1、目錄目錄生物化學與分子生物學人衛版教材全集生物化學與分子生物學人衛版教材全集第1頁/共121頁目錄目錄n什么是蛋白質什么是蛋白質? ?蛋白質蛋白質(protein)是由許多氨基酸是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵通過肽鍵(peptide bond)相連相連形成的高分子含氮化合物。形成的高分子含氮化合物。第2頁/共121頁目錄目錄n蛋白質研究的歷史蛋白質研究的歷史18331833年年，PayenPayen和和PersozPersoz分離出淀粉酶。分離出淀粉酶。18381838年年，荷蘭科學家，荷蘭科學家 G. J. MulderG. J. Mulder引入引入“protein”pr

2、otein”（源自希臘字（源自希臘字proteiosproteios，意為，意為primaryprimary）一詞）一詞 18641864年年，Hoppe-SeylerHoppe-Seyler從血液分離出血紅蛋白，并將從血液分離出血紅蛋白，并將其制成結晶。其制成結晶。1919世紀末世紀末，FischerFischer證明蛋白質是由氨基酸組成的，證明蛋白質是由氨基酸組成的，并將氨基酸合成了多種短肽并將氨基酸合成了多種短肽 。 第3頁/共121頁目錄目錄19511951年年, PaulingPauling采用采用X X（射）線晶體衍射發現了蛋白（射）線晶體衍射發現了蛋白質的二級結構質的二級結構-螺

3、旋螺旋(-helix)(-helix)。 19531953年年，Frederick SangerFrederick Sanger完成胰島素一級序列測定。完成胰島素一級序列測定。 19621962年年，John KendrewJohn Kendrew和和Max PerutzMax Perutz確定了血紅蛋白確定了血紅蛋白的四級結構。的四級結構。2020世紀世紀9090年代以后年代以后，隨著人類基因組計劃實施，功，隨著人類基因組計劃實施，功能基因組與蛋白質組計劃的展開能基因組與蛋白質組計劃的展開 ，使蛋白，使蛋白質結構與功能的研究達到新的高峰質結構與功能的研究達到新的高峰 。第4頁/共121頁目錄

4、目錄蛋白質的分子組成蛋白質的分子組成The Molecular Component of Protein第一節第一節第5頁/共121頁目錄目錄n蛋白質的生物學重要性蛋白質的生物學重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：蛋白質是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細胞中可達細胞干重的70%以上。 1. 蛋白質是生物體重要組成成分蛋白質是生物體重要組成成分第6頁/共121頁目錄目錄作為生物催化劑（酶）作為生物催化劑（酶）代謝調節作用代謝調節作用免疫保護作用免疫保護作用物質的轉運和存儲物質的轉運和存儲運動與支持作用運動與支持作用參與細胞

5、間信息傳遞參與細胞間信息傳遞2. 蛋白質具有重要的生物學功能蛋白質具有重要的生物學功能3. 氧化供能氧化供能第7頁/共121頁目錄目錄n組成蛋白質的元素組成蛋白質的元素主要有主要有C C、H H、O O、N N和和 S S。 有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘 。第8頁/共121頁目錄目錄 各種蛋白質的含氮量很接近，平均為各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16。 由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以只要測定生

6、物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量克樣品中蛋白質的含量 (g %)= 每克樣品含氮克數每克樣品含氮克數 6.251001/16%n蛋白質元素組成的特點蛋白質元素組成的特點第9頁/共121頁目錄目錄一、組成人體蛋白質的一、組成人體蛋白質的20種種L- -氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余種，但余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有組成人體蛋白質的氨基酸僅有2020種，且均種，且均屬屬 L-L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。第10頁/共121頁目錄目錄第11頁/共121

7、頁目錄目錄H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H第12頁/共121頁目錄目錄 除了除了2020種基本的氨基酸外，近年發現硒代半種基本的氨基酸外，近年發現硒代半胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質。硒胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質。硒代半胱氨酸從結構上來看，硒原子替代了半胱代半胱氨酸從結構上來看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少數天然蛋白質中，包括過氧化物酶和電子傳遞數天然蛋白質中，包括過氧化物酶和電子傳遞鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質合鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋

8、白質合成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體機制尚不完全清楚。機制尚不完全清楚。第13頁/共121頁目錄目錄體內也存在若干不參與蛋白質合成但具有體內也存在若干不參與蛋白質合成但具有重要生理作用的重要生理作用的L-L-氨基酸，如參與合成尿素的氨基酸，如參與合成尿素的鳥氨酸（鳥氨酸（ornithineornithine）、瓜氨酸（）、瓜氨酸（citrullinecitrulline）和精）和精氨酸代琥珀酸（氨酸代琥珀酸（argininosuccinateargininosuccinate）。）。第14頁/共121頁目錄目錄非極性脂肪族氨基酸非極性脂肪族氨基

9、酸極性中性氨基酸極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堿性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根據側鏈結構和理化可根據側鏈結構和理化性質進行分類性質進行分類第15頁/共121頁目錄目錄( (一一) )側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸氨基酸第16頁/共121頁目錄目錄( (二二) )側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸中性氨基酸甲硫氨酸第17頁/共121頁目錄目錄( (三三) )側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸第18頁/共121頁目錄目錄( (四四)

10、)側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸第19頁/共121頁目錄目錄( (五五) )側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸氨基酸第20頁/共121頁目錄目錄n幾種特殊氨基酸幾種特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亞氨基酸）（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2第21頁/共121頁目錄目錄 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫鍵二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-

11、CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3第22頁/共121頁目錄目錄 在蛋白質翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸在蛋白質翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸可分別被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸。可分別被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸。 蛋白質分子中蛋白質分子中2020種氨基酸殘基的某些基團還可被種氨基酸殘基的某些基團還可被甲基化、甲酰化、乙酰化、異戊二烯化和磷酸化甲基化、甲酰化、乙酰化、異戊二烯化和磷酸化等。等。 這些翻譯后修飾，可改變蛋白質的溶解度、穩定這些翻譯后修飾，可改變蛋白質的溶解度、穩定性、亞細胞定位和

12、與其他細胞蛋白質相互作用的性、亞細胞定位和與其他細胞蛋白質相互作用的性質等，體現了蛋白質生物多樣性的一個方面。性質等，體現了蛋白質生物多樣性的一個方面。第23頁/共121頁目錄目錄三、三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質種氨基酸具有共同或特異的理化性質n兩性解離及等電點兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。處溶液的酸堿度。等電點等電點(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電陰離子的趨勢及程度相等，

13、成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的中性。此時溶液的pH值值稱為該氨基酸的稱為該氨基酸的等電點等電點。（一）氨基酸具有兩性解離的性質（一）氨基酸具有兩性解離的性質第24頁/共121頁目錄目錄pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性離子氨基酸的兼性離子 陽離子陽離子陰離子陰離子CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+第25頁/共121頁目錄目錄（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質色氨酸、酪氨酸色

14、氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多數蛋白質含大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收第26頁/共121頁目錄目錄（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍藍紫色紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm處。處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量

15、存在正由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。第27頁/共121頁目錄目錄四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白質或活性肽質或活性肽肽鍵肽鍵( (peptide bond) )是由一個氨基酸的是由一個氨基酸的 - -羧基與另一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的 - -氨基脫水縮合而形成氨基脫水縮合而形成的化學鍵。的化學鍵。（一）（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽氨基酸通過肽鍵連接而形成肽第28頁/共121頁目錄目錄NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOH

16、O OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽鍵NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO第29頁/共121頁目錄目錄肽肽(peptide)是由氨基酸通過肽鍵縮合而形是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽酸縮合則形成三肽肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligope

17、ptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽稱多肽(polypeptide)。第30頁/共121頁目錄目錄N 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有游離游離-氨基氨基的一端的一端C 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有游離游離-羧基羧基的一端的一端n多肽鏈有兩端：多肽鏈有兩端：多肽鏈多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。第31頁/共121頁N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶第32頁/共121頁目錄目錄 蛋白質是由許多氨基酸殘基組成、折疊蛋白質是由許多氨基酸殘基組成、折疊成

