生物大分子结构与功能.ppt

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1、第一专题 生物大分子的结构与功能： 蛋白质的结构与功能 核酸的结构与功能 酶的结构与功能 维生素、微量元素 生物大分子(Biomacromolecule) 指有一定分子结构规律，即由一定的基本结构单 位，按一定的排列顺序和连接方式而形成的多聚 体，分子量一般大于104。 蛋白质与核酸是体内主要的生物大分子 u核酸具有传递遗传信息的功能 u蛋白质几乎涉及所有的生理过程 一、蛋白质的结构与功能一、蛋白质的结构与功能 蛋白质的重要性 蛋白质是生命的物质基础, 是构成生物体的基本成 分，是生命活动的执行者。人体的45%为蛋白质, 脾、肺、肌肉含量均超过80%, 细菌的含量为 5080%, 干酵母的含量

2、为46.6%。 蛋白质的生物学功能 生物催化(酶) 代谢调节 (多肽激素等) 免疫保护(免疫球蛋白,补体等) 物质转运和贮存(离子通道,转运载体等) 运动与支持(肌蛋白) 生长、繁殖、遗传和变异 生物膜的功能和受体 生化制药(分离纯化血液制品,基因工程产品) 蛋白质的结构 蛋白质由20种氨基酸经肽键连接而成 生物体蛋白质平均由300-400个氨基酸组成,平均分 子量(MW)30,000-45,000 一个含有100个氨基酸组成的蛋白质可存在20100 种不同的形式 E. coli约含有3,000种蛋白质,人体约含有100,000种 第一节第一节 氨基酸与多肽氨基酸与多肽 一、一、 氨基酸氨基酸

3、 ( (amino acid)amino acid) 蛋白质是由氨基酸组成的：蛋白质是由氨基酸组成的： 蛋白质蛋白质 混合物混合物 2020种基本氨基酸种基本氨基酸 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成: : C H O N S P I Se C H O N S P I Se 等等, ,其中含氮元素约其中含氮元素约 16%16%, ,根据含氮量可计算出样品中的蛋白质含量根据含氮量可计算出样品中的蛋白质含量: : 每克样品含氮克数每克样品含氮克数6.25 100=1006.25 100=100g g样品中的蛋白质含量样品中的蛋白质含量( (g%)g%) 酸、碱、酶酸、碱、酶电泳电泳 核糖核酸酶核糖核

4、酸酶 蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位氨基酸氨基酸 编码氨基酸：编码氨基酸：20 20 种种 , , 除除GlyGly外，均为外，均为L-L- 氨基酸氨基酸, , ProPro为为 环状亚氨酸环状亚氨酸 非编码氨基酸：胱氨酸、碘代酪氨酸、羟脯氨酸与非编码氨基酸：胱氨酸、碘代酪氨酸、羟脯氨酸与 羟赖氨酸等羟赖氨酸等 COO- C NH3 R L-L-氨基酸通式氨基酸通式 H + + R R 为侧链为侧链 HO C HHO C H CHOCHO CHCH 2 2 OHOH H H3 3 N N C H C H + + CHCH 3 3 COO COO - - L-L-甘油醛甘油醛L-L-丙

5、氨酸丙氨酸 按照按照 R R 的化学性质分为：的化学性质分为： 1.1.非极性、疏水性氨基酸非极性、疏水性氨基酸 R R 为烃基、苯甲基等非极性基团（为烃基、苯甲基等非极性基团（Gly,Ala,Val,Leu,Ile,Phe,ProGly,Ala,Val,Leu,Ile,Phe,Pro） 2. 2. 极性、中性氨基酸极性、中性氨基酸 R R 为羟基为羟基( (Ser,Thr,TyrSer,Thr,Tyr) )、巯基巯基( (Cys,MetCys,Met) )、酰胺基酰胺基( (Trp,Asn,GlnTrp,Asn,Gln) )等极性基团等极性基团 , , 有亲水性，在中性溶液中不电离有亲水性，

6、在中性溶液中不电离 3. 3. 酸性氨基酸酸性氨基酸( (Asp,GluAsp,Glu) ) 4. 4. 碱性氨基酸碱性氨基酸( (Lys,ArgLys,Arg) ) 非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 氨基酸的缩写与等电点 中文名英文名三字符一字符pI 甘氨酸GlycineGlyG5.97 丙氨酸AlanineAlaA6.00 缬氨酸ValineValV5.96 亮氨酸LeucineLeuL5.98 异亮氨酸IsoleucineIleI6.02 苯丙氨酸PhenylalaninePheF5.48 脯氨酸ProlineProP6.30 色氨酸TryptophanTrpW

