一、什么是蛋白质? 蛋白质(protein) 是由许多氨基酸(amino acids) 通过肽键(peptide bond) 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 ％。蛋白质元素组成的特点由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：一、组成人体蛋白质的20 种氨基酸均属于L- -氨基酸amino acid ：An organic acid with an α-carbon atom linked to a carboxylic acid, an amino group, a hydrogen atom, and a side chain (the R group). Twenty different amino acids are the building blocks of proteins. 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，且均属于L-α- 氨基酸（除脯氨酸和甘氨酸外）。这20 种氨基酸都有各自的遗传密码。四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链（二）体内存在多种重要的生物活性肽生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH) 蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 蛋白质的高级结构属于空间结构，即构象(conformation) 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非共价键（次级键）来维系。Configuration. The spatial arrangement in which atoms are covalently linked in a molecule. Conformation. The spatial arrangement of atoms in a protein is called its conformation. The three-dimensional arrangement adopted by a molecule, usually a complex macromolecule. Molecules with the same configuration can have more than one conformation. α- helix: A helical conformation of a polypeptide chain, usually right-handed, with maximal intrachain hydrogen bonding; one of the most common secondary structures in proteins. Linus Carl Pauling （1901-1994 ）USA.The Nobel Prize in Chemistry 1954 蛋白质三级结构的特点外形呈球状或纤维状球状蛋白质形成疏水区（分子内部）和亲水区（分子表面）维系三级结构的化学键主要是R之间的次级键可表现生物学活性并形成结构域（domain) 是含单一肽链蛋白质的最高结构形式所有蛋白质都具有三级结构维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。并非所有蛋白质分子均具有四级结构，含单一肽链的蛋白质最高结构形式是三级结构。quaternary structure ：In proteins containing more than one polypeptide chain, the spatial arrangements of those chains (subunits) and the nature of contacts among them. subunit: The independently three-dimensional structure in a protein with quaternary structure. 蛋白质四级结构特点：蛋白质结构层次小结一级结构（肽链结构，指多肽链中的氨基酸排列顺序）↓二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形成的有规律性的结构）↓超二级结构（模体，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）↓三级结构（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）维持蛋白质结构和空间构象的作用力作用力破坏因子肽键：维持Pr 一级结构强酸、强碱、酶二硫键：稳定二、三级结构还原剂和氧化剂配位键：与金属离子的结合螯合剂(EDTA) 氢键：α- 螺旋，β- 折叠尿素，盐酸胍疏水作用：形成球蛋白的核心去垢剂，有机溶剂范德华力(Van der Waals force ) : 稳定紧密堆积的基团和原子离子键：稳定三、四级结构酸、碱五、蛋白质的分类一级结构是基础，高级结构是关键DNA 的碱基排列顺序蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序蛋白质的空间构象蛋白质的功能蛋白质一级结构与功能的关系小结：1 、一级结构不同，空间结构各异，功能不同2 、一级结构相似，空间结构相近，功能相同3 、一级结构中非关键部位氨基酸残基发生变化，不影响生物活性。4 、一级结构中关键部位氨基酸残基发生变化，可导致功能变化。Hb 与Mb 一样能可逆地与O2 结合，Hb 与O2 结合后称为氧合Hb 。氧合Hb 占总Hb 的百分数（称百分饱和度）随O2 浓度变化而改变。当血红蛋白的一个α亚基与氧分子结合以后，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结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。波耳效应及其生理意义血红蛋白上有CO2 和BPG 结合部位，因此，血红蛋白还能运输CO2 。波耳效应（Bohr effect ）：增加CO2 的浓度、降低pH 能显著降低血红蛋白对O2 的亲和力，促进O2 的释放，导致Hb 的氧解离曲线右移。反之，高浓度的O2 也能促使血红蛋白释放H+ 和CO2 。