第1节蛋白质化学.ppt

第一章蛋白质化学 proteinchemistry 一 蛋白质在生物体内的作用 蛋白质是所有生物中非常重要的结构分子和功能分子 几乎所有的生命现象和生物功能都是蛋白质相互作用的结果 1 生命的物质基础 第一节蛋白质概述 生命的复杂形式 原核细胞及真核细胞生物中 蛋白质占40 80 简单生命形式 朊病毒 prion 蛋白质分子 病毒 蛋白质 核酸 酶是蛋白质的一大类 绝大多数酶是蛋白质 2 生物催化功能catalysis 3 免疫保护功能ImmuneandProtective 免疫细胞产生的免疫球蛋白为蛋白质 免疫球蛋白能识别进入体内的异体物质 抗原 抗体与抗原结合发生沉淀反应 从而阻止异源蛋白的侵入 这个反应专一性非常强 从而保护生物体不受外来的细菌 病毒的侵害 免疫球蛋白的概要 l 4 物质的贮存和运输Storage Transport 卵清蛋白 鸡蛋清 酪蛋白 牛奶 大豆蛋白 大豆 5 激素调节功能Regulatory 调节代谢的化学物质 多种类型 激素分泌紊乱 与多种疾病有关 一大类激素是蛋白质和肽 约占60 6 运动支持功能 如肌动蛋白 肌球蛋白 微管蛋白等 它们能够赋予细胞运动的能力 肌肉收缩和细胞游动是细胞具有这种能力的代表 Contractile motile 小鼠纤维细胞里的丝状肌动蛋白和结构蛋白 7 生长繁殖 遗传 变异 在基因表达的过程中 许多蛋白因子参与 8 细胞信号识别功能 细胞信号的传递与识别由膜蛋白 胞内蛋白的构象变化引起 如细胞膜上蛋白质类激素受体 细胞内甾体激素受体等 9 记忆 毒性 感觉 分子伴侣等 signal 步态不稳 经常烦躁不安 到处乱踢 乱走 撞墙以致摔倒 抽搐 直至后期出现强直性痉挛 心搏缓慢 平均50次 分 呼吸频率增快 体重下降 极度消瘦 以至死亡 返回 1997年 诺贝尔生理医学奖授予了美国生物化学家斯坦利 普鲁辛纳 StanleyB PPrusiner 因为他发现了一种新型的生物 朊病毒 Prion 朊病毒就是蛋白质病毒 是只有蛋白质而没有核酸的病毒 朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性疏水蛋白质 朊病毒具有可滤过性 传染性 致病性 对宿主范围的特异性 但它比已知的最小的常规病毒还小得多 约30 50nm 电镜下观察不到病毒粒子的结构 且不呈现免疫效应 不诱发干扰素产生 也不受干扰作用 朊病毒对人类最大的威胁是可以导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变 最终不治而亡 返回 返回 返回 返回 二 蛋白质的元素组成及分类 1 元素组成 含有少量硫 4 蛋白质含量 50 C 7 H 23 O 16 N 蛋白氮 6 25 1g氮代表6 25g蛋白质 凯氏定氮法测蛋白质含量的基础 三聚氰胺 三聚氰胺 Melamine 化学式 C3H6N6 1 3 5 三嗪 2 4 6 三氨基 是一种三嗪类含氮杂环有机化合物 被用作化工原料 它是白色单斜晶体 几乎无味 微溶于水 含氮量66 6 2 基本结构单位 6mol L盐酸回流煮沸20小时 完全水解 不消旋 得到L 型AA 但Trp完全被破坏 Ser Thr一部分被破坏 Asn Gln的酰胺基被水解 5mol LNaOH共煮10 12小时 完全水解 消旋 Racemization 得到D 型 L 型氨基酸混合物 多数AA破坏 但Trp稳定 作为酸水解的补充 1 酸水解 AcidHydrolysis 2 碱水解 alkliHydrolysis 氨基酸 常温 常压和正常的生理pH 不到7 条件温和 不破坏AA 不消旋 部分水解 3 酶水解 enzymeHydrolysis 得到一些游离的氨基酸和肽 主要有 Tripsin胰蛋白酶 Chymotripsin胰凝乳蛋白酶 Pepsin胃蛋白酶 3 分类 前者完全由氨基酸组成 后者由氨基酸部分及核酸 糖 脂等共同组成 非蛋白部分称为辅基 Prostheticgrouporligand 1 简单蛋白质 Simpleprotein 与结合蛋白质 Conjugatedprotein 分子对称 长短轴之比小于10 外形接近球状 溶解度好 多溶于水 能结晶 有特异活性 所有的酶均为球蛋白 大多数蛋白质属此类 2 球状蛋白质和纤维状蛋白质 globalproteinandfibrilprotein 球状蛋白质 