第二章-蛋白质的结构与功能.ppt

除脯氨酸外的十九种氨基酸 第二章蛋白质化学 蛋白质的种类和生物学功能蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质 主要学习内容 第一节蛋白质的种类和生物学功能 蛋白质的种类 蛋白质的分类方法及种类蛋白质的生物学功能 1 构造人的身体2 修补人体组织3 参与完成生物体的各种活动 主要学习内容 一 蛋白质的分类1 按组成成分 A 单纯蛋白质 单纯蛋白不含有非蛋白质部分 这类蛋白质水解后的最终产物只有氨基酸 单纯蛋白质按其溶解性又可分为 清蛋白 球蛋白 谷蛋白 醇溶蛋白精蛋白 组蛋白以及硬蛋白等 B 结合蛋白质 结合蛋白是指由单纯蛋白和非蛋白成分结合而成的蛋白质 按其非氨基酸成分又可分为 核蛋白 脂蛋白 磷蛋白 糖蛋白 血红素蛋白 黄素蛋白 金属蛋白 2 按分子的形状或空间构象A 纤维状蛋白 分子很不对称 形状类似纤维 一般不溶于水 典型的有 胶原蛋白质 弹性蛋白质 角蛋白质 丝蛋白质等 B 球状蛋白质 分子的形状接近球形 空间构象比纤维状蛋白复杂 球状蛋白质的溶解性较好 能结晶 生物体内的蛋白质大多数属于这一类 功能蛋白 大多为球状 细胞膜 载体蛋白 物质 信号 酶 细胞质 包括细胞器 酶 物质代谢 信号传递 细胞核 酶 遗传 结构蛋白 染色体骨架 蛋白质分布广泛 功能多样 1 催化功能 酶2 结构功能 皮 毛 骨 牙 细胞骨架3 载运功能 膜蛋白4 调控功能 激素5 运动功能 鞭毛 肌肉蛋白6 防御功能 免疫球蛋白7 神经传导 基本功能 辅助功能 二 蛋白质的生物学功能 1 构造人的身体2 修补人体组织3 参与完成生物体的各种活动 蛋白质的生物学意义 蛋白质是一切生物细胞和组织的主要组成部分 是生命活动所依赖的物质基础 2 蛋白质是生物体内各种复杂功能的直接执行者 主要学习内容 第二节蛋白质的分子组成 蛋白质的化学组成1 组成元素2 含氮量蛋白质的基本单元 氨基酸1 氨基酸的结构特点2 氨基酸的理化性质 第二节蛋白质的分子组成 一 蛋白质的化学组成主要化学元素 碳50 55 氢6 8 氧20 23 氮15 17 硫0 4 有些蛋白质中还含有少量的铁 锌 锰 铜 磷 碘等 蛋白质的含氮量 蛋白质占生物组织中所有含氮物质的绝大部分 因此 可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量 由于大多数蛋白质的含氮量接近于16 所以 可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量 蛋白质含量 克 每克生物样品中含氮的克数 6 25 6 25 16 的倒数 每测定 g氮相当于6 25g的蛋白质 也就是1g氮所代表的蛋白质量 克数 蛋白质含量 蛋白氮 6 25 蛋白质 英文为 Protein 第一重要 含有氨基 NH2含有羧基 COOHL 氨基羧酸 氨基酸 除脯氨酸外 二 蛋白质的基本单位 氨基酸 构型和构象 构型是指具有一定构造的分子中各原子在空间的排列状况 构象是指在一定的条件下 由于单键的旋转而产生的分子中各原子 或原子团 在空间的不同排布形象 构象比构型更为精细 一般地讲 分子的一种构象可以通过单键的旋转变成另一种构象 但分子的构型必须通过化学键的断裂和形成才能改变 RCHCOOHNH2 镜象和实物不能重合 没有对称面和对称中心 具有手性 是一对对映异构体 氨基酸的构型 同种构型的不同构像 L型氨基酸与D型氨基酸 L aminoacid D aminoacid 氨基酸的D L标记法用甘油醛作为标准物 相对标记法 CHO CH2OH H OH D 甘油醛 OHC HOH2C HO H L 甘油醛 COOH H NH2 CH3 HOOC H2N H H3C D 丙氨酸 L 丙氨酸 目前 氨基酸 糖类的构型仍采用D L标记法 旋光性 除甘氨酸外 其他L 氨基酸的 碳原子均有手性 一 氨基酸的结构特点 L 氨基酸的基本结构 C H H2N COOH R 碳原子 不对称碳原子 侧链 二十种氨基酸除Gly外全是L 型 Pro呢 残基 在肽链中氨基酸之间脱去一个水分子 脱水后的残余部分叫残基 residue 因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式 