第二章 蛋白质的共价结构.ppt

第二章蛋白质的共价结构 蛋白质在生物体内占有特殊的地位 蛋白质和核酸是构成细胞内原生质的主要成分 而原生质是生命现象的物质基础 蛋白质的生物意义 蛋白体是生命的物质基础 生命是物质运动的特殊形式 是蛋白体的存在方式 这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢 一 蛋白质通论 一 蛋白质的化学组成与分类1元素组成 CHONSP Fe C 50 H 7 O 23 N 16 S 0 3 其他 微量P 牛奶中的酪蛋白含磷Fe 血中的血红蛋白含铁 I 甲状腺中甲状腺球蛋白含碘 2 蛋白质的平均含N量16 凯氏定氮的基础 蛋白质含量 蛋白N 1 16 蛋白N 6 253 蛋白质由20种L 型 AA组成的长链分子 4 蛋白质的分类 三种方法 根据组成 简单蛋白 蛋白质完全由AA组成 Eg 核糖核酸酶 胰岛素结合蛋白 除了蛋白质部分外 还有非蛋白质成分 辅基 配基 eg 血红蛋白 核蛋白 表3 1简单蛋白质的分类 1 清蛋白 albumin 溶于水及稀盐 稀酸或稀碱溶液 为饱和硫酸铵所沉淀 广泛存在于生物体内 如血清清蛋白 乳清蛋白等 2 球蛋白 globulin 为半饱和硫酸铵所沉淀 不溶于水而溶于稀盐溶液的称拟球蛋白 euglobulin 溶于水的称拟球蛋白 pseudoglobulin 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 glutelin 不溶于水 醇及中性盐溶液 但易溶于稀酸或稀碱 如米谷蛋白 oryzenin 和麦谷蛋白 glutanin 等 4 醇溶谷蛋白 prolamine 不溶于水及无水乙醇 但溶于70 80 乙醇中 组成上的特点是脯氨酸和酰胺较多 非极性侧链远较极性侧链多 这类蛋白质主要存在于植物种子中 如玉米醇溶蛋白 zein 麦醇溶蛋白 gliadin 等 5 组蛋白 histone 溶于水及稀酸 但为稀氨水所沉淀 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 protamine 溶于水及稀酸 不溶于氨水 分子呈碱性 如鲑精蛋白 salmin 等 7 硬蛋白 scleroprotain 不溶于水 盐 稀酸或稀碱 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 keratin 胶原 collagen 网硬蛋白 reticulin 和弹性蛋白 elastin 等 表3 2结合蛋白质的分类 1 核蛋白 nucleoprotain 辅基是核酸 如脱氧核糖核蛋白 核糖体 烟草花叶病毒等 2 脂蛋白 lipoprotain 与脂质结合的蛋白质 脂质成分有磷脂 固醇和中性脂等 如血中的 1 脂蛋白 卵黄球蛋白 lipovitellin 等 3 糖蛋白 glycoprotein 和粘蛋白 mucoprotein 辅基成分为半乳糖 甘露糖 己糖胺 己糖醛酸 唾液酸 硫酸或磷酸等 如卵清蛋白 球蛋白 血清类粘蛋白 seromucoid 等 4 磷蛋白 phosphoprotein 磷酸基通过酯键与蛋白质中的丝氨酸或苏氨酸残基侧链相连 如酪蛋白胃蛋白酶等 5 血红素蛋白 hemoprotein 辅基为血红素 它是卟啉类化合物 卟啉环中心含有金属 含铁的如血红蛋白 细胞色素c 含的有叶绿蛋白 含铜的有血蓝蛋白 Hemocyanin 等 6 黄素蛋白 flavoprotein 辅基为黄素嘌呤二核苷酸 如琥珀酸脱氢 D 氨基酸氧化酶等 7 金属蛋白 metalloprotein 与金属直接结合的蛋白质 如铁蛋白 ferritin 含铁 乙醇脱氢酶含锌 黄嘌呤氧化酶含钼和铁等 根据分子的形状 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 Eg 血红蛋白 