二生物大分子的结构与功能PPT课件.ppt

第二章生物大分子的结构与功能 1 常见的生物大分子 蛋白质 核酸 碳水化合物 糖类 脂类等 2 Protein 来自希腊字母 意思是 头等重要的 原始的 蛋白质 来源于对蛋清 清蛋白 的研究 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 自然界中蛋白质多达100亿种 人体内多达10万余种含量高 蛋白质是细胞内最丰富的有机分子 占人体固体成分的45 某些组织含量更高 例如脾 肺及横纹肌等高达80 3 一 什么是蛋白质 蛋白质 protein 是由许多氨基酸 aminoacids 通过肽键 peptidebond 相连形成的高分子含氮化合物 4 蛋白质的生物学功能 构成组织细胞参与调节体内各种生理功能1 维持组织的更新 生长和修复2 营养素的消化 吸收 转运 代谢3 血液凝固 视觉形成构成体内多种重要生理作用的物质酶 催化和调节体内一切物质的合成和分解激素 维持内环境稳定 调节物质代谢抗体 参与机体免疫过程细胞膜和血液中的载体蛋白 运输和交换肌肉组织中的肌纤维蛋白 肌肉收缩胶原蛋白 构成皮肤 骨骼等 5 核酸遗传的物质基础基本单位是核苷酸生物体内常与蛋白质结合形成核蛋白根据核酸分子中所含戊糖的不同分为 DNARNA脱氧核糖核酸DNA 主要存在于细胞核 作用 1 储存遗传信息的分子2 决定着生物体的遗传特征 6 核糖核酸RNA主要存在于细胞质中 少量存在细胞核中主要功能是参与遗传信息的传递和表达按生物学功能分为 转运核糖核酸tRNA携带和转移活化氨基酸作用信使核糖核酸mRNA合成蛋白质的模板核糖体核糖核酸rRNA是细胞合成蛋白质的主要场所 7 第一节蛋白质的结构与功能 8 一 蛋白质的分子组成 一 蛋白质的元素组成 有些蛋白质还含有少量的P Fe Cu Mn Zn Co等 C50 55 H6 7 O19 24 N13 19 S0 4 主要元素组成 9 一切蛋白质都含氮 且含氮量很接近 平均为16 即每克氮相当于6 25g蛋白质 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 蛋白质元素组成的特点 凯氏定氮法 10 二 组成蛋白质的基本单位氨基酸 1 氨基酸结构存在自然界中的氨基酸有300余种 但组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种基本氨基酸中 除脯氨酸和甘氨酸外其余均属于L 氨基酸 L 氨基酸通式 11 特点是 1 2 3 12 酸性氨基酸碱性氨基酸中性氨基酸 2 氨基酸的分类 分类依据 R侧链基团的结构及理化性质的不同 13 侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷 1 酸性氨基酸Glu Asp 天冬氨酸asparticacidAspD2 97 谷氨酸glutamicacidGluE3 22 14 2 碱性氨基酸His Arg Lys 侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷 组氨酸His H 7 59 赖氨酸Lys K 9 74 精氨酸Arg R 10 76 15 二 蛋白质的结构与功能蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的 具有特定分子结构的高分子化合物 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的 蛋白质的构象通常由非共价键 次级键 来维系 16 氨基酸的结合方式 C H COOH R1 C H NH2 COOH R2 NH2 C O H N H OH 17 氨基酸的结合方式 C H R1 NH2 OH C O H2O H 18 氨基酸的结合方式 C H R1 NH2 C O H2O 二肽 肽键 脱水缩合 19 氨基酸的结合方式 脱水缩合 肽键 OH H 二肽 H2O H2O 20 氨基酸的结合方式 脱水缩合 肽键 二肽 H2O 肽键 三肽 以此类推 由多个氨基酸分子缩合而成的含有多个肽键的化合物 叫多肽 链状 H2O 21 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 多肽链有方向性 N端 C端 22 蛋白质的分子结构包括 人为划分 一级结构 primarystructure 二级结构 secondarystructure 三级结构 tertiarystructure 四级结构 quaternarystructure 23 定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序 包括蛋白质分子中所有的二硫键的位置 2 蛋白质的一级结构 主要的维系键 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 但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素 24 二 蛋白质的空间结构蛋白质的二级结构 主要的维系键 氢键 25 由于C O双键中的 电子云与N原子上的未共用电子对发生 电子共振 使肽键具有部分双键的性质 不能自由旋转 蛋白质立体结构原则 26 肽键平面 由于肽键具有部分双键的性质 使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上 这一平面称为肽键平面或肽单元 一 肽单元 27 由于 碳原子与其他原子之间均形成单键 因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转 28 二 蛋白质二级结构的主要形式 螺旋 helix 折叠 pleatedsheet 转角 turn 无规卷曲 randomcoil 29 1 螺旋 螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象 30 结构特征 为一右手螺旋 侧链伸向螺旋外侧 螺旋每圈包含3 6个氨基酸残基 螺距0 54nm 螺旋以氢键维系 氨基酸的N H和相邻第四个氨基酸的羰基氧C O之间 氢键方向与螺旋轴基本平行 31 2 折叠 折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象 32 折叠包括平行式和反平行式两种类型 33 结构特征 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构 主链骨架伸展呈锯齿状 涉及的肽段较短 一般为5 10个氨基酸残基 借相邻主链之间的氢键维系 34 3 转角 是多肽链180 回折部分所形成的一种二级结构 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构 4 无规卷曲 35 三 模体 motif 在许多蛋白质分子中 可发现二个或三个具有二级结构的肽段 在空间上相互接近 形成一个特殊的空间构象 被称为模体 钙结合蛋白中结合钙离子的模体 36 螺旋 折叠 折叠2个His和2个Cys与Zn离子结合螺旋区与DNA结合 锌指结构 37 四 氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的 