第一章 蛋白质的结构与功能

 

一、目的要求
掌握蛋白质在生物体中的重要性及其特点。掌握氨基酸的基本结构和分类、氨基酸的重要理化性质;掌握蛋白质的分子结构;蛋白质结构与功能的关系及蛋白质的重要理化性质。

二、授课内容及时间分配50分钟×6
 1.蛋白质的元素组成及氨基酸  40分钟
 2.肽  25分钟
 3.蛋白质的一级结构  10分钟
 4.蛋白质的二级结构  60分钟
 5.蛋白质的三级结构  20分钟
 6.蛋白质的四级结构  15分钟
 7.蛋白质的一级结构与功能的关系  20分钟
 8.蛋白质空间结构与功能的关系  40分钟
 9.蛋白质的理化性质  45分钟
 10.蛋白质的分离纯化  10分钟
 11.多肽链中氨基酸序列分析  10分钟
 12.小结   5分钟

三、讲授重点
 1.蛋白质的分子组成
 2.蛋白质分子的一、二、三、四级结构
 3.蛋白质的结构与功能的关系
 4.蛋白质的理化性质

四、讲授难点
  1.蛋白质的空间构象
  2.蛋白质空间结构与功能的关系
  3.蛋白质分离纯化的方法和原理
  4.多肽链中氨基酸序列分析

五、教学法
  充分利用多媒体课件、动画等多种教学手段,加强分子模型直观教学。讲课要采用启发诱导,实例分

析,习题作业,课堂讨论等多种形式,生动活泼,突出重点和难点,以调动学生的思维活动,培养分

析问题和解决问题的能力。

六、教具
  多媒体教学课件、动画短片、投影仪、分子模型、粉笔、黑板刷、激光教鞭、洁净白大衣等
七、授课教师

 

八、授课对象

 

九、授课地点

十、教科书
周爱儒等  生物化学 第六版 人民卫生出版社, 北京2004

十一、参考书
    1
.王镜岩主编,《生物化学》第三版,北京,高等教育出版社,2002,上册
   
2.童坦君等  生物化学 第一版  北京大学医学出版社,北京2003
    3
贾弘禔等 生物化学 第三版 北京大学医学出版社,北京2003
    4
David L. Nelson, et al. Lehninger Principles of Biochemistry. 3rd ed. Worth Publishers, New York. 2000
    5
Jeremy Berg, John Tymoczko, Lubert Stryer. Biochemistry. 5th ed. W. H. Freeman and Company, New York

.  2002

十二、讲稿

 

第一章  蛋白质的结构与功能

Chapter 1  Structure and function of protein

 

蛋白质(Protein)是生物体的基本组成成分之一,约占人体固体成分的45%。蛋白质在物质代谢(metabolism)、机体防御(defence)、血液凝固(coagulation of blood)、肌肉收缩(construction of muscle)、细胞信息传递(transduction of cellular signal)、个体生长发育(growth and development)、组织修复(repair of tissues)等方面发挥着不可替代的重要作用,它是生命活动的物质基础,没有蛋白质就没有生命。

第一节 蛋白质的分子组成

 

蛋白质元素组成的特点:各种蛋白质的含氮(nitrogen)量很接近,平均为16%。测定生物样品的含氮量就可按下式推算出蛋白质的大致含量。

每克样品中含氮克数×6.25×100=100克样品中蛋白质含量(%)

一、氨基酸

氨基酸(amino acid)是组成蛋白质的基本单位。组成人体蛋白质的氨基酸有20种,它们都有自己的遗传密码,不同的氨基酸其侧链(R)各异,除甘氨酸外均属L-α-氨基酸 (L-α-amino acid),其结构通式如下:

 

(一)氨基酸的分类

根据R侧链基团解离性质的不同,可将氨基酸进行分类:  

1. 酸性氨基酸——GluAsp;侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。

2. 碱性氨基酸——HisArgLys;侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。

3. 中性氨基酸—— 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,根据R基团的极性又可将它们分成: 

非极性疏水氨基酸:GlyAlaValLeuIleProPhe

极性中性氨基酸:TyrCysSerThrAsnGlnMetTrp

在体内,一些特殊蛋白质分子中还含有其它氨基酸,如甲状腺球蛋白中碘代酪氨酸,胶原蛋白中的羟脯氨酸及羟赖氨酸,某些蛋白质分子中的胱氨酸等,它们都是在蛋白质生物合成之后(或合成过程中),相应的氨基酸残基被修饰形成的。还有的是在物质代谢过程中产生,如鸟氨酸(ornithine)由精氨酸(argunine)转变来的等,这些氨基酸在生物体内都没有相应的遗传密码。