血清球蛋白 纤维状蛋白质 对称性差 分子类似细棒或纤维 可溶性纤维状蛋白质 肌球蛋白 不溶性纤维状蛋白质 胶原 弹性蛋白 根据功能分类 酶 运输蛋白 营养和贮存蛋白质 结构蛋白质 防御蛋白质 运动蛋白质 二 蛋白质的大小与分子量 蛋白质是分子量很大的生物分子1 均一的蛋白质它的所有分子在AA的组成和顺序以及肽链的长度方面是相同的2 寡聚蛋白质某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基 多肽链 通过非共价结合而成的 特点 a 可解离成亚基 但相当稳定 b 可以结晶的形式从组织中分离 c 有此蛋白质以寡聚蛋白质表现其活性的 3 简单蛋白质AA残基数目的估算 蛋白分子量AA残基的数目 110因为 AA残基的平均分子量 128 18 110 三 蛋白质的构象 每一种天然的蛋白质都有自己特有的空间结构称蛋白质的构象 纤维状蛋白质 螺旋 多肽链沿着纤维纵轴的方向借助链内氢键卷曲而成 折叠片 借助链间氢键连接而成 球状蛋白质 多肽链盘绕成紧密的球状结构 Keratin Afibrousstructuralproteincoiledintoaright handedhelicalsecondarystructure helixstabilizedbyH bondsbbetweenamideN HgroupsandC Ogroupsfourresiduesawaya helicalsegmentsintheirchains 蛋白质结构的不同组织层次 level hierarchy 一级结构 指多肽链共价主链的AA顺序 二级结构 指多肽链借助氢键排列成沿一维方向具有周期性结构的构象 eg 螺旋 折叠三级结构 指多肽链借助各种次级键 非共价键 盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状构象 四级结构 指寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系或结合方式 亚基又有自己特定的三维构象 Proteinshierarchy 四 蛋白质功能的多样性 蛋白质顺序异构现象是蛋白质生物功能多样性和种属特异性的结构基础 A2020 20 2 1018种 1 作为有机体新陈代谢的催化剂 酶 2 作为有机体的结构成分 胶原纤维 3 具有贮存AA的功能 用作有机体及其胚胎或幼体生长发育的原料 卵清蛋白4 具有运输的功能 血红蛋白5 有些蛋白是肌肉收缩系统的必要成分 肌球蛋白 肌动蛋白 6 具有激素的功能 对生物体内的新陈代谢起调节作用 胰岛素7 具有防御功能 免疫反应 抗体 抗原 8 具有接受和传递信息的作用 受体 9 调节或控制细胞的生长 分化和遗传信息的表达 阻遏蛋白 二 蛋白质的共价结构 蛋白质的一级结构 AA顺序蛋白质分子中AA连接的基本方式肽键 一 肽和肽键的结构 肽 是由一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合而成的化合物 肽键 氨基酸间脱水后形成的共价键称肽键 酰氨键 其中的氨基酸单位称氨基酸残基 实验依据 1 蛋白质分子中游离的 氨基 羧基很少 若水解 游离 氨基 羧基以等mol数增加 说明 氨基 羧基参与某种结合 水解时 这种结合断开 2 人工合成肽能被蛋白酶水解 O 3 包含 C N H基团的化合物如双缩脲H2N CO NH NH2能与酸铜 氢氧化钠溶液产生双缩脲颜色反应 天然蛋白质也存同样反应 4 人工合成的多聚AA的X射线衍射图案和红外吸收光谱与天然的纤维状蛋白质十分相似 5 我国在世界上首次人工合成蛋白质 结晶牛胰岛素的成功 完全证明了蛋白质的肽链结构学说的正确性 二肽 二个AA组成 包含一个肽键三肽 包含三个AA四肽 包含四个AA五肽 包含五个AAAA残基 肽链中的AA由于参加肽链的形成已经不是原来完整的分子 由两个氨基酸形成的肽叫二肽 