华南理工大学生物化学课件 第4章 蛋白质ppt课件

第四章 蛋 白 质,一、蛋白质的化学组成与分类 二、氨基酸 三、肽 四、蛋白质的结构 五、蛋白质的性质 六、蛋白质的功能,主要内容,一、蛋白质的化学组成与分类,主要组成元素：C、H、O、N、S 及 P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se 等微量元素。 百分数约为：碳占5055%，氢占68%，氧占2030%，氮占1518%及硫占04%。大多数蛋白质所含氮素约为16%，因该元素容易用凯氏(Kjeldahl)定氮法进行测定，故蛋白质的含量可由氮的含量乘以6.25(100/16)计算出来。,根据分子形状分,球状蛋白质（分子对称性佳，外形接近球状或椭球状， 溶解度较好，能结晶，大多数蛋白质属于这一类 ） 纤维状蛋白质（对称性差，分子类似细棒或纤维。它 又可分成可溶性纤维状蛋白质，和不溶性纤维状蛋白质 ）,根据组成分,简单蛋白质 结合蛋白质,根据功能分,活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和 防御蛋白和受体蛋白） 非活性蛋白（如硬蛋白、角蛋白）,简单蛋白质,这类蛋白质只含由-氨酸组成的肽链，不含其它成分 1、清蛋白 广泛存在于生物体内，如血清清蛋白、乳清蛋白等。 2、球蛋白 普遍存在于生物体内，如血清球蛋白、肌球蛋白和植物种子 球蛋白等。 3、谷蛋白 如米谷蛋白和麦谷蛋白等。 4、醇溶谷蛋白 这类蛋白质主要存在于植物种子中。如玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白等。 5、组蛋白 分子中组氨酸、赖氨酸较多，分子呈碱性。如小牛胸腺组蛋白等。 6、鱼精蛋白 分子中碱性氨基酸特别多，因此呈碱性。如鲑精蛋白等。 7、硬蛋白 这类蛋白是动物体内作为结缔及保护功能的蛋白质。例如，角蛋白、胶原、网硬蛋白和弹性蛋白等。,蛋白质中存在的20种氨基酸，除脯氨酸外，在其-碳原 子上都有一个自由的羧基及一个自由的氨基；由于脯基酸的 -氨基被取代，它实际上是一种-亚氨基酸。此外，每种 氨基酸都有一个特殊的R基团。,蛋白质氨基酸,二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号,据R基团化学结构分类,脂肪族A （中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）,芳香族A(Phe、Tyr、Trp),杂环(His、Pro),据R基团极性分类,极性R基团AA,非极性R基团AA（种）,不带电荷（种）,据氨基、羧基数分类,一氨基一羧基,一氨基二羧基(Glu、Asp),二氨基一羧基(Lys、His、Arg),人的必需氨基酸 Lys Trp Phe Val Met Leu Ile Thr Arg、His,带电荷：正电荷（种）负电荷（种）,甘氨酸 （Gly,G）,丙氨酸 （Ala,A）,缬氨酸 （Val,V）,亮氨酸 （Lue,L）,异亮氨酸 （Ile,I）,中性脂肪族氨基酸,含羟基或硫脂肪族氨基酸,丝氨酸 （Ser,S）,苏氨酸 （Thr,T）,半胱氨酸 （Cys,C）,甲硫氨酸 （Met,M）,酸性氨基酸及酰胺,天冬氨酸 （Asp,D）,谷氨酸 （Glu,E）,天冬酰胺 （Asn,N）,谷氨酰胺 （Gln,Q）,碱性氨基酸,赖氨酸 （Lys,K）,精氨酸 （Arg,R）,组氨酸 （His,H）,杂 环氨基酸,杂环氨基酸,组氨酸 （His,H）,脯氨酸 （Pro,P）,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 （Phe,F）,酪氨酸 （Tyr,Y）,色氨酸 （Trg,W）,除去上述20种氨基酸外，有一些蛋白质的水解液中含有少数其它氨基酸，这些都是正常氨基酸的衍生物，其中有4-羟基脯氨酸，存在于纤维蛋白、胶原以及某些植物蛋白中（如烟草细胞壁的糖蛋白）。在胶原的水解液中也分离出5-羟基赖氨酸。N-甲基赖氨酸存在于肌球蛋白中，另一个重要的特有氨基酸是-羧基谷氨酸，存在于凝血酶原及某些具有结合离子功能的其他蛋白质中。锁链素（一种赖氨酸的衍生物，其中央的吡啶环结构由个赖氨酸分子的侧链组成）则仅在弹性蛋白中发现。从甲状腺蛋白中分离出3,5-二碘酪氨酸和甲状腺素等，他们都是酪氨酸的衍生物，稀有氨基酸都是从肽链中的正常氨基酸前体经过化学修饰产生的。含稀有氨基酸的蛋白质多具有较强的生物活性。,稀有的蛋白质氨基酸,非蛋白质氨基酸,除去蛋白质的20种普通氨基酸及少数稀有氨基酸外，已发现有150多种其它氨基酸，存在于各种细胞及组织中，呈游离状态或者结合状态，但并不存在于蛋白质中，所以称为非蛋白质氨基酸 。 它们大多数是蛋白质中存在的-氨基酸的衍生物，但是也发现有-，-，或-氨基酸。某些非蛋白质氨基酸呈D-构型，如细菌细胞壁中存在的D-谷氨酸和D-丙氨酸。 一些非蛋白氨基酸的分子结构如下：,氨基酸的性质,（一）一般物理性质 溶解度：水中溶解度差别较大， 不溶于有机溶剂。 光吸收性：可见光区无光吸收，紫外光区Phe、 Thy、 Trp有光吸收。 旋光性：AA的物理常数，与结构、PH值有关。 味感：不同味道(与构型有关).,（二）两性解离和等电点 氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或 氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基 是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存 在。 在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化,调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的NH3 +基和COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。 侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值：pI = (pK1 + pK2 )/2 同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。 酸性氨基酸：pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 硷性氨基酸：pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2,（三）化学性质,茚三酮(无色),+,（1）与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。 在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几g）。,加热,（弱酸）,紫色化合物,（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法,(3) 与2,4-二硝基氟苯（DNFB）反应,（黄色）,多用来鉴定多肽或蛋白质的N-末端氨基酸,（4）与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应,pH8.3,无水HF,多用于重复测定多肽链N端氨基酸排列顺序，设计出“多肽顺序自动分析仪”,（5）成盐反应,（6）酰基化和烃基化反应,（7）成酯反应,HCl气,当羧基变成乙酯后，羧基的化学性质就被掩蔽了，而氨基的化学性质就突出地显示出来。