7、5.89 丝氨酸SerineSerS5.68 酪氨酸TyrosineTyrY5.66 半胱氨酸CysteineCysC5.07 蛋氨酸MethionineMetM5.74 天冬酰氨AsparagineAsnN5.41 谷氨酰氨GlutamineGlnQ5.65 苏氨酸ThreonineThrT5.60 天冬氨酸Aspartic acidAspD2.97 谷氨酸Glutamic acidGluE3.22 赖氨酸LysineLysK9.74 精氨酸ArginineArgR10.76 组氨酸HistidineHisH7.59 - - OOC-CH-CHOOC-CH-CH 2 2 -SH + HS-C

8、H-SH + HS-CH 2 2 -CH-COO-CH-COO - - - - OOC-CH-CHOOC-CH-CH 2 2 -S-SS-CHS-CH 2 2 -CH-COO-CH-COO - - + + NHNH 3 3 + + NHNH 3 3 + + NHNH 3 3 + + NHNH 3 3 -2H-2H 半胱氨酸半胱氨酸 胱氨酸胱氨酸 胱氨酸和二硫键胱氨酸和二硫键 COO- C NH3 R L-氨基酸通式 H + + R R 为侧链为侧链 H GlyGly CH3 AlaAla (CH3)2-CH Val Val (CH3)2-CH-CH2 LeuLeu CH3-CH2-CH I C

9、H3 R 非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸 PhePheIleIle COO- C NH3 R H + + 极性中性氨基酸极性中性氨基酸 N CH2 SerSer TyrTyr CysCys ThrThr AsnAsn MetMet GlnGln TrpTrp COO- C NH3 R H + + AspAsp GluGlu LysLys 碱性氨基酸碱性氨基酸 ArgArg HisHis (1) (1) R R为脂肪烃基为脂肪烃基: : (2) (2) R R为羟基和硫：为羟基和硫： 小小 结结 GlyGly、AlaAla、ValVal、LeuLeu、IleIle疏水性逐渐增加疏水性逐渐增

10、加, , pI pI几乎相等几乎相等 SerSer、ThrThr含羟基含羟基, ,SerSer有极性可形成氢键有极性可形成氢键, , 大多数酶的活性中心有大多数酶的活性中心有 该残基存在该残基存在, , ThrThr形成氢键能力弱；形成氢键能力弱；CysCys含巯基含巯基, , 两个两个CysCys可形成含可形成含 二硫键的二硫键的胱氨酸胱氨酸, , 二硫键在蛋白质的结构中起重要作用二硫键在蛋白质的结构中起重要作用; ;R R中含甲中含甲 硫基硫基(- (-SCHSCH 3 3 ) )的为的为MetMet -(CH -(CH 2 2 ) ) 2 2 -S-CH-S-CH 3 3 (3) (3)

11、 R R含芳香基团的有：含芳香基团的有： (4) (4) R R为碱性基团的有：为碱性基团的有： PhePhe、TyrTyr、TrpTrp在在280280nmnm有紫外吸收峰有紫外吸收峰; ;均含一个共轭均含一个共轭 电子体系电子体系, ,易与缺易与缺 电子体系形成电荷转移复合物或电电子体系形成电荷转移复合物或电 子重叠物子重叠物, , 在受体在受体- -底物和分子识别中起作用底物和分子识别中起作用 HisHis 含三个可解离基团含三个可解离基团, , 故在酶的催化机制中有重要作用故在酶的催化机制中有重要作用 LysLys 在生理条件下带有一正电荷在生理条件下带有一正电荷( (NHNH 3 3

12、 + + ) ) ArgArg 的胍基几乎完全质子化的胍基几乎完全质子化, , 是已知最强的有机碱是已知最强的有机碱 (5) (5) R R有酸性基团：有酸性基团： AspAsp 和和 GluGlu 为生理条件下仅有的带负电荷的氨基酸为生理条件下仅有的带负电荷的氨基酸 (6) (6) R R中含酰基的氨基酸中含酰基的氨基酸 AsnAsn 和和 GlnGln 分别分别为为 AspAsp 和和 GluGlu 的酰胺化产物的酰胺化产物, , 酰胺基中的氨酰胺基中的氨 基易发生氨基转移反应基易发生氨基转移反应, , 在生物合成和代谢中有重要作用在生物合成和代谢中有重要作用 (7) (7) R R为环状