Thethree dimensionalstructureofbovineribonucleaseA showingthea helicesasribbons 核糖核酸酶 血红蛋白的球状四级结构Globalquaternarystructureofhemeglobin 分子的长短轴之比大于10 不溶 结构成分 在生物体内起机械支持作用 抗张力 抗压 如头发 但 也有可溶性纤维状蛋白质 肌球蛋白 纤维蛋白原 纤维状蛋白质 溶于水 稀酸 稀盐 多数为球状蛋白质 不溶于水 稀盐 溶于70 80 乙醇 不溶于水 中性盐 酸碱及一般的有机溶剂 3 水溶性 醇溶性和不溶性蛋白质 a 可解离成亚基 b 可以结晶的形式从组织中分离 c 有些蛋白质以寡聚蛋白质的形式 才能表现其活性 4 亚基多少可分为 单体蛋白质 仅由一条多肽链构成寡聚蛋白质 某些蛋白质是由两个以上相同亚基 多肽链 通过非共价连接而成的 寡聚蛋白质 本节重点 掌握蛋白质的元素组成 基本结构单位 了解蛋白质的生物学功能及分类 第二节蛋白质的基本结构单位 氨基酸 aminoacid 一 一般结构 CommonStructuralFeatures 碳原子上的氢被氨基取代的羧酸 即为氨基酸 天然存在200多种氨基酸 只有20种是组成蛋白质的氨基酸 19种氨基酸 1种亚氨基酸 Rgroup Aminogroup Carboxylicgroup H Glycine R CH3 Alanine 返回 1 均为 氨基酸 脯氨酸为亚氨基酸 2 R侧链不同 分为酸性 碱性 中性 3 除Gly外 其它均具有旋光性 opticalrotation 可测定比旋光度 以定性 定量测定氨基酸 这种方法已不常用 脯氨酸除外 aa 蛋白质中常见氨基酸的结构通式 兼性离子形式 中性分子形式 返回 1906年 罗沙诺夫建议把 及 甘油醛作为其他旋光性异构体物质的构型的比较标准 并人为地规定 在费歇尔投影式中 手性碳上的OH排在横线右边的为右旋甘油醛作为D型 手性碳上的OH排在横线左边的为左旋甘油醛作为L型 D 及L 分别表示它们的构型 及 表示旋光性 构型与旋光性之间没有必然的联系 L 甘油醛 D 甘油醛 其他分子的构型比照L 甘油醛和D 甘油醛的构型而确定 4 均为L 型 5 白色晶体存在 熔点高 在中性时 羧基以 COO 氨基以 NH3 即兼性离子形式存在 二 分类 classification 以衡量氨基酸侧链非极性大小的数值 数值的正值越大 非极性越强 数值的负值越大 极性越强 疏水指数 hydrophobicityindex 1 非极性R基aa Nonpolar RGroups R基为疏水性 共8种 5种脂肪族Aliphatic 2种芳香族Aromatic 苯丙氨酸 Phe phenylalanine 脯氨酸 Pro proline 色氨酸 Trp tryptophan 丙氨酸 Ala alanine 亮氨酸 Leu leucine 异亮氨酸 Ile isoleucine 缬氨酸 Val valine 蛋氨酸 Met methionine 1种杂环 甘氨酸Glycine 氨基乙酸 返回 氨基丙酸 丙氨酸Ala 3C 人体代谢可产生 丙酮酸氨化即可 返回 缬氨酸ValineVal 4C带一甲基 豆芽菜含量丰富 必需 氨基异戊酸 返回 亮氨酸LeucineLeu 5C带一甲基 结晶发亮 必需 氨基异己酸 返回 异亮氨酸IleucineIle 5C带一甲基 甲基位置不同 与Leu同分异构体 必需 氨基 甲基戊酸 返回 甲硫氨酸MethionineMet的R中含有甲硫基 SCH 硫原子有亲核性 易发生极化 因此 Met是一种重要的甲基供体 必需 氨基 甲硫基丁酸 返回 半胱氨酸Cysteine 氨基 巯基丙酸 返回 丝氨酸Serine 氨基 羟基丙酸 Ser的羟甲基 CHOH基 pKa 15 非必需 与Gly互变 Ser转羟甲基酶可以将Gly加一个羟甲基 形成Ser 蛋白质中的Ser的 OH往往与糖链相连 形成糖蛋白 2 返回 苏氨酸Threonine 氨基 羟基丁酸 返回 Thr中的 OH是仲醇 具有亲水性 但此 OH形成氢键的能力较弱 因此 在蛋白质活性中心中很少出现 必需 比Ser多一甲基 蛋白质中的Thr的 OH往往与糖链相连 形成糖蛋白 天冬氨酸Aspartate 氨基丁二酸 返回 谷氨酸Glutamate 氨基戊二酸 返回 天冬酰胺Asparagine 