18、特定的空間結構、并具有特定生物學功能成特定的空間結構、并具有特定生物學功能的多肽。一般而論，蛋白質的氨基酸殘基數的多肽。一般而論，蛋白質的氨基酸殘基數通常在通常在50個以上，個以上，50個氨基酸殘基以下則仍個氨基酸殘基以下則仍稱為多肽。稱為多肽。第33頁/共121頁目錄目錄（二）（二）體內存在多種重要的生物活性肽體內存在多種重要的生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)第34頁/共121頁目錄目錄GSH過氧過氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH還原酶還原酶NADPH+H+ NADP+ nGSH與與GSSG間的轉換間的轉換 第35頁/共121

19、頁目錄目錄 體內許多激素屬寡肽或多肽體內許多激素屬寡肽或多肽 神經肽神經肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經肽多肽類激素及神經肽第36頁/共121頁目錄目錄蛋白質的分子結構蛋白質的分子結構The Molecular Structure of Protein 第二節第二節第37頁/共121頁目錄目錄n蛋白質的分子結構包括蛋白質的分子結構包括: 高級高級結構結構一級結構一級結構(primary structure)二級結構二級結構(secondary structure)三級結構三級結構(tertiary structure)四級結構四級結構(quaternary structure

20、)第38頁/共121頁目錄目錄n定義定義:蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從N-端至端至C-端的端的氨基酸排列順序氨基酸排列順序。一、一、氨基酸的排列順序決定蛋白質氨基酸的排列順序決定蛋白質的一級結構的一級結構n主要的化學鍵主要的化學鍵:肽鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。，有些蛋白質還包括二硫鍵。 第39頁/共121頁目錄目錄一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能功能的基礎的基礎，但不是決定蛋白質空間構象的但不是決定蛋白質空間構象的唯一因素唯一因素。第40頁/共121頁目錄目錄目前已知一級結構的蛋白質數量已相當可觀，目前已知一

21、級結構的蛋白質數量已相當可觀，并且還以更快的速度增加。并且還以更快的速度增加。國際互聯網有若干重要的蛋白質數據庫，例如國際互聯網有若干重要的蛋白質數據庫，例如nEMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library）nGenbank （Genetic Sequence Databank）nPIR（Protein Identification Resource Sequence Database）收集了大量最新的蛋白質一級結構及其他資料，收集了大量最新的蛋白質一級結構及其他資料，為蛋白質結構與功能的深入研究提供了便利。為蛋白質結構與功能的深

22、入研究提供了便利。 第41頁/共121頁目錄目錄二、二、多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質二級結構二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象 。n定義定義: : n主要的化學鍵主要的化學鍵：氫鍵氫鍵 第42頁/共121頁目錄目錄 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折疊折疊 ( -pleated sheet) - -轉角轉角 ( -turn) 無規卷曲無規卷曲 (random coil) n蛋白

23、質二級結構蛋白質二級結構n所謂肽鏈主鏈骨架原子即所謂肽鏈主鏈骨架原子即N N（氨基氮）、（氨基氮）、 CC（- -碳原子）和碳原子）和CoCo（羰基碳）（羰基碳）3 3個原子個原子依次重復排列。依次重復排列。 第43頁/共121頁目錄目錄（一）參與肽鍵形成的（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上個原子在同一平面上參與肽鍵的參與肽鍵的6個原子個原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平位于同一平面，面，C 1和和C 2在平面上所處的位置為反式在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同構型，此同一平面上的一平面上的6個原子構成了所謂的個原子構成了所謂的肽單元肽單元 (peptide un

24、it) 。第44頁/共121頁目錄目錄第45頁/共121頁目錄目錄 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折疊折疊 ( -pleated sheet) - -轉角轉角 ( -turn) 無規卷曲無規卷曲 (random coil) （二）（二）-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構螺旋結構是常見的蛋白質二級結構n蛋白質二級結構蛋白質二級結構第46頁/共121頁目錄目錄（二）（二）-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構螺旋結構是常見的蛋白質二級結構第47頁/共121頁目錄目錄（三）（三） - -折疊使多肽鏈形成片層結構折疊使多肽鏈形成片層結構第48頁/共121頁目錄目錄第49頁/共121頁目錄目錄（四）