13、的为为环状的为ProPro 由于其由于其-NH-NH 2 2 在环中在环中, , 多肽中多肽中ProPro所在位置易发生方向变化所在位置易发生方向变化, , 在蛋白质立体结构中有重要作用在蛋白质立体结构中有重要作用 氨基酸的理化性质 1. 物理性质：无色或白色结晶，熔点200，氨基酸均可溶 于强酸、强碱和水，Lys和Arg在水中的溶解度最大，Tyr的 溶解度最小。氨基酸在乙醚中溶解度最小。 2. 两性电离性质：结合或释放质子取决于环境 pH *pI(Isoelectric point)：在一定pH环境下，氨基酸游离成阴、 阳离子的程度及趋势相等或不游离(氨基酸不带电荷或所带 电荷数相等)而成为

14、兼性离子(Zwitterion)，在电场中既不向 阳极也不向阴极迁移时的pH值。 R-CH-COOH R-CH-COO R-CH-COOH R-CH-COO - - R-CH-COO R-CH-COO - - + + NHNH 3 3 NH NH 2 2 + + NHNH 3 3 R-CH-COOHR-CH-COOH NH NH 2 2 +OH+OH - - +OH+OH - - +H+H + + +H+H + + 阳离子阳离子 pHpHpI pI 3. 3. 紫外吸收性质：紫外吸收性质：TrpTrp、TyrTyr和和PhePhe含共轭双键苯环，在含共轭双键苯环，在 280280nmnm 处有

15、最大吸收峰，利用此特点可用分光光度法测定蛋白质处有最大吸收峰，利用此特点可用分光光度法测定蛋白质 含量也可粗略估计核酸中蛋白质污染程度含量也可粗略估计核酸中蛋白质污染程度( (A A260 260/A /A280 280 1.7) 1.7)。 4. 4. 化学性质化学性质: : -NH-NH 2 2 、-COOH-COOH和和R R侧链侧链的活性的活性基团基团可发生相关化可发生相关化 学反应学反应，用于氨基酸，用于氨基酸性质的性质的分析鉴定分析鉴定。 0240250 260 270 280 290 300310 光光 密密 度度 波波 长长 ( ( nm )nm ) 芳香族氨基酸的紫外吸收芳香

16、族氨基酸的紫外吸收 TrpTrp TyrTyr PhePhe 化学性质化学性质 1 1 亚硝酸反应亚硝酸反应：测定产生的：测定产生的N N 2 2 可计算氨基酸的含量可计算氨基酸的含量, , 为为Van Van SlykeSlyke定定 氮法的基础。氮法的基础。 2 2 甲醛反应甲醛反应: : 氨基酸与甲醛反应生成二羟甲基氨基酸氨基酸与甲醛反应生成二羟甲基氨基酸, , 为中和法测为中和法测 定氨基酸含量的依据定氨基酸含量的依据, , 称甲醛滴定法称甲醛滴定法, , 两性氨基酸在与两性氨基酸在与 甲醛反应后使氨基封闭而酸性增强甲醛反应后使氨基封闭而酸性增强, , 可用强碱滴定。可用强碱滴定。 3

17、 2,4-3 2,4-二硝基氟苯反应二硝基氟苯反应：在碱性中生成：在碱性中生成二二硝基苯基氨基酸硝基苯基氨基酸, , N N端分析。端分析。 4 4 与酰氯化合物反应与酰氯化合物反应：-氨基与苯甲氧基甲酰氯氨基与苯甲氧基甲酰氯( (Cbz-ClCbz-Cl) )反应生成反应生成 CbzCbz- -氨基酸氨基酸, , 为化学合成多肽时一个重要的氨基保护反应；为化学合成多肽时一个重要的氨基保护反应； 氨基酸与氨基酸与5- 5-二甲氨基萘磺酰氯反应生成二甲氨基萘磺酰氯反应生成DNS-DNS-氨基酸氨基酸, , 紫外光下紫外光下 强烈荧光强烈荧光, , 灵敏度高灵敏度高, , 用于多肽分析。用于多肽分

