
二、蛋白质的二级结构(secondary structure)蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。
定义主要的化学键：氢键
肽单位肽键的4个原子C、O、N、H及与之相邻的C 1、C 2位于同一平面，C 1和C 2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了肽单位(peptideunit)。
C-N:0.149nmC=N:0.127nm
二面角（dihedral angle）：平面的连接处为α碳原子。
它与相邻的两个参与肽键形成的C和N原子之间的单键可以在一定范围内转动，Cα-N之间称φ角，在Cα-C之间称ψ角，这就是α-碳原子上的一对二面角。
这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。
CαCαHHNNCCHCαR
CαCαHHNNCCHCαRφ=180°, ψ=180°完全伸展的主链构象φ=0°, ψ=0°时的主链构象
是不是φ和ψ角的任意组合都是允许的？
非共价键合原子(non-convelently-bonded atom)之间的接触距离
A Ramachanran diagram（拉氏构象图）showing values for Phi and Psi
-螺旋
①蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100º。
②在同一肽链内相邻的螺圈之间形成氢键。
氢键的方向与α-螺旋轴的方向几乎平行。
③α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋。
一些侧链基团虽然不参与螺旋，但它们可影响α-螺旋的稳定性在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，α-螺旋就不稳定。
在多肽链中只要出现Pro，α-螺旋就被中断。
肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也难以形成α-螺旋。
R为Gly时，由于Ca上有2个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。
H2CH2CCH2CH-COOHNH
-折叠两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的C=O和NH之间形成氢键。
特征（1）氢键与肽链的长轴接近垂直。
（2）多肽主链呈锯齿状折叠构象。
（3）侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。
平行式反平行式
β-sheetin a Protein
丝心纤维β折叠片结构侧视图
-转角球状蛋白质分子中出现的180°回折，由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。
特征①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成;②主链骨架以180°返回折叠;③第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H形成氢键;④多数由亲水氨基酸残基组成。
无规卷曲在一些蛋白质，特别是在球蛋白中，一部分多肽链的主链骨架，即非螺旋构象，也非β折叠构象，这些无规则肽链的构象就是无规卷曲。
无规卷曲的存在往往与蛋白的活性有关。
无规卷曲与其他二级结构一样是有明确而稳定的结构。
三、蛋白质的三级结构(tertiary structure)疏水键、离子键、氢键和Van der Waals力等。
主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
定义
•肌红蛋白(Mb)Heme group
蛋白质的超二级结构超二级结构(supersecondary structures,motif)是指二级结构的基本结构单位（α-螺旋，β-折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结构的聚集体。
基本形式有 、 、 。
在较大的球形蛋白质分子里，多肽链常常折叠形成两个或多个近似球状的三维实体,它们之间由舒展的肽链连接。
结构域（domain)
IgG
最常见的结构域约含100～200个氨基酸残基，少至40个左右，多至400个以上。
对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。
的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。
从动力学的角度来看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。
从功能的角度来看，结构域之间以松散的肽链相连，使结构域在空间上摆动比较自由，有利于蛋白质功能的实现。
结构域是球状蛋白质的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。
亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键、离子键和Van der Waals力。
四、蛋白质的四级结构(quaternary structure)蛋白质分子中各亚基的种类、数目、空间排布以及相互作用，称为蛋白质的四级结构。
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的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。
蛋白质的结构层次一级结构二级结构超二级结构立体结构空间结构结构域高级结构三级结构四级结构
蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Functionof Protein第三节
一一级结构与功能的关系二蛋白质空间结构与功能的关系
一级结构相似可呈现相似功能牛催产素Cys TyrIleGln Asn Cys ProLeuGly牛加压素Cys TyrPheGln Asn Cys ProArgGlySSSS一、蛋白质一级结构与功能的关系
一级结构的序列比较
胰岛素一级结构的种属差异：下表汇总相关项目与数据。
| 种属 | A8 | A9 | A10 | B30 |
|---|---|---|---|---|
| 人 | Thr | Ser | Ile | Thr |
| 猪 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 牛 | Ala | Ser | Val | Ala |
| 羊 | Ala | Gly | Val | Ala |
| 马 | Thr | Gly | Ile | Ala |
| 抹香鲸 | Thr | Ser | Ile | Ala |
同源蛋白：在不同生物中执行相同或者相似功能的蛋白质。
（保守性-相似性） 细胞色素C(cytc)：存在于所有需氧生物线粒体中，电子传递链的组成成分。
不同物种中，cytc的100多个氨基酸残基中有26个是相同的。
保守残基可变残基
氨基酸残基差别数细胞色素C一级结构物种-GDVEKGKKIF IMKCSQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAPGYSYTAANKNKGIIWG EDTLMEYLEN PKKYIPGTKM IFVGIKKKEE RADLIAYLKK ATNEHuman人0GDVEKGKKIF IMKCSQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAPGYSYTAANKNKGIIWG EDTLMEYLEN PKKYIPGTKM IFVGIKKKEE RADLIAYLKK ATNEChimpanzee黑猩猩1GDVEKGKKIF IMKCSQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAPGYSYTAANKNKGITWG EDTLMEYLEN PKKYIPGTKM IFVGIKKKEE RADLIAYLKK ATNEMacaque猕猴9GDVEKGKKIFVQKCAQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAPGFSYTDANKNKGITWG EETLMEYLEN PKKYIPGTKM IFAGIKKKGE RADLIAYLKK ATNECow牛10GDVEKGKKIFVQKCAQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAPGFSYTDANKNKGITWG EETLMEYLEN PKKYIPGTKM IFAGIKKKGE RADLIAYLKK ATKEDog狗10GDVEKGKKIFVQKCAQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAVGFSYTDANKNKGITWG EETLMEYLEN PKKYIPGTKM IFAGIKKKGE RADLIAYLKK ATNEGrey whale灰鲸10GDVEKGKKIFVQKCAQCHTV EKGGKHKTGP NLHGLFGRKT GQAPGFSYTDANKNKGITWKEETLMEYLEN PKKYIPGTKM IFAGIKKKGE RADLIAYLKK ATNEHorse马
