蛋白质的结构与功能.ppt.ppt

第二章 蛋白质的结构与功能,(structure and function of protein),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、蛋白质的生物学功能,(一) 蛋白质在生物体内的分布特征 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。 2.含量高 蛋白质占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。 3.种类多 人体中蛋白质种类达十万余种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。,1.作为生物催化剂（酶） 2.代谢调节作用 3.免疫保护作用 4.物质的转运和存储 5.运动与支持作用 6.参与细胞间信息传递 7.氧化供能,(二) 蛋白质的生物学功能,三、蛋白质的分类,(一)根据蛋白质组成成分,1.单纯蛋白质,2.结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分,(二)根据蛋白质形状,1.纤维状蛋白质,2.球状蛋白质,第一节 蛋白质的分子组成,一、蛋白质的元素组成,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 。,(一)组成蛋白质的元素,(the molecular component of protein),各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。,(二)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：,100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%,考考你,按照who与中国的婴幼儿配方奶粉标准，婴儿配方奶粉理化指标(012个月)每100克奶粉的蛋白质含量在10.0克20.0克；实验室抽样检测某奶粉，称取1克奶粉，测定n的含量是0.024克，此奶粉是否合格？ 这样的检测方法有什么弊端?,三聚氰胺事件,二、蛋白质的基本单位氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种，且均属 l-氨基酸（甘氨酸除外）。,(一)氨基酸的通式,各种氨基酸的结构区别在于侧链（r基团）的不同，故具有不同的理化性质。,非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,（一）氨基酸的分类,* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,甘氨酸 glycine gly g 5.97,丙氨酸 alanine ala a 6.00,缬氨酸 valine val v 5.96,亮氨酸 leucine leu l 5.98,异亮氨酸 isoleucine ile i 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine phe f 5.48,脯氨酸 proline pro p 6.30,非极性疏水性氨基酸,色氨酸 tryptophan try w 5.89,丝氨酸 serine ser s 5.68,酪氨酸 tyrosine try y 5.66,半胱氨酸 cysteine cys c 5.07,蛋氨酸 methionine met m 5.74,天冬酰胺 asparagine asn n 5.41,谷氨酰胺 glutamine gln q 5.65,苏氨酸 threonine thr t 5.60,2. 极性中性氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid asp d 2.97,谷氨酸 glutamic acid glu e 3.22,赖氨酸 lysine lys k 9.74,精氨酸 arginine arg r 10.76,组氨酸 histidine his h 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 碱性氨基酸,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,（二）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，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,等电点(isoelectric point, pi) 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，呈电中性。此时溶液的ph值称为该氨基酸的等电点。,ph=pi,+oh-,phpi,+h+,+oh-,+h+,phpi,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液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。,芳香族氨基酸的紫外吸收,3. 茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。,三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,（一）肽键(peptide bond)：,多肽链,1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,(二)肽(peptide),3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。,4.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)。,5.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。分别有：,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,（二） 几种生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, gsh),结构:,gsh过氧化物酶,gsh还原酶,nadph+h+,nadp+,主要功能:,肽类激素：如促甲状腺素释放激素（trh）,神经肽(neuropeptide),2. 