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文档简介
第二章 蛋白质结构与功能 StructureandFunctionofProtein 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 二 蛋白质的生物学重要性 1 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广含量高 2 蛋白质分解后的氨基酸可以供能 3 蛋白质具有重要的生物学功能 1 生物催化剂 酶 2 代谢调节3 免疫保护4 物质的转运和储存5 运动和支持作用6 参与细胞信号转导 第一节 蛋白质的分子组成 TheMolecularComponentofProtein 碳 C 50 55 氢 H 6 8 氧 O 19 24 氮 N 13 19 硫 S 0 4 还有少量的磷 P 铁 Fe 铜 Cu 锌 Zn 等 组成蛋白质的元素 蛋白质元素组成特点 各种蛋白质含氮量很接近 平均为16 故可根据以下公式推算出蛋白质的大致含量 100g样品中蛋白质的含量 g 每克样品含氮克数 6 25 100 1 16 三聚氰胺 Melamine 三鹿奶粉事件的元凶 是一种三嗪类含氮杂环有机化合物 俗称蜜胺 蛋白精 白色单斜棱晶体 不可燃 无味 低毒 长期大量摄入可导致膀胱 肾脏结石 可用于装饰面板 氨基塑料 粘合剂 涂料等 三聚氰胺 Melamine 三鹿奶粉事件的元凶 分子式 C3H6N6 每增加1 会使通常以凯氏定氮法测定的蛋白质虚涨4 而花费却只有真实蛋白原料的1 5 含氮量 66 6 是牛奶的151倍 是奶粉的23倍 一 氨基酸 aminoacid aa 蛋白质的基本构成单位 自然界中的氨基酸有300余种组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种 除甘氨酸外均属L 氨基酸 R基 氨基 羧基 L 氨基酸结构通式 构成蛋白质的20种氨基酸 aa 的结构特点 除甘氨酸外 均为L 氨基酸 C原子为手性C 侧链R各不相同 2 除脯氨酸外 C原子上均连有一个氨基 一 氨基酸的分类 根据氨基酸侧链基团 的结构和理化性质 将其分为5类 1 非极性疏水性氨基酸 2 极性中性氨基酸 4 酸性氨基酸 5 碱性氨基酸 3 芳香族氨基酸 1 非极性疏水性氨基酸 甘氨酸 Gly 丙氨酸 Ala 缬氨酸 Val 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile 脯氨酸 Pro 和甲硫氨酸 Met 2 极性中性氨基酸 R含有极性基团 生理pH条件下不解离 丝氨酸 Ser 半胱氨酸 Cys 天冬酰胺 Asn 谷氨酰胺 Gln 苏氨酸 Thr 3 芳香族氨基酸 侧链基团含有苯环的氨基酸 4 碱性氨基酸 R有NH2 NH3 赖氨酸 Lys 精氨酸 Arg 组氨酸 His 带正电荷 5 酸性氨基酸 R有COOH COO 带负电荷 1 两性解离及等电点 二 氨基酸的理化性质 pH pI pH pI pH pI AA的带电状况取决于溶液的pH值 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 除碱性aa外 其余氨基酸等电点均小于7 2 紫外吸收性质 Trp Tyr和Phe在280nm波长附近对紫外光有最大吸收峰 应用 快速测定蛋白质含量 3 茚三酮反应 570nm处有最大吸收 氨基酸 水合茚三酮 蓝紫色的化合物 脯氨酸 羟脯氨酸与茚三酮反应呈黄色 440nm 应用 氨基酸定量分析 天冬酰胺与茚三酮反应呈棕色 一 肽 peptide 二 肽 肽键 peptidebond 由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键 肽键 二肽 苯丙氨酰丙氨酸 在肽键中 与 相连的氧原子和氢原子呈反式构型 肽键的特点 C N单键为0 149nm C N双键为0 127nm 因此 肽键具有部分双键性质 不能自由旋转 肽键中 键长为0 132nm 正常情况下 肽单元 peptideunit 组成肽键的4个原子 