北大基础医学生物化学ppt课件 蛋白质化学

第一章蛋白质化学 刘新文 北京大学医学部生化与分子生物学系 第一节蛋白质 protein 的生物学功能 2 蛋白质的重要生物学功能 3 氧化供能 其他生物学功能 营养蛋白 结构 毒蛋白 第二节蛋白质的分子组成 一 元素组成 1 主要元素 碳 氢 氧 氮和硫 有些蛋白质还含有少量磷和金属元素 2 特点 各种蛋白质的含氮量很接近 平均含氮量为16 3 定氮法测定蛋白质含量 蛋白质含量 6 25 样品含氮量 二 结构单位 氨基酸 aminoacid 1 蛋白质的结构单位 蛋白质基本结构单位 L 氨基酸 氨基酸 脯氨酸 亚氨基酸 除外L 氨基酸 甘氨酸 无不对称C 除外氨基酸结构通式 RCH NH2 COOH常见氨基酸种类 20种 小结 2 氨基酸分类 按其侧链 的结构和理化性质分类 非极性 疏水氨基酸 非极性R基氨基酸 Val Leu Ile 支链 Gly 无旋光异构 Met 含硫 Phe 芳香族 Pro 亚氨基 极性 中性氨基酸 不带电荷的极性R基氨基酸 Ser Thr 含羟基 Tyr Trp 芳香族 Cys 含硫 Gln Asn 含酰氨 酸性氨基酸 含有两个羧基 Glu 含 羧基 Asp 含 羧基 碱性氨基酸 含有两个以上氨基 Arg 胍基 His 咪唑基 Lys 氨基 含硫氨基酸 Met Cys芳香族氨基酸 Phe Tyr Trp 三 氨基酸的理化性质 1 物理性质2 两性解离等电点 isoelectricpoint pI 在某一pH环境中 氨基酸解离成阳性离子及阴性离子的趋势相等 所带净电荷为零 在电场中不泳动 此时 氨基酸所处环境的pH值称为该种氨基酸的等电点 pI zwitterion 等电点计算 侧链为非极性基团或虽为极性基团但不解离的氨基酸 pI pK1 pK2 酸性氨基酸 Glu Asp 及Cys pI pK1 pKR 碱性氨基酸 赖 精 组 pI pK2 pKR 带电状态判定pI pH0 带正电pI pH 0 不带电 3 紫外吸收 Trp Tyr和Phe在280nm波长附近具有最大吸收峰 其中Trp的最大吸收最接近280nm 4 显色反应 茚三酮反应 4 显色反应 茚三酮反应 其他反应 荧光胺反应 侧链特异基团反应 例外 Pro黄色 Asn棕色 5 成肽反应 第三节蛋白质的分子结构 一 蛋白质的基本结构形式 1 连接方式 肽键肽键 peptidebond 一个氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基缩水而成的酰胺键称为肽键 CONH 肽平面 peptideunit 由肽键中的四个原子和与之相邻的两个碳原子共同构成的刚性平面 C CONHC 2 肽分类 命名 2 肽分类 命名 3 生物活性肽 谷胱甘肽神经肽 脑啡肽 内啡肽 强啡肽 P物质 Y肽肽类激素 催产素 加压素等其他 生长因子 短杆菌S 甜味肽等 4 蛋白质的基本结构形式 多肽链 NHCHCONHCHCO 多肽链的方向性 从N末端指向C末端 二 蛋白质的一级结构 primarystructure 一级结构是指蛋白质的多肽链中氨基酸的排列顺序 主要靠肽键维系 二 四级结构称为蛋白质的空间结构 或空间构象 主要靠次级键维系 尤其是疏水键 一级结构体现生物信息 20n 多样一级结构是空间结构及生物活性的基础 特异一级结构的连接键 肽键 主要 二硫键 三 二级结构 蛋白质的二级结构是指多肽链骨架中原子的局部空间排列 不涉及侧链的构象 也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置 主要有 螺旋 折叠 转角和无规则卷曲 维持二级结构的力量为氢键 1 螺旋 helix 右手螺旋 3 6个AA 圈 螺距0 54nm 