镰刀状细胞贫血症蛋白质一级结构与分子病
Hemoglobin SHemoglobin Aβ1 2 3 4 5 6 7 8Hemoglobin A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Hemoglobin S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-
正常人氧合血红蛋白正常人脱氧血红蛋白贫血病人氧合血红蛋白贫血病人脱氧血红蛋白
这种由基因突变引起蛋白质一级结构改变所导致的疾病，称为“分子病”。
蛋白质的一级结构是功能的基础
二、蛋白质空间结构与功能的关系
血红蛋白和肌红蛋白的氧结合曲线
脱氧血红蛋白
脱氧血红蛋白氧合血红蛋白
*变构效应(allosteric effect)一个寡聚体蛋白质的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能力的现象。
单体蛋白质：仅由一条多肽链构成、无四级结构的蛋白质。
寡聚蛋白质：由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链构成的蛋白质。
A0223101.MOVA0223201.MOV
蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。
蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。
这类疾病包括：疯牛病、绵羊瘙痒症、震颤病或称库鲁(Kuru)、人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病等。
疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。
正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。
PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。
PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病
总之，各种蛋白质都有特定的空间构象，而特定的空间构象又与它们特定的生物学功能相适应，蛋白质的结构与功能是高度统一的。
蛋白质的一级结构、空间结构都与功能相关； 一级结构是空间结构的基础，蛋白质以其特有的空间结构执行其功能； 结构复杂的蛋白质具有相应复杂的功能。
总结
第四节蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters ofProtein
（一）蛋白质的两性电离一、理化性质蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。
*蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。
电泳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。
这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)。
几种重要的蛋白质电泳*SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。
*等电聚焦电泳，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。
*双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。
（二）蛋白质的胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。
*蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷：氨基，羧基，侧链水化膜：极性氨基酸残基
（三）蛋白质的变性和沉淀*蛋白质的变性(denaturation)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。
•应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。
此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。
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(renaturation)。
天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性
*蛋白质沉淀在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏了蛋白质的水膜或中和了蛋白质的电荷，则蛋白质胶体溶液就不稳定而出现沉淀现象。
盐析法，有机溶剂沉淀、重金属盐沉淀、生物碱试剂沉淀
+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化层++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用蛋白质的沉淀
变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。
盐析(saltout)：是将高浓度硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。
盐溶(saltin)：是在蛋白质水溶液中，加入少量的中性盐，如硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等，增加蛋白质分子表面的电荷，增强蛋白质与水分子的作用，从而使蛋白质在水溶液中的溶解度增大。
（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。
蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。
（五）蛋白质的呈色反应⒈茚三酮反应(ninhydrin reaction)蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。
⒉双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。
•280nm波长处有吸收峰的氨基酸为(A)丝氨酸(B)谷氨酸(C)蛋氨酸(D)色氨酸(E)精氨酸√
•氨基酸在等电点应具有的特点是（）a不具正电荷b不具负电荷c A和B均对d溶解度最大e在电场中泳动√
•下列哪条对蛋白质的变性的描述是正确的（）a蛋白质变性后溶解度增加。
b蛋白质变性后不易被蛋白酶水解。
c蛋白质变性后理化性质不变。
d蛋白质变性后丧失原有的生物活性。
√
•蛋白质空间构象的特征主要取决于下列哪一项( )a多肽链中氨基酸的排列顺序b次级键c链内及链间的二硫键d温度及pH值√
•下列哪一个性质是氨基酸和蛋白质所共有的（）a胶体性质b两性解离性质c沉淀反应d变性性质e双缩脲反应√
•下列哪项与蛋白质的变性无关（）a肽键断裂b氢键被破坏c离子键被破坏d疏水键被破坏√
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