生物化学02.第二章 蛋白质的结构与功能.doc

幻灯片1第二章 蛋白质的结构与功能(Structure and Function of Protein)一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。幻灯片2二、蛋白质的生物学功能(一) 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。幻灯片3(二) 蛋白质的生物学功能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.氧化供能幻灯片4三、蛋白质的分类 (一)根据蛋白质组成成分 1.单纯蛋白质2.结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分(二)根据蛋白质形状 1.纤维状蛋白质2.球状蛋白质幻灯片5第一节 蛋白质的分子组成(The Molecular Component of Protein)一、蛋白质的元素组成(一)组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。幻灯片6(二)蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量 ( g % )= 每克样品含氮克数 6.251001/16%幻灯片7二、蛋白质的基本单位氨基酸(一)氨基酸的通式存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。幻灯片8 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。C+NH3COO-HL-氨基酸的通式RH甘氨酸CH3丙氨酸幻灯片9(二)氨基酸的分类l 非极性侧链氨基酸(8种) 水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。 l 极性中性侧链氨基酸(7种) 易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性(除外色氨酸) 。l 酸性氨基酸(2种) 侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。l 碱性氨基酸（3种） 侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+ 而带正电荷。20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:幻灯片101.非极性侧链氨基酸 (8种)中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点 CHCOOHNH2H甘氨酸 glycine Gly G 5.97CHCOOHNH2CH3丙氨酸 alanine Ala A 6.00CHCOOHNH2CH3-CH缬氨酸 valine Val V 5.96CH3CHCOOHNH2CH3-CH-CH2CH3亮氨酸 leucine Leu L 5.98CH3-CH2-CHCHCOOHNH2 异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02CH3-CH2CHCOOHNH2 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48 CH2CHCOOHNHCH2CH2脯氨酸 proline Pro P 6.30CH3SCH2CH2CHCOOHNH2 蛋氨酸 methionine Met M 5.74幻灯片112.极性中性侧链氨基酸 (7种)中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点 CHCOOHNH2-CH2NH色氨酸 tryptophan Try W 5.89HO-CH2CHCOOHNH2丝氨酸 serine Ser S 5.68-CH2CHCOOHNH2HO-酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66HS-CH2CHCOOHNH2 半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07H2N-C-CH2CHCOOHNH2O天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41CHCOOHNH2H2N-C-CH2-CH2O 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 CHCOOHNH2HO-CHCH3 苏氨酸 threonine Thr T 5.60幻灯片123.酸性氨基酸 (2种)中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97 HOOC-CH2CHCOOHNH2谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22CHCOOHNH2 HOOC-CH2-CH24.碱性氨基酸 (3种)中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点 NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2赖氨酸 lysine Lys K 9.74CHCOOHNH2NH2-CNHCH2CH2CH2NH精氨酸 arginine Arg R 10.76CHCOOHNH2HCCH2NHCNCH组氨酸 histidine His H 7.59幻灯片13(三)几种特殊氨基酸1.含硫氨基酸半胱氨酸 +-HH-CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SHNH2HS-COOHCH-CH2NH2半胱氨酸 -CH-CH-NHHOOC-CH-CH2-SNH2S-COOHCH-CH2NH2二硫键胱氨酸幻灯片14CH2CHCOOH2.芳香族氨基酸NH2苯丙氨酸CH3CH2CHCH3CHCOOHNH23.支链氨基酸亮氨酸CH2CHCOOHNHCH2CH24.亚氨基酸脯氨酸幻灯片15(四)氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离方式取决于所处溶液的酸碱度。等电点(isoelectric point, 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。幻灯片16CHNHCOOHRCHNH2COOHR+OH-+OH-CHNHCOOHRCHNH3COOHR+CHNHCOORCHNH3COO-R+CHNHCOORCHNH2COO-R+H+H+pHpIpH=pIpHpI氨基酸的兼性离子 阳离子阴离子幻灯片17240 250 260 270 280 290 300 310光密度色氨酸酪氨酸2. 紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。波长(nm)芳香族氨基酸的紫外吸收幻灯片183. 茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。2 NOOOOOOOHOH+R-CH-COOHNH2+ RCHOCO2+H+水合茚三酮 罗曼紫(蓝紫色)幻灯片19三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式 (一)肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的化学键。甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH肽键幻灯片20(二)肽(peptide)1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。 4.肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。5.多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。分别有：N 末端：多肽链中有自由氨基的一端，C 末端：多肽链中有自由羧基的一端。