25、（四） - -轉角和無規卷曲在蛋白質分子中轉角和無規卷曲在蛋白質分子中普遍存在普遍存在 - -轉角轉角無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。分肽鏈結構。第50頁/共121頁目錄目錄（五）（五）二級結構可組成蛋白質分子中的二級結構可組成蛋白質分子中的模體模體在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個個有規則的二級結構組合，被稱為有規則的二級結構組合，被稱為超二級結構超二級結構。二級結構組合形式有二級結構組合形式有3 3種：種：，

26、 。第51頁/共121頁目錄目錄二個或三個具有二級結構的肽段，在空間二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，稱為上相互接近，形成一個特殊的空間構象，稱為模體模體(motif) 。模體是具有特殊功能的超二級結構。模體是具有特殊功能的超二級結構。第52頁/共121頁目錄目錄鈣結合蛋白中結合鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體鈣離子的模體鋅指結構鋅指結構- -螺旋螺旋-轉角（或轉角（或環）環）-螺旋模體螺旋模體鏈鏈-轉角轉角- -鏈模體鏈模體鏈鏈-轉角轉角-螺旋螺旋-轉角轉角- -鏈模體鏈模體n模體常見的形式模體常見的形式第53頁/共121頁目錄目錄（六）氨基酸殘基的側鏈影響

27、二級結構的形成（六）氨基酸殘基的側鏈影響二級結構的形成蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成 - -螺旋螺旋或或-折疊，它就會出現相應的二級結構。折疊，它就會出現相應的二級結構。 第54頁/共121頁目錄目錄三、三、多肽鏈在二級結構基礎上進一步折疊多肽鏈在二級結構基礎上進一步折疊形成三級結構形成三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 范德華力等。范德華力等。n主要的化學鍵主要的化學鍵:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子

28、在三維空間的排布位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。n定義定義:（一）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸（一）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置殘基的相對空間位置第55頁/共121頁目錄目錄 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C端端第56頁/共121頁目錄目錄第57頁/共121頁目錄目錄（二）結構域（二）結構域是三級結構層次上的獨立功能區是三級結構層次上的獨立功能區分子量較大的蛋白質常可折疊成多個結構較分子量較大的蛋白質常可折疊成多個結構較為緊密且穩定的區域，并各行其功能，稱為結構為緊密且穩定的區域，并各行其功能，稱為結構域域 ( (domain) ) 。 大多數結構

29、域含有序列上連續的大多數結構域含有序列上連續的100100至至200200個氨基酸殘個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結構域的蛋白質基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結構域的蛋白質常分解出常分解出獨立獨立的結構域，而各結構域的構象可以基本的結構域，而各結構域的構象可以基本不改變，并保持其功能。不改變，并保持其功能。 超二級結構則不具備這種特點。超二級結構則不具備這種特點。 因此，結構域也可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，因此，結構域也可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，有較為獨立的三維空間結構。有較為獨立的三維空間結構。 第58頁/共121頁目錄目錄3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛脫氫酶亞基的脫氫

30、酶亞基的結構示意圖結構示意圖 第59頁/共121頁目錄目錄（三）（三）蛋白質的多肽鏈須折疊成正確的空間構象蛋白質的多肽鏈須折疊成正確的空間構象分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環境從而通過提供一個保護環境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，使肽鏈正確折疊。使肽鏈正確折疊。 分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘

31、導其正確折疊。后，再誘導其正確折疊。 分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 第60頁/共121頁目錄目錄亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵。亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵。四、四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質含有二條以上多肽鏈的蛋白質具有四級結構具有四級結構蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級蛋白質的四級結構結構。許多功能性蛋白質分子含有許多功能性蛋白質分子含有2 2條或條或2 2條以上條以上多肽鏈。每一條

