1绪论、蛋白质ppt课件

1、生生 物物 化化 学学Biochemistry医学检验学院临床生物化学教研室医学检验学院临床生物化学教研室 绪 论第一章第一章 生物化学就是生命的化学。它是研究生物化学就是生命的化学。它是研究活细胞和有机体中存在的各种化学分活细胞和有机体中存在的各种化学分子及其所参与的化学反应的科学。子及其所参与的化学反应的科学。 分子生物学：是研究生物大分子结构、分子生物学：是研究生物大分子结构、功能及其调控机制的科学。功能及其调控机制的科学。 一、生物化学发展简史一、生物化学发展简史二、生物化学研究内容二、生物化学研究内容三、生物化学与医学三、生物化学与医学生物化学发展简史生物化学发展简史1.叙述生物化学

2、阶段叙述生物化学阶段 18世纪中世纪中19世纪世纪末末2.动态生物化学阶段动态生物化学阶段 20世纪初开始世纪初开始3.分子生物学时期分子生物学时期 20世纪中以后世纪中以后 生物化学研究内容生物化学研究内容 生物分子的结构与功能生物分子的结构与功能 物质代谢及其调节物质代谢及其调节 遗传信息的传递及其调控遗传信息的传递及其调控 机能生化机能生化 生物化学与医学生物化学与医学 生物化学的理论与技术已渗透到医学科生物化学的理论与技术已渗透到医学科学的各个领域学的各个领域 生物化学与分子生物学在生命科学中占生物化学与分子生物学在生命科学中占有重要的地位有重要的地位 生物化学的发展促进了疾病病因、诊

3、断生物化学的发展促进了疾病病因、诊断和治疗的研究和治疗的研究蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第第 二二 章章Structure and Function of Protein蛋白质蛋白质(protein)是由许多氨基酸是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体的重要组成成分蛋白质是生物体的重要组成成分2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能1作为生物催化剂作为生物催化剂2代谢调节作用代谢调节作用3免疫保护作用免疫保护

4、作用4物质的转运和存储物质的转运和存储5运动与支持作用运动与支持作用6参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递3. 氧化供能氧化供能蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第第 一一 节节 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成主要有主要有C、H、O、N和和S。 有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量P或金属元素或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还，个别蛋白质还含有含有 I 。蛋白质的含氮量平均为蛋白质的含氮量平均为16。 通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式：蛋白质含量蛋白质含量 ( g % ) = 含氮

5、量含氮量( g % ) 6.25 蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、氨基酸一、氨基酸 蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300余种，余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，种，且均属且均属 L-氨基酸甘氨酸除外）。氨基酸甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H（一氨基酸的结构特点（一氨基酸的结构特点1. 两性解离及等电点两性解离及等电点2. L、D型异构体型异构体 3. R侧链决定蛋白质侧链决定蛋白质的性质、结构和功能的性质、结构和功能 非极性疏水性

6、氨基酸非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 芳香族氨基酸芳香族氨基酸 酸性氨基酸酸性氨基酸 碱性氨基酸碱性氨基酸（二氨基酸的分类（二氨基酸的分类HCHNH3COOH3CCHNH3COOCHCHNH3COOH3CH3CCH2CHNH3COOCHH3CH3CCHCHNH3COOCH2H3CH3CGlycine(Gly)Isoleucine (Ile)Leucine (Leu)Valine (Val)Alanine (Ala)甘甘氨氨酸酸丙丙氨氨酸酸缬缬氨氨酸酸亮亮氨氨酸酸异异亮亮氨氨酸酸CH2CHNH3COO苯苯丙丙氨氨酸酸Phenylalanine (Phe)CHCOOH2NH2CC

7、H2CH2脯脯氨氨酸酸Proline (Pro)非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸Tryptophan (Try)Methionine (Met)Cysteine (Cys)Serine (Ser)色色氨氨酸酸丝丝氨氨酸酸酪酪氨氨酸酸半半胱胱氨氨酸酸蛋蛋氨氨酸酸CH2CHNH3COO天天冬冬酰酰胺胺Asparagine (Asn)谷谷氨氨酰酰胺胺Glutamine (Gln)NHCHCCH2CHNH3COOHOCH2CHNH3COOHSCH2CHNH3COOTyrosine (Tyr)HOCH2CHNH3COOCH3SCH2CH2CHNH3COOCCHCHN