少于10个氨基酸的肽叫寡肽 多于10个氨基酸的肽叫多肽 肽链的书写 NH2末端AA残基放在左边COOH末端AA残基放在右边共价主链 肽链中的骨干是由 分子式 NCCNCCNCCNCC NCC单位规则地重复排列而成 侧链 由不同的氨基酸残基构成 在多肽链中 肽链的一端保留着一个 氨基 另一端保留一个 羧基 带 氨基的末端称氨基末端 N端 带 羧基的末端称羧基末端 C端 书写多肽链时可用略号 N端写于左侧 用H 做标志 C端于右侧用OH表示 肽详细命名时为 酰 酰 酸 名称 丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸写法 Ser Gly Try Ala Leu或 如果倒过来写 则表示不同的肽 如Leu Ala Tyr Gly Ser 肽键的结构特点 1 酰胺氮上的孤对电子与相邻羰基之间的共振作用 形成共振杂化体 稳定性高 2 肽键具有部分双键性质 不能自由旋转 具有平面性 C N键长 0 184nmC N键长 0 127nmC N键长 0 132nmC N具40 双键性质C O具40 单键性质 3 肽键亚氨基在pH0 14内不解离 4 肽链中的肽键一般是反式构型 而Pro的肽键可能出现顺 反两种构型 二硫键 使两条单独的肽链共价交联起来 链间二硫键 使一条链的某一部份形成 链内二硫键 两个半胱AA残基的侧链之间形成的二硫键 即胱AA残基的二硫键 Disulfides ThiolsinadjacentchainscanformadisulfideRS SRthroughspontaneousoxidation see18 10 Adisulfidebondbetweencysteineresiduesindifferentpeptidechainslinkstheotherwiseseparatechainstogether whileadisulfidebondbetweencysteineresiduesinthesamechainformsaloop 二 肽的重要性质 1 旋光性一般短肽的旋光度等于其各个氨基酸的旋光度的总和 蛋白质水解得到的各种短肽 只要不发生消旋作用 也具有旋光性 2 肽的酸碱性质 短肽在晶体和水溶液中也是以偶极离子形式存在 在pH0 14范围内 肽键中的亚氨基不解离 因此肽的酸碱性质主要取决于 端 和 端 COOH以及侧链 上可解离的基团 在长肽或蛋白质中 可解离的基团主要是侧链基团 肽中的末端 COOHpK值比游离a a中的大一些 而末端 的pK值比游离氨基酸中的小一些 R基变化不大 规则 当溶液pH大于解离侧链的pK 值 占优的离子形式是该侧链的共轭碱 当溶液pH小于解离侧链的pK 值 占优的离子形式是它的共轭酸 Gly Glu Lys Ala的解离 pH占优势离子的净电荷 10 2 2 净电荷为零时的溶液pH就是该肽的等电点 pI 多肽的等电点 随着肽链内酸性氨基酸残基数的增加而下降 随着肽链内碱性氨基酸残基数的增加而上升 多肽的等电点可以通过计算求得 如上例中 但残基数增大时 此法不行 可将肽链内酸性残基和碱性残基进行清点比较 推测等电点偏酸还是偏碱 然后用等电点聚焦电泳进行实验测定 3 肽的化学反应 和游离氨基酸一样 肽的 羧基 氨基和侧链R基上的活性基团都能发生与游离氨基酸相似的反应 凡是有肽键结构的化合物都会发生双缩脲反应 且可用于定量分析 双缩脲反应是肽和蛋白质特有的反应 游离氨基酸无此反应 三 天然存在的活性肽 生物体内存在大量的多肽和寡肽 其中有很多具有很强的生物活性 称活性肽 生物的生长 发育 细胞分化 大脑功能 免疫 生殖 衰老 病变等都涉及到活性肽 活性肽是细胞内部 细胞间 器官间信息沟通的主要化学信使 很多激素 抗生素都属于肽类或肽的生物 1 谷胱甘肽Glu Cys Gly 广泛存在于动 植 微生物细胞内 在细胞内参与氧化还原过程 清除内源性过氧化物和自由基 维