二蛋白质的结构与功能PPT课件.ppt

蛋白质的结构与功能 第二章 1 什么是蛋白质 是由氨基酸为单位组成的一类重要的生物大分子 是生命的物质基础 2 蛋白质的分子组成 第一节 3 蛋白质的生物学重要性 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 蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子 约占人体固体成分的45 而在细胞中可达细胞干重的70 以上 1 蛋白质是生物体重要组成成分 4 作为生物催化剂 酶 代谢调节作用免疫保护作用物质的转运和存储运动与支持作用参与细胞间信息传递 2 蛋白质具有重要的生物学功能 3 氧化供能 5 一 组成蛋白质的元素 组成蛋白质的元素主要有C 碳50 55 H 氢6 7 O 氧19 24 N 氮13 19 和和S 硫0 4 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 6 各种蛋白质的含氮量很接近 平均为16 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 25 100 1 16 7 三聚氰胺三聚氰胺 C3H6N6 俗称密胺 蛋白精 是一种三嗪类含氮杂环有机化合物 IUPAC命名为 1 3 5三嗪 2 4 6 三氨基 常被用作化工原料 三聚氰胺性状为纯白色单斜晶体 几乎无味 微溶于水 可溶于甲醇 甲醛 乙酸 甘油等 对身体有害 食品工业常用凯氏定氮法测定食品中氮 从而推算食品中蛋白质的含量 由于三聚氰胺中含非蛋白氮高 当三聚氰胺被掺入食品时 待测样品可被测得较高的氮的含量 从而推算出有较高的蛋白质含量 三聚氰胺进入人体后 发生取代反应 生成三聚氰酸 三聚氰酸和三聚氰胺形成大的网状结构 导致结石 2008年我国发生的 三鹿奶粉中毒事件 就是利用上述原理 用非蛋白氮冒充蛋白氮 以增加奶粉中蛋白质的被测含量 造成大量婴幼儿发生肾结石 小知识 8 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 这20种氨基酸在遗传信息的传递中由核酸三联体密码子编码并决定其在特定多肽链中的排列顺序和数目 9 构成蛋白质的氨基酸均属L 型 甘氨酸除外 它们在结构上的共同特点是氨基 脯氨酸是亚氨基 连接在与羧基相连的 碳原子上 因此称为L 氨基酸 氨基酸分子中的 碳原子为不对称碳原子 甘氨酸除外 除氨基和羧基外 碳原子还连有一个氢原子和一个侧链 R基团 各种氨基酸的区别就在于R基团的不同 L 氨基酸的结构通式 一 氨基酸的结构特点 10 C N H 3 C O O H 11 体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的L 氨基酸 如参与合成尿素的鸟氨酸 ornithine 瓜氨酸 citrulline 和精氨酸代琥珀酸 12 非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸 二 氨基酸的分类 13 一 非极性脂肪族氨基酸 14 二 极性中性氨基酸 甲硫氨酸 15 三 芳香族氨基酸 16 四 酸性氨基酸 17 五 碱性氨基酸 18 三 几种特殊氨基酸 脯氨酸 亚氨基酸 脯氨酸应属亚氨基酸 N在环中移动的自由度受限制 但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽键 脯氨酸在蛋白质合成加工时可被修饰成羟脯氨酸 19 半胱氨酸巯基失去质子的倾向较其它氨基酸为大 其极性最强 2个半胱氨酸通过脱氢后以二硫键相连接 形成胱氨酸 蛋白质分子中有不少半胱氨酸以胱氨酸形式存在 有些氨基酸是蛋白质合成后加工修饰而成 如甲基组氨酸 羟脯氨酸 羟赖氨酸等 有些游离存在的氨基酸 如鸟氨酸 瓜氨酸 同型半胱氨酸 虽不存在于蛋白质分子中 但与蛋白质的代谢有密切关系 半胱氨酸 20 半胱氨酸 胱氨酸 21 三 氨基酸的重要理化性质 一 两性解离性质和等电点由于所有的氨基酸分子中都含有碱性的 氨基和酸性的 羧基 因此氨基酸是两性电解质 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pH值 氨基和羧基的解离受溶液pH的影响 在pH pI的溶液中H 浓度高 羧基的解离受抑制 氨基酸带正电荷 在电场中向阴极移动 在pH pI的溶液中H 浓度低 氨基解离受抑制 氨基酸带负电荷 在电场中向阳极移动 在一定的pH条件下 某种氨基酸酸性解离和碱性解离的趋势相等 所带的正负电荷相等 称为兼性离子 此时溶液的pH就称为该氨基酸的等电点 pI 在兼性离子状态下 它所带正负电荷相等 净电荷为零 在电场中既不向阳极移动 也不向阴极移动 22 pH pI pH pI pH pI 氨基酸的兼性离子 阳离子 阴离子 23 二 氨基酸的紫外吸收性质 芳香族氨基酸色氨酸 酪氨酸分子中含有共轭双键 在280nm波长处具有特征性吸收峰 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 24 三 氨基酸的呈色反应 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 25 四 肽链中氨基酸的连接方式 肽键 peptidebond 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱水缩合而形成的酰胺键 CO