32、多肽鏈都有完整的三級結構，多肽鏈。每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的稱為蛋白質的亞基亞基 (subunit)。第61頁/共121頁目錄目錄由由2個亞基組成的蛋白質四級結構中，若亞基分子個亞基組成的蛋白質四級結構中，若亞基分子結構相同，稱之為結構相同，稱之為同二聚體同二聚體(homodimer)，若亞基分子，若亞基分子結構不同，則稱之為結構不同，則稱之為異二聚體異二聚體(heterodimer)。 血紅蛋白的血紅蛋白的四級結構四級結構第62頁/共121頁目錄目錄五、蛋白質的分類五、蛋白質的分類n根據蛋白質組成成分根據蛋白質組成成分:單純蛋白質單純蛋白質結合蛋白質結合蛋白質 = = 蛋白

33、質部分蛋白質部分 + + 非蛋白質部分非蛋白質部分n根據蛋白質形狀根據蛋白質形狀:纖維狀蛋白質纖維狀蛋白質球狀蛋白質球狀蛋白質第63頁/共121頁目錄目錄n蛋白質家族（蛋白質家族（protein family） : 氨基酸序列相氨基酸序列相似而且空間結構與功能也十分相近的蛋白質。似而且空間結構與功能也十分相近的蛋白質。n屬于同一蛋白質家族的成員，稱為屬于同一蛋白質家族的成員，稱為同源蛋白質同源蛋白質（homologous protein） 。 n蛋白質超家族蛋白質超家族（superfamily） : 2 2個或個或2 2個以上的蛋個以上的蛋白質家族之間，其氨基酸序列的相似性并不高，白質家族之間

34、，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有發揮相似作用的同一模體結構。但含有發揮相似作用的同一模體結構。第64頁/共121頁目錄目錄蛋白質結構與功能的關系蛋白質結構與功能的關系The Relation of Structure and Function of Protein第三節第三節第65頁/共121頁目錄目錄（一）一級結構是空間構象的基礎（一）一級結構是空間構象的基礎一、蛋白質一級結構一、蛋白質一級結構是高級結構是高級結構與功能的基礎與功能的基礎牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一級結構一級結構二二硫硫鍵鍵第66頁/共121頁目錄目錄 天然狀態，天然狀態，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇

35、巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態，無活性非折疊狀態，無活性第67頁/共121頁目錄目錄（二）一級結構相似的蛋白質具有相似的高級（二）一級結構相似的蛋白質具有相似的高級結構與功能結構與功能一級結構相似的多肽或蛋白質，其空間構象一級結構相似的多肽或蛋白質，其空間構象以及功能也相似。以及功能也相似。 氨基酸殘基序號氨基酸殘基序號胰島素胰島素 A5 5 A6 6 A10 10 A3030 人人 Thr Ser Ile Thr 豬豬 Thr Ser Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Ala 兔兔 Thr Gly Ile Ser 牛牛 Ala Gly Val Ala

36、羊羊 Ala Ser Val Ala 馬馬 Thr Ser Ile Ala第68頁/共121頁目錄目錄（三）（三）氨基酸序列提供重要的生物進化信息氨基酸序列提供重要的生物進化信息一些廣泛存在于生一些廣泛存在于生物界的蛋白質如細胞色物界的蛋白質如細胞色素素(cytochrome C)，比，比較它們的一級結構，可較它們的一級結構，可以幫助了解物種進化間以幫助了解物種進化間的關系。的關系。 第69頁/共121頁目錄目錄（四）重要蛋白質的氨基酸序列改變可引起疾病（四）重要蛋白質的氨基酸序列改變可引起疾病n例：鐮刀形紅細胞貧血例：鐮刀形紅細胞貧血N-val his leu thr pro glu glu

37、 C(146)HbS 肽鏈肽鏈HbA 肽肽 鏈鏈N-val his leu thr pro val glu C(146) 這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，這種由蛋白質分子發生變異所導致的疾病，稱為稱為“分子病分子病”。第70頁/共121頁目錄目錄n肌紅蛋白肌紅蛋白/ /血紅蛋白血紅蛋白含有血紅素輔基含有血紅素輔基血紅素結構血紅素結構 二、二、蛋白質的功能依賴特定空間結構蛋白質的功能依賴特定空間結構（一）（一）血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似第71頁/共121頁目錄目錄n肌紅蛋白肌紅蛋白( (myoglobin，Mb) ) 肌紅蛋白是一個只有三級肌紅蛋白是一個只