                                  

()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(amphypathic eletrolyte),具有两性解离的特性。氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度。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(zwitterion),呈电中性,此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点(isoelectric pointpI)

                                 

2.紫外吸收(ultraviolet absorption)性质        色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近,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。

3.茚三酮(ninhydrin)反应

 

二、肽

(一)肽    在蛋白质分子中,氨基酸之间是以肽键相连的。肽键(peptide bond)就是一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的键。氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽(peptide)。蛋白质就是由许多氨基酸残基(amino acid residue)(通常大于50个)组成的多肽(polypeptide)或称多肽链。多肽链有自由氨基的一端称氨基末端或N—端(N-terminal),有自由羧基的一端称为羧基末端或C—端(C-terminal)。

()生物活性肽

1.谷胱甘肽(gtntathioneGSH)  是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。GSH的巯基具有还原性,可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基(-SH)免遭氧化,使蛋白质或酶处在活性状态。

                                  

2.多肽类激素及神经肽  体内有许多激素属寡肽(oligopeptide)或多肽,例如属于下丘脑垂体,肾上腺皮质轴的催产素(9)、加压素(9)、促肾上腺皮质激素(39)、促甲状腺素释放激素(3)等。

 

第二节 蛋白质的分子结构

 

蛋白质分子结构分成一级、二级、三级、四级结构4个层次,后三者统称为高级结构或空间构象(conformation)。但并非所有的蛋白质都有四级结构,由一条肽链形成的蛋白质只有一级、二级和三级结构,由二条或二条以上多肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。

一、蛋白质的一级结构

蛋白质分子中氨基酸的排列顺序(sequence)称为蛋白质的一级结构(primary structure)。一级结构中的主要化学键是肽键(peptide bond),有些蛋白质还包含二硫键(disulfide bridge)。一级结构是蛋白质最基本的结构,它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。

由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链,侧链基团的理化性质和空间排布各不相同,当它们按照不同的序列关系组合时,就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。

                             

二、蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构(secondary structure)是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,也就是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(side chain)的构象。蛋白质二级结构的主要形式有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。

(一)肽单元

构成蛋白质二级结构的基本单位是肽单元(peptide unit),又称为肽键平面(或称酰胺平面,amide plane),由参与肽键的6个原子——CαlCONHCα2构成,它们位于同一平面上。其中,肽键(C-N)有一定程度双键性能,不能自由旋转。而分别与NC相连的键都是典型的单键,可以自由旋转,由此决定了两个相邻的肽单元平面的相对空间位置,导致蛋白质二级结构的形成。

                              

(二)α-螺旋helix)

α-螺旋是多个肽键平面通过α-碳原子旋转,相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。

其结构特征为:主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋(right-hand helix);螺旋每上升一圈是3.6个氨基酸残基,螺距(pitch)为0.54nm 相邻螺旋圈之间形成许多氢键(hydrogen bond);侧链基团位于螺旋的外侧。
   
影响α-螺旋形成的因素主要是: 存在侧链基团较大的氨基酸残基; 连续存在带相同电荷的氨基酸残基;存在脯氨酸残基。

                                   

(三)β-折叠

β-折叠(β-pleated sheet)  是肽链相当伸展的结构,肽链平面之间折叠成锯齿状,相邻肽键平面间呈110°角。氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的COH形成氢键,使构象稳定。两段肽链可以是平行的(parallel),也可以是反平行的(anti-parallel)。即前者两条链从“N“C是同方向的,后者是反方向的。

(四)β-转角和无规卷曲

β-转角(β-turn)  常发生于肽链进行180°回折时的转角上,通常由4个氨基酸残基组成,第二个残基常为脯氨酸。

  

                              

无规卷曲(random coil)  指没有一定规律的松散肽链结构。此结构看来杂乱无章,但对一种特定蛋白又是确定的,而不是随意的。在球状蛋白中含有大量无规卷曲,与生物活性密切相关。

(五)模体

在许多蛋白质分子中,可发现二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个具有特殊功能的空间结构,被称为模体(motif)。一个模体总有其特征性的氨基酸序列,并发挥特殊的功能。在许多钙结合蛋白分子中通常有一个结合钙离子的模体,它由螺旋螺旋三个肽段组成,在环中有几个恒定的亲水侧链,侧链末端的氧原子通过氢键而结合钙离子。近年发现的锌指结构(zinc finger)也是一个常见的模体例子。

