蛋白质和核酸化学

第二章蛋白质的结构与功能 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 蛋白质的生物学功能 蛋白质在生物体内的分布特征1 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 2 含量高蛋白质占人体干重的45 某些组织含量更高 例如脾 肺及横纹肌等高达80 3 种类多人体中蛋白质种类达十万余种 每种蛋白质都有其特定的结构与功能 1 作为生物催化剂 酶 2 代谢调节作用3 免疫保护作用4 物质的转运和存储5 运动与支持作用6 参与细胞间信息传递7 氧化供能 蛋白质的生物学功能 一 蛋白质的化学组成 主要元素 碳 氢 氧 氮 有些蛋白质还含有少量硫 磷和金属元素 特点 各种蛋白质的含氮量很接近 平均含氮量为16 这是蛋白质元素组成的一个特点 定氮法测定蛋白质含量 100g样品中蛋白质含量 g 6 25 每克样品中含氮克数 100 式中6 25 即16 的倒数 为1克氮所代表的蛋白质质量 克数 二 蛋白质的组成单位 在酸 碱 酶的作用下 蛋白质可水解产生游离氨基酸 蛋白质的基本组成单位 氨基酸 aminoacid 自然界中的氨基酸有300余种 但组成人体的氨基酸仅有20种 且均属L 型氨基酸 甘氨酸除外 二 蛋白质的组成单位 1 氨基酸的结构特点除脯氨酸外 其余氨基酸均属 氨基酸 其化学结构式具有共同的特点 即连接羧基的 碳原子上有一个氨基 称为 氨基酸 氨基酸的结构通式 R为侧链基团 各种氨基酸的结构区别在于侧链 R基团 的不同 故具有不同的理化性质 二 蛋白质的组成单位 2 氨基酸的分类根据氨基酸侧链R基的结构和性质分为四类 非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸 二 蛋白质的组成单位 3 蛋白质分子中氨基酸之间的链接方式肽键的概念 肽键 peptidebond 一个 氨基酸的 羧基与另一个 氨基酸的 氨基脱水缩合形成的化学键 CO NH 称为肽键或酰胺键 肽键 生物活性肽 生物活性肽 体内存在许多具有生物活性的低分子量肽 在代谢调节 神经传导等方面具有重要的作用 称为生物活性肽 如 脑啡肽 激素类多肽 抗生素类多肽 谷胱甘肽 蛇毒多肽等 二 蛋白质的分子结构和功能 一 蛋白质分子的一级结构 primarystructure 一级结构 蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构 主要靠肽键维系 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构 是指蛋白质分子中某一段多肽键的局部空间结构 即该段多肽链主链骨架原子的相对空间位置 并不涉及氨基酸残基侧链的构象 包括 螺旋 helix 折叠 pleatedsheet 和 转角 turn 及无规则卷曲 蛋白质的二级结构 1 螺旋 helix 蛋白质分子为右手 螺旋 蛋白质的二级结构 折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列 通过链间的氢键交联而形成的 肽链的主链呈锯齿桩折叠构象 折叠 折叠 蛋白质的二级结构 3 转角 turn 在 转角部分 由四个氨基酸残基组成 这类结构主要存在于球状蛋白分子中 脯氨酸残基经常出现在 转角中 蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构 TertiaryStructure 是指在二级结构基础上 肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕 折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构 2 蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构 此类蛋白质只有完整四级结构才有生物学活性 一 一级结构与功能的关系 分子病 三 蛋白质结构与功能的关系 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 1 核糖核酸酶一级结构与功能的关系 二硫键破坏后 生物学活性丧失 1 将A链N端的第1个氨基酸残基切去 其活性只剩2 10 再将第2 4位氨基酸残基切去 其活性完全丧失 2 将A B两链间的二硫键还原 A