生物化学第一章-蛋白质化学PPT课件

第一章,蛋白质结构与功能,StructureandFunctionofProtein,一、什么是蛋白质？,蛋白质（Protein）是由19中氨基酸和1种亚氨酸组成的、具有复杂结构和特定功能的大分子物质。,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,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%,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：,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：样品中蛋白质的含量（g）每克样品含氮克数6.25,1/16%,氨基酸(aminoacid)蛋白质的基本构成单位,构成蛋白质的20种氨基酸(aa)的结构特点:,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4类：,1.非极性疏水性氨基酸,2.极性中性氨基酸,3.酸性氨基酸,4.碱性氨基酸,1.非极性疏水性氨基酸,包括8个：色氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、苯丙氨酸（Phe）脯氨酸（Pro）、蛋氨酸(Met),2.极性中性氨基酸,R-基含有极性基团；,酪氨酸(Tyr),生理pH条件下不解离。,甘氨酸(Trp)、,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7个：,3.酸性氨基酸,R-基有COOH(COO-),带负电荷,4.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）,胍基,咪唑基,.,15,蛋白质的分类,（一）按组成分类：单纯蛋白结合蛋白（二）按分子形状分类：球形蛋白质纤维状蛋白质,第二节,蛋白质的分子结构,TheMolecularstructureofProtein,（一）肽键（peptidebond）,一、蛋白质的一级结构,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,.,19,在肽键中，与相连的氧原子和氢原子呈反式构型,（反式）,（顺式）,肽键的特点：,.,20,肽键的特点：,CN单键为0.149nm,C=N双键为0.127nm,具有部分双键性质,不能自由旋转,肽键中键长为0.132nm,.,21,肽单元（肽平面）：肽键的6个原子C1、C、N、O、H、C2位于同一平面，构成所谓的肽单元,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,二、肽（peptide）,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，故称,氨基酸序列书写：以氨基末端开始羧基末端结束，依次编1、2、3,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r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,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,一级结构（primarystructure）,二级结构（secondarystructure）,三级结构（tertiarystructure）,四级结构（quaternarystructure）,高级结构或空间构象,蛋白质分子结构包括,.,32,一、蛋白质的一级结构,定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键,各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同,.,36,二、蛋白质二级结构,氢键疏水键是维持蛋白质三、四级机构最主要的化学键。盐键二硫键范德华力,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。,疏水相互作用,由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力,疏水作用示意图,离子键,由异性电荷间的静电吸引形成的键。,范德华力,这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力,二、蛋白质二级结构,定义：多肽链主链骨架中若干肽单位各自沿着一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则的构象。主要的化学键：氢键,.,42,主链骨架由：N(氨基氮)-C-Co重复排列而成,（二）蛋白质的二级结构类型,螺旋结构折叠结构-转角无规则卷曲,螺旋(helix),由肽键平面盘旋形成的螺旋状构象,1.概念,2.螺旋的结构特征,(1)以肽键平面为单位,以碳原子为转折盘旋形成右手螺旋,左手和右手螺旋,(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,折叠(pleatedsheet),-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并与棱角垂直。,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。,.,53,b-折叠的同向与反向平行,转角,转角(turn),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.,无规卷曲(randomcoil),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,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,疏水键、离子键、氢键、范德华力等,肌红蛋白（Mb）,维系蛋白质结构的作用力,1.肽键,共价键,2.二硫键,共价键,3.