                

 

三、蛋白质的三级结构

(一)三级结构

蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。

肌红蛋白的三级结构如图。它有AH 8个螺旋区,两个螺旋区之间有一段无规卷曲,脯氨酸位于转角处。由于侧链R基团的相互作用,多肽链缠绕,形成一个球状分子,球表面主要有亲水侧链,疏水侧链则位于分子内部。

                             

蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键——疏水作用(hydrophobic bond)、离子键(ionic bond)又称盐键(salt bond)、氢键(hydrogen bond)和Van der Waals力等。

                                  

(二)结构域

分子量大的蛋白质三级结构常可分割成1个和数个球状或纤维状的区域,折叠得较为紧密,各行其功能,称为结构域(domain)。如纤连蛋白(hbronectin),它由二条多肽链通过近巳端的两个二硫键相连而成,含有6个结构域,各个结构域分别执行种功能,有可与细胞、胶原、DNA和肝素等结合的结构域。

                                   

(三)分子伴侣

分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。它们在蛋白质分子形成正确折叠过程发挥重要作用。

 

四、蛋白质的四级结构

体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多肽链,每一条多肽链都有其完整的三级结构,称为蛋白质的亚基(subunit),亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布,并以非共价键相连接。这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级结构(quarternary structure)。在四级结构中,各亚基间的结合力主要是疏水作用,氢键和离子键也参与维持四级结构。含有四级结构的蛋白质,单独的亚基一般没有生物学功能,只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功能。

 

                                

 

五、蛋白质的分类(classification of proteins

根据蛋白质组成成分可分成单纯蛋白质(simple protein)和结合蛋白质(conjugated protein),前者只含氨基酸,而后者除蛋白质部分外,还含有非蛋白质部分。结合蛋白质中的非蛋白质部分被称为辅基(prosthetic group),绝大部分辅基通过共价键方式与蛋白质部分相连。

蛋白质还可根据其形状分为纤维状蛋白质(globular protein)和球状蛋白质(fibrous protein)两大类。纤维状蛋白质其分子长轴的长度比短轴长10倍以上,多数为结构蛋白质,较难溶于水。球状蛋白质的形状近似于球形或椭圆形,多数可溶于水,具有许多生理活性如酶、转运蛋白、免疫球蛋白等。

 

第三节  蛋白质结构与功能的关系

 

一、蛋白质一级结构与功能的关系

 

一级结构是空间构象的基础。一级结构相似的多肽或蛋白质,其空间构象以及功能也相似。例如不同哺乳类动物的胰岛素分子结构都由AB两条链组成,一级结构也仅有个别氨基酸差异,因而它们都执行着相同的调节糖代谢等生理功能。

从不同种属的生物体分离出来的同一功能的蛋白质,其一级结构只有极少的差别,而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小,例如细胞色素C

1-3 细胞色素C分子中氨基酸残基的差异数目及分歧时间

不同种属

氨基酸残基的差异数目

分歧时间(百万年)

-

1

50-60

-

12

70-75

-

10

70-75

--

0

 

-

3

60-65

哺乳类-

10-15

280

哺乳类-

17-21

400

脊椎动物-酵母

43-48

1,100

在蛋白质的一级结构中,参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基,即使在整个分子中发生一个残基的异常,那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。被称之为分子病molecular disease)的镰刀状红细胞性贫血(sickle anemia)仅仅是574个氨基酸残基中,一个氨基酸残基即β亚基N端的第6位氨基酸残基发生了变异所造成的,这种变异来源于基因上遗传信息的突变。镰刀状红细胞性贫血血红蛋白遗传信息的异常。

正常

DNA

……TGT GGG CTT CTT TTT……

mRNA

ACA CCC GAA GAA AAA

DNA(β亚基)

N----……

异常

DNA 

……TGT GGG GAT CTT TTT……

mRNA

……ACA CCC GUA GAA AAA……

hbs(β亚基)

N----……

 

二、蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的空间构象是其功能活性的基础,构象发生变化,其功能活性也随之改变。蛋白质变性时,由于其空间构象被破坏,故引起功能活性丧失,变性蛋白质在复性后,构象复原,活性即能恢复。