氢键维系 链内氢键 AA1 AA4 平行长轴 侧链伸出螺旋 2 折叠 pleatedsheet 2 折叠 pleatedsheet 多肽链充分伸展 肽平面折叠成锯齿状 侧链交错位于锯齿状结构的上下方 氢键维系 氢键的方向垂直长轴 可有顺平行片层和反平行片层结构 3 其它 1 肽链主链出现的180 回折部分称 转角 2 蛋白质分子中那些没有确定规律性的部分肽链构象称为无规卷曲 影响二级结构形成的因素 次级键介导蛋白质高级结构形成 四 超二级结构 域结构 1 超二级结构 supersecondarystructure 1 基序或模序 motifsormodules 模体符 在许多蛋白质中 有两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 称为模序 有的将这种规则的二级结构的聚集体称为超二级结构 它们可直接作为三级结构的 建筑块 或域结构的组成单位 是蛋白质发挥特定功能的基础 2 类型 锌指结构 亮氨酸拉链 2 域结构 domain 结构域 域结构是在较大的蛋白质分子中所形成的两个或多个在空间上可明显区别的局部区域 结构域具有独特的空间构象 与分子整体以共价键相连 并承担特定的生物学功能 结构域与分子整体以共价键相连具有相对独立的空间构象和生物学功能同一蛋白质中的结构域可以相同或不同 不同蛋白质中的结构域也可能相同或不同 五 三级结构 蛋白质的三级结构是指在一条多肽链中所有原子的整体空间排布 包括主链和侧链 三级结构的形成使得在序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近 长度缩短 球形 椭球形 杆状 等多数同时含有 螺旋和 折叠氨基酸位置由侧链极性决定 非极性 内 极性 表面 少数内部 带电 表面 次级键维系 疏水键 盐键 氢键 范德华力 二硫键功能区 表面或特定部位 寡聚蛋白中亚基的立体排布及相互作用 亚基 subunit 寡聚蛋白中的单条独立的多肽链 具有独立的一 二 三级结构 单独存在时一般无生物学活性 亚基之间以非共价键联系 亚基可以相同或不同 亚基之间以非共价键联系 包括疏水键 主要 盐键 氢键 范德华力亚基可以相同或不同 六 四级结构 七 蛋白质的分类 1 按照组成分类 单纯蛋白 结合蛋白单纯蛋白 只有氨基酸组分结合蛋白 氨基酸组分 其他组分 辅基 2 按照生物功能分类 酶 调节蛋白 转运蛋白 运动蛋白 防御蛋白 营养蛋白 储存蛋白 结构蛋白 毒蛋白 等3 根据形状分类纤维蛋白球状蛋白 第四节蛋白质结构与功能的关系 蛋白质一级结构是空间结构和生物功能的基础 一级结构决定空间结构 但一级结构并非决定空间结构的唯一因素 空间结构是生物活性的直接体现 1 一级结构中的保守序列决定空间结构 1 不同蛋白质之间的比较 相似结构相似功能 不同结构不同功能 2 同一蛋白质不同状态的比较 一级结构决定空间结构 经典举例 酶原激活 分子病 蛋白变性与复性 3 保守序列 保守氨基酸改变 功能改变 保守氨基酸不变 功能不变 经典举例 分子病 一 一级结构与功能的关系 2 一级结构并非影响空间结构的唯一因素分子伴娘 molecularchaperons 分子伴侣 在蛋白质加工 折叠形成特定空间构象及穿膜进入细胞器的转位过程中起关键作用的一类蛋白质 与未折叠的肽段 疏水部分 进行可逆的结合 辅助二硫键的正确形成 引导肽链的正确折叠并集合多条肽链成为较大的结构 可以解聚错误聚合的肽段 防止错误发生 1 空间结构体现生物特异性2 空间结构体现生物活性3 空间结构的灵活性 体现了生物活性的可调节特性 二 空间结构与功能的关系 空间结构中的特定区域体现生物活性 别构效应 别位效应 变位效应 allostericeffect 蛋白质分子的特定部位 