Chiralcarbon 除脯氨酸外 系统命名法 是把氨基作为取代基 羧酸作为母体来命名 如 CH2 CH2 3CHCOOHNH2NH22 6 二氨基己酸 习惯上多采用俗名 英文名称缩写必需氨基酸 缬 亮 异亮 苯丙 色 苏 蛋 赖 氨基酸的命名 常见氨基酸 二 氨基酸的分类 构成生物体的氨基酸主要有20种 其中有12种氨基酸人体能够合成 称为非必需氨基酸 另外有八种是人体不能自身合成的 必须通过食物来摄取 称为必需氨基 甲硫携缬一异亮两亮本苯丙色素苏来赖 1 根据人体能否自身合成 从营养学的角度 酸性氨基酸中性氨基酸碱性氨基酸赖氨酸PI 9 74 精氨酸PI 10 76 组氨酸PI 7 59 绝大多数氨基酸微酸性 2 根据所含氨基和羧基数目分类 脂肪族氨基酸 丙 缬 亮 异亮 蛋 天冬 谷 赖 精 甘 丝 苏 半胱 天冬酰胺 谷氨酰胺芳香族氨基酸 苯丙氨酸 酪氨酸杂环族氨基酸 组氨酸 色氨酸杂环亚氨基酸 脯氨酸 3 根据化学结构分类 三 氨基酸的主要理化性质 1 氨基酸的两性性质和等电点 1 氨基酸是兼性离子质子受体和质子供体 所谓兼性离子是指在同一分子上带有能释放质子的正离子基团和能接受质子的负离子基团 兼性离子本身既是酸又是碱 因此它既可以和酸反应 也可以和碱反应 实验证明 氨基酸在水溶液中或在晶体状态时 都以兼性离子形式存在 氨基酸的等电点PI 氨基酸的等电点PI 氨基酸的带电状况取决于所处环境的pH值 改变pH值可以使氨基酸带正电荷或负电荷 也可使它处于正负电荷数相等 即净电荷为零的两性离子状态 兼性离子 使氨基酸所带正负电荷数相等即净电荷为零时的溶液pH值称为该PI 人体血液PH 7 35 7 45 氨基酸在结晶形态或在水溶液中 并不是以游离的羧基或氨基形式存在 而是离解成兼性离子 在兼性离子中 氨基是以质子化 NH3 形式存在 羧基是以离解状态 COO 存在 在不同的pH条件下 两性离子的状态也随之发生变化 2 氨基酸的pI值和氨基酸解离的关系 PHPI净电荷 0 正离子兼性离子 偶极离子 负离子 H 氨基酸是两性电解质 OH OH H pI定义 在某一pH值溶液中 氨基酸酸性基团和碱性基团的解离程度相当P氨基酸分子所带正负电荷相等 净电荷为零此时溶液的pH值称为氨基酸的pI H2O 两性和等电点RCHCOOHNH2RCHCOO RCHCOO RCHCOOHNH2NH3 NH3 负离子两性离子正离子PH PIPH PI 等电点 PH PI OH H H OH 2 与水合茚三酮反应 氨基酸 水合茚三酮蓝紫色物质 鉴定反应 3 脱水反应 成肽反应 H2N CHCO OH H NHCH COOHR1R2H2N CHCONHCH COOHR1R2N 端C 端 肽键 二肽 1 成肽反应 由几个氨基酸连接形成的肽就叫几肽 多个氨基酸形成的肽叫多肽 呈链状故又称多肽链 10个以内的氨基酸缩合而成的肽 叫寡肽 四 氨基酸的连接方式 在蛋白质分子中 氨基酸之间是以肽键 peptidebond 相连的 肽键就是一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱水缩合形成的键 氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽 peptide 两个氨基酸形成的肽叫二肽 三个氨基酸形成的肽叫三肽 十个氨基酸形成的肽叫十肽 一般将十肽以下称为寡肽 oligopeptide 以上者称多肽 polypeptide 或称多肽链 组成多肽链的氨基酸在相互结合时 失去了一分子水 因此把多肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基 aminoacidresidue 在多肽链中 肽链的一端保留着一个 氨基 另一端保留一个 羧基 带 氨基的末端称氨基末端 N端 带 羧基的末端称羧基末端 C端 书写多肽链时可用略号 N端写于左侧 用H 做标帜 C端于右侧用桹H表示 肽详细命名时为 酰 酰 酸 例如谷胱甘肽是由谷氨酸 半胱氨酸和甘氨酸三个氨基酸所组成的三肽 全名是 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸 简称谷胱甘肽 