蛋白质结构与功能关系PPT
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32
血红蛋白的变构效应使其有利于氧的运输
33
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。
34
1.5 蛋蛋白白质质的的性质理及化其性应质用及分离纯 1、蛋白质的两性电离和化等电点
➢ 蛋白质与氨基酸相似，也具有两性电离的性质。蛋 白质的多肽链含有末端氨基和羧基，一些侧链上含有可 解离的基团，有的可以接受氢离子，有的可以电离出氢 离子，因此蛋白质具有酸碱两性电离的性质。它的两性 电离比氨基酸复杂。 ➢ 对某一蛋白质而言，在某一pH下，当它所带正负电 荷相等的时候，该溶液的pH就称为该蛋白质的等电点。 ➢ 蛋白质的等电点的大小与蛋白质的氨基酸组成有关。
蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的性质及其应用
1
§ 蛋白质结构与功能的关系 § 蛋白质的理化性质 § 蛋白质的分离、纯化与测定
2
一、1.蛋4白蛋质白一级质结构结与构功能与的功关系能的关系
⒈一级结构是空间构象的基础
RNase是由124氨基酸残基组成的单肽链，分子中 8 个 Cys的-SH构成4对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质 分子。在蛋白质变性剂（如8mol/L的尿素）和一些还原剂 （如巯基乙醇）存在下，酶分子中的二硫键全部被还原，酶 的空间结构破坏，肽链完全伸展，酶的催化活性完全丧失。 当用透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活 性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他 的方法改变分子中二硫键的配对方式，酶完全丧失活性。这 个实验表明，蛋白质的一级结构决定它的空间结构，而特定 的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证。如下图：
35
2、蛋白质的高分子性质
➢ 蛋白质溶液有许多高分子溶液的性质，如： 扩散慢、易沉降、 粘度大、不能透过半透膜， 在水溶液中可形成亲水的胶体。 ➢ 蛋白质胶体溶液的稳定因素：水化膜、带 电荷。当破坏这两个因素时，蛋白质中从溶液 中析出而产生沉淀。
36
透析
• ① 透析法：把混有小分子杂质的蛋白质样品溶液装在 用玻璃纸，火棉纸等合成材料制成的半透膜透析袋里， 然后放入流动的（或经常更换的）蒸馏水中，袋内的 小分子杂质会不断扩散到半透膜外，直至完全排净， 而蛋白质则留在袋内得到纯化。
Tyr
75
Ile
Pro
80
Gly Thr
82
Phe
Lys
84
Gly 80
Met
87
Lys
91
Arg
100
35个不变的AA残基，是Cyt C 的生物功 能所不可缺少的。其中有的可能参加维 持分子构象；有的可能参与电子传递； 有的可能参与“识别”并结合细胞色素 9 还原酶和氧化酶。
10
血红蛋白的亚基与肌红蛋白一级结构中的保守氨基酸残基
3
ຫໍສະໝຸດ Baidu 4
2. 蛋白质一级结构决定其高级结构，因此最终决 定了蛋白质的功能。 84个氨基酸的胰岛素原（proinsulin），胰岛素原 也没活性，在包装分泌时，A、B链之间的33个氨基 酸残基被切除，才形成具有活性的胰岛素。如图所示:
5
猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图
6
胰岛素：AB两条链构成，A链含21个氨基酸残基，B链含 30 个氨基酸残基，链间有两对二硫键，A链上有一对二硫键。
8
1 Gly 不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基
6
Gly
10
Phe
14
Cys 血红素
17
Cys
18
His
27
Lys
29
Gly
30
Pro
32
Leu
34
Gly
不变的AA残基
38
Arg
41
Gly
45
Gly
48
Tyr
51
Ala
52
Asn
59
Trp
67
Tyr 70
Asn
68
Leu
Pro
Lys
70
Lys
27
血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线
Myoglobin
Hemoglobin
0
20
40
60
80
100
活动肌肉毛细血管中 的PO2
肺泡中的PO2
28
29
30
31
上述Hb与O2结合后，Hb的构象发生变化， 这类变化称为变构效应，即通过构象变化影响蛋 白质的功能。像血红蛋白这种具有变构效应的蛋 白质称为变构蛋白（allosteric protein）。血 红蛋白的这种变构效应能更有效地行使其运氧的 生物学功能。
7
3.功能相似的蛋白质往往能显似它们在进化上的亲缘关 系：
比较不同来源的细胞色素C发现，与功能密切相关的氨基酸残 基是高度保守的，这说明不同种属具有同一功能的蛋白质，在进 化上来自相同的祖先，但存在种属差异。
不同种属间的同源蛋白质一级结构上相对应的氨基酸差别 越大，其亲缘关系愈远，反之，其亲缘关系愈近。
15
16
所以，蛋白质一定的结构执行一定的功能。 功能不同的蛋白质总是有着不同的序列；比较 种属来源不同而功能相同的蛋白质的一级结构， 可能有某些差异，但与功能相关的结构也总是 相同。若一级结构变化，蛋白质的功能可能发 生很大的变化。
17
二、蛋白质的空间结构与功能的关系
肌红蛋白（Mb）与血红蛋白的结构与功能：
18
肌红蛋白的结构
19
20
肌红蛋白的亚基铁卟啉
21
22
肌红蛋白的氧合曲线
23
24
Hb由4条肽链组成：2α、2β，功能是运载O2 。 在去氧Hb亚基中有下列几对离子键：
25
26