调节部位 与小分子化合物 效应物 结合后 引起空间构象发生改变 从而促使生物学活性变化的现象称为变构效应 包括正协同 负协同效应 经典举例 血红蛋白 Hb 由 2 2四聚体组成 每个亚基含有1个血红素辅基 Hb的氧解离曲线呈 S 型 多种空间构象 多种活性状态 4 空间构象并非生物活性的唯一影响因素 举例 低温下酶活性低 但并不影响构象 盐析时沉淀的酶无活性 但构象不变 5 蛋白构象疾病 错误构象相互聚集 形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀 产生毒性而致病 老年痴呆疯牛病亨汀顿舞蹈病 1 蛋白质的变性与复性 去除部分变性剂 温和复性 温和复性 天然蛋白 具有正确的一级结构和高级结构 因此具有生物活性 变性蛋白 具有正确的一级结构但无高级结构 无生物活性 变性环境 非天然蛋白 具有正确的一级结构和错误的高级结构 无生物活性 经典举例 Rnase 2 前体蛋白与活性蛋白的转变 经典举例 酶原激活 胃蛋白酶原切除N端42个氨基酸后形成活性中心及其他空间构象 转变为具水解蛋白质活性的胃蛋白酶 胰蛋白酶原切除N端6个氨基酸后形成活性中心及其他正确构象 转变为具有水解活性的胰蛋白酶 3 分子病 moleculardisease 由于基因结构改变 蛋白质一级结构中的关键氨基酸发生改变 从而导致蛋白质功能障碍 出现相应的临床症状 这类遗传性疾病称为分子病 经典举例 镰形细胞贫血症 编码珠蛋白 链的结构基因第六个密码子由CTT CAT 相应的多肽序列中N端的第六个氨基酸由Glu Vla 其空间结构发生相应改变 在表面形成互补区 使蛋白质分子之间彼此聚合 促使红细胞在低氧压下变形成镰形 丧失运输氧的生物活性 4 蛋白构象疾病 疯牛病 由于朊病毒蛋白 PrP 构象改变导致蛋白质聚集 形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀 第五节蛋白质的理化性质及分离纯化 1 两性解离与等电点 同 氨基酸两性解离 2 紫外吸收 最大吸收波长 280nm3 胶体性质 不能透过半透膜 4 沉淀 凝固 蛋白质在溶液中维持稳定的因素 表面电荷 水化层 溶剂化层 变性蛋白不一定沉淀 沉淀蛋白也不一定变性 一 理化性质 1 沉淀 不稳定蛋白质从溶液中析出 2 结絮 变性蛋白质的絮状沉淀 沉淀可溶于强酸 强碱 3 凝固 沉淀结块 凝块不溶于强酸 强碱 1 变性 在某些理化因素作用下 蛋白质的空间结构被破坏 从而导致其理化性质改变 生物活性丧失的现象称为变性 变性不涉及一级结构的变化 理化性质的变化 紫外吸收 化学活性及粘度上升 易被蛋白酶水解 溶解度下降 结晶能力丧失 5 变性 denaturation 复性 renaturation 2 复性 3 应用 利用变性 酒精消毒高压灭菌血虑液制备 防止变性 低温保存生物制品 取代变性 乳品解毒 用于急救重金属中毒 6 呈色反应 双缩尿反应 等双缩尿反应可检测蛋白质的水解程度 二 蛋白质的分离纯化 二 蛋白质的分离纯化 1 透析 超滤根据性质 分子大小2 盐析 saltingout 根据性质 蛋白质的沉淀作用机理 中性盐中和表面电荷 破坏水化层影响因素 表面电荷 水化层 溶剂性质 3 电泳 根据性质 蛋白质的两性解离作用机理 异性电荷互相吸引影响因素 电荷种类及数量 分子大小及形状 溶液离子强度及pH等 4 层析 1 离子交换层析 电荷 分子量 分子形状 2 亲和层析 生物特性 3 吸附层析 吸附特性 4 分子筛 凝胶过滤层析 分子大小及形状大分子先洗脱下来5 超速离心 分子大小及形状 溶液特性 第六节蛋白质的结构分析 重要内容 1 重要名词 isoelectricpoint motifs domain subuni