返回 谷氨酰胺Glutamine 返回 这两个酰胺 Asn Gln 在生理pH范围内 其酰胺基不被质子化 因此侧链不带电荷 酰胺基中氨基易发生氨基转移反应 转氨基反应在生物合成和代谢中有重要意义 精氨酸ArginineArg是碱性最强的氨基酸 侧链上的胍基是已知碱性最强的有机碱 生理条件下完全质子化 氨基 胍基戊酸 返回 赖氨酸LysineLys的R侧链上含有一个氨基 生理条件下 Lys侧链带有一个正电荷 NH 同时它的侧链有4个C的直链 柔性较大 使侧链的氨基反应活性增大 如肽聚糖的短肽间的连接 必需 在必需aa中它可以作为代表 二氨基己酸 3 返回 Phe Trp都具有共轭 电子体系 易与其它缺电子体系或 电子体系形成电荷转移复合物 charge transfercomplex 或电子重叠复合物 在受体 底物 或分子相互识别过程中具有重要作用 这二种氨基酸在紫外区有特殊吸收峰 蛋白质的紫外吸收主要来自这二种氨基酸 在280nm附近 Trp Phe 苯丙氨酸Phenylalanine 氨基 苯基丙酸 返回 酪氨酸TyrosineTyr 氨基 对羟苯基丙酸 返回 色氨酸TryptophanTrp 氨基 吲哚基丙酸 返回 组氨酸HistidineHis含咪唑环 它是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸 氨基 咪唑基丙酸 返回 脯氨酸Proline 吡咯烷基 羧酸 返回 Pro是唯一的一种环状结构的氨基酸 它的 亚氨基是环的一部分 因此具有特殊的结构 它在蛋白质空间结构中具有极重要的作用 一般出现在两段 螺旋之间的转角处 Pro残基所在的位置必然发生骨架方向的变化 不常见的蛋白质氨基酸 4 羟脯氨酸 5 羟赖氨酸 羧基 谷氨酸 锁链素 6 N甲基赖氨酸 返回 非蛋白质氨基酸 鸟氨酸 瓜氨酸 返回 2 极性但不解离R基aa Polar UnchargedRGroups 7种 含 OH的有3种 丝氨酸 Ser serine 苏氨酸 Thr threonine 酪氨酸 Tyr tyrosine 酰胺有2种 天冬酰胺 Asn asparagine 谷氨酰胺 Gln glutamine 1种含 SH 半胱氨酸 Cys cysteine 最小的氨基酸甘氨酸 Gly glycine 3 碱性R基aa PositivelyCharged Basic RGroups 3种 赖氨酸 Lys lysine 精氨酸 Arg arginine 组氨酸 His histidine 4 酸性R基aa NegativelyCharged Acidic RGroups 它们是在生理条件下带有负电荷的仅有的两个氨基酸 2种 天冬氨酸 Asp asparticacid 谷氨酸 Glu glutamicacid 根据人体内能否合成 将20种氨基酸分为非必需和必需氨基酸 Arg 精氨酸 半必需 合成不足 笨蛋携来一两色素 必需氨基酸有8种 Phe苯丙氨酸 Met甲硫氨酸 Val缬氨酸 Lys赖氨酸 Ile异亮氨酸 Leu亮氨酸 Trp色氨酸 Thr苏氨酸 POLAR NON POLAR Tyr酪 His组 Gly甘 Acidic酸 Neutral中 Basic碱 Asp天冬 Glu谷 Gln谷氨酰胺 Cys Asn天冬酰胺 Ser丝 Thr苏 Lys赖 Arg精 Ala丙 Val缬 Ile异亮 Leu亮 Met甲硫 Phe苯丙 Trp色 Pro脯 ClassificationofAminoAcidsbyPolarity Polarornon polar itisthebasesoftheaminoacidproperties 氨基酸的分类 依据R基团的极性 氨基酸的分类 依据R基团的极性 氨基酸的分类 依据R基团的极性 除参与蛋白质组成的20种氨基酸外 生物体内存在大量的氨基酸中间代谢产物 它们不是蛋白质的结构单元 但在生物体内具有很多生物学功能 如尿素循环中的L 瓜氨酸和L 鸟氨酸 非蛋白氨基酸 L 鸟氨酸 L 瓜氨酸 1 L 型 氨基酸的衍生物 2 D 型氨基酸 D Glu D Ala 肽聚糖中 D Phe 短杆菌肽S 3 氨基酸 Ala 泛素的前体 氨基丁酸 神经递质 CH2CH2CH2 CH COOH NH2NH2 L 鸟氨酸 H2N C NH CH2CH2CH2 CH COOH ONH2 L 瓜氨酸 返回 是在蛋白质合成后 由基本氨基酸修饰而来的 