由于血红蛋白亚基之间存在大量离子键， 使其构象呈紧张态，对氧的亲和力很低，第 一个亚基与O2结合时，离子键的破坏较难， 所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基 结合氧之后引起它的构象从紧张态变成松弛 态，其它的离子键也依次破坏，此时破坏离 子键所需要的能量也少，构象的变化导致血 红蛋白对氧的亲和力大大增强，因此第四个 亚基结合氧的能力比第一个大几百倍。
11
⒋ 许多疾病都是由于相关蛋白质结构异常 引起的
基因突变导致蛋白质一级结构改变而产生的遗传病。 称之为分子病。例如镰刀型贫血症，它是由于血红 蛋白的β-亚基上的第六位氨基酸由谷氨酸变成了缬 氨酸，导致血红蛋白的结构和功能的改变，其运输 氧气的能力大大地降低，并且红细胞呈镰刀状。
12
13
14
正常红细胞与镰 刀形红细胞的扫 描电镜图
• ② 超滤法：是利用一种特制的半透膜，在外加强大压 力作用下，迫使溶液中小分子透过而大分子则被阻留 在滤膜之上而使之纯化。
• 如：用(NH2)2SO4分级后的，需除去(NH4)2SO4应采 用上述两种方法之一即可。
血红蛋白的变构效应使其有利于氧的运输
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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。
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1.5 蛋蛋白白质质的的性质理及化其性应质用及分离纯 1、蛋白质的两性电离和化等电点
➢ 蛋白质与氨基酸相似，也具有两性电离的性质。蛋 白质的多肽链含有末端氨基和羧基，一些侧链上含有可 解离的基团，有的可以接受氢离子，有的可以电离出氢 离子，因此蛋白质具有酸碱两性电离的性质。它的两性 电离比氨基酸复杂。 ➢ 对某一蛋白质而言，在某一pH下，当它所带正负电 荷相等的时候，该溶液的pH就称为该蛋白质的等电点。 ➢ 蛋白质的等电点的大小与蛋白质的氨基酸组成有关。
蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的性质及其应用
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§ 蛋白质结构与功能的关系 § 蛋白质的理化性质 § 蛋白质的分离、纯化与测定
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一、1.蛋4白蛋质白一级质结构结与构功能与的功关系能的关系
⒈一级结构是空间构象的基础
RNase是由124氨基酸残基组成的单肽链，分子中 8 个 Cys的-SH构成4对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质 分子。在蛋白质变性剂（如8mol/L的尿素）和一些还原剂 （如巯基乙醇）存在下，酶分子中的二硫键全部被还原，酶 的空间结构破坏，肽链完全伸展，酶的催化活性完全丧失。 当用透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活 性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他 的方法改变分子中二硫键的配对方式，酶完全丧失活性。这 个实验表明，蛋白质的一级结构决定它的空间结构，而特定 的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证。如下图：
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2、蛋白质的高分子性质
➢ 蛋白质溶液有许多高分子溶液的性质，如： 扩散慢、易沉降、 粘度大、不能透过半透膜， 在水溶液中可形成亲水的胶体。 ➢ 蛋白质胶体溶液的稳定因素：水化膜、带 电荷。当破坏这两个因素时，蛋白质中从溶液 中析出而产生沉淀。
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透析
• ① 透析法：把混有小分子杂质的蛋白质样品溶液装在 用玻璃纸，火棉纸等合成材料制成的半透膜透析袋里， 然后放入流动的（或经常更换的）蒸馏水中，袋内的 小分子杂质会不断扩散到半透膜外，直至完全排净， 而蛋白质则留在袋内得到纯化。
Tyr
75
Ile
Pro
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Gly Thr
82
Phe
Lys
84
Gly 80
Met
87
Lys
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Arg
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35个不变的AA残基，是Cyt C 的生物功 能所不可缺少的。其中有的可能参加维 持分子构象；有的可能参与电子传递； 有的可能参与“识别”并结合细胞色素 9 还原酶和氧化酶。
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血红蛋白的亚基与肌红蛋白一级结构中的保守氨基酸残基
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ຫໍສະໝຸດ Baidu 4
2. 蛋白质一级结构决定其高级结构，因此最终决 定了蛋白质的功能。 84个氨基酸的胰岛素原（proinsulin），胰岛素原 也没活性，在包装分泌时，A、B链之间的33个氨基 酸残基被切除，才形成具有活性的胰岛素。如图所示:
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猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图
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胰岛素：AB两条链构成，A链含21个氨基酸残基，B链含 30 个氨基酸残基，链间有两对二硫键，A链上有一对二硫键。
