绪论、蛋白质结构与功能201310.ppt

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1、1,生物化学 -绪 论,2,定义： 是研究活细胞和有机体中存在的各式各样化学分子及它们所参与的化学反应的一门学科。是在分子水平上研究生命分子基础，探讨生命本质。因此是一门研究生命化学的科学。,3,任务： 在分子水平来描述和解释活细胞内及细胞间的全部化学反应及其与生命活动的关系。具体研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用。,4,对象： 生物-自然界中一切具有生命的物 质（微生物、植物、动物、人）。 医学： 对象是人，但是人体细胞内一些基本生化过程，大多是由简单生物大肠杆菌、酵母等）的研究中获得。,5,内容： 一人体组织细胞内化学分子的组成、结 构、特性及功能 人体的化学

2、组成： 水、生物大分子、无机盐、其它,6,生物大分子： 生物体的物质基础。对生命活动具有十分 密切且重要作用。所以研究生命，首先要 对这类分子的化学组成、含量进行分析。,蛋白质、核酸、糖、脂,7,生物体主要由这些元素组成： H、C、O、N、P、S、Na、Mg、Cl、K、Ca、Mn、Fe、Co、Cu、I、Zn 99% 以上是C、H、O、N 四种元素 化学元素 构件分子 生物大分子 细胞 组织 器官 生物体,8,章节： 蛋白质的结构与功能 核酸的结构与功能 酶- 具有催化化学反应的特殊蛋白质 维生素- 机体不可缺少的营养物质 这一部分内容叫做 叙述生化,9,二人体各化学组分所进行的化学变化 生命的

3、特征是新陈代谢（物质代谢）：维持生命现象正常运动。 生物体不断地和外界环境进行着物质交换，同时体内的各种化学组分又时刻进行着化学变化及更新。,10,生物体内代谢的两个方面： 合成代谢：由较小的分子合成较大的分子。 分解代谢：由较大的分子降解为较小的分子。 在代谢过程中，伴随着物质之间的相互转化及能量的产生及利用。 这一部分是生物化学的重点 动态生化,11,章节：,糖代谢- 人体能源物质的来源 脂类代谢- 参与能量的供给及其其它的生理活动 生物氧化- 能量的产生 氨基酸代谢- 氨的处理 核苷酸代谢- 核酸的构件分子的形成,12,三遗传信息的储存、传递与表达 生物体有关代谢反应，功能等生命特征的体

4、现就是遗传信息最终表达的结果。,生命中心法则,逆转录,13,章节：,DNA的生物合成- 复制（遗传物质的传代） RNA的生物合成- 转录（遗传物质的表达） 蛋白质的合成 - 翻译（遗传物质的表达） 基因表达调控,14,四、机能生化,肝的生物化学,15,本次课程的安排,第一部分：重点介绍蛋白质、核酸、酶及维生素的结构、基本功能及这些物质的一些特点（18学时) 第二部分：介绍四大物质的代谢及相应的能量代谢（本课程的难点：20学时） 第三部分：遗传性息是如何工作的（分子生物学：8学时） 第四部分：机能生化（4学时） 总复习：2学时,16,本课程的考核,第一部分：平时成绩（出勤、上课提问、上课练习等）

5、，约占20% 第二部分：小测验，约占30% 第三部分：期末考试，约占50%,17,蛋白质的结构与功能 蛋白质（Protein)是生命活动的物质基础和一种具体的表现。研究生命的活动必须了解蛋白质的结构与功能。,18,含量： 约占人体固体成分的45%，是生物 体的基本组成成分之一。 分布：广泛，几乎所有的组织器官、细胞都 有蛋白质存在。（目前所知约有10万 种蛋白质）,19,第一节 蛋白质的分子组成 一、蛋白质的基本组成单位- 氨基酸 组成蛋白质的主要元素： C（50-55%）、H（6-7%）、O（19-24%）、 N（13-19%）、S（0-4）、少量的金属元素,20,比较经典的测定蛋白质含量的

