生化蛋白质结构与功能.ppt

第一节,蛋白质的分子组成,TheMolecularComponent,ofProtein,碳(C)50%55%,氢(H)6%8%,氧(O)19%24%,氮(N)13%19%,硫(S)0%4%,少量的：磷(P)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)和碘(I)等,组成蛋白质的元素：,主要元素组成：,蛋白质元素组成特点,各种蛋白质含氮量很接近，平均为16,可根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：每克样品中蛋白质的含量每克样品含氮克数6.25,1/16%,凯氏定氮法-只能检测样品中氮的含量，并不能鉴定蛋白质的真伪,天然动植物食物的主要成分只有蛋白质含有氮，其他主要成分（糖、脂）都不含氮,非蛋白氮氮含量性质用途三聚氰胺66.6%白色无味化工原料尿素46.6%刺鼻农业肥料肼86.1%液态火箭燃料,一、氨基酸(aminoacid，aa)蛋白质的基本组成单位,构成人体蛋白质的20种氨基酸(aa)的特点：,1.均为L氨基酸，各种aa的R侧链各不相同,2.碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除外),3.-碳原子为不对称(手性)碳原子(甘氨酸除外）,（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.非极性氨基酸,2.不带电荷的极性氨基酸,4.酸性氨基酸,5.碱性氨基酸,3.芳香族氨基酸,1.非极性氨基酸,包括7个：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、甲硫氨酸（Met）和脯氨酸（Pro）,2.不带电荷的极性氨基酸,R-基含有极性基团,丝氨酸(Ser)、,半胱氨酸(Cys),天冬酰胺(Asn)、,谷氨酰胺(Gln)、,苏氨酸(Thr)、,包括5个：,3.芳香族氨基酸,包括3个：,色氨酸(Trp)、,苯丙氨酸(Phe),酪氨酸(Tyr)、,4.酸性氨基酸,R-基有COOH(COO-),带负电荷,5.碱性氨基酸,R-基有NH2(NH3+),赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His),带正电荷,精氨酸（Arg）,组氨酸（His）,1.两性解离及等电点,（二）氨基酸的理化性质,等电点(pI)：,aa酸性解离和碱性解离的程度相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值就称为该aa的等电点,pI=1/2（pK1+pK2）,除碱性aa外，其余氨基酸等电点均小于pH7,pHpI,pH=pI,问题：组氨酸在pH值为5.5的溶液中带？电荷,2.紫外吸收性质,色氨酸和酪氨酸在280nm波长附近对紫外光有最大吸收峰,据此可以通过测定蛋白质溶液280nm的吸光值快速测定其蛋白质含量,3.茚三酮反应,aa与水合茚三酮一起加热，生成蓝紫色的化合物，在570nm处有最大吸收峰。据此亦可用作aa含量分析,（一）肽与肽键,二、肽（peptide）,肽键（peptidebond）是由一个氨基酸的-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,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,+,肽键,苯丙氨酰丙氨酸,肽键中与-相连的氧原子和氢原子呈反式构型,（反式）,（顺式）,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,CN单键为0.149nm，,肽键的6个原子C1、C、N、O、H、C2位于同一平面，构成肽单元(peptideunit),肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,寡肽(oligopeptide),由10个以内氨基酸连成的小肽,多肽(polypeptide),由许多氨基酸连成的肽,多肽链（polypeptidechain）是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构,多肽链有两端：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,氨基末端(端),羧基末端(C端),氨基酸残基(aminoacidresidue)：是指氨基酸在形成肽链时丢失了一分子水，肽链中的氨基酸分子已不完整,蛋白质与多肽的区别：,Peptide,空间构象不稳定,氨基酸残基数较少,Protein,空间构象相对稳定,氨基酸残基数较多,（二）生物活性肽,1.谷胱甘肽(glutathione，GSH),构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的羧基,由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)组成的三肽,(1)组成,(2)功能,GSH是体内重要的还原剂,由下丘脑分泌，其功能是促进腺垂体释放促甲状腺素(调节糖代谢),2.促甲状腺素释放激素,(1)组成,(2)功能,第二节,蛋白质的分子结构,TheMolecularstructureofProtein,一级结构（primarystructure）,二级结构（secondarystructure）,三级结构（tertiarystructure）,四级结构（quaternarystructure）,高级结构或空间结构,蛋白质分子结构包括：,一、蛋白质的一级结构,定义：指蛋白质中氨基酸的数目、排列顺序及共价连接主要的化学键：肽健，有些蛋白质还包括二硫键(P8)氨基酸序列书写：以N-末端开始，C-末端结束，依次编1、2、3,胰岛素的一级结构,各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同,二、蛋白质的二级结构,定义：是指蛋白质分子中一段多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，并不涉及到aa侧链R基团的构象主要的化学键：氢键,负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引的作用力,蛋白质的二级结构类型：,螺旋结构(helix),折叠结构(pleatedsheet),-转角(turn),无规卷曲(randomcoil),(一)螺旋,由肽键平面(肽单元)盘旋形成的右手螺旋状构象,1.概念,2.-螺旋的结构特征,(1)以肽键平面(肽单元)为单位,以-碳原子为转折盘旋形成右手螺旋,(2)每3.6个氨基酸残基绕成一个螺圈(3600),螺距为0.54nm,每个氨基酸上升0.15nm,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,是稳定螺旋的主要作用力,氢键的方向与中心轴大致平行,（二）折叠,又叫-片层，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。