B两链即分离 胰岛素的功能完全消失 3 将B链第28 30位氨基酸残基切去 其活性仍能维持100 2 胰岛素一级结构与功能的关系 3 血红蛋白一级结构与功能的关系 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 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 镰刀型贫血症与分子病 二 蛋白质空间结构与功能的关系 构象病 1 血红蛋白空间结构与功能的关系 Hb未结合O2时 4个亚基结构紧密 称紧张态 T态 随着O2的结合 空间结构发生变化 使结构相对松弛 称松弛态 R态 T态对氧亲和力低 R态对氧亲合力高 是Hb结合O2的形式 肺毛细血管O2分压高 促使T态转变成R态 组织毛细血管 O2分压低 促使R态转变成T态 例 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PrP富含 螺旋 称为PrPc 在某种未知蛋白质作用下转变成为 折叠的PrPsc 从而致病 蛋白质构象疾病包括 人纹状体脊髓变性病 老年痴呆症 亨廷顿舞蹈病 疯牛病等 2 朊病毒蛋白空间结构与功能的关系 第二节蛋白质的理化性质 ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein 一 蛋白质的两性解离和等电点 一 两性解离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 故称两性解离 一 蛋白质的两性解离及应用 蛋白质的等电点 IsoelectricpointpI 当溶液浓度为某一pH值时 氨基酸分子中所含的 NH3 和 COO 数目正好相等 净电荷为0 这一pH值即为氨基酸的等电点 简称pI 在等电点时 氨基酸既不向正极也不向负极移动 即氨基酸处于两性离子状态 蛋白质的两性解离 在pH pI时 蛋白质为兼性离子 带有相等的正 负电荷 呈中性微粒 此时蛋白质不稳定而容易从溶液中沉淀析出 PH1710净电荷 10 1正离子两性离子负离子等电点PI 蛋白质的电泳分离 蛋白质能够发生两性离解 也有等电点 在等电点时 IsoelectricpointpI 蛋白质的溶解度最小 容易沉淀析出 溶液中带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象 称为蛋白质电泳 Electrophoresis 电泳 蛋白质的电泳分离和分子量测定 蛋白质在等电点pI条件下 不发生电泳现象 利用蛋白质的电泳现象 可以将蛋白质进行分离纯化 蛋白质的胶体性质及应用 蛋白质属于生物大分子 分子量到达1万 100万之巨 其直径可达1 100nm 为胶体范围之内 蛋白质溶液是亲水胶体溶液 其稳定因素主要有蛋白质分子表面的水化膜电荷层 蛋白质的胶体性质及应用 透析 小分子杂质从半透膜中透出 大分子蛋白质留于半透膜内 使蛋白质得以纯化 这种分离方法称为透析 人体中的细胞膜 线粒体膜和毛细血管壁等都具有半透膜性质 有助于体内各种蛋白质有规律地分布在膜的内外 对维持细胞内外的水和电解质平衡具有重要的生理意义 三 蛋白质的沉淀 变性 凝固及其应用 蛋白质从溶液中析出的现象 称为沉淀 1 盐析 在蛋白溶液中加入大量中性盐 蛋白质表面的水化膜即被破坏 其所带电荷也被中和 蛋白质胶粒失去这两种稳定因素而沉淀 这种沉淀过程称为盐析 saltingout 三 蛋白质的沉淀 变性 凝固及其应用 2 重金属盐沉淀蛋白质重金属离子如Ag Hg2 Cu2 Pb2 等 在pH pI的环境中 可与蛋白质负离子结合 形成不溶性蛋白盐沉淀 临床应用 抢救重金属盐中毒病人 给病人口服大量酪蛋白 清蛋白等 然后再用催吐剂将结合的重金属盐呕出以解毒 三 蛋白质的沉淀 变性 凝固及其应用 3 生物碱试剂与某些沉淀蛋白生物碱试剂 苦味酸 鞣酸 钨酸等 及某些酸 可在pH pI的环境中 可与蛋白质的正离子结合形成不溶性的盐沉淀 4 有机溶剂沉淀蛋白质可与水混合的有机溶剂能破坏蛋白质胶粒表面的水化膜 是蛋白质沉淀析出 临床应用 乙醇可消毒灭菌 三 蛋白质的沉淀 变性 凝固及其应用 蛋白质的变性和凝固在某些物理和化学因素作用下 蛋白质的空间构象被破坏 理化性质及生物学活性发生变化 这种现象称为蛋白质的变性 denaturation 本质 非共价键和二硫键的破坏 不涉及肽键的断裂等一级结构的变化 蛋白质变性的实际意义 利用变性 酒精消毒高压灭菌血虑液制备 防