6、方法： 凯氏定氮法：测定样品中的含氮量，随后通过计算得出蛋白质量 蛋白质量 = 含氮克数6.25,特点：含N量比较稳定，平均为16%,21,测的某一蛋白质中氮的含量为5克，下面那个数值最接近于该蛋白质的含量？ 30克 60克 10克 50克 80克,22, 构件分子：L-氨基酸 组成人体蛋白质有20种编码氨基酸,基本结构：,变化的侧链,氨基,羧基,23,共同特点： 除了甘氨酸（含C最少）脯氨酸（环状亚氨酸）外，都具有-氨基、 -羧基 不同点：-碳原子上的R（侧链）基不同,24, 氨基酸的分类 化学分-脂肪族（15种）、芳香族（2种）、杂环（3种） 生物化学分-酸性（2种）、碱性（3种）、中性（

7、15种） 中性侧链-中性极性、中性非极性 营养学分-营养必需与营养非必需氨基酸,25,26,天,27,28,-OH 羟基、 -SH 巯基、 -C=O 酰胺基 NH2 都是亲水基团,29,30,特殊a.a：没有遗传密码（非编码a.a），而 是在蛋白质生物合成后或合成过程 中从相应的编码氨基酸加工修饰形 成。 胱氨酸-由两个半胱氨酸以二硫键形成 羟脯氨酸、羟赖氨酸-由赖氨酸和脯氨酸羟化形成,31,32, 氨基酸的理化性质： 1. 两性解离与点等电点（pI）,R CH COOH R CH COO- R CH COO- NH3+ NH3+ NH2,负离子 （pHpI),33,等电点：,在某一pH溶液中

8、氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，呈电中性时，此溶液的pH为该氨基酸的等电点 酸性： pI 7.5 中性 pI 5.0 6.5,34,2. 紫外吸收特征（280nm）,共轭双键,蛋白质定性,此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系-定量,35,3. 茚三酮反应,-氨基 + 水合茚三酮,有色化合物 + RCHO + CO2,用分光光度法进行定性、定量分析,蓝紫色,36,思考题:,蛋白质的构件分子是什么？ 具有遗传密码编码的氨基酸有几种？ 蛋白质中那种元素含量稳定，约占蛋白质含量的百分之几？ 什么叫酸性氨基酸？有几种？分别是-； 什么叫碱性氨基酸？有几种？分别是-； 含硫的氨基酸有几种？分别

9、是-；,37,哪些氨基酸具有亲水基团？ 哪些氨基酸具有疏水基团？ 哪些氨基酸没有遗传编码的？ 氨基酸处于等电点时，其所带的电荷为多少？ 哪些氨基酸在280 nm波长下游紫外吸收？,38,第二节 蛋白质的分子结构 一、肽键： 一个氨基酸的-氨基与另一个氨基酸 的-羧基脱水缩合而成CO NH,39,肽键是蛋白质分子中最基本的化学键 肽键是共价键，比较牢固,40, 肽：氨基酸通过肽键相连的化合物 寡肽：10个氨基酸相连的肽 多肽：10个氨基酸相连的肽-多肽链 多肽是蛋白质不完全水解产物,41,丝-甘-酪-丙-亮,主链：N-（末）端（H-）、C-（末）端（-OH） 侧链：R基团,氨基酸残基：肽链中的每

10、个氨基酸部分,42,谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（谷胱甘肽GSH）,肽的功能：构成蛋白质 生物活性肽-具有调节功能,43,氧化型和还原型两种形式 功能：保护体内含巯基的蛋白质(酶)不被氧 化.体内需要足够的还原型GSH，保持 RBC膜的完整性 其它一些重要的肽类（生物活性肽）,44,二、蛋白质的一级结构,一级结构-基本结构 多肽链中氨基酸残基的排列顺序。若分子中含有二硫键，一级结构也包括生成二硫键的两个半胱氨酸残基的位置。,45,蛋白质一级结构是区分不同蛋白质最基本、最特征的结构,一极结构是区别不同蛋白质的最基本、最重要的标志之一。因为20种氨基酸排列顺序不同，数量不同，总数不同，组合成不同的蛋白质。

