蛋白质和酶20111121专题.ppt

蛋白质的结构与功能,Structure and Function of Protein,中心法则,复制,DNA,转录,逆转录,复制,RNA,蛋白质,翻译,调控,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。,第一节 蛋白质的分子组成,二、蛋白质的分布和组成,1.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。,2. 组成蛋白质的元素：主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。,二、蛋白质的基本组成单位-氨基酸,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 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,氨基酸的结构特点,R-侧链基团,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,* 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。,* 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端,多肽链有两端,* 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein,第 二 节,蛋白质的分子结构包括 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,目 录,二、蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),三、蛋白质的三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,（一） 定义,肌红蛋白 (Mb),亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,四、蛋白质的四级结构,蛋白质分子中各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。,有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。,血红蛋白的四级结构,第四节,蛋白质的分类,* 根据蛋白质组成成分,* 根据蛋白质形状,* 根据功能分,第五节,蛋白质的变性与复性,一、蛋白质的变性,1、 蛋白质的变性(denaturation) 在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,造成变性的因素 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,2、变性蛋白质的特征,应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,3、变性的应用,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，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) 。,4、复性,蛋白质与医学的关系,由于各种原因（物理、化学、生物基因突变等）导致的蛋白质分子在结构或合成量上产生异常，从而引起机体一系列病理改变，并产生功能障碍，从而引发某些疾病产生。如血红蛋白病（镰形细胞贫血症、地中海贫血症）、血浆蛋白病（血友病）、受体病（家族性高胆固醇血症）、结构蛋白缺陷病（假肥大型营养不良）、膜转运蛋白病（肝豆状核变性）等分子病。,酶,(Enzyme),一、什么是酶,(一) 酶是由活细胞产生的，对特异底物具有高效催化作用的蛋白质。又称生物催化剂。,(二) 生物催化剂分为两类,酶 核酶(脱氧核酶),(三) 被酶催化的物质称底物(substrate,S)， 催化所生成的物质称产物(product,P)。,(一) 单体酶：仅具有三级结构的酶。 (二) 寡聚酶：由多个相同或不同亚基组成的酶。 (三) 多酶体系：由不同功能的酶聚合形成的多酶复合体。 (四) 多功能酶或串联酶：具有多种不同催化功能的多酶体系称为多功能酶。,二、酶的不同形式,1.辅助因子类型,(1) 辅酶 (coenzyme)：与酶蛋白结合疏松,(2) 辅基 (prosthetic group)：与酶蛋白结合紧密,2. 结合酶的酶蛋白与辅助因子协同作用才能发挥催化作用。（如果基因突变导致酶蛋白改变，则该酶与辅酶的相互作用受损，会引起相应的遗传病）,3.全酶各部分在催化反应中的作用,(1)酶蛋白决定反应的特异性。 (2)辅助因子决定反应的种类与性质。,1.习惯命名法推荐名称 (1) 依据酶所催化的底物命名，如淀粉酶等。 (2) 依据催化反应类型命名，如脱氢酶、转氨酶等。 (3) 综合上述两项原则命名，如乳酸脱氢酶等。 2. 系统命名法系统名称,二、 酶的命名与分类,(一)酶的命名,(二) 酶的分类 1.氧化还原酶类(oxidoreductases) 2.转移酶类 (transferases ) 3.水解酶类 (hydrolases) 4.裂解酶类 (lyases) 5.异构酶类( isomerases) 6.合成酶类 (ligases, synthetases),三、酶活性,(一)酶的活性 是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。,(二)酶促反应速度 可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示。,(三)酶的活性单位,1. 国际单位(IU) 在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,2. 催量单位 催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,3. kat与IU的换算： 1 IU=16.6710-9 kat,第二节 酶催化作用的特点,(The Characteristic of Enzyme-Catalyzed Reaction),酶与一般催化剂的共同点是：在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。 酶是蛋白质或核酸，又具有一般催化剂所没有的特征。,一、高度的催化效率,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。,二、高度的特异性,酶的特异性(specificity)一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,根据酶对其底物结构选择的严格程度又分为3种类型。,三、酶催化活性的可调节性,(一) 对酶生成与降解量的调节。 (二) 酶催化活性的调节。 (三) 通过改变底物浓度对酶进行调节等。,酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。,四、酶催化活性的不稳定性,酶的本质是蛋白质，凡是影响蛋白质生物学活性的因素都能影响酶的活性。,活性中心或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。,一、酶的活性中心(active center),( Mechanism and Adjustment of Enzyme-Catalyzed Reaction),第三节 酶的作用机制及调节,二、酶原与酶原的激活,(一)酶原 有些酶在细胞内合成或初分泌时无活性，此无活性前体称为酶原。,(二)酶原的激活 酶原在一定条件下，水解掉一个或几个短肽，形成或暴露出活性中心，转化为有活性酶的过程。,(三)激活过程,特定的肽链水解,(四) 酶原激活的意义,1.避免酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用。 2.有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。 3.胃、肠黏膜及肠道寄生虫均有抵抗消化酶的抗酶物质。,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,诱导契合假说,三、酶促反应的机制,四、酶活性的调节,调节对象：关键酶,(一)变构调节(allosteric regulation),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,(二) 共价修饰调节,1.共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,2.常见类型 磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 SH与SS互变,第四节 影响酶催化 作用的因素,主要是研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。研究一种因素的影响时，其余各因素均为恒定。,(influencing factor of Enzyme-Catalyzed Reaction),第五节 酶与医学的关系,(The Relation of Enzyme and Medicine),一、酶与疾病的发生,(一) 遗传性酶缺乏疾病，如白化病，蚕豆病，苯丙酮酸尿症、半乳糖血症、自毁容貌综合征等。,(二) 中毒性疾病，如CO中毒，有机磷中毒，氰化物中毒等。 （注：中毒的作用机制有局部作用和全身作用两种。毒物吸收后，产生一系列生化反应，导致机体生理功能紊乱。（1）阻止氧的吸收、运输和利用；（2）抑制酶系统的活性；（3）对细胞亚微结构的作用；（4）辐射性损伤）,二、酶与疾病的诊断,1血清(浆