BPG 的别构效应BPG （2,3- 二磷酸甘油酸）通过与它的两个β亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态的构象，因而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。无BPG 时，P50=1 torr ，BPG=4.5mM 时，P50=26 torr BPG 进一步提高了血红蛋白的输氧效率。在肺部，PO2 超过100torr ，因此，即使没有BPG ，血红蛋白也能被饱和，在组织中，PO2 低，BPG 降低血红蛋白的氧亲和力，加大血红蛋白的卸氧量。（1）高山适应和肺气肿的生理补偿变化；BPG 升高。（2）血库储血时加入肌苷和BPG 。协同效应(cooperativity) 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，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协同效应(negative cooperativity) isoelectric point of protein: The pH at which a protein solute has no net electric charge and thus does not move in an electric field. denaturation of protein : Many physical and chemical reagents (urea or SDS, etc.) that break noncovalent bonds disrupt secondary, tertiary, and quaternary structure of protein with attendant loss of biologic activity. +  丙酮沉淀法原理：破坏亲水胶体的两个稳定因素。沉淀条件：0～4℃，10 倍于蛋白质体积的丙酮，沉淀后立即分离。低温有机溶剂沉淀法, 重金属盐沉淀法有机酸沉淀蛋白质等方法. 蛋白质分离和纯化的常用技术（一）丙酮沉淀及盐析（二）电泳（三）透析（四）层析（五）分子筛（六）超速离心复习题1. 名词解释：肽单元、变（别）构效应、蛋白质的变性、pI 、蛋白质的一、二、三、四级结构2. 蛋白质的基本组成单位是什么？有多少种？按侧链的结构和功能不同可分为几类？各包括哪些氨基酸？3. 蛋白质的二级结构有几种？各有何特征，由什么化学键维持？4. 什么是蛋白质变性？变性因素有哪些？变性本质是什么？变性后有什么改变？5. 何谓蛋白质的等电点？当pH > pI 时蛋白质带何种电荷？当pH < pI 时蛋白质带何种电荷？6. 维持蛋白质三，四级结构的化学键有哪些？哪种最重要？7. 简述谷胱甘肽的结构特点和生物学功能？第五节蛋白质的分离纯化与结构分析The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein （二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合Hb 和Mb 的氧解离曲线不同，前者为S状曲线，后者为直角双曲线。Hb 与02 结合存在变构效应。血红蛋白的变构Binding a ligand to a specific site in a protein triggers a conformational change that alters its affinity for other ligands. Ligand-induced conformational changes in such proteins are called allosteric effect. 变构效应(allosteric effect) ：蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。这是因为未结合02 时，Hb 的结构较为紧密，称为紧张态(tense state ，T态) ，T态Hb 与02 的亲和力小。随着02 的结合，4个亚基羧基末端之间的盐键断裂，其结构显得相对松弛，称为松弛态(relaxed state ，R态) ，R态Hb 与02 的亲和力大。T 态和R态可相互转换，如T态转变成R态是逐个结合02 而完成的。反之，氧合Hb 的亚基逐个脱氧就从R态转变成T态。O2 血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。Bohr effect : increase in the concentration of H+ and Pco2 reduces oxygen affinity to hemoglobin } pCO2 } pCO2 曲线右移第一个亚基与02 结合以后，促进第二及第三个亚基与02 的结合，当前三个亚基与02 结合后，又大大促进第四个亚基与02 结合，这种现象又称为正协同效应。（三）蛋白质构象改变可引起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。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。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。PrPc α- 螺旋PrPsc β- 折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变Mad Cow Disease and prion 第四节蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters of Protein 一、蛋白质具有两性电离的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。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。蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 阳离子pHpI 兼性离子pH=pI 蛋白质溶液的pH 大于等电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。二、蛋白质具有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。颗粒表面电荷水化膜蛋白质胶体稳定的因素: + + + + + + + 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膜+ + + + + + + + 带正电荷的蛋白质－－－－