11、,46,基本键：(共价键-肽键、一些二硫键）,一级结构的氨基酸排列顺序是由遗传密码决定。遗传顺序决定了氨基酸排列顺序，而排列顺序又决定了蛋白质空间构象，从而决定蛋白质的功能。,47,1953年Sanger,最早被确定蛋白质一极结构是胰岛素： A、B两条肽链通过二硫键形成 A链：21个氨基酸残基，B链：30个氨基酸残基,48,49,三、蛋白质分子的空间结构 蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系-构象 各种蛋白质的分子形状、理化特性和生物学活 性主要取决与蛋白质特定的构象 蛋白质构象可人为地分成二极、三极、四级,50, 蛋白质的二极结构 蛋白质多肽链主链氨基酸残基折

12、叠卷曲形成的局部肽链的空间结构。,51,（2）主链原子局部空间排布的基本形式： -螺旋、-折叠、-转角、不规则卷曲 维系键： 氢键等非共价键,-螺旋,-折叠,-转角,52,-螺旋（helix）： 肽链中的某段局部盘曲成螺旋，是二极结构中最稳定的一种结构- 球状蛋白质构象中最常见的形式。,53,特征： 螺旋方向N C 右手螺旋 每个螺旋圈平均为3.6个氨基酸残基， 每个残基跨距为0.15nm，每个螺距为3.60.15=0.54nm，R侧链位于螺旋的外侧 螺旋稳定: 依赖与 C=O 和 -NH-间形成的氢键,54,-折叠 与-螺旋相比，比较伸展，呈锯齿状。可塑性比-螺旋大。,55,两个-折叠结构平

13、行排布，以氢键维系。,-片层 （ - pleated sheet structure)：,56,顺向平行：N端、C端方向一致 逆向平行：N端、C端方向相反（稳定）,57,-转角(- turn)： 肽链结构中出现的一种1800的转 折。第一个氨基酸的 C=O与隔几个氨基酸残基（一般为4个）的-NH-之间形成氢键。比-螺旋更紧密，在球状蛋白质中多见。,58,不规则卷曲： 蛋白质中一些没有特别规则的卷曲。是蛋白质分子的特征性二级结构(蛋白质结构和功能的重要部位）,二级结构主要靠非共价键中的氢键维系它的稳定性,59, 蛋白质的三极结构 整个蛋白质多肽链在二极结构的基础上进一步折 叠、盘曲形成球状、椭圆

14、、棒状、钎维状等不同形 状的蛋白质分子。包括了整条多肽链种全部氨基酸 原 子（主链、 侧链上的所有原子）的排布。,60,组成：核心多为疏水基团，表面是亲水基团,61,结构域的形状： 大多类似“口袋”、“洞穴”状 这些结构域与蛋白质活性有直接关系，是蛋白质的活性部位- 功能域。,结构域：肽链中某些局部的二级结构汇集在一 起，形成发挥生物学功能的特定区域,62,稳定和维系三极结构的键：,疏水键是维持蛋白质三级结构的最主要的键,63,大多数蛋白质是有一条多肽链组成，相对稳定的三级结构是特征性的空间结构，是蛋白质分子最显著的特征之一。 一级结构不同 - 形成的三级结构不同 -生理功能不同,三极结构与蛋

15、白质活性的关系： 具有活性的蛋白质绝大多数有三极结构。,64,蛋白质的四级结构 两条或两条以上具有独立的三极结构的肽链通过非共价键相连聚合而成。 亚基：在蛋白质四级结构中每一条具有独立三极 结构的多肽链，单独存在时不具有活性。 几个亚基结构可以相同，也可以不同。,65,66,维系键：盐键、疏水键、氢键 Hb：4个亚基组成 两个亚基、两个亚基,67,血红蛋白不同层次的结构,68,思考题,蛋白质结构分几个层次？ 蛋白质各个层次结构的定义 亚基出现在蛋白质的哪一结构中? 蛋白质结构中有哪些共价键和非共价键？这些键分别维系蛋白质的哪一层次的结构 肽和肽键的含义是什么？,69,第三节 蛋白质分子结构和功