38、有三級結構的單鏈蛋白質，有結構的單鏈蛋白質，有8 8段段 - -螺螺旋結構。旋結構。血紅素分子中的兩個丙酸血紅素分子中的兩個丙酸側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側鏈上的正電兩個堿性氨基酸側鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的荷相連，加之肽鏈中的F8F8組氨組氨酸殘基還與酸殘基還與FeFe2+2+形成配位結合，形成配位結合，所以血紅素輔基與蛋白質部分所以血紅素輔基與蛋白質部分穩定結合。穩定結合。 第72頁/共121頁目錄目錄n血紅蛋白血紅蛋白( (hemoglobin，Hb) )血紅蛋白具有血紅蛋白具有4個亞個亞基組成的四級結構，基組成的四級結構，每每個亞基可結合個亞

39、基可結合1 1個血紅素個血紅素并攜帶并攜帶1 1分子氧分子氧。Hb亞基之間通過亞基之間通過8對鹽鍵，使對鹽鍵，使4個亞基緊密個亞基緊密結合而形成親水的球狀結合而形成親水的球狀蛋白。蛋白。 第73頁/共121頁目錄目錄脫氧脫氧Hb亞基間和亞基內的鹽鍵亞基間和亞基內的鹽鍵 第74頁/共121頁目錄目錄Hb與與Mb一樣能可逆地與一樣能可逆地與O2結合，結合， Hb與與O2 2結合后稱為結合后稱為氧合氧合Hb。氧合。氧合Hb占總占總Hb的百分數的百分數（稱（稱百分飽和度百分飽和度）隨）隨O2 2濃度變化而改變。濃度變化而改變。（二）血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基（二）血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基與氧

40、結合與氧結合第75頁/共121頁目錄目錄肌紅蛋白肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線的氧解離曲線第76頁/共121頁目錄目錄n協同效應協同效應( (cooperativity) )一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現象，稱為合能力的現象，稱為協同效應協同效應。 如果是促進作用則稱為如果是促進作用則稱為正協同效應正協同效應 (positive cooperativity)如果是抑制作用則稱為如果是抑制作用則稱為負協同效應負協同效應(negative c

41、ooperativity)第77頁/共121頁目錄目錄第78頁/共121頁目錄目錄血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。入卟啉環的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。第79頁/共121頁目錄目錄n別構效應別構效應(allosteric effect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為變化，稱為別構效應別構效應。第80頁/共121頁目錄目錄（三）蛋白質構象改變（三）蛋白質構象改變可引起疾病可引起疾病蛋白質構象疾病蛋白質構象疾病：若蛋白質的折疊發生：若蛋白質的折疊發生錯誤，盡管其

42、一級結構不變，但蛋白質的構錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導象發生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發生。致疾病發生。第81頁/共121頁目錄目錄蛋白質構象改變導致疾病的機理蛋白質構象改變導致疾病的機理：有些蛋：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。年

43、癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。第82頁/共121頁目錄目錄瘋牛病是由朊病毒蛋白瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的正常的PrP富含富含-螺旋，稱為螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為為-折疊的折疊的PrPsc，從而致病。，從而致病。n瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病中的蛋白質構象改變第83頁/共121頁目錄目錄第四節第四節蛋白質的理化性質蛋白質的理化性質The Physical and Chemical Characters of Pr

44、otein第84頁/共121頁目錄目錄一、一、蛋白質具有兩性電離的性質蛋白質具有兩性電離的性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。 當蛋白質溶液處于某一當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的荷為零，此時溶液的pH稱為稱為蛋白質的等電點。蛋白質的等電點。n蛋白質的等電點蛋白質的等電

45、點( isoelectric point, pI)第85頁/共121頁目錄目錄二、蛋白質具有膠體性質二、蛋白質具有膠體性質蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至萬至100萬之巨，其分子的直徑可達萬之巨，其分子的直徑可達1100nm，為膠粒范圍之內。為膠粒范圍之內。 顆粒表面電荷顆粒表面電荷 水化膜水化膜n蛋白質膠體穩定的因素蛋白質膠體穩定的因素:第86頁/共121頁+帶正電荷的蛋白質帶正電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜水化膜+帶正電荷的蛋白質帶正電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質帶負電荷的蛋白質不穩定的蛋白質顆

