【医学课件】生物大分子（蛋白质、核酸和酶）的结构与功能

1、第 一 篇Structure and Function of Biomacromolecule生物大分子的结构与功能 蛋白质 核酸 酶蛋白质的结构与功能第 一 章Structure and Function of Protein本章主要内容组成元素、平均含氮量氨基酸的分类、三字符缩写氨基酸的理化性质肽、肽键、多肽的概念及GSH的功能一级结构的概念二级结构三级结构四级结构蛋白质组学及其研究技术平台蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质的理化性质及别离纯化一、蛋白质概念蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质(

2、protein)是源自希腊字proteios，意思就是primary。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：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个局部都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。1作为生物催化剂酶2代谢调节作用3免疫保护作用4物质的转运和存储5运动与支持作用6参与细胞间信息传递2. 蛋白质具有重要的生物学功能3. 氧化供能其他生物学功能：营养蛋白，结构，毒蛋白蛋 白 质 的 分 子 组 成The Molecular Component of Protein第 一 节 组成蛋白

3、质的元素主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。 体内的含氮物质以蛋白质为主，故测定生物样品中的含氮量，可根据以下公式推算蛋白质的大致含量： 每克样品中蛋白质的含量 = 每克样品含氮量克总氮量的测定凯氏定氮法 1/16% 蛋白质元素组成的特点一、氨基酸 组成蛋白质的根本单位存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸甘氨酸除外。共同特点： 除脯氨酸外，在a-C上皆有一个氨基，故称a-氨基酸； 均为L-氨基酸。氨基酸的D型和L型是与甘油醛相比较而得。

4、通常把含C基团放在纵轴上，看H的位置，左边为D型，右边为L型。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R为侧链RC+NH3COO-H1.根据氨基酸的化学结构分为脂肪族，芳香族和杂环族三类。2.根据氨基酸的R基极性分为： 非极性R基氨基酸，不带电荷极性氨基酸，带电荷极性氨基酸3.根据氨基酸分子中所含氨基和羧基数目的不同分：中性、碱性、酸性氨基酸4.根据氨基酸的R基物理性质，与水的相互作用分为： 疏水氨基酸，亲水氨基酸 一氨基酸的分类非极性疏水性氨基酸 7极性中性氨基酸 8酸性氨基酸 2碱性氨基酸 3根据侧链结构和理化性质氨基酸的分类：* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:甘氨酸 glyci

5、ne Gly G 丙氨酸 alanine Ala A 缬氨酸 valine Val V 亮氨酸 leucine Leu L 异亮氨酸 isoleucine Ile I 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 脯氨酸 proline Pro P 非极性疏水性氨基酸目 录色氨酸 tryptophan Trp W 丝氨酸 serine Ser S 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 半胱氨酸 cysteine Cys C 蛋氨酸 methionine Met M 天冬酰胺 asparagine Asn N 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 苏氨酸 threonine Thr T

6、2. 极性中性氨基酸目 录天冬氨酸 aspartic acid Asp D 谷氨酸 glutamic acid Glu E 赖氨酸 lysine Lys K 精氨酸 arginine Arg R 组氨酸 histidine His H 3. 酸性氨基酸4. 碱性氨基酸目 录几种特殊氨基酸 脯氨酸亚氨基酸 半胱氨酸 +胱氨酸二硫键-HH胱氨酸二氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该

7、氨基酸的等电点。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子 阳离子阴离子当氨基酸仅有2个可解离基团时:当氨基酸仅有3个可解离基团时,可写出其电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值:等电点计算侧链为非极性基团或虽为极性基团但不解离的氨基酸：pI=(pK1+pK2) 酸性氨基酸(Glu、Asp)及Cys：pI=(pK1+pKR)碱性氨基酸(Lys、Arg、His)：pI=(pK2+pKR)带电状态判定 pI-pH0 带正电 pI-pH0 不带电2. 紫外吸收 Trp、Tyr的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的

8、光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3. 茚三酮反响(定量分析) 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，故可作为氨基酸定量分析方法。例外：Pro黄色440nm；Gln, Asn棕色茚三酮反应二、肽* 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。概念：一肽 (peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽键* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。* 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合那么形成三肽* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合

9、而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。* 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。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多肽链有两端* 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端C末端牛核糖核酸酶二 几种生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)GSH过氧化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH复原酶NADPH+H+ NADP+ 功能(1)巯基为体内重要的复原剂，保护蛋白质或酶中的巯基免

10、受氧化。(2)分解H2O2。(3)解毒功能：巯基的亲核性可与外源性亲电子毒物如致癌剂或药物结合。 体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽(neuropeptide)2. 多肽类激素及神经肽三、蛋白质的分类 * 根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分* 根据蛋白质形状 纤维状蛋白质球状蛋白质蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protein 第 二 节蛋白质的分子结构包括 一级结构(primary structure)二级结构(secondary structure)三级结构(tertiary structure)四级