C N O H 和与之相邻的2个 碳原子 C 1 C 2 位于同一平面 构成所谓的肽单元 肽 氨基酸借肽键相连而形成的化合物称肽 peptide 寡肽 N50 肽链不分支且有方向性 氨基末端 端 羧基末端 C 端 肽链中的氨基酸因脱水而基团不全 被称为氨基酸残基 residue 读法 某氨酰某氨酰 某氨酸 二 天然存在的活性肽 谷胱甘肽 glutathione GSH 构成第一个肽键的羧基是Glu的 羧基 由Glu Cys和Gly组成的三肽 1 组成 2 功能 GSH是体内重要的还原剂 第二节 蛋白质的分子结构 TheMolecularStructureofProtein 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 高级结构或空间结构 一 蛋白质的一级结构 primarystructure 定义 多肽链中氨基酸残基的数目 排列顺序及共价连接 主要的化学键 肽键 有些蛋白质还包括二硫键 牛胰岛素 第一个被测定的一级结构 牛胰岛素原的一级结构 一级结构是蛋白质空间结构和特异生物学功能的基础 各种蛋白质的根本差异就在于一级结构的不同 二 蛋白质二级结构 secondarystructure 定义 是指蛋白质分子中多肽链骨架原子的局部空间排列 不涉及到氨基酸残基侧链的构象 主要的化学键 氢键 多肽链骨架 由 N Ca C 序列重复排列而成 蛋白质二级结构的主要类型 螺旋 helix 折叠 pleatedsheet 转角 turn 无规卷曲 randomcoil 一 螺旋 helix 由肽键平面盘旋形成的右手螺旋状构象 1 概念 最常见 最丰富 呈棒状 2 螺旋的结构特征 1 以肽平面为单位 以 碳原子为转折 盘旋形成右手螺旋 生物似乎偏好右手 2 每3 6个氨基酸残基绕成一个螺圈 360o 螺距为0 54nm 肽键平面与中心轴平行 3 主链原子构成螺旋的主体 侧链在其外部 4 肽键的CO和NH都形成氢键 氢键的方向与中心轴大致平行 是稳定螺旋的主要作用力 二 折叠 pleatedsheet 是由两条或多条几乎完全伸展的肽段平行排列 通过肽段间的氢键交联而形成的肽段的主链呈锯齿状折叠构象 折叠结构特点 1 相邻肽键平面的夹角为1100 呈锯齿状排列 侧链 基团交错地分布在片层平面的两侧 2 2 5条肽段平行排列构成 肽段之间可顺向平行 均从N C 也可反向平行 a 顺向平行式 b 反向平行式 3 由氢键维持稳定 其方向与折叠的长轴接近垂直 三 转角 turn 肽链出现180 回折的转角处的结构 四 无规卷曲 randomcoil 没有确定规律性的肽链构象 五 超二级结构 模体 motif 在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近 彼此相互作用 形成规则的二级结构聚集体 三 蛋白质的三级结构 一 定义 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置 也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置 主要的化学键 疏水作用 离子键 氢键 范德华力等 三级结构不仅包括蛋白质分子主链的构象 还包括侧链的构象 二 结构域 domain 分子量大的蛋白质三级结构常可分隔为两个和数个球状或纤维状的区域 折叠得较为紧密 各行其功能 称为结构域 四 蛋白质的四级结构 蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成 每条肽链都有完整的三级结构 称为亚基 亚基 subunit 亚基间的空间排布 亚基间相互作用与接触部位的布局 不包括亚基本身的空间结构 蛋白质的四级结构 亚基间的结合力主要是疏水作用 其次是离子键和氢键 由一条肽链形成的蛋白质没有四级结构 蛋白质的四级结构 含有四级结构的蛋白质 单独的亚基一般没有生物学功能 只有完整的四级结构才具有生物学功能 第三节 蛋白质结构与功能的关系 TheRelationofStructureandFunctionofProtein 一 一级结构是构象的基础 一 蛋白质一级结构与功能的关系 