 () 血红蛋白的构象变化与结合氧

不同的蛋白质由于它们的空间结构不同,表现出的生理功能也就不一样。例如,肌红蛋白(Mb)是一个只有三级结构的单链蛋白质,血红蛋白(Hb)是具有4个亚基组成的四级结构的球状蛋白。尽管MbHb一样能结合02,但Mb无变构现象,其功能是储存02,而Hb则具有变构效应(allosteric effect),其功能是运输02;此外,它们的氧解离曲线也不同,前者为S形曲线,后者为直角双曲线。

                                  

当某种小分子物质特异地与蛋白质分子的调控部位(别位)结合,触发该蛋白质的构象发生变化,从而导致其功能活性的变化,这种现象称为蛋白质的别构效应(allosteric effect)或变构效应。蛋白质(或酶)的别构效应,在生物体内普遍存在,Hb就具有变构现象,氧气是其变构剂。

血红蛋白(hemoglobin, Hb)由四个亚基构成,每一亚基结合一分子血红素(heme),每个Hb分子可结合4分子。正常成人Hb分子的四个亚基为两条α链,两条β链。各亚基间通过多种次级键维系,尤其是亚基间的8对盐键,它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。

Hb未结合02时的结构较为紧密,称为紧张态(tenseT)THb02的亲和力小。一旦Hb的一个亚基结合024个亚基之间的盐键就断裂,结构显得相对松弛,称为松弛态(relaxR)RHb02的亲和力大。由T态转变成R态是逐个结合02完成的。反之,氧合Hb的亚基逐个脱氧就从R态转变成T态。Hb中第一个亚基与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,这种效应称为正协同效应(positive co-operativity)

                             

Hb在未与氧结合时其辅基血红素的Fe++的位置高于四个吡咯环平面约0.7Å,一旦O2进入某一个α亚基的疏水口袋时,与Fe++的结合会使Fe++嵌入四吡咯平面中,也即向该平面内移动约0.75Å,铁的位置的这一微小移动,牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移,再波及附近肽段构象,造成两个α亚基间盐键断裂,使亚基间结合变松,并促进第二亚基的变构并氧合,后者又促进第三亚基的氧合,使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。

Hb的别位效应和亚基间的协同效应(cooperativity)导致Hb氧饱和曲线呈“S”型。

Hb在体内的主要功能为运输氧气,而Hb的别位效应,极有利于它在肺部与O2结合及在周围组织释放O2。                (二)蛋白质构象改变与疾病

蛋白质构象改变导致的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PrPcPrPc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。

 

                                        

 

第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化

 

一、蛋白质的理化性质

()蛋白质的两性电离

蛋白质分子中存在许多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(isoelectric point, 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。

                  

体内大多数蛋白质的等电点接近于pH50。所以在人体体液pH74的环境下,大多数蛋白质解离成阴离子。少数蛋白质含碱性氨基酸较多,其等电点偏于碱性,被称为碱性蛋白质,如鱼精蛋白、组蛋白等。也有少量蛋白质含酸性氨基酸较多,其等电点偏于酸性,被称为酸性蛋白质,如胃蛋白酶和丝蛋白等。

 ()蛋白质的胶体性质(colloid feature

蛋白质是生物大分子,其分子的颗粒大小可达1—100nm胶粒范围之内。水化膜和蛋白质表面带有电荷是维持蛋白质胶体稳定的重要因素。若去除蛋白质胶粒这两个稳定因素,蛋白质极易从溶液中沉淀。

                           

()蛋白质的变性、沉淀和凝固

1.蛋白质的变性(denaturation)   在某些物理和化学因素作用下,蛋白质特定的空间构象被破坏,从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失,称为蛋白质的变性。

蛋白质的变性不涉及一级结构的改变。蛋白质变性后,其溶解度降低,粘度增加,结晶能力消失,生物活性丧失,易被蛋白酶水解。造成蛋白质变性的因素有多种,常见的有加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

若蛋白质变性程度较轻,去除变性因素后,有些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)。例如核糖核酸酶变性后如经透析方法去除尿素和β-巯基乙醇,并设法使巯基氧化成二硫键,核糖核酸酶又恢复其原有的构象,生物学活性也几乎全部重现。但是许多蛋白质变性后,空间构象严重被破坏,不能复原,称为不可逆性变性。

2.蛋白质的沉淀(precipitation)    蛋白质分子发生凝聚并从溶液中析出的现象称为蛋白质的沉淀。

变性的蛋白质一般易于沉淀,但变性的蛋白质也可不发生沉淀,在一定条件下也可使蛋白质不变性而沉淀,例如盐析。引起蛋白质沉淀的主要方法有下述几种:

(1)盐析     可用于对混和蛋白质组分的分离。

(2)重金属盐沉淀蛋白质    沉淀的条件以pH大于等电点为宜,沉淀的蛋白质常是变性的。

(3)生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质    蛋白质可与生物碱试剂(如苦味酸、钨酸、鞣酸)以及某些酸(如三氯醋酸、过氯酸、硝酸)结合成不溶性的盐沉淀,沉淀的条件应当是pH小于等电点,这样蛋白质带正电荷易于与酸根负离子结合成盐。

临床血液化学分析时常利用此原理除去血液中的蛋白质,此类沉淀反应也可用于检验尿中蛋白质。

(4)有机溶剂沉淀蛋白质  在常温下,有机溶剂沉淀蛋白质往往引起变性。例如酒精消毒灭菌就是如此,但若在低温条件下,则变性进行较缓慢,可用于分离制备各种血浆蛋白质。

 

3.蛋白质的凝固作用(protein coagulation) 

将接近于等电点附近的蛋白质溶液加热,可使蛋白质发生凝固而沉淀。加热首先是加热使蛋白质变性,有规则的肽链结构被打开呈松散状不规则的结构,分子的不对称性增加,疏水基团暴露,进而凝聚成凝胶状的蛋白块。如煮熟的鸡蛋,蛋黄和蛋清都凝固。

蛋白质的变性、沉淀,凝固相互之间有很密切的关系。但蛋白质变性后并不一定沉淀,变性蛋白质只在等电点附近才沉淀,沉淀的变性蛋白质也不一定凝固。例如,蛋白质被强酸、强碱变性后由于蛋白质颗粒带着大量电荷,故仍溶于强酸或强减之中。但若将强碱和强酸溶液的pH调节到等电点,则变性蛋白质凝集成絮状沉淀物,若将此絮状物加热,则分子间相互盘缠而变成较为坚固的凝块。实际上凝固是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。

 

()蛋白质的紫外吸收(ultraviolet absorption

由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸,因此在280nm波长处有特征性吸收    峰。在此波长范围内,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。

 

()蛋白质的呈色反应

1.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。

2.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,称为双缩脲反应。

 

二、蛋白质的分离和纯化

()透析与超滤

利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法叫透析(dialysis)。超滤利用压力使小分子化合物通过超小微孔的膜而蛋白质等高分子化合物不能通过将其分离。

()丙酮沉淀及盐析

可与水混合的有机溶剂,如酒精、甲醇、丙酮等,对水的亲和力很大,能破坏蛋白质颗粒的水化膜,在等电点时使蛋白质沉淀。

盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液,破坏蛋白质在水溶液中的稳定性因素而沉淀。各种蛋白质盐析时所需的盐浓度及pH均不同。例如血清中的白蛋白及球蛋白,前者溶于pH 70左右的半饱和的硫酸铵溶液中,而后者在此溶液中沉淀。当硫酸铵溶液达到饱和时,白蛋白也随之析出。所以盐析法可将蛋白质初步分离。

()电泳

蛋白质在高于或低于其pI的溶液中是带电的,在电场中能向电场的正极或负极移动。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(electrophoresis)。根据支撑物的不同,有薄膜电泳、凝胶电泳等。电泳迁移率的大小主要取决于蛋白质分子所带电荷量以及分子大小。

 ()层析

层析(chromatography) 利用混合物中各组分理化性质的差异,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,是蛋白质分离纯化的重要手段之一。层析种类很多,有离子交换层析、亲和层析等。其中离子交换层析应用最广。

()分子筛

又称凝胶过滤(gel filtration),是层析的一种,层析柱内填满带有小孔的颗粒,一般由葡聚糖制成。蛋白质溶液加于柱之顶部,任其往下渗漏,小分子蛋白质进入孔内,因而在柱中滞留时间较长,大分子蛋白质不能进入孔内而径直流出,因此不同大小的蛋白质得以分离。凝胶过滤可用于测定蛋白质的分子量。

                           

 

()超速离心

超速离心法(ultracentrifugation)既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的    分子量。它是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。蛋白质在离心场中的行为用沉降系数(sedimentation coefficientS)表示,蛋白质的分子量与其沉降系数S成正比。

 