一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 螺旋或 折叠 它就会出现相应的二级结构 38 四 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 39 40 肌红蛋白 Mb 为单肽蛋白质 含有153个氨基酸 有8个螺旋区 41 三级结构是蛋白质结构的基础对于单一多肽链的蛋白质 三级结构是它的最高级结构 只有具有完整的三级结构 才具有全部的生物学功能 42 二 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 44 三 分子伴侣 chaperon 分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开 如此重复进行可防止错误的聚集发生 使肽链正确折叠 可与错误聚集的肽段结合 使之解聚后 再诱导其正确折叠 在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用 45 伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用 46 五 蛋白质的四级结构 亚基 subunit 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 胰岛素受体 由4个亚基组成 2 2 亚基与 亚基形成单体 monomer 2个单体形成二聚体 dimer 47 亚基之间的结合力主要是疏水作用 其次是氢键和离子键 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 48 血红蛋白的四级结构 49 血红蛋白的四个亚基紧密结合 亚基之间的维系键是亚基之间的8个盐键 50 51 一 一级结构是空间构象的基础 一 蛋白质一级结构与功能的关系 52 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 53 从细胞色素c的一级结构看生物进化物种进化过程中越接近的生物 细胞色素的一级结构越相似 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 二 一级结构与功能的关系 54 例 镰刀形红细胞贫血 N val his leu thr pro glu glu C 146 HbS 肽链 HbA 肽链 N val his leu thr pro val glu C 146 由于单个氨基酸的变化引起血红蛋白的亲水性明显下降 从而发生聚集 使红细胞变为镰刀状 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病 55 二 蛋白质空间结构与功能的关系 肌红蛋白Mb 血红蛋白Hb 56 Hb与Mb一样能可逆地与O2结合 Hb与O2结合后称为氧合Hb 氧合Hb占总Hb的百分数 称百分饱和度 随O2浓度变化而改变 二 血红蛋白的构象变化与结合氧 57 肌红蛋白 Mb 和血红蛋白 Hb 的氧解离曲线 58 协同效应 cooperativity 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后 能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象 称为协同效应 如果是促进作用则称为正协同效应 positivecooperativity 如果是抑制作用则称为负协同效应 negativecooperativity 59 血红蛋白的四个亚基紧密结合 亚基之间的维系键是亚基之间的8个盐键 60 61 Hb未与O2结合的时候 Fe2 位于卟啉环平面外侧 与F8His连接 当第一个O2与Fe2 结合后 被拉到平面中 使得牵动F8螺旋片段 导致亚基之间盐键断裂 结合变松弛 使易于与第二个亚基结合 62 血红素与氧结合后 铁原子半径变小 就能进入卟啉环的小孔中 继而引起肽链位置的变动 63 64 变构效应与协同效应 协同效应 一个亚基与其配体 O2 结合后 可影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力的现象称为协同效应起促进作用的 为正协同效应起抑制作用的 为负协同效应 别构效应 由于小分子 O2 与大分子 Hb 亚基结合 导致蛋白质分子构象改变及功能变化的现象称为别构效应 小分子物质 称为别构效应剂 65 三 蛋白质构象改变与疾病 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 66 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 67 疯牛病中的蛋白质构象改变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 68 第二节蛋白质的理化性质及应用 69 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 70 一 蛋白质的两性电离 一 理化性质 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 蛋白质的等电点 isoelectricpoint pI 71 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 72 二 蛋白质的胶体性质 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 蛋白质胶体稳定的因素 颗粒表面电荷 电荷层 水化膜 73 水化膜 溶液中蛋白质的聚沉 74 等电点 isoelectricpoint 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 75 2 紫外吸收 色氨酸和酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近 76 紫外分分光度法 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 77 3 显色反应茚三酮反应 氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物 最大吸收峰在570nm 该反应可作为蛋白质定性 定量分析的基础 78 五 蛋白质的呈色反应 茚三酮反应 ninhydrinreaction 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应 双缩脲反应 biuretreaction 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热 呈现紫色或红色 此反应称为双缩脲反应 双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度 79 四 蛋白质的紫外吸收 由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸 因此在280nm波长处有特征性吸收峰 蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系 因此可作蛋白质定量测定 80 变性蛋白质的性质改