8、H3COOH3CCH2CHNH3COOH2NOCH2CH2NOHO 苏苏氨氨酸酸Threonine (Thr)3. 芳香族氨基酸芳香族氨基酸Tryptophan (Try)Methionine (Met)Cysteine (Cys)Serine (Ser)色色氨氨酸酸丝丝氨氨酸酸酪酪氨氨酸酸半半胱胱氨氨酸酸蛋蛋氨氨酸酸CH2CHNH3COO天天冬冬酰酰胺胺Asparagine (Asn)谷谷氨氨酰酰胺胺Glutamine (Gln)NHCHCCH2CHNH3COOHOCH2CHNH3COOHSCH2CHNH3COOTyrosine (Tyr)HOCH2CHNH3COOCH3SCH2CH2CHN

9、H3COOCCHCHNH3COOH3CCH2CHNH3COOH2NOCH2CH2NOHO 苏苏氨氨酸酸Threonine (Thr)4. 酸性氨基酸酸性氨基酸5. 碱性氨基酸碱性氨基酸Aspartic acid (Asp)Glutamic acid (Glu)天天冬冬氨氨酸酸谷谷氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COOOOCOOC CH2Lysine (Lys)精精氨氨酸酸赖赖氨氨酸酸Arginine (Arg) 组组氨氨酸酸CH2CHNH3COOCH2CHNH3COONH2CH2CH2CH2CH2CHNH3COONH2CNHCH2CH2NHHCNCHNHCHistidine (H

10、is)二、肽二、肽* 肽键肽键(peptide bond)：是由一个氨基：是由一个氨基酸的酸的-羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的-氨氨基脱水缩合而形成的化学键。基脱水缩合而形成的化学键。（一肽（一肽(peptide)H2N C CHR1OHO+N CHHHR2COOHH2OH2N CCHR1ONCHR2COOHH肽键 多肽链多肽链(polypeptide chain) 二肽，三肽二肽，三肽 寡肽寡肽(oligopeptide)，多肽，多肽(polypeptide) 氨基酸残基氨基酸残基(residue) 氨基末端氨基末端amino terminal和羧基末端和羧基末端carboxyl

11、terminal） 主链和侧链主链和侧链多肽链多肽链 多肽链多肽链（二）（二） 生物活性肽生物活性肽 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)构造构造: : 谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽 谷氨酸的谷氨酸的-羧基形成肽键羧基形成肽键 SH为活性基团为活性基团 为酸性肽为酸性肽 是体内重要的还原剂是体内重要的还原剂GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH GSH还原酶还原酶NADPH+H+ NADP+ 主要功能主要功能: :蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Prot

12、ein 第第 二二 节节蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子结构包括： 一级结构一级结构 (primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)四级结构四级结构 (quaternary structure)高级结构高级结构定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要化学键：肽键主要化学键：肽键二硫键的位置属于一级结构研究范畴。二硫键的位置属于一级结构研究范畴。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生一级

13、结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。物学功能的基础。胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构3021二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空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对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象的构象 。定义：定义：稳定因素：稳定因素： 氢键氢键 （一肽单元（一肽单元 (peptide unit) (peptide unit) 参与组成肽键的参与组成肽键的6个原子位于同一平面，个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构又叫酰胺平面或肽

14、键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。象的基本结构单位。肽单元肽单元RCCCOORNCN肽单元肽单元HHHH 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( -pleated sheet ) -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) （二）（二） -螺旋螺旋长轴基本平行。长轴基本平行。（三）（三）- -折叠折叠多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。 两段以上的两段以上的 -折叠结构平行排列折叠结