肽链的主链呈锯齿状折叠构象在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上,1.概念,2.折叠结构特点,()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,()由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴接近垂直,()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,(三)转角,肽链出现1800回折的转角处结构称为转角,1.概念,2.结构特征,*第一个残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键,*常见于球状蛋白质分子表面,(四)无规卷曲,概念,没有确定规律性的肽键构象,常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠,(五)超二级结构,指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具有特殊功能的超二级结构，被称为模体（motif）,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,三、蛋白质的三级结构,（一）定义,一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：,疏水键、盐键(离子键)、氢键、范德华力,卵溶菌酶的三级结构含有螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲四种二级结构,疏水键示意图,疏水键,由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力,离子键,由异性电荷间的静电吸引形成,氢键,负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引，这种作用力称为氢键,（二）结构域,在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成两个或多个稳定的球形结构单位，称为结构域,酵母己糖激酶的三级结构两个结构域之间有一个裂隙,四、蛋白质的四级结构(quaternarystructure),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),蛋白质分子中各个亚基的空间排布，以及亚基接触部位的布局和相互作用,蛋白质的四级结构,亚基间的结合力主要是疏水键，其次是离子键和氢键,第三节,蛋白质结构与功能的关系,TheRelationofStructureandFunctionofProtein,（一）一级结构是空间结构的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,以124个氨基酸残基组成的牛胰核糖核酸酶（4对二硫键）为例说明,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,1.一级结构相似的蛋白质功能相似,胰岛素的一级结构及种属差异,（二）一级结构是功能的基础,ACTH促肾上腺素皮质激素,MSH促黑激素,2.一级结构不同的蛋白质功能不同,蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间构象乃至生理功能,例子：镰刀状红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”,HbS与HbA的区别,-亚基第6位氨基酸,正常人：Glu(GAG),患者：Val(GUG),二、蛋白质空间结构与功能的关系,（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构,肌红蛋白（1个亚基）与血红蛋白（4个亚基）的一级结构有较大差异，但均具有与氧可逆地结合的能力,两者分别与血红素共价结合后，再通过血红素中的亚铁离子与氧结合,O2,氧饱和度,静脉血,动脉血,氧分压,P50,100%-,Hb,Mb,血红蛋白与氧结合的正协同效应,（二）血红蛋白空间结构变化与结合氧的能力,*协同效应（cooperativity)指一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响蛋白质分子中另一个亚基与配体的结合能力,促进,正协同效应,抑制,负协同效应,O2,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，继而引起肽链构象改变,变构效应,蛋白质分子与其它小分子物质结合后构象发生改变,其功能也随之变化的现象,Mb只有三级结构，对氧的亲和力大，功能为储存氧Hb有四个亚基，对氧的亲和力相对要小，功能是在肺和肌肉组织间运输氧,结论：空间结构不同的蛋白质，在体内发挥不同的生理功能,（三）蛋白质空间结构改变与疾病,若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但空间结构发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生,如：疯牛病、致死性家族性失眠症等,疯牛病是朊病毒蛋白构象改变引起的人和动物神经退行性病变正常的朊病毒蛋白（prionprotein，PrP）富含螺旋，称为PrPCPrPC在某种未知蛋白质的作用下，可转变成全为-折叠的PrPSC，从而致病,PrPC,螺旋正常,PrPSC,-折叠疯牛病,第四节,蛋白质的理化性质及其分离纯化,（一）两性解离和等电点,蛋白质是两性电解质。在溶液中的带电状况主要取决于溶液的pH值,pH=pI,pHpI,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，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点(pI),蛋白质分子颗粒大小1100nm之间,属胶体颗粒范围，,蛋白质形成稳定胶体的原因：,表面形成水化膜,表面同种电荷的斥力,（二）蛋白质的胶体性质,是亲水胶体,（三）蛋白质的变性、沉淀与凝固,变性后的蛋白称为变性蛋白质,1.蛋白质的变性（denaturation）,在某些理化因素作用下，蛋白质的空间结构被破坏，失去其原有的性质和生物学活性，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,变性蛋白质的主要特征:,（2）生物活性丧失,（1）破坏非共价键(甚至二硫