16、能之间的关系, 一级结构与功能的关系,蛋白质只有具有空间结构才具有活性，而空间结构是根据肽链中氨基酸残基排列顺序、数量和种类决定。 不同的一极结构蛋白质，功能也不同,70,1.蛋白质分子中“关键部位”氨基酸残基改变，会影响到它的功能，甚至造成疾病。 - 分子病：蛋白质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失而造成的疾病。 如HbS： 链第6位谷氨酸换成缬氨酸,71,镰刀形红细胞贫血,HbS,N-val his leu thr pro glu glu C(146),HbS 肽链,HbA 肽 链,N-val his leu thr pro val glu C(146),血红蛋白溶解度降低 氧分压

17、低的外周毛细管中易沉淀并凝集 红细胞破裂溶血、运氧功能低下,72,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,核糖核酸酶,形成一级结构的二硫键破坏后，生物学活性丧失。,73,2. 蛋白质分子中“非关键部位”的一些氨基酸残基的改变或缺失，不会影响蛋白质分子的生物活性。 蛋白质一级结构序列并不完全一样，但只要参与活性区域形成的某些氨基酸的位置不变，将不会影响到蛋白质功能。,74,不同种属来源的胰岛素 一级结构不完全相同，但与特定的空间结构形成有关的氨基酸残基完全一样。 51个氨基酸残基中24个一样，半胱氨酸残 基的数目及位置不变，发挥功能相同。,75, 蛋

18、白质 空间结构与功能的关系,蛋白质具有空间结构才具有功能，不同空间结构的蛋白质功能不同 机体一些代谢调节- 可以通过改变蛋白质的构象引发其功能的变化,76,四级结构的蛋白质具有别构作用： 生理性小分子作用与某些具有四级结构的蛋白质（酶），与其活性中心以外的部位（别位）结合，引起蛋白质（酶）的构象发生轻微的变化，分子变得疏松或紧密，活性也发生变化（有到无、无到有、升高、降低）。,Hb是一个比较典型的可调节蛋白质 有两种天然的构象： T（紧密型）：与O2亲和力低，不易与O2结合。 R（松弛性）：与O2亲和力高，易与O2结合,78,思考题,蛋白质非关键部位的氨基酸改变，是否对蛋白质功能产生影响 蛋白

19、质关键部位的氨基酸改变，是否对蛋白质功能产生影响。 分子病主要是指蛋白质哪一层次结构发生问题 别构作用主要发生在蛋白质几级结构上。,79,第四节 蛋白质的分类,按组成分类,单纯蛋白质：组分中只有氨基酸 结合蛋白质：组分中除了氨基酸外，还有些非 蛋白部分（辅基）,种类：核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、 金属蛋白、色蛋白（HB）,80,按分子形状分类,球状蛋白：整个分子盘卷成球形或椭圆形，大多 是胞浆或体液中的蛋白质。 纤维状蛋白：分子构象成长钎维形，大多是一些 结构蛋白，不溶水。,81,按功能分类,活性蛋白：大多易溶于水，体内自身代谢更新 快，有广泛的生理性功能（酶、蛋 白激素、运输和储存蛋白）

20、。 非活性蛋白：代谢更新慢，一些起保护、支持 功能的结构性蛋白质（角蛋白、胶原 蛋白）,82,第三节 蛋白质的理化性质,一、蛋白质两性解离特性与结构的关系,蛋白质是由两性的氨基酸组成，所以也具有两性解离的特性。,在不同的pH条件下，这些基团可解离成带正电荷或带负电荷。,83,蛋白质在溶液中的解离和带电荷的状况是受溶液中的H+影响 这种两性解离的性质可以在溶液中起缓冲作用,（pHpI),84,不同的蛋白质一极结构不同，氨基酸的数量、种类不同，电离基团不同，pI不同。,蛋白质的等电点： 当溶液处于某一pH值时，蛋白质分子所带正负电荷相同，即净电荷为零，此时溶液的pH值为蛋白质的等电点。,85,利用