肽类激素及神经肽,2、测得某一蛋白质样品的含氮量为4.0g，此样品中约含蛋白质多少克（ ） a、20g b、25g c、64g d、30g e、62.5g,1、已知某蛋白质的等电点为6.8（pi=6.8），如果电泳液的ph为8.3，则该蛋白质的电泳方向为（ ） a、向正极移动 b、向负极移动 c、不能确定 d、不动 e、以上都不对,3、下列含两个羧基的氨基酸是（ ） a、精氨酸 b、赖氨酸 c、甘氨酸 d、色氨酸 e谷氨酸,4、在ph=6.0的缓冲液中电泳，哪种氨基酸基本不动（ ） a、精氨酸pi=10.76 b、丙氨酸pi=6.00 c、谷氨酸pi=3.22 d、天冬氨酸pi=2.77 e、赖氨酸pi=9.74,5、天然蛋白质中不存在的氨基酸是（ ）a、半胱氨酸 b、脯氨酸 c、丝氨酸 d、蛋氨酸 e、瓜氨酸,6、蛋白质的元素组成特点是（ ） a、含氮量约16% b、含大量的碳 c、含少量的硫 d、含大量的磷 e、含少量的金属离子,(the molecular structure of protein),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),第二节 蛋白质的分子结构,空间结构,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,(二）主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,(一)定义,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,胰岛素的一级结构,30,21,二、蛋白质的空间结构,蛋白质分子中某一段肽链的局部空间 结构，即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的构象。主要的化学键 氢键 。,(一) 蛋白质二级结构,1、形成二级结构的基础 二级结构的基本单位是肽键平面（肽单元）,参与肽键的6个原子c1、c、o、n、h、c2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,肽键平面示意图,二、蛋白质的空间结构,(一) 蛋白质二级结构,2、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 ),-螺旋 1951年根据 x 线衍射图提出。以碳原子为转折点，形成右手螺旋。,(1)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54nm。 (2)螺旋以氢键保持稳固。 (3)各氨基酸残基的r基团均伸向螺旋外侧。,-折叠 (1)是多肽链一种比较伸展、成锯齿状的肽链结构。,(2)两条肽链走向相同，称为顺向平行结构，反之，则称为反向平行结构。后者更为稳定。,-转角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,无规卷曲,肽链出现180回折的部分形成-转角。,(二）蛋白质的三级结构,疏水键、离子键、氢键和 van der waals力等。,（1）是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。只有具有三级结构的多肽链才能称为蛋白质。,1.蛋白质的三级结构,（2）维持键,肌红蛋白 (mb),维持蛋白质分子构象的各种化学键,2、 结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain) 。,免疫球蛋白结构域示意图,3、分子伴侣,（1）分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。,（3） 已发现分子伴侣具有形成二硫键的酶活性，在蛋白质分子折叠过程中对二硫键正确形成起到重要的作用。,（2） 分子伴侣能可逆地与未折叠肽段结合，使肽链正确折叠；也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,2.主要化学键 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,（三）蛋白质的四级结构,1.定义 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)。亚基单独存在时无生物活性。,血红蛋白是由含有血红素的2个亚基和2个亚基组成的四聚体。,血红蛋白的四级结构,(一)一级结构与功能的关系,三、蛋白质结构与功能的关系,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,1.核糖核酸酶一级结构与功能的关系,二硫键破坏后，生物学活性丧失。,(1)将a链n端的第1个氨基酸残基切去，其活性只剩210，再将第24位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。,(2) 将a、b两链间的二硫键还原，a、b两链即分离，胰岛素的功能完全消失。,(3) 将b链第2830位氨基酸残基切去，其活性仍能维持100%。,2.胰岛素一级结构与功能的关系,3、血红蛋白一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血（分子病）,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,(二)蛋白质空间结构与功能的关系,1血红蛋白空间结构与功能的关系,肺毛细血管o2 分压高,促使t态转变成r态,组织毛细血管, o2 分压低,促使r态转变成t态。,例：疯牛病中的蛋白质构象改变 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。,2朊病毒蛋白空间结构与功能的关系,蛋白质构象疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。,章节总结,蛋白质结构的概念、作用力 蛋白质结构与功能的关系,课后练习,蛋白质的各级结构的概念。 维持蛋白质各级的作用力是什么？ 举例说明蛋白质一级结构与功能的关系。,第三节 蛋白质的理化性质 (the physical and chemical characters of protein),一、蛋白质的两性解离和等电点,(一) 两性解离 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，故称两性解离。,一级结构不同 蛋白质pi不同,人血清蛋白质的分类，等电点，分子量及迁移率,二、蛋白质的胶体性质,(二) 蛋白质胶体稳定的因素,颗粒表面电荷 水化膜,(一) 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1100nm，为胶粒范围之内。,透析,沉降系数(s),在一定溶剂中，经超速离心，蛋白质发生沉降。 单位力场中的沉降速度为沉降系数，与蛋白质分子量、分子形状、密度等因素相关。,（三）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，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。,3、 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 。,4、 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。,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,5. 复性(renaturation),若蛋白质变性程度较轻，去除 变性因素后，蛋白