11、结构(quaternary structure)高级结构定义蛋白质的一级结构(primary structure)是指多肽链中氨基酸的排列顺序。一、蛋白质的一级结构主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的根底。目 录二、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(secondary structure)是指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对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。定义 主要的化学键： 氢键 一肽单元(peptide unit) 肽单元又称为肽 单位，是多肽链中从 一个碳原子到相邻 碳原子之间的结构, 由Lin

12、us Pauling和 Ro- bert Corey于20 世纪 30年代末确定。1.肽单位是一个刚性平面: 肽键中的CN键长介于C-N的单键长和双键长之间，故具有局部双键性质，不能自由旋转肽单位的6个原子处于1个平面上肽平面。参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。2.肽键的原子排列呈反式构型。3.相邻肽平面构成二面角： 一个碳原子相连的两个肽平面，由于N1C 和C C2两个键为单键，肽平面可别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。 蛋白质二级结构

13、的主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ) 二 -螺旋-螺旋-helix): Pauling和Corey建立了多种分子模型， 仔细观察了氨基酸和小肽的键角和键长，于1951年提出了-螺旋和-折叠结构模型。螺旋是一个类似棒状的结构 多肽链中各个肽平面围绕同一轴旋转,形成螺旋结构，螺旋一圈含个氨基酸残基，螺距nm。2.肽链内形成氢键： 第一个肽键的N-H与第四个肽键的CO形成氢键。目 录1.-折叠-pleated sheet):为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

14、联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。三-折叠2.肽链走向分平行和反平行两种。-螺旋结构与-折叠结构的比较-螺旋结构-折叠结构氢键链内氢键氢键平行于轴链间氢键氢键垂直于轴R基伸向外侧分布在片层的上下四-转角和无规卷曲转角-turn): -转角常发生于肽链进行180回折时的转角上。通常由4个氨基酸残基组成，其第一个残基的-CO与第四个残基的-N-H形成氢键。氢键包围10个原子。第二个残基常为Pro.-转角2.无规卷曲( random coil ) :无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那局部肽链结构。 五模体在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的

15、空间构象，被称为模体(motif)。钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构 六氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为根底的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或-折叠，它就会出现相应的二级结构。 1.多个酸性氨基酸或碱性氨基酸在同一肽 段内影响-螺旋的形成。、Leu的侧链很大影响-螺旋的形成。使-螺旋中断。4.氨基酸残基的侧链小的肽段才能互相靠 近，有利于-折叠的形成。三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。 主要的化学键蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链

16、中所有原子在三维空间的排布位置。一 定义 目 录 肌红蛋白 (Mb) 纤连蛋白分子的结构域 二结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain) 。三分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象，或形成四级结构。* 可逆地与未折叠肽段的疏水局部结合，随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。 * 也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。 * 在蛋白质分子折叠过程中，对二硫键的正确形成起了重要的作用。 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子

17、键。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触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构(quaternary structure) 。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。同二聚体(homodimer): 两个亚基相同异二聚体heterodimer: 两个亚基不同。1221NCNC血红蛋白的四级结构成人血红蛋白由2条链和2条链组成,各亚基分别含一个血红素.五、蛋白质组(proteome)与 蛋白质组学(proteomics) 蛋白质组：一个组织或一个细胞中基因组所表达的全部蛋白质，或在特定条件下，一个细胞内所

18、存在的所有蛋白质。基因组：代表一个生物细胞内的全部基因和染色体的核苷酸组成。同一个体的所有体细胞均具有均一的基因组，不受机体状态的影响。组织器官的蛋白质组具有多样性、多变性和可调节性，具有不同时、空的差异和深受机体内、外条件的影响。一、概念1、不能从基因组简单地推导出一个细胞的蛋白质组组成。这是因为：细胞不是对所有的基因同时表达；表达的基因因为表达的mRNA不同，可以翻译出不同的蛋白质；同一蛋白质前体经不同的剪接表现出不同的蛋白质；同一种蛋白质在不同的代谢调节条件下可以表现出不同的构象和不同的修饰。2、同一个体的不同发育期中因基因的开关，同一组织或细胞中的蛋白质组组成不同；3、不同的生理状况不同的基因表达出不同的蛋白质组组成；4、不同的病理条件下不同的基因开放而表达出不同的蛋白质组；5、环境因素均可影响细胞内蛋白质组的组成。蛋白质组学：研究和阐述在不同条件下，蛋白质组中全部蛋白质的结构、性质与功能，影响因素及其相互联系。 某种生理功能的蛋白质组学functional proteomics结构蛋白质组学(structural proteomics)亚细胞结构的蛋白质组学(subcellular proteomics)各种疾病的蛋白质组学disease proteomics 等等二、蛋白质组学研究技术平台 依赖于2D、MS新技术的创造和蛋白