第01章蛋白质化学.ppt

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1、第一篇 生物大分子的结构与功能,蛋白质：生命的物质基础 核酸 ：遗传的物质基础 酶：生物催化剂 生物大分子是由某些基本结构单位按一定顺序 和方式连接所形成的多聚体。 MW104,第一章 蛋白质的结构与功能,Chapter 1 Structure and Function of Protein,本章主要介绍：,1.蛋白质的分子组成 2.蛋白质的分子结构 3.蛋白质分子结构与功能的关系 4.蛋白质的主要理化性质,什么是蛋白质呢？,蛋白质(protein) ： 是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。 种类繁多 功能多样 生命的物质基础,什么是蛋白质?,Fireflies emit lig

2、ht catalyzed by luciferase with ATP,Erythrocytes contain a large amount of hemoglobins, the oxygen-transporting protein.,The protein keratin is the chief structural components of hair, horn, wool, nails and feathers.,第一节 蛋白质的分子组成,Section 1 The Molecular Components of Protein,1碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S

3、),2N, 16%；Pr标志性元素 故每克氮相当与6.25克蛋白质 100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,3少量的：磷、铁、铜、锌和碘等,Pr的元素组成特点：,或,L-氨基酸的结构通式,L-氨基酸（19种） 甘氨酸除外,一、氨基酸(amino acid，aa) 蛋白质的基本组成单位,-碳原子为手性碳原子，因此具有旋光性 (甘氨酸除外） 2.生物界有D-aa，L-aa,但构成人体蛋白质的均 为L-氨基酸。 3.-碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除外)。 4.在水溶液中以两性离子存在。 5.各种aa侧链的大小、性状和带电情况不同。,构成人体Pr的20种AA

4、s的结构特点:,Gly,Ala,Phe,Glu,（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.非极性疏水性侧链氨基酸：甘、丙、缬、 亮、 异亮、苯丙、脯,2.极性中性侧链氨基酸：丝、苏、酪、半胱、 蛋、色、 天冬酰胺、谷氨酰胺,3.酸性氨基酸：谷（Glu)、天冬(Asp),4.碱性氨基酸：赖 (Lys)、精 (Arg)、组 (His),酸性氨基酸,碱性氨基酸,两种特殊的氨基酸,脯氨酸 羟脯氨酸,2分子半胱氨酸 胱氨酸,（一）肽键与肽,一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基 脱去一分子水缩合形成的键称肽键(peptide bond) 氨基酸借肽键相连而形成的化合物

5、称肽(peptide),二、氨基酸与多肽,苯丙氨酸,二肽,丙氨酰苯丙氨酸,C,氨基末端(端),羧基末端(C 端),寡肽(oligopeptide)： 10aa 多肽(polypeptide):许多aa。其形状为一条没有分支的长链，又称多肽链或肽链，即蛋白质。,多肽链具有方向性，N C,生物活性肽,具有一定生物活性的小分子肽类物质，称生物活性肽。 重要的生物活性肽有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。,1. 谷胱甘肽（glutathione, GSH）： 是一种三肽化合物。,种类较多，生理功能各异。 如催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）。,2.多肽类

6、激素：,神经肽主要与神经信号转导作用相关 如脑啡肽（5肽）、-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。,3. 神经肽：,第二节 蛋白质的分子结构,Section 2 Molecular Structure and Function of Protein,蛋白质的分子结构划分为一、二、三、四级结构四个结构层次。,除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即构象（conformation）。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。,一、蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(primary structure)是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。

7、维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。,牛胰岛素的一级结构,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,维系蛋白质空间构象的非共价键,1. 氢键： 氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间，如 C=O H-N。 氢键在稳定蛋白质的空间结构上起着重要的作用。 但氢键的键能较低(12kJ/mol)，易被破坏。,蛋白质分子中氢键的形成,2. 疏水键： 非极性物质在含水的极性环境中存在时，受到水分子是的排斥而相互聚集在一起的作用力，称为疏水键或疏水作用力(hydrophobic interaction)。 蛋白质分子中的

8、许多aa残基侧链是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。,疏水作用示意图,3. 离子键： 离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。,蛋白质分子中离子键的形成,维系蛋白质分子构象的非共价键,（一）蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构(secondary structure)是指 蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容

9、。 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。,二、蛋白质分子的空间结构,蛋白质立体结构原则：,1. 由于C=O双键中的电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转（图）。 2. 与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构。但由于-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的平面结构可以作相对旋转。,肽单元的形成,肽单元由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽单元（酰胺平面，肽键平面）。,肽单元示意图,蛋白质的二级结构类型,-螺旋 -折叠 -转角 无规卷曲,（1）-螺旋 (-helix),最常见的二级结构 概念:由肽

10、键平面沿一中心轴旋转所形成的有规律的螺旋构象。,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。,(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）螺旋以氢键维系。,（2） -折叠（-pleated sheet）：,-折叠：肽键平面呈伸展的锯齿状排列形成的结构。 其特征为： 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构； 主链骨架伸展呈锯齿状； 借相邻主链之间的氢键维系。,（3） -转角（-turn）：,-转角(-turn)

11、是多肽链出现180回折的转角处结构。其结构特征为： 主链骨架本身以大约180回折; 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; 构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。,（4）无规卷曲（random coil）：,无规卷曲是指多肽链主链部分形成的没有确定规律的卷曲构象。 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。,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，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。 是具有特殊功能的超二级结构。 已知的模体有：，环，,模体（motif),钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌

12、指结构,核糖核酸酶分子中的二级结构,（二）、蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条多肽链中所有原子的空间排布，包含主链构象和侧链构象。 维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键等。,胰岛素分子的三级结构,肌红蛋白 (Mb),为单肽蛋白质，含有153个氨基酸，有8个螺旋区,大分子蛋白质的三级结构，常可分割成多个球状或纤维状的区域，折叠的较为紧密，各行其功能，称为结构域。 这些结构域再缔合成具有三级结构的蛋白质分子或亚基。,结构域（domain）：,对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的

13、。一般来说，大的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。,型胶原酶的结构域,分子伴侣(chaperon)：帮助新生的肽链形成正确的空间构象的蛋白质。,（三）、蛋白质的四级结构,亚基(subunit)就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有的独立三级结构的多肽链。 蛋白质的四级结构（quaternary structure)就是指蛋白质分子中亚基的空间排布，亚基间接触部位的布局和相互作用。不包括亚基本身的空间结构。 维系蛋白质四级结构的是次级键，绝无共价键。,亚基的立体排布方式,蛋白质分子的结构层次,第三节 蛋白质结构与功能的关系,Section 3 Relation between struc

14、ture and function of protein,一、一级结构是高级结构与功能的基础,1. 一级结构决定蛋白质的空间结构 2.一级结构相似的蛋白质有相似的高级结构与功能 3.氨基酸序列提供重要的生物进化信息 4.重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病,镰刀状红细胞贫血Hb 亚基一级结构的改变,在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致Hb 亚基第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。 这种由遗传物质突变导致某一蛋白质一级结构变化而引起的疾病，称为“分子病”。,二、蛋白质的功能依赖特定的空间结构,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错

15、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，严重时可导致疾病发生。 这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,蛋白质构象改变与疾病,构 象 病,PrPc -螺旋,PrPsc -折叠,正常,疯牛病,PrPc：33-35kD，对蛋白酶敏感，溶于水。 PrPsc抗蛋白水解酶，水溶性差，热稳定，无论紫外线及离于辐射、羟胺或Zn2+均不能使其丧失侵染能力。,第四节 蛋白质的理化性质,Section 3 The Physical and Chemical Characters of Protein,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

16、值。 等电点（pI）：在某一pH值溶液中，蛋白质解离成正、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pH称为蛋白质的等电点。,一、蛋白质的两性解离：,（一）等电点,OH-,H+,pHpI,pH=pI,pHpI,pHpI， Pr-,二、蛋白质的胶体性质及应用：,蛋白质分子的颗粒直径已达1100nm，处于胶体颗粒的范围。因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。 蛋白质分子表面的水化膜和表面电荷是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。,（一） 蛋白质亲水胶体的稳定因素,蛋白质颗粒的表面电荷和水化膜,水化膜,在某些理化因素的作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质的改变和生物学活性的丧

17、失，称为蛋白质的变性。,引起蛋白质变性的因素有： 物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等； 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,二硫键和非共价键的破坏，肽键不被破坏。,变性蛋白质的性质改变： 物理性质：溶解度下降，结晶能力消失，粘度升高，光吸收度增加等； 化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解。 生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性改变。,蛋白质变性的实际意义： 消毒、杀菌 低温保存疫苗 变性蛋白质易消化,蛋白质沉淀：蛋白质从溶液中析出的现象。 方法： 盐析：中性盐，中和蛋白质表面电荷+破坏水化膜被。 重金属盐：与负离子结合形成不溶物。如

18、Mg+、Hg 2+等。 生物碱试剂或某些酸：与正离子结合形成不溶物。 有机溶剂：如乙醇、丙酮等。,蛋白质变性的可逆性： 蛋白质在体外变性后，绝大多数情况下是不能复性的； 如变性程度浅，蛋白质分子的构象未被严重破坏；或者蛋白质具有特殊的分子结构，并经特殊处理则可以复性。,核糖核酸酶的变性与复性,天然构象,加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。因此，凡凝固的蛋白质一定发生变性。,（四）蛋白质的紫外吸收：280nm （酪氨酸、色氨酸） （五）蛋白质的成色反应 双缩脲反应,Thanks！,透析(dialysis) 利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。 超滤法,（二）透析及超滤法分离纯化蛋

19、白质,透析工作图,半透膜原理,分类,单纯蛋白质,结合蛋白质（如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、金属蛋白等）,分类,纤维状蛋白质（一般不溶于水。如胶原蛋白),球状蛋白质（可溶性好。如酶及免疫球蛋白等),蛋白质的分类,蛋白质的分类,* 根据蛋白质组成成分,* 根据蛋白质形状,* 根据蛋白质的功能,酶蛋白 调节蛋白 运输蛋白,二硫键（共价键）,结构域有时也称功能域，功能域是指有功能的部分。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域组成。,从动力学的角度耒看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。,从功能的角度耒看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。,当PH=PI时，Pr溶解度最小，不稳定，易从溶液中沉淀析出。 所以常用此特性将不同的蛋白质从混合液中分离出来。,（二）PI沉淀法分离提取蛋白质,pHpI, Pr- 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：带电荷的不同，颗粒大小不同，形状不同。 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。 应用：电泳技术是生化常用分析技术之一,（三）蛋白质电泳分离,电泳分离蛋白质,2,锌指结构 (模体),