10020701课件_生物化学_第1章_蛋白质化学.ppt

第一章蛋白质化学,蛋白质的生物学意义,蛋白质的元素组成,蛋白质的氨基酸组成,肽,蛋白质的结构,蛋白质分子结构与功能的关系,蛋白质的性质,蛋白质的分类,蛋白质是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子。,一、蛋白质的生物学意义,1.生物体的组成成分,2.酶,3.运输,4.运动,5.抗体,6.干扰素,7.遗传信息的控制,8.细胞膜的通透性,9.高等动物的记忆、识别机构,二、蛋白质的元素组成,C（5055%）、H（68%）、O（2023%）、N（1518%）、S（04%）、,N的含量平均为16%凯氏（Kjadehl）定氮法的理论基础,三、蛋白质的氨基酸组成,氨基酸是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基酸（20standardaminoacids)组成。,（一）氨基酸的结构通式：19种氨基酸具有一级氨基（-NH3+）和羧基（-COOH）结合到碳原子（C），同时结合到（C）上的是H原子和各种侧链（R）；Pro具有二级氨基（-亚氨基酸）,C如是不对称C（除Gly），则：具有两种立体异构体D-型和L-型2.具有旋光性左旋（-）或右旋（+）,（二）氨基酸的分类,根据R的化学结构（1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr（2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr（3）杂环氨基酸：Trp、His（4）杂环亚氨基酸：Pro,根据R的极性（1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电：Asp、Glu（2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp,3.根据酸碱性质（记忆）,1中性氨基酸：脂肪族：Gly,Ala,Val,Leu,Ile芳香族：Phe,Tyr,Trp含羟基：Ser,Thr含硫：Cys,Met亚氨基酸：Pro含酰胺基：Asn,Gln2酸性氨基酸：Asp,Glu3碱性氨基酸：Arg,Lys,His必需氨基酸：赖，色，苯丙，甲硫，苏，缬，亮，异亮,（三）氨基酸的重要理化性质,一般物理性质无色晶体，熔点极高（200以上），不同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。,两性解离和等电点氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的NH3+正离子和能接受质子的COO-负离子，为两性电解质。,3.化学性质,（1）与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几g）。,调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的+NH3基和COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。,（当氨基酸相互连接成蛋白质时，只有其侧链基团和末端的-氨基，-羧基是可以离子化的。,（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法,OH-,中和滴定,（3）与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应,弱碱性,DNP-氨基酸,（4）成盐反应,（5）酰基化和烃基化反应,（6）成酯反应,HCl气,当羧基变成乙酯后，羧基的化学性质就被掩蔽了，而氨基的化学性质就突出地显示出来。,（7）酰氯化反应,使氨基酸的羧基活化，易于另一氨基酸的氨基结合，在合成肽的工作上常用。,（8）成酰胺反应,H2NCHRCOOC2H5+HNH2,体外,无水,有机体内：,Asp（Glu）+NH4+,Asn（Gln）,Asn（Gln）合成酶,ATP,（9）脱羧反应,H2NCHRCOOH,脱羧酶,（10）迭氮反应,H2N-CHR-COOH,NH2NH2,（-CH3OH）,HNO2,四、肽,一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物。氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）。,当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽，在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧基，每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽键相互连接形成长的、不带支链的寡肽（25个氨基酸残基以下）和多肽（多于25个氨基酸残基）。多肽仍然有游离的-氨基和-羧基。,肽链写法：游离-氨基在左，游离-羧基在右，氨基酸之间用“-”表示肽键。,H2N-丝氨酸-亮氨酸-苯丙氨酸-COOH,Ser-Leu-Phe,（S-L-F）,（一）谷胱甘肽（GSH）,2GSH,GSSG,（二）催产素和升压素,均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。,（三）促肾上腺皮质激素（ACTH）,39肽，活性部位为第410位的7肽片段：Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。,（四）脑肽,脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾。,Met-脑啡肽Tyr-Gly-Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu,-内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。,（五）胆囊收缩素,（六）胰高血糖素,由胰岛-细胞分泌（-细胞分泌胰岛素），29肽。胰高血糖素调节维持血糖浓度。,五、蛋白质的结构,蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）（conformation）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种结构层次：一级结构（primary），二级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。,（一）蛋白质的一级结构（化学结构）,一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键（covalentbonds）主要指肽键（peptidebond）和二硫键（disulfidebond）,牛胰岛素的化学结构,一级结构确定的原则：将大化小，逐段分析，制成两套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后确定蛋白质的完整序列。,目前往往采用从待测蛋白质的基因序列反推出蛋白质的一级结构。,（二）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）,蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。,由于羰基碳-氧双键的靠拢，允许存在共振结构（resonancestructure），碳与氮之间的肽键有部分双键性质，由CO-NH构成的肽单元呈现相对的刚性和平面化，肽键中的4个原子和它相邻的两个-碳原子多处于同一个平面上。,氨基的H与羰基的O几乎总是呈反式（trans）而不是顺式（cis）。,蛋白质构象稳定的原因：1）酰胺平面；2）R的影响。,1.蛋白质的二级结构,指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式,（1）-螺旋（-helix）,Pauling和Corey于1965年提出。,结构要点：1）螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100。,2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键（hydrogenbond），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。,3.613(ns),3)R侧链基团伸向螺旋的外侧。,4）Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。,（2）-折叠结构（-pleatedsheet）,是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。,-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。