三、多肽链中氨基酸序列分析

蛋白质多肽链的氨基酸顺序分析,即蛋白质一级结构的测定,主要有以下几个步骤:
1.
分离纯化蛋白质,得到一定量的蛋白质纯品;
2.
取一定量的样品进行完全水解,再测定蛋白质的氨基酸组成;
3.
分析蛋白质的N-端和C-端氨基酸;
4.
采用特异性的酶(如胰凝乳蛋白酶)或化学试剂(如溴化氰)将蛋白质处理为若干条肽段;
5.
分离纯化单一肽段;
6.
测定各条肽段的氨基酸顺序。一般采用Edman降解法,用异硫氰酸苯酯进行反应,将氨基酸降解后,逐一进行测定;
7.
至少用两种不同的方法处理蛋白质,分别得到其肽段的氨基酸顺序;
8.
将两套不同肽段的氨基酸顺序进行比较,以获得完整的蛋白质分子的氨基酸顺序。

近年来,由于核酸的研究在理论上及技术上的迅猛发展,人们开始通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列。蛋白质中的氨基酸顺序是从信使RNA(mRNA)中核苷酸序列翻译过来的,因此只要找到相应的mRNA测出它的核苷酸顺序,氨基酸序列也就清楚了。

此方法先分离编码蛋白质的基因,测定DNA序列,排列出mRNA序列,按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列。目前多数蛋白质的氨基酸序列都是通过此方法而获知的。

 

四、蛋白质空间结构测定

通常采用X射线晶体衍射法(X-ray diffraction),首先将蛋白质制备成晶体。X射线射至蛋白质晶体上,可产生不同方向的衍射,X线片则接受衍射光束,形成衍射图(电子密度图)。然后借助计算机对这些斑点的位置、强度进行计算,可得出其空间结构。此外,近年建立的二维磁共振技术,也已用于测定蛋白质三维空间结构。

由于蛋白质空间结构的基础是一级结构,近年来根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构,受到科学家的关注。预测蛋白质空间结构的方法主要有两类。第一类方法是采用分子力学、分子动力学的方法,根据物理化学的基本原理,从理论上计算蛋白质分子的空间结构。第二类方法是通过对已知空间结构的蛋白质进行分析,找出——级结构与空间结构的关系,总结出规律,用于新的蛋白质空间结构的预测。

 

小结:

1。蛋白质是重要的生物大分子,在体内分布广泛,含量丰富,种类繁多。每一种蛋白质都有其特有的生

物学功能

2.   白质的基本组成单位为20a氨基酸。氨基酸为两性电解质,在一定的pH条件下,其分子上的净电荷为零时,称为该氨基酸的等电点(pI)。氨基酸通过肽键相连而成肽。小于10个氨基酸组成的肽称为寡肽,反之则称为多肽。人体内有许多重要的生物活性肽。

3.   白质根据组成成分可分为单纯蛋白和结合蛋白,后者含有非氨基酸辅基成分

4.   级结构是蛋白质构像的基础,亦是其功能的基础;次级键对于蛋白质构像的维持亦起着重要的作用

5.   一级结构是指蛋白质氨基酸的排列序列,他们以肽键相连,形成肽键的6个原子构成一个肽平面或肽单元

6.   二级结构是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,主要形式有 α-螺旋 β-折叠、β-转角和无规卷曲。蛋白质分子中两个或三个具有二级结构的肽段相互接近,形成一个具有特殊功能的空间结构称为模序(motif ,它具有具有特征性的氨基酸结构,并发挥特殊的功能。多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常在空间折叠中靠近,彼此相互作用形成规则的二级结构聚集体,称为超二级结构。在较大的蛋白质分子中,相邻的超二级结构紧密联系,形成二个或多个空间上明显突出的局部区域,与分子整体以共价键相连,具有不同的生物学功能,称为结构域 (domain)

7.   三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,主要靠次级键维持

8.   四级结构是指蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,主要靠疏水键维持

9.   蛋白质特定的生物学功能是由其氨基酸序列(即一级结构)决定的,空间构像亦可影响其理化性质及生物学活性

10.          用多种成熟的技术与方法对蛋白质进行纯化、分析和功能鉴定

 

十三、复习思考题

1.名词解释:

肽单元(peptide unit)

变(别)构效应(allosteric effect)

蛋白质的变性(protein denaturation

蛋白质pIprotein isoelectric point

2.蛋白质的基本组成单位是什么?按侧链的结构和功能不同可分为几类?

3.蛋白质的二级结构有几种?各有何特征?

4.蛋白质变性的本质是什么?变性因素有哪些?变性后有什么改变?

5.蛋白质分离纯化有哪几种方法运用了蛋白质的等电点?根据是什么?

6.维持蛋白质一 、二、三、四结构的化学键各有哪些?

7.试以血红蛋白为例概述蛋白质空间构象与功能的关系。