21、这一特性，将混合的蛋白质固定在同一个pH上，置于一个支持物上，利用电泳法将混合蛋白质分离开来。,86,二、蛋白质的胶体性质,大分子，属胶体颗粒。 表面有亲水基团，易溶于水 两个因素： 水化膜：极性的亲水基团多分布在蛋白质分子 表面， 与周围的水分子结合，在蛋白质颗粒表面形成 一层水膜。 电荷：蛋白质分子表面的亲水基团能解离或结合H+， 使其表面带有一定的净电荷。,87,功能：水化膜的形成，可防止蛋白质分子间因碰撞而 互相聚集 成更大的颗粒，保持蛋白质溶液的 稳 定性，防止溶液中蛋白质的沉淀析出。,88,实验技术-透析： 利用蛋白质的大分子不能透过一种半透膜，去除小分子，达到纯化蛋白质的目的。

22、离心：超速离心。沉淀大分子蛋白质 沉降系数（S）：单位力场中沉降速度，与分子量、分子形状、分子密度、溶剂密度有关,89,三、紫外吸收特征： 蛋白质在紫外280nm处有最大吸收峰（主要是蛋白质分子中含有酪氨酸、色氨酸残基），可用于蛋白质含量测定,90,四、蛋白质的变性、沉淀和凝固,变性- 在某些理化因素作用下（超声波、高 温、紫外线、强酸、强碱、有机溶剂 等）蛋白质分子内部的非共价键断， 空间结构破坏，引起理化性质改变， 生物活性丧失一极结构未破坏） 。,91,日常生活中例子：,变性蛋白质的特性： 1. 活性丧失 2. 溶解度降低（内部的疏水基团暴露，使蛋白质 容易沉淀） 3. 黏度增加。 4.

23、易被酶水解，肽链构象由卷曲变为伸展，肽键暴露。,92,复性：绝大多数蛋白质变性后不能恢复活性。 有些蛋白质如变性时间短，变性程度 轻，在合适的条件下（去除变形剂）可 重新恢复天然构象和生物活性。,93,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,核糖核酸酶,形成一级结构的二硫键破坏后，生物学活性丧失。,94,蛋白质的沉淀： - 蛋白质分子聚集，从溶液中析出 绝大多数蛋白质变性后容易沉淀，但沉淀的蛋白质不一定变性。 实验技术- 盐析 破坏蛋白质的水化膜或使蛋白质处于电中性状态，但不破坏蛋白质内部的空间结构- 生物活性不会丧失。是生物制品的制备方法。,95

24、,蛋白质凝固：,在强酸或强碱的作用下，变性后，将溶液的pH调至等电点，蛋白质会形成絮状的不溶解物，经加热后转变成较坚固的凝块，不再溶于强酸强碱中，为蛋白质凝固,96,思考题,蛋白质的紫外吸收特征是什么？ 什么为蛋白的等电点？ 蛋白质的变性有哪些特点，请举出日常生活中的例子。,97,人体内具有遗传密码的氨基酸有多少种？ 300 30 20 10 5,98,组成蛋白质的碱性氨基酸有几种？ 2 3 5 10 20,99,测的某一蛋白质中氮的含量为5克，下面那个数值最接近于该蛋白质的含量？ 30克 60克 10克 50克 80克,100,谷胱甘肽是由几个氨基酸残基组成的小肽 2 3 9 10 39,101,维持蛋白质-螺旋的化学键主要是： 肽键 二硫键 盐键 氢键 疏水键,102,蛋白质的等电点是指： 蛋白质在溶液中带正电荷 蛋白质在溶液中带负电荷 蛋白质在溶液中带相同的正电荷和负电荷 蛋白质在溶液中不带电荷,103,注射时用70%的酒精消毒是使细菌蛋白质 变性 别构 沉淀 电离 溶解,104,小练习-蛋白质,为什么蛋白质的空间结构容易受各种因素的影响而发生改变或破坏。 变性和别构对蛋白质一级结构和空间结构的影响,