幻灯片21+H3NLysGluThrAlaAlaAlaLysPheGluArg110GlnHisMetAspSerSerThrSerAlaAlaSerSerTyrSerAsnCysAsnGlnLeuArgProValLeuValAsnArg30GlnHisMetAspGlnValThrSerAlaAlaSerAsnThrSerAsnCysAsn20MetLysLysLys40ThrValGlu50AspGlnCysCysCysCys60LysAlaCysCysLysAsnGluThrGlnThr70ThrSerTyrSerAspThrIleSerMet80SerArgGlySerGluThr90AsnProLysTyrTyrLysThrAlaThr100LysIleGlnHisAlaAsnAlaIleValAlaAspPheHisValProValTyrProAsnGlyGlu110120ValSerCOON末端C末端牛核糖核酸酶124幻灯片22(三) 几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)COOHH-C-NH2CH2H2CH2CCONHCHCH2SHCONHCOOH谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸幻灯片232.多肽类激素体内许多激素属寡肽或多肽。CHONCONHCH2NNCONCONH2焦谷氨酸 组氨酸 脯氨酰胺 促甲状腺素释放激素(TRH)幻灯片24第二节 蛋白质的分子结构(The Molecular Structure of Protein)蛋白质的分子结构包括： 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)空间结构幻灯片25一、蛋白质的一级结构(一)定义与主要化学键1.定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。2.主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 肽键的键长为0.132nm，短于单键的0.147nm，长于双键的0.123nm，故具有部分双键的特性，不能旋转。幻灯片26(二)肽单元 (肽键平面)参与肽键的6个原子Ca1、C、O、N、H、Ca2位于同一平面，Ca1和Ca2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。CR1HCR2HONHC0.123nm0.100nm0.132nm0.147nm0.153nm0.360nm肽键平面示意图幻灯片27二、蛋白质的二级结构(一)定义与主要化学键1.定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间 结构，即该段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 。 2.主要的化学键 氢键 (二)蛋白质二级结构的主要形式 a-螺旋 ( a -helix ) b-折叠 ( b-pleated sheet ) b-转角 ( b-turn ) 无规卷曲 ( random coil ) 幻灯片281. a-螺旋 1951年根据 X 线衍射图提出。以a碳原子为转折点，形成右手螺旋。(1)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54nm。(2)螺旋以氢键保持稳固。(3)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。 幻灯片292.b-折叠 (1)是多肽链一种比较伸展、成锯齿状的肽链结构。(2)两条肽链走向相同，称为顺向平行结构，反之，则称为反向平行结构。后者更为稳定。幻灯片303.b-转角 肽链出现180回折的部分形成-转角。 4.无规卷曲无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。 幻灯片31三、蛋白质的三级结构(一)定义与主要化学键1. 定义 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。只有具有三级结构的多肽链才能称为蛋白质。2.主要的化学键疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。 幻灯片32H2NH3N+NbHCOO-OaCCCOOHSSHOHOCH2OaaCHCH3CHCH3CH3CH2CH3CH3CH3cccOOCcCH2OHCH2OHbNH2+H2NCOCO-维持蛋白质分子构象的各种化学键abc氢键离子键疏水键幻灯片33N 端 C端肌红蛋白 (Mb) 幻灯片34(二) 结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain) 。免疫球蛋白结构域示意图 幻灯片35(三)分子伴侣 1. 分子伴侣是一类可识别肽链非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质折叠的保守蛋白质。 2. 分子伴侣能可逆地与未折叠肽段结合，防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠；也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。 3. 已发现分子伴侣具有形成二硫键的酶活性，在蛋白质分子折叠过程中对二硫键正确形成起到重要的作用。幻灯片36四、蛋白质的四级结构(一)定义与主要化学键1.定义 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。2.主要化学键 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。幻灯片37血红蛋白的四级结构 血红蛋白是由含有血红素的2个亚基和2个亚基组成的四聚体。幻灯片38五、蛋白质结构与功能的关系 天然状态，有催化活性(一)一级结构与功能的关系 261109584725840651.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。 去除尿素、-巯基乙醇HSSHSHHSHSSHHSHS26110958472655840 尿素、 -巯基乙醇非折叠状态，无活性幻灯片392.胰岛素一级结构与功能的关系 (1)将A链N端的第1个氨基酸残基切去，其活性只剩210，再将第24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2830位氨基酸残基切去，其活性仍能维持100%。幻灯片403.血红蛋白一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血HbA 肽 链N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 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”。幻灯片41(二)蛋白质空间结构与功能的关系 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。 幻灯片422朊病毒蛋白空间结构与功能的关系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。例：疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, 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。PrPc-螺旋PrPsc-折叠正常疯牛病幻灯片43第三节 蛋白质的理化性质(The Physical and Chemical Characters of Protein)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。 幻灯片44(二) 蛋白质的等电点当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。二、蛋白质的胶体性质 (一) 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。颗粒表面电荷水化膜(二) 蛋白质胶体稳定的因素幻灯片45+带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜+带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉幻灯片46三、蛋白质的变性、沉淀和凝固 (一) 蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。1.