46、粒不穩定的蛋白質顆粒酸酸堿堿酸酸堿堿酸酸堿堿脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉溶液中蛋白質的聚沉第87頁/共121頁目錄目錄三、蛋白質空間結構破壞而引起變性三、蛋白質空間結構破壞而引起變性在某些物理和化學因素作用下，其特定的在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。物活性的喪失。n蛋白質的變性蛋白質的變性(denaturation)第88頁/共121頁目錄目錄n造成變性的因素造成變性的因素: :如

47、如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等重金屬離子及生物堿試劑等 。 n變性的本質變性的本質: :破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質的一級結構。質的一級結構。第89頁/共121頁目錄目錄n 應用舉例應用舉例: :臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。滅菌。此外此外, , 防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。制劑（如疫苗等）的必要條件。 第90頁/共121頁目錄目錄若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素若蛋白質變性程度較

48、輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為象和功能，稱為復性復性(renaturation) 。第91頁/共121頁目錄目錄 天然狀態，天然狀態，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巰基乙醇巰基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巰基乙醇巰基乙醇非折疊狀態，無活性非折疊狀態，無活性第92頁/共121頁目錄目錄在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發生沉變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發

49、生沉淀，但并不變性。淀，但并不變性。 蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。 n蛋白質沉淀蛋白質沉淀n蛋白質的凝固作用蛋白質的凝固作用(protein coagulation)第93頁/共121頁目錄目錄四、蛋白質四、蛋白質在紫外光譜區有特征性吸收峰在紫外光譜區有特征性吸收峰由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收波長處有特征性吸收峰。蛋白質的峰。蛋白質的A280與其濃度呈正比關系，因此與其

50、濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。可作蛋白質定量測定。第94頁/共121頁目錄目錄蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發生茚蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發生茚三酮反應。三酮反應。 蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現紫色或紅色，此反應稱為硫酸銅共熱，呈現紫色或紅色，此反應稱為雙雙縮脲反應縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解程度。程度。五、應用蛋白質呈色反應可測定蛋白質五、應用蛋白質呈色反應可測定蛋白質溶液含量溶液含量1. 茚三酮反應茚三酮反應(ninhydrin reaction)2. 雙縮脲反應雙縮脲反

51、應(biuret reaction)第95頁/共121頁目錄目錄第五節第五節蛋白質的分離純化與結構分析蛋白質的分離純化與結構分析The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein第96頁/共121頁目錄目錄一、一、透析及超濾法可去除蛋白質溶液中的透析及超濾法可去除蛋白質溶液中的小分子化合物小分子化合物應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過有一應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質溶液定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質溶液的目的。的目的。n透析透析(dialysis)n超濾法超濾法利用透

52、析袋把大分子蛋白質與小分子化合利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法物分開的方法。第97頁/共121頁目錄目錄二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用二、丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀是常用的蛋白質濃縮方法的蛋白質濃縮方法使用使用丙酮沉淀丙酮沉淀時，必須在時，必須在04低溫下進行，低溫下進行，丙酮用量一般丙酮用量一般10倍于蛋白質溶液體積。蛋白質倍于蛋白質溶液體積。蛋白質被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。也可用乙醇沉淀。 鹽析鹽析(salt precipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，使

53、蛋白質表面電荷氯化鈉等加入蛋白質溶液，使蛋白質表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。 第98頁/共121頁目錄目錄免疫沉淀法：免疫沉淀法：將某一純化蛋白質免疫動物可獲得將某一純化蛋白質免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質，可從抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質，可從蛋白質混合溶液中分離獲得抗原蛋白。蛋白質混合溶液中分離獲得抗原蛋白。 第99頁/共121頁目錄目錄三、利用荷電性質可電泳分離蛋白質三、利用荷電性質可電泳分離蛋白質蛋白質在高于或低于其蛋