次级键,非共价键,维系蛋白质空间结构,维系蛋白质一级结构,维系蛋白质三级结构,次级键的种类：,氢键、疏水相互作用、离子键和范德华力,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，每条肽链各自形成了独立的三级结构，分子中的每一个具有独立三级结构肽链,称为亚基(subunit)。,.,61,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，称为蛋白质的四级结构。亚基间以次级键相连，绝无共价键。,亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,三、蛋白质结构与功能的关系,TheRelationofStructureandFunctionofProtein,（一）一级结构是空间构象的基础,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一级结构不同的蛋白质功能不同,胰岛素的一级结构及种属差异,（二）一级结构与功能的关系,ACTH促肾上腺素皮质激素,MSH促黑激素,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,患者：Val,二、蛋白质空间结构与功能的关系,空间结构式蛋白质实现其功能的基础，空间构象改变，功能也随之发生相应的变化。,蛋白质构象改变与疾病,蛋白质构象疾病：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，严重时各导致疾病发生。,蛋白质构象改变导致疾病的机理：,有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。,这类疾病包括：人文状体脊髓变性疾病，老年痴呆症，疯牛病等。,疯牛病中的蛋白质构象改变:,疯牛病是朊病毒蛋白（prionprotein，PrP）引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含螺旋，称为PrPC，PrPC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。,第3节,蛋白质的理化性质,ThePhysicalandChemicalCharacters,一、蛋白质的理化性质,（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。,+OH-,+H+,+OH-,+H+,pH=pI,pHpI,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1100nm之间,属胶体颗粒范围，,蛋白质的胶体原因：,表面形成水化层,表面同种电荷的斥力,（二）蛋白质的高分子性,在溶液中能形成稳定的胶体,（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、,尿素、,胍、,重金属,生物碱、,化学因素：,物理因素：,剧烈振荡,热、,紫外线、,超声波、,变性蛋白质的主要特征:,（2）生物活性丧失。,（4）变性蛋白质容易消化。,（1）破坏非共价键和二硫键，空间构象被破坏，不改变蛋白质的一级结构变性的本质,（3）变性蛋白质的溶解度常降低,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，这一现象被称为沉淀。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,2.蛋白质的沉淀(pre-cipitation),3.蛋白质的凝固作用（proteincoagulation),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。,.,88,四、沉淀法,盐析法有机溶剂沉淀法加热沉淀法重金属盐沉淀法生物碱试剂沉淀法,五、蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280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,双缩脲反应（biuretrection）,蛋白质和多肽分子中肽键在碱性溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色。,因此双缩脲反应可检测蛋白质水解程度酚试剂反应（蓝色化合物）茚三酮反应（蓝紫色化合物）,.,91,第四节蛋白质的功能,一、蛋白质的生物学功能,1）生物催化剂（酶）2）代谢调节(胰岛素)3）免疫保护（抗体）4）物质的转运和储存（血红蛋白）,.,93,5）运动和支持作用（肌动蛋白）6）参与细胞间信息传递（受体）7）控制生长和分化（核蛋白）8）参与组成生物膜,.,94,二、食物蛋白质的营样作用,维持组织器官的生长，发育以及修补作为体内许多重要物质合成和更新的原料维持体内水分的正常分布氧化功能,.,95,第5节蛋白质类药物的工业生产,一、蛋白质的提取常用的方法主要是：超声波、电动搅拌器、匀浆器破坏动物组织和细胞，加研磨器、高压挤压、用纤维素酶破坏植物组织和细胞。,.,96,二、分离纯化方法,盐析法低温有机溶剂沉淀法等电点沉淀法（等电点时，溶解度最小）,一）以溶解度为依据,.,97,二）以分子大小和形状为依据,透析法超滤法凝胶过滤法,(一)透析和超滤法,透析（dialysis）是利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。,应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩的目的，称为超滤法。,透析工作图,半透膜原理,.,100,三）以电离性质为依据,电泳法离子交换层析法,四）配基特异性为依据的分离纯化方法,分类：根据支持物的不同，电泳电泳可分为：薄膜电泳、凝胶电泳。,（二）电泳（electrophoresis）,概念：带电颗粒在电场中向着所带电荷相反方向移动称为电泳。,原理：不同的蛋白质的因结构、形状和带电量的不同而有不同的泳动速度，从而达到分析和分离蛋白质的目的。,(四)层析(chromato