羧基谷氨酸 4 羟脯氨酸 5 羟赖氨酸 3 5 二碘酪氨酸 甲状腺素 锁链素由4个Lys组成 弹性纤维蛋白中 非编码氨基酸 三 氨基酸的理化性质 1 一般物理性质CommonPhysicalCharacteristics 无色或白色结晶 熔点高 大于200 水中的溶解度不同 呈味不同 都溶于强酸 强碱 外观 熔点 溶解性质 Gly除外 都有旋光性 aa的旋光符号和大小 取决于R基的性质和测定时溶液的pH 旋光性 Rotationoropticalactivity SpecificRotationsforSomeAminoAcidsAminoAcidSpecificRotation a D25 DegreesL Alanine 1 8L Arginine 12 5L Asparticacid 5 0L Glutamicacid 12 0L Histidine 38 5L Isoleucine 12 4L Leucine 11 0L Lysine 13 5L Methionine 10 0L Phenylalanine 34 5L Proline 86 2L Serine 7 5L Threonine 28 5L Tryptophan 33 7L Valine 5 6 20种aa在可见光区都没有光吸收 在远紫外区 小于200nm 都有光吸收 近紫外区 200 300nm 只有Tyr Phe Trp有光吸收 最大吸收波长分别为 紫外光吸收 ultravioletlightabsorption 蛋白质由于含有这些氨基酸 所以也有紫外吸收能力 一般最大光吸收在280nm波长处 因此能利用分光光度法很方便地测定蛋白质的含量 不同蛋白质Tyr Phe Trp的含量不同 因此摩尔消光系数是不完全相同的 275nm 257nm 280nm 返回 2 两性解离与等电点Ionization isoelectricpoint 氨基酸在溶液中为两对共轭酸碱 在水溶液 晶体中不以分子形式存在 而是以兼性离子形式存在 即两性解离 COOH 两性离子 COO C H R NH 3 NH 2 H COO C H R Zwitterion AA既可作为质子供体起作用 释放H 又可作为质子受体起作用 接受H 两性离子 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 即为兼性离子 如 COOH C H R NH 3 NH2 H COO C H R Zwitterion 此时溶液为等电状态 此时溶液的pH为等电点 不同aa由于R基不同 使得羧基和氨基的解离程度不同 所以不同AA等电点不同 在酸性溶液中荷正电 在等电点时净电荷为零 A AO COOH CH H R HN 3 OH HN 3 COO CH R H OH COO CH R HN 2 pH pI A 带正电荷 pH pI A 带负电荷 pH大小影响氨基酸的带电荷情况 使氨基酸处于等电状态的环境pH值叫氨基酸的等电点 在一定的pH范围内 氨基酸溶液的pH离等电点愈远 氨基酸所携带的净电荷愈大 COOH NH2H Acidicenvironment Neutralenvironment Alkalineenvironment 1 1 0 Isoelectricpoint 5 5 氨基酸等电点的求法 对于含有1个氨基和1个羧基的氨基酸 其氨基和羧基的pK值的算术平均数就是此氨基酸的等电点 即 将氨基酸溶液高度酸化 即完全质子化 再向溶液中加碱 使之解离 侧链不解离的氨基酸可视为二元酸 在N H3 COOH两个部位都可解离出H 释放顺序视解离常数而定 K值大的先解离 K值小的后解离 Ka1为COOH的解离常数负对数为pK1 Ka2的解离常数为N H3 负对数为pK2 H Ka1 H Ka2 A A0 等电状态 A 第二步解离 A 所以 Ka1 Ka2 H 2 A 当A A 时 此时pH即为pI 这时Ka1 Ka2 H 2 两边取负对数 即 定义 pKa1 LogKa1 解离常数的负对数 pKa2 LogKa2 Log H pH pKa1 pKa2 2pH 所以pH 1 2 PKa1 PKa2 LogKa1 LogKa2 2Log H 对于含有多个氨基和羧基及可解离侧链基团的氨基酸 解离复杂 但计算方法类似 以pKR代表侧链基团的解离度 先将氨基酸高度酸化 再使之向碱性方向解离 依据pK值大小 判断解离顺序 pK值越