54、白質在高于或低于其pIpI的溶液中為帶電的的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白質的技蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白質的技術術, , 稱為稱為電泳電泳(elctrophoresis) 。根據支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠根據支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。電泳等。 第100頁/共121頁目錄目錄SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質分子，常用于蛋白質分子量的測定。量的測定。等電聚焦電泳等電聚焦電泳，通過蛋白質等電點的差異而分，通過蛋白質等電點的差異而分離蛋白

55、質的電泳方法。離蛋白質的電泳方法。雙向凝膠電泳雙向凝膠電泳是蛋白質組學研究的重要技術。是蛋白質組學研究的重要技術。n幾種重要的蛋白質電泳幾種重要的蛋白質電泳:第101頁/共121頁目錄目錄四、四、應用相分配或親和原理可將蛋白質應用相分配或親和原理可將蛋白質進行層析分離進行層析分離待分離蛋白質溶液（流動相）經過一個固待分離蛋白質溶液（流動相）經過一個固態物質（固定相）時，根據溶液中待分離的蛋態物質（固定相）時，根據溶液中待分離的蛋白質顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待分白質顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待分離的蛋白質組分在兩相中反復分配，并以不同離的蛋白質組分在兩相中反復分配，并以不同速度流經

56、固定相而達到分離蛋白質的目的速度流經固定相而達到分離蛋白質的目的 。n層析層析(chromatography)分離蛋白質的原理分離蛋白質的原理第102頁/共121頁目錄目錄離子交換層析：離子交換層析：利用各蛋白質的電荷量及利用各蛋白質的電荷量及性質不同進行分離。性質不同進行分離。凝膠過濾凝膠過濾(gel filtration)又稱分子篩層析又稱分子篩層析，利，利用各蛋白質分子大小不同分離。用各蛋白質分子大小不同分離。n蛋白質分離常用的層析方法蛋白質分離常用的層析方法第103頁/共121頁目錄目錄第104頁/共121頁目錄目錄第105頁/共121頁目錄目錄五、五、利用蛋白質顆粒沉降行為不同利用蛋

57、白質顆粒沉降行為不同可進行超速離心分離可進行超速離心分離 超速離心法超速離心法(ultracentrifugation)既可以既可以用來分離純化蛋白質也可以用作測定蛋用來分離純化蛋白質也可以用作測定蛋白質的分子量。白質的分子量。 蛋白質在離心場中的行為用沉降系數蛋白質在離心場中的行為用沉降系數(sedimentation coefficient, S)表示，沉表示，沉降系數與蛋白質的密度和形狀相關降系數與蛋白質的密度和形狀相關 。第106頁/共121頁目錄目錄因為沉降系數因為沉降系數S大體上和分子量成正比大體上和分子量成正比關系，故可應用超速離心法測定蛋白質分子關系，故可應用超速離心法測定蛋白

58、質分子量，但對分子形狀的高度不對稱的大多數纖量，但對分子形狀的高度不對稱的大多數纖維狀蛋白質不適用。維狀蛋白質不適用。第107頁/共121頁目錄目錄六、應用化學或反向遺傳學方法可分析六、應用化學或反向遺傳學方法可分析多肽鏈的氨基酸序列多肽鏈的氨基酸序列分析已純化蛋白質的氨基酸殘基組成分析已純化蛋白質的氨基酸殘基組成測定多肽鏈的氨基末端與羧基末端為何種氨基酸殘基測定多肽鏈的氨基末端與羧基末端為何種氨基酸殘基把肽鏈水解成片段，分別進行分析把肽鏈水解成片段，分別進行分析測定各肽段的氨基酸排列順序，一般采用測定各肽段的氨基酸排列順序，一般采用Edman降解法降解法一般需用數種水解法，并分析出各肽段中的氨基酸一般需用數種水解法，并分析出各肽段中的氨基酸順序，然后經過組合排列對比，最終得出完整肽鏈中氨順序，然后經過組合排列對比，最終得出完整肽鏈中氨基酸順序的結果。基酸順序的結果。第108頁/共121頁目錄目錄n通過核酸來推演蛋白質中的氨基酸序列通過核酸來推演蛋白質中的氨基酸序列按照三聯密碼的原則