glutachione 简写GSH 其中N末端的谷氨酸是通过 羧基与半胱氨酸的氨基相连 含有一个活泼的SH巯基 易被氧化 具有解毒作用 GSH的主要生理功能是保护某些蛋白质的SH不被氧化 短链且具有生物功能的多肽不算蛋白质 通常称为活性肽 蛋白质的一级结构蛋白质的空间结构1 二级结构2 三级结构3 四级结构 第三节蛋白质的分子结构 主要学习内容 虾红素 蛋白质的结构层次 一级结构 空间结构 二级结构三级结构四级结构 相对分子量一般在1万 10万之间 蛋白质结构的组织层次 蛋白质的一级结构 是指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序 蛋白质的一级结构是最基本的结构 它决定着蛋白质高级结构 以胰岛素为例 胰岛素是动物胰脏中胰岛 细胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白 它的主要功能是降低体内血糖含量 临床上用来治疗糖尿病 一 蛋白质的一级结构 最先由Sanger于1953年完成测定胰岛素一级结构 蛋白质的二级结构指多肽链本身通过氢键沿一定方向盘绕 折叠而形成的构象 主链的折叠方式 一 二级结构 天然蛋白质包括 螺旋 折叠 转角 无规则卷曲等二级结构 二 蛋白质的空间结构 1 二级结构的概念 1 螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧 肽链上所有的肽键都参与氢键的形成 链中的全部C O和N H几乎都平行于螺旋轴 氢键几乎平行于中心轴 2 螺旋一般为右手螺旋 螺旋 2 二级结构单元的种类 折叠 2 二级结构单元的种类 碳原子总是折叠的角上 R基处于折叠的棱角上 并与棱角垂直 相邻两条肽键的走向相同 顺向平行 也可不同 逆向平行 转角 不规则卷曲 1 概念 三级结构指的是多肽链在二级结构 超二级结构和结构域的基础上 主链构象和侧链构象相互作用 进一步盘曲折叠形成球状分子结构 一条多肽链的折叠 指多肽链内所有原子的空间排布 二 蛋白质的三级结构 三 蛋白质的四级结构 四级结构由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成 有特定三维结构的蛋白质构象 每条多肽链又称为亚基 血红蛋白由四条多肽链形成 是一种寡聚蛋白质 这四条链主要通过非共价键相互作用缔合在一起 血红蛋白分子上有四个氧的结合部位 因为每条链上含有一个血红素辅基 例如 血红蛋白的四级结构 三 蛋白质的四级结构 蛋白质结构与功能的关系一级结构二级结构三级结构四级结构 主要学习内容 第四节蛋白质的结构与功能的关系 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 一 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 别购现象也叫变构现象 血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质 也是红细胞中唯一一种非膜蛋白 人体内的血红蛋白由四个亚基构成 分别为两个 亚基和两个 亚基 在与人体环境相似的电解质溶液中血红蛋白的四个亚基可以自动组装成 2 2的形态 二 空间结构与功能的关系 例如 血红蛋白的四级结构 蛋白质的空间结构与功能的关系 血红蛋白的每个亚基由一条肽链和一个血红素分子构成 肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形 把血红素分子抱在里面 这条肽链盘绕成的球形结构又被称为珠蛋白 血红素分子是一个具有卟啉结构的小分子 在卟啉分子中心 由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子配位结合 珠蛋白肽链中第8位的一个组氨酸残基中的吲哚侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配位结合 当血红蛋白不与氧结合的时候 有一个水分子从卟啉环下方与亚铁离子配位结合 而当血红蛋白载氧的时候 就由氧分子顶替水的位置 血红蛋白是红血细胞的一种含铁的复合变构蛋白 由血红素和珠蛋白结合而成 其功能是运输氧和二氧化碳 