15、构平行排列 ，两链间可，两链间可顺向平行，也可反向平行顺向平行，也可反向平行 。两链间的肽键之间形成氢键，以稳固两链间的肽键之间形成氢键，以稳固 -折叠折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。结构。氢键与螺旋长轴垂直。 （四）（四）- -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 - -转角：转角：无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。 肽链内形成肽链内形成180180回折。回折。含含4 4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。第四个形成氢键。 第二个氨基酸残基常为第二个氨基酸残基常为ProPro。 - -转角：转角：三、蛋白质的三级结构三、

16、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der WaalsVan der Waals力等。力等。 稳定因素：稳定因素：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。定义定义 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接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，称为蛋白质的四级触部位的布局和相互

17、作用，称为蛋白质的四级结构。结构。每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基基 (subunit)。血红蛋白血红蛋白Hb的四级结构的四级结构蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第第 三三 节节（一一级结构是空间构象的基础（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一、蛋白质一级结构与功能的关系 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折

18、叠状态，无活性非折叠状态，无活性（二一级结构与功能的关系（二一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-Val His Leu Thr Pro Glu Glu C(146) HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链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，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。（一肌红蛋白与血红蛋白的结构（一肌红蛋白与血红蛋白的结构 二、蛋白质空间结构与功能的关系二、蛋白质空间结构与功能的关系 Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与O2结合后

19、称为氧合结合后称为氧合Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分的百分数称百分饱和度随数称百分饱和度随O2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二血红蛋白的构象变化与结合氧（二血红蛋白的构象变化与结合氧 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线别构效应别构效应(allosteric effect)凡蛋白质或亚基因与某小分子物质凡蛋白质或亚基因与某小分子物质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质或相互作用而发生构象变化，导致蛋白质或亚基功能的变化，称为蛋白质的别构效应。亚基功能的变化，称为蛋白质的别构效应。第四节第四节蛋白质的理化性质The Physical and Ch

20、emical Characters of Protein一、蛋白质的两性解离和等电点一、蛋白质的两性解离和等电点蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，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，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 PrNH3+COOHPrNH3+COO- -PrNH2COO- -OH- -H +OH- -H +兼性离子pH=pI阳离子pHpI蛋白质的等电点蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一p

21、H时，蛋白质解离成时，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，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。称为蛋白质的等电点。利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。二、蛋白质的高分子性质二、蛋白质的高分子性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至万至100万之巨，其分子的直径可达万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。，为胶粒范围之内。 * 蛋白质胶体

22、稳定的因素蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷颗粒表面电荷水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉溶液中蛋白质的聚沉三、蛋白质的变性与凝固三、蛋白质的变性与凝固 * 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性

23、子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。质改变和生物活性的丧失。* 蛋白质的凝固作用蛋白质的凝固作用(protein coagulation) 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固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。的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。 造成变性的因素：造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等属离子及生物碱试剂等 。 变性的本质：变性的本质： 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。质的一级结构。

24、应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂如防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂如疫苗等的必要条件。疫苗等的必要条件。 蛋白质变性后的性质改变：蛋白质变性后的性质改变：溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失及易受蛋白酶水解。生物活性丧失及易受蛋白酶水解。若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。象和功能，称为复性。复性复性(renatu

25、ration) 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性四、蛋白质沉淀四、蛋白质沉淀 在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉 淀 ， 但 并 不 变 性 。 其 中 盐 析沉 淀 ， 但 并 不 变 性 。 其 中 盐 析 ( s a l t ( s a l t precipitation)pre

26、cipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。淀。 五、蛋白质的呈色反应五、蛋白质的呈色反应茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。应。 双缩脲反应双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应

27、，共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。六、蛋白质的紫外吸收光谱特性六、蛋白质的紫外吸收光谱特性由于蛋白质分子中含由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在氨酸，因此在280nm波长波长处有特征性吸收峰。蛋白处有特征性吸收峰。蛋白质的质的OD280与其浓度呈正与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质比关系，因此可作蛋白质定量测定。定量测定。第五节第五节蛋白质的分类Protein classification * * 根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分* * 根据蛋白质形状根据蛋白质形状 纤维状蛋白质