,（8）酰氯化反应,使氨基酸的羧基活化，易于另一氨基酸的氨基结合，在合成肽的工作上常用。,（9）成酰胺反应,H2NCHRCOOC2H5 + HNH2,体外,无水,有机体内：,Asp（Glu）+NH4+,Asn（Gln）,Asn（Gln）合成酶,ATP,（10）脱羧反应,H2NCHRCOOH,脱羧酶,（11）迭氮反应,H2N-CHR-COOH,NH2NH2,（-CH3OH）,HNO2,三、肽,氨基酸彼此以酰胺键互相连接在一起形成的化合物为肽。 这个键称肽键。 两个分子氨基酸所形成的肽称为二肽，三个氨基酸缩合成 的肽称为三肽，依此类推。若一种肽含有少于10个氨基酸，则 为寡肽，超过此数的肽统称为多肽。,肽键：,肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 组成肽键的原子处于同一平面。,多肽链的立体结构,四、蛋白质的结构,一级结构 二级结构 超二级结构 三级结构 四级结构,一级结构,蛋白质的一级结构，又称为化学结构，是指氨基酸在肽链中 的排列顺序及二硫键的位置，是多肽链具有共价键的主链结构。,多肽链的氨基酸顺序，是蛋白质生物功能的基础。,二级结构,指多肽链中彼此靠近的氨基酸残基之间由于氢键相互作 用而形成的空间关系；是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠 方式 。 主要有以下类型： () 螺旋（helix） () 折叠（-pleated sheet） () 转角（-turn） () 无规则卷曲（nonregular coil）,() 螺旋,在-螺旋中肽平面的键长和键角一定,肽键的原子排列呈反式构型,相邻的肽平面构成两面角. 多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离0.15nm. 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。 蛋白质分子为右手-螺旋。,() 折叠,是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻 肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的 平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和 下面。,-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。,() 转角,在-转角部分，由四个氨基酸残基组成; 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发 夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸 的氨基氢上。,-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。,() 无规则卷曲,无规则卷曲,细胞色素C的三级结构,超二级结构,在蛋白质中，特别是球状蛋白质中，经常可以看到由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体充当三级结构的构件，称为超二级结构。已知的超二级结构有三种基本组合形式：（），（）和（）。 结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构，具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。,超二级结构类型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-链, -迂回,回形拓扑结构,回形拓扑结构, -迂回,超二级结构类型立体图, /结构域,丙酮酸激酶结构域4,木瓜蛋白酶结构域1,无规则卷曲+ -螺旋结构域,无规则卷曲+-回折结构域,乳酸脱氢酶结构域1,+结构域,3-P-甘油醛脱氢酶结构域2,木瓜蛋白酶结构域2,三级结构,蛋白质的三级结构是指多肽链的距离较远的氨基酸之间的相互作用而使多肽链弯曲或折叠形成的紧密而具有一定刚性的结构。是二级结构的多肽链进一步折叠、卷曲形成复杂的球状分子结构。,包括主链和侧链的所有原子的空间排布一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面 维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水相互作用，在蛋白质三级结构中起着重要作用。,血红蛋白,抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构,四级结构,四级结构是指两条或多条肽链以特殊方式结合成有生物活性的蛋白质。,许多蛋白质是由两个或两个以上独立的三级结构通过非共 价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每个独立 三级结构单元称为亚基。蛋白质的四级结构是指亚基的种类、 数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互 作用。,四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列,假设的单体,C2对称,C3对称,C4对称,D2对称,D3对称,五、蛋白质的性质,(一)、蛋白质的胶体性质 蛋白质的相对分子质量很大，一般在10 000至1 000 000之间，因此它的水溶液必然具有胶体的性质，如布朗运动、光散射现象、电泳现象，不能透过半透膜及吸附能力等。蛋白质是亲水力很强的胶体。在这些胶体颗粒的表面上有一层很厚的水膜而且带有相同的电荷使胶体颗粒互相排斥，故能在水溶液中使颗粒相互隔开而不致聚合下沉，保持其稳定性,(二)蛋白质的沉淀 盐析作用：在蛋白质溶液中加入定量的中性盐时，则能使蛋白质脱水并中和其电荷而从溶液中沉淀出来，中性盐的这种沉淀作用称为盐析作用。硫酸铵、硫酸钠和氯化钠是常见的几种蛋白质盐析剂。 不可逆沉淀：在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。 可逆沉淀：在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液。等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等均属于可逆沉淀法。,（三）、蛋白质的两性解离及等电点 蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时(Isoelectric point pI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。,（四）、蛋白质的变性,当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分 子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学 功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现 象称为变性作用（denaturation）。 蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变 性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来 的构象，恢复原有的理化性质和生物活性