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1 Gly 不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基
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Gly
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Phe
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Cys 血红素
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Cys
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Gly
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不变的AA残基
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Asn
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Trp
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Tyr 70
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Leu
Pro
Lys
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Lys
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血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线
Myoglobin
Hemoglobin
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20
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活动肌肉毛细血管中 的PO2
肺泡中的PO2
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上述Hb与O2结合后，Hb的构象发生变化， 这类变化称为变构效应，即通过构象变化影响蛋 白质的功能。像血红蛋白这种具有变构效应的蛋 白质称为变构蛋白（allosteric protein）。血 红蛋白的这种变构效应能更有效地行使其运氧的 生物学功能。
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3.功能相似的蛋白质往往能显似它们在进化上的亲缘关 系：
比较不同来源的细胞色素C发现，与功能密切相关的氨基酸残 基是高度保守的，这说明不同种属具有同一功能的蛋白质，在进 化上来自相同的祖先，但存在种属差异。
不同种属间的同源蛋白质一级结构上相对应的氨基酸差别 越大，其亲缘关系愈远，反之，其亲缘关系愈近。
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所以，蛋白质一定的结构执行一定的功能。 功能不同的蛋白质总是有着不同的序列；比较 种属来源不同而功能相同的蛋白质的一级结构， 可能有某些差异，但与功能相关的结构也总是 相同。若一级结构变化，蛋白质的功能可能发 生很大的变化。
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二、蛋白质的空间结构与功能的关系
肌红蛋白（Mb）与血红蛋白的结构与功能：
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肌红蛋白的结构
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肌红蛋白的亚基铁卟啉
21
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肌红蛋白的氧合曲线
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Hb由4条肽链组成：2α、2β，功能是运载O2 。 在去氧Hb亚基中有下列几对离子键：
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由于血红蛋白亚基之间存在大量离子键， 使其构象呈紧张态，对氧的亲和力很低，第 一个亚基与O2结合时，离子键的破坏较难， 所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基 结合氧之后引起它的构象从紧张态变成松弛 态，其它的离子键也依次破坏，此时破坏离 子键所需要的能量也少，构象的变化导致血 红蛋白对氧的亲和力大大增强，因此第四个 亚基结合氧的能力比第一个大几百倍。
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⒋ 许多疾病都是由于相关蛋白质结构异常 引起的
基因突变导致蛋白质一级结构改变而产生的遗传病。 称之为分子病。例如镰刀型贫血症，它是由于血红 蛋白的β-亚基上的第六位氨基酸由谷氨酸变成了缬 氨酸，导致血红蛋白的结构和功能的改变，其运输 氧气的能力大大地降低，并且红细胞呈镰刀状。
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正常红细胞与镰 刀形红细胞的扫 描电镜图
• ② 超滤法：是利用一种特制的半透膜，在外加强大压 力作用下，迫使溶液中小分子透过而大分子则被阻留 在滤膜之上而使之纯化。
• 如：用(NH2)2SO4分级后的，需除去(NH4)2SO4应采 用上述两种方法之一即可。