顺序规定构象 构象 空间结构 三维结构 天然状态有催化活性 非折叠状态 S S 被还原无活性 天然状态 S S 恢复正确配对活性恢复 牛RNA酶的变性与复性 尿素b 巯基乙醇 透析 说明蛋白质一级结构是空间结构形成的基础 而只有具备了特定的空间结构的蛋白质才具有生物学活性 一级结构相似的蛋白质功能相似 一级结构不同的蛋白质功能不同 ACTH MSH和 MSH一级结构比较 二 一级结构是功能的基础 蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代 将严重影响空间结构乃至生物学功能 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 三 一级结构改变与分子病 镰刀型细胞贫血 镰状红细胞贫血的分子机制 构象是蛋白质活性与功能的根本 构象为AA序列所规定 而后者又为基因所规定 二 蛋白质空间结构与功能的关系 构象决定功能 一 蛋白质的功能依赖于特定的空间结构 肌红蛋白 Mb 与血红蛋白 Hb 的结构 二 血红蛋白构象变化与结合氧 蛋白质的空间结构决定生物学功能 肌红蛋白 1条多肽链 与血红蛋白 4个亚基 具有完整的四级结构 空间结构有较大差异 其功能也不相同 Hb与Mb的氧解离曲线 三 蛋白质构象改变与疾病 蛋白质构象病 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 严重时会导致疾病发生 疯牛病 人和动物神经退行性病变 具传染性 发病时主要表现为视物模糊 平衡障碍 肌肉收缩等 一般在出现症状后2年内死亡 可能机制 PrPC 未知蛋白质 PrPSC PrPSC聚集淀粉样纤维沉淀 第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化 ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein 一 蛋白质的理化性质 一 蛋白质的两性解离 蛋白质两端的 NH2和 COOH以及侧链中的某些基团均可以在一定的pH值条件下解离为带正电或负电荷的基团 pH pI pH pI pH pI 此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点 pI 等电点 pI 在某一pH值溶液中 蛋白质酸性基团和碱性基团的解离程度相当 蛋白质分子所带正负电荷相等 净电荷为零 蛋白质分子颗粒大小在1 100nm之间 属胶体颗粒范围 在溶液中能形成稳定的胶体 蛋白质胶体的稳定因素 水化膜 颗粒表面电荷 二 蛋白质的胶体性质 三 蛋白质的变性 沉淀与凝固 1 蛋白质的变性 denaturation 在某些理化因素作用下 蛋白质的构象被破坏 失去其原有的性质和生物活性 称为蛋白质的变性作用 常见的变性因素 强酸 强碱 有机溶剂 生物碱 尿素 胍 重金属 化学因素 物理因素 热 紫外线 超声波 剧烈振荡 变性的本质 破坏非共价键和二硫键 空间结构被破坏 不改变蛋白质的AA排列顺序 除去变性因素后 有的变性蛋白质又可恢复其天然构象和生物活性 这一现象称为蛋白质的复性 蛋白质的复性 renaturation 牛胰核糖核酸酶的变性与复性 巯基乙醇 尿素或盐酸胍 透析 有活性 无活性 在一定条件下 疏水侧链暴露在外 肽链融汇相互缠绕而聚集 因而从溶液中析出的现象 2 蛋白质的沉淀 应用 蛋白质分离纯化 解毒 变性的蛋白质易于沉淀 有时蛋白质发生沉淀 但并不变性 3 蛋白质的凝固作用 实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆结果 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块 此凝块不易再溶于强酸和强碱中 四 蛋白质的紫外吸收 由于蛋白质分子中含有共轭双键的Tyr和Trp 因此在280nm波长处有特征性吸收峰 蛋白质的A280与其浓度呈正比关系 因此可作蛋白质定量测定 五 蛋白质的呈色效应 1 茚三
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