,（3）-转角（-turn）,为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。,-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。,（4）自由回转,没有一定规律的松散肽链结构。酶的活性部位。,2.超二级结构和结构域*,超二级结构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。,结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构，具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。,3.蛋白质的三级结构,指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的分布。,肌红蛋白,4.蛋白质的四级结构,多肽亚基（subunit）的空间排布和相互作用。亚基间以非共价键连接。,血红蛋白,共价键,次级键,化学键,肽键,一级结构,氢键,二硫键,二、三、四级结构,疏水键,盐键,范德华力,三、四级结构,（三）蛋白质分子中的共价键与次级键,六、蛋白质分子结构与功能的关系,蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学结构，还需要一定的空间构象。,（一）蛋白质一级结构与功能的关系,1.种属差异,蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定它们在亲缘关系上的远近。,2.分子病,蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。,镰状细胞贫血（sick-cellanemia）从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。,-链1234567Hb-AVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-LysHb-SVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys,Val取代Glu,O2,O2,（二）蛋白质构象与功能的关系,别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变的作用。因别构而产生的效应称别构效应。,血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与其它亚基的相互作用。,七、蛋白质的性质,（一）蛋白质的相对分子量,蛋白质相对分子量在100001000000之间。测定分子量的主要方法有渗透压法、超离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。,最准确可靠的方法是超离心法（Svedberg于1940年设计）：蛋白质颗粒在2550*104g离心力作用下从溶液中沉降下来。,*沉降系数（s）：单位（cm）离心场里的沉降速度。,v=沉降速度（dx/dt）=离心机转子角速度（弧度/s）x=蛋白质界面中点与转子中心的距离（cm）,沉降系数的单位常用S，1S=110-13（s）,（二）蛋白质的两性电离及等电点,蛋白质在其等电点偏酸溶液中带正电荷，在偏碱溶液中带负电荷，在等电点pH时为两性离子。,电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率即异，在电泳时可以分开。,1.自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳。,2.区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进行电泳，不同组分形成带状区域。,（1）纸上电泳：用滤纸作支持物。,（2）凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作支持物。,1）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。,2）平板电泳：铺有凝胶的玻板上进行的电泳。,等电聚焦电泳：当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不再移动。,通电,（三）蛋白质的胶体性质,布郎运动、丁达尔现象、电泳现象，不能透过半透膜，具有吸附能力,蛋白质溶液稳定的原因：1）表面形成水膜（水化层）；2）带相同电荷。,（四）蛋白质的沉淀反应,1.加高浓度盐类（盐析）：加盐使蛋白质沉淀析出。,分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中的几种蛋白质分段析出。血清球蛋白（50%(NH4)2SO4饱和度），清蛋白（饱和(NH4)2SO4)。,2.加有机溶剂,3.加重金属盐,4.加生物碱试剂,单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、三氯乙酸能沉淀生物碱，称生物碱试剂。,（五）蛋白质的变性,天然蛋白质受物理或化学因素的影响，其共价键不变，但分子内部原有的高度规律性的空间排列发生变化，致使其原有性质发生部分或全部丧失，称为蛋白质的变性。,变性蛋白质主要标志是生物学功能的丧失。溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被酶消化。,变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称凝固。,有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。,（六）蛋白质的颜色反应,OH,N,本章较全面地介绍了蛋白质化学的基本知识，重点阐述了氨基酸和蛋白质的结构、性质和功能间的依存关系。在学习氨基酸的结构时应联系有机化学的羧酸结构，在学习氨基酸的化学性质时应联系氨基酸的结构，再将氨基酸的结构和特性与蛋白质的结构和特性联系起来。认识蛋白质的重要生物学意义。,提要,蛋白质的分子结构,1.蛋白质的一级结构*组成蛋白质的多肽链数目.*多肽链的氨基酸顺序多肽链内或链间二硫键的数目和位置。,其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,书写从N-末端到C-末端。用AA的3字母缩写符号或单字母符号连续排列,2.蛋白质的二级结构二级结构：蛋白质主链折叠产生的，由氢键维系的有规则的构象。不包括与肽链其他区段的相互关系及侧链构象。常见的有：-螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲等,A多肽链的主链围绕一个“中心轴”螺旋上升，每隔3.6个AA上升一圈，螺距0.54nm，每个肽键的CO与前面第4个肽键的N-H之间成氢键。B螺圈间氢键的取向与中心轴平行，是维系-螺旋的主要作用力。CR侧链在螺旋的外侧D.蛋白质分子多为右手-螺旋。,-螺旋,-折叠的结构特征A.是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列为折叠片，肽链的主链呈锯齿状折叠。,-sheet,-折叠,B相邻肽链上的-CO-与-NH形成氢键，氢键几乎垂直于肽链，维持片层间结构稳定。C肽链的R侧链基团在肽平面上、下交替出现。,-转角-turn-弯曲发夹结构,-转角是多肽主链回转180所形成的部分，它改变肽链的走向。由四个AA残基组成;-转角的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的N-H形成氢键，维系-转角的稳定。-转角中Gly与Pro出现频率高。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,无规卷曲（Randomcoil，自由回转）指不能纳入明确的二级结构的多肽区段。虽然这些区段存在少数柔性的无序区段，但往往既不是卷曲，也非无规。,角蛋白Keratin,-角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。螺旋由二硫键交联起来，一般认为每四个螺圈有一个二硫键。三股右手-螺旋缠绕成原纤维，“92”形成电缆式结构微原纤维，成百根微原纤维结合成的纤维束(大纤维=200nm)结构。一根毛发周围是一怪鳞状细胞，中间为皮层细胞(=20m），大纤维沿轴向排列。,角蛋白的二硫键与烫发,烫发是一项生物化学工程，烫发剂（还原剂）打开-S-S-，固定液（氧化剂）使形成新的-S-S-（不与处理前的相同），新的二硫交联键，使-螺旋束发生扭曲。,-角蛋白,丝心蛋白这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。,丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。由于堆积层之间是由非键合的范德华力所维系，因而丝具有很