NH 一 肽键和肽 26 甘氨酰甘氨酸 肽键 27 肽 peptide 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 28 N末端 多肽链中有游离 氨基的一端C末端 多肽链中有游离 羧基的一端 多肽链有两端 多肽链 polypeptidechain 是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构 29 N末端 C末端 牛核糖核酸酶 30 蛋白质是由许多氨基酸残基组成 折叠成特定的空间结构 并具有特定生物学功能的多肽 一般而论 蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上 50个氨基酸残基以下则仍称为多肽 31 二 天然存在的活性肽 人体内存在许多具有重要生物学功能的肽 称为生物活性肽 有的仅三肽 有的为寡肽或多肽 在代谢调节 神经传导等方面起着重要的作用 随着生物技术的发展 许多化学合成或重组DNA技术制备的肽类药物和疫苗已在疾病预防和治疗方面取得成效 32 1 谷胱甘肽 GSH 33 GSH与GSSG间的转换 34 解毒作用 与毒物或药物结合 消除其毒性作用 参与氧化还原反应 作为重要的还原剂 参与体内多种氧化还原反应 保护巯基酶的活性 使巯基酶的活性基团 SH维持还原状态 维持红细胞膜结构的稳定 消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用 谷胱甘肽的生理功用 35 种类较多 生理功能各异 多肽类激素主要见于下丘脑及垂体分泌的激素 如催产素 9肽 加压素 9肽 促肾上腺皮质激素 39肽 促甲状腺素释放激素 3肽 神经肽主要与神经信号转导作用相关 包括脑啡肽 5肽 内啡肽 31肽 强啡肽 17肽 等 2 多肽类激素及神经肽 36 蛋白质的分子结构 第二节 37 蛋白质的分子结构可分为一级 二级 三级和四级 一级结构是蛋白质的基本结构 二级 三级 四级结构称为空间结构或构象 蛋白质的各种生物学功能和性质是由其结构所决定的 38 定义 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N 端至C 端的氨基酸排列顺序 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 39 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础 但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素 40 二 蛋白质空间结构 主要的化学键 氢键 41 1 肽键平面 X射线衍射分析证明 多肽链中肽键 C N 的键长为0 132nm 介于C N单键长 0 149nm 和C N双键长 0 127nm 之间 有一定程度双键性能 不能自由旋转 可出现顺反异构现象 在肽键中与C N相连的O和H为反式结构 这样使肽键中的C O N H四个原子和与它们相邻的C 处在同一平面内 这个平面称为肽键平面 又称肽单元 肽键两端的C N和C C单键可以自由旋转 旋转的角度决定了两个相邻肽键平面的相对空间位置 肽链的卷曲 折叠是由于肽键平面随C 两侧单键的旋转而形成的 43 44 螺旋和 折叠是蛋白质二级结构的主要形式 此外 转角和无规卷曲也属于蛋白质二级结构的类型 2 二级结构的基本形式 45 多肽链的主链沿长轴方向有规律地盘旋成螺旋状 螺旋走向为顺时针方向 称右手螺旋 每3 6个氨基酸残基盘绕一圈 螺距为0 54nm 氨基酸侧链伸向螺旋外侧 其基团大小 形状及电荷性质均影响 螺旋的形成 螺旋与螺旋之间通过肽键的N H与第四个肽键的羰基氧形成氢键 氢键的方向与长轴基本平行 因此维系蛋白质二级结构的化学键是氢键 1 螺旋 46 47 在 折叠结构中 多肽链充分伸展 每个肽单元以C 为旋转点 依次折叠成锯齿状结构 氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方 所形成的锯齿状结构一般比较短 只含5 8个氨基酸残基 两条以上的多肽链或一条多肽链中的若干肽段可互相靠拢 平行排列通过氢键相连 以维持 折叠结构的稳定 若两条肽链走向相同 即为顺向平行 反之则为逆向平行 2 折叠又称 片层 48 49 3 转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在 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 50 二 蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构是指整条肽链所有原子的空间排布 它包括主链构象和侧链构象 蛋白质的三级结构是在二级结构的基础上 由于侧链R基团的相互作用 进一步盘曲折叠而形成的 51 肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单个肽链的蛋白质 含有1个血红素辅基 下图显示肌红蛋白的三级结构 肌红蛋白分子中 螺旋占75 构成A至H8个螺旋区 两个螺旋区之间有一段无规则卷曲 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 4 5nm 3 5nm 2 5nm 球表面主要有亲水侧链 疏水侧链则位于分子内部 52 肌红蛋白 Mb 53 54 结构域 