维持血液酸碱平衡 分子量约67000 含有四条多肽链 每个多肽链含有一个血红素基团 血红素中铁为二价 与氧结合时 其化学价不变 形成氧合血红蛋白 呈鲜红色 与氧解离后带有淡蓝色 血红蛋白的两种构象 紧张态 T态 和松弛态 R态 在没有氧存在的情况下 四个亚基之间相互作用的力很强 氧分子越多与血红蛋白结合力越强 中心离子铁 II 进一步和蛋白质链中的组氨酸结合 成为五配位 既是配位中心 又是活性中心 血红蛋白中铁 II 能可逆地结合氧分子 取决于氧分压 它能从氧分压较高的肺泡中摄取氧 并随着血液循环把氧气释放到氧分压较低的组织中去 从而起到输氧作用 CO HCN等中毒 两种构象的互变 改变血红蛋白氧亲和能力的大小 巧妙的完成了运输O2的功能 特定的构象显示特定的功能 一级结构不变 构象改变也可导致功能和活性的变化 第五节蛋白质的理化性质 主要学习内容 一 两性解离和等电点二 胶体性质三 变性作用四 沉淀五 其他理化性质 一 两性解离和等电点 Pr是两性电解质 在溶液中的带电状况主要取决于溶液的pH值 pI定义 在某一pH值溶液中 Pr酸性基团和碱性基团的解离程度相当Pr分子所带正负电荷相等 净电荷为零此时溶液的pH值称为Pr的pI 在溶液中的带电状况主要取决于溶液的pH值 OH H OH H pH pI pH pI pH pI Pr是两性电解质 H2O Pr分子颗粒大小1 100nm之间 属胶体颗粒范围 在溶液中能形成稳定的胶体 原因 二 蛋白质的胶体性质 表面形成水化层 表面同种电荷的斥力 除去这两个因素 Pr就会发生沉淀 由于胶体溶液中的Pr不能通过半透膜 因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去 蛋白质胶体颗粒稳定因素及沉淀 带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质 在等电点的蛋白质 酸 酸 碱 碱 脱水 脱水 脱水 不稳定的蛋白质颗粒 沉淀 带正电荷的蛋白质 疏水胶体 带负电荷的蛋白质 疏水胶体 碱 酸 亲水胶体 亲水胶体 亲水胶体 三 蛋白质的变性 吴宪教授1931年 天然Pr分子借助次级键连接而成一种紧密 有规则的空间结构 变性作用使次级键破坏从而使结构松散 1 蛋白质的变性 denaturation 定义 在某些理化因素的作用下 Pr严格的空间结构被破坏 不包括肽键的断裂 从而引起若干理化性质和生物学性质改变的现象 变性后的蛋白质称变性蛋白 能使Pr变性的物质叫Pr变性剂 变性因素 变性实质 破坏了空间结构 一级结构不受影响 分子组成 MW不变 变性蛋白质的特点 旋光性 光吸收改变等 变性与复性 变性 可逆变性 Pr变性后如将变性剂除去 该Pr分子的天然构象和生物学活性还能恢复 不可逆变性 若变性条件强烈 作用时间长 构像变化大 理化性质难以恢复 举例 医疗 生物制品保存 生活等 变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀 但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质 加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固 因此 凡凝固的蛋白质一定发生变性 总结 Pr变性 沉淀与凝固之间的关系变性Pr不一定沉淀沉淀Pr不一定变性变性Pr不一定凝固凝固的Pr一定变性 四 蛋白质的沉淀与凝固 定义 蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀 蛋白质胶体颗粒的沉淀 带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质 在等电点的蛋白质 酸 酸 碱 碱 脱水 脱水 脱水 不稳定的蛋白质颗粒 沉淀 带正电荷的蛋白质 疏水胶体 带负电荷的蛋白质 疏水胶体 碱 酸 亲水胶体 亲水胶体 亲水胶体 1 蛋白质的紫外吸收大部分蛋白质均含有带共轭双键的Tyr 色氨酸 和Trp 络氨酸 等芳香族氨基酸 这两种AA分子中的苯环在280nm附近有特征性吸收峰 在此波长范围 蛋白质的 光密度值 OD280与其浓度成正比 利用这个性质 可以对蛋白质进行定量测定 五