分子量大的蛋白质在形成三级结构时 多肽链上相互邻近的二级结构紧密联系形成1个或数个发挥生物学功能的特定区域称之为 结构域 这种 结构域 可以是酶的活性中心或是受体与配体结合的部位 大多呈裂缝 口袋 洞穴状等 55 亚基之间的结合主要是氢键和离子键 三 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 许多功能性蛋白质分子含有2条或2条以上多肽链 每一条多肽链都有完整的三级结构 称为蛋白质的亚基 subunit 56 由2个亚基组成的蛋白质四级结构中 若亚基分子结构相同 称之为同二聚体 homodimer 若亚基分子结构不同 则称之为异二聚体 heterodimer 血红蛋白的四级结构 57 蛋白质结构与功能的关系 第三节 58 一 蛋白质一级结构与功能的关系 如核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的蛋白质 依靠分子内4对二硫键 Cys26和Cys84 Cys40和Cys95 Cys58和Cys110 Cys65和Cys72 及非共价键维持其空间结构 当有尿素和 巯基乙醇存在时 二硫键和非共价键断裂 空间结构破坏 酶活性丧失 用透析的方法除去尿素和 巯基乙醇后 由于一级结构并未破坏 多肽链可自动形成4对二硫键 核糖核酸酶折叠成其天然三级结构 并恢复原有的生物学功能 一 一级结构是空间构象的基础 59 60 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 61 二 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 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 氨基酸残基序号胰岛素 A5A6A10A30 人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla 62 三 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病 例 镰刀形红细胞贫血 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 63 肌红蛋白 血红蛋白含有血红素辅基 血红素结构 二 空间结构与功能的关系 1 血红蛋白构象改变引起功能变化 64 肌红蛋白 myoglobin Mb 65 血红蛋白 hemoglobin Hb 66 正常成人红细胞中的血红蛋白由两条 链和两条 链组成 血红蛋白有两种构象 即紧张态和松弛态 在血红蛋白未与氧结合时 其亚基间结合紧密为紧张态 tensestate T态 此时与氧的亲和力小 在组织中 血红蛋白呈T态 使血红蛋白释放出氧供组织利用 在肺血红蛋白各亚基间呈相对松弛状态即松弛态 relaxedstate R态 此时与氧的亲和力大 当第一个亚基与氧结合后 就会促使第二 第三个亚基与氧结合 而前三个亚基与氧的结合 又大大促进了第四个亚基与氧结合 这样有利于血红蛋白在氧分压高的肺中迅速充分地与氧结合 这种小分子物质与大分子蛋白质结合 引起蛋白质分子构象及生物学功能变化的过程称为变构效应 引起变构效应的小分子物质称为变构效应剂 血红蛋白通过变构效应改变其分子构象 从而完成其运输O2和CO2的功能 二 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合 67 2 蛋白质构象改变可导致构象病 蛋白质构象疾病 若蛋白质的折叠发生错误 尽管其一级结构不变 但蛋白质的构象发生改变 仍可影响其功能 严重时可导致疾病发生 68 蛋白质构象改变导致疾病的机理 有些蛋白质错误折叠后相互聚集 常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀 产生毒性而致病 表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变 这类疾病包括 人纹状体脊髓变性病 老年痴呆症 亨停顿舞蹈病 疯牛病等 69 疯牛病是由朊病毒蛋白 prionprotein PrP 引起的一组人和动物神经退行性病变 正常的PrP富含 螺旋 称为PrPc PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为 折叠的PrPsc 从而致病 疯牛病中的蛋白质构象改变 70 第四节 蛋白质的理化性质 71 一 蛋白质具有两性电离的性质 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 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 蛋白质的等电点 isoelectricpoint pI 72 利用蛋白质两性解离的特性 可通过电泳将不同的蛋白质从混合物中分离出来 电泳是指带电粒子在电场中向电性相反的电极泳动的现象 不同的蛋白质所带电荷的性质 数量和分子的大小 形状不同 在电场中泳动的速度和方向则不一样 带电荷多 分子小的泳动较快 带电荷少 分子大的泳动较慢 从而达到分离蛋白质的目的 73 二 蛋白质具有胶体性质 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1 100nm 为胶粒范围之内 颗粒表面电荷水化膜 蛋白质胶体稳定的因素 74 水化膜 带负电荷的蛋白质 溶液中蛋白质的聚沉 75