18、析。 5 5 茚三酮反应茚三酮反应：与茚三酮在弱酸性溶液中加热可产生有色化合物：与茚三酮在弱酸性溶液中加热可产生有色化合物, , 含游离含游离-氨基的氨基的氨基酸和肽类生成紫色化合物氨基酸和肽类生成紫色化合物, , 而脯氨酸因其而脯氨酸因其 -氨基被取代而生成黄色化合物氨基被取代而生成黄色化合物, , 较灵敏较灵敏, , 颜色深浅可定量。颜色深浅可定量。 二、肽键与肽链二、肽键与肽链 NH2-CH-C + NH-CH-C NH2-CH-C-N-CH-C R1 OH H R2 OH R1 H R2 OH O O O O (Polypeptide bond & Polypeptide chain)

19、(Polypeptide bond & Polypeptide chain) 概念概念: : 肽键肽键： 一个氨基酸的一个氨基酸的-羧基与另一氨基酸的羧基与另一氨基酸的-氨基脱水缩合氨基脱水缩合 肽肽：氨基酸通过：氨基酸通过肽键相连而形成的化合物肽键相连而形成的化合物 寡肽寡肽( (oligopeptideoligopeptide): ): 十个以下氨基酸缩合成的肽统称为寡肽十个以下氨基酸缩合成的肽统称为寡肽 多肽链多肽链( (polypeptide chain)polypeptide chain) : : 十个以上氨基酸形成的肽十个以上氨基酸形成的肽, , 典型的多肽典型的多肽MW10MW1

20、0 4 4 蛋白质蛋白质: : 由一条或几条多肽链组成的生物大分子由一条或几条多肽链组成的生物大分子 氨基酸残基氨基酸残基( (amino acid residues)amino acid residues)：蛋白质肽链中的每个蛋白质肽链中的每个 氨基酸部分氨基酸部分 多肽主链（多肽主链（main chainmain chain）：）：由肽键连接各氨基酸残基形成的由肽键连接各氨基酸残基形成的 长链骨架长链骨架 多肽侧链多肽侧链( (side chain)side chain)：蛋白质多肽链中的各氨基酸侧链基团蛋白质多肽链中的各氨基酸侧链基团 肽的书写格式 NH2-甘-丙-谷-组-蛋-COOH

21、NH2-Gly-Ala-Glu-His-Met-COOH NH2-GAEHM-COOH GAEHM SH O CH2 H H2N - CH - CH2 - C - N - CH - C - N - CH2 - COOH COOH H O 谷胱甘肽 （谷-半胱-甘三肽） 还原过氧化氢还原过氧化氢 解毒解毒( (嗜电子嗜电子) )、 抗氧化抗氧化(- (-SHSH还原剂还原剂) ) 三、医学上重要的多肽三、医学上重要的多肽 羧基羧基 1 1、谷胱甘肽、谷胱甘肽 ( (glutathione,GSHglutathione,GSH) ) 2GSH2GSH GSH GSHGSH GSH 过氧化物酶过氧化

22、物酶 还原酶还原酶 GSSGGSSG NADPNADP + + NADPH+HNADPH+H + + H H2 2O O2 2 2H2H 2 2O O GSHGSH与与GSSGGSSG间的转换间的转换 HC N HN CH C CH2 H2C CH2 CH2 H2C CH2 OC CH - CO - NH - CH - CO - N CH CO - NH2 NH 促甲状腺素释放激素促甲状腺素释放激素( (焦谷氨酰组氨酰脯酰胺焦谷氨酰组氨酰脯酰胺) ) 2 2 多肽类激素多肽类激素 缬缬 鸟鸟 亮亮 D-D-苯丙苯丙 脯脯 短短 杆杆 菌菌 肽肽 脯脯 D-D-苯丙苯丙 亮亮 鸟鸟 缬缬 3 3

23、 多肽类抗生素多肽类抗生素 4 4 小分子肽或寡肽小分子肽或寡肽 (30100(30100个氨基酸个氨基酸) ) 甜味剂甜味剂L L天冬氨酰苯丙氨酰甲酯天冬氨酰苯丙氨酰甲酯- -人工合成人工合成2 2肽肽 促性腺激素释放激素促性腺激素释放激素 1010肽肽 生长激素释放抑制激素生长激素释放抑制激素 1010肽肽 内皮素内皮素 2121肽肽 心钠素心钠素 2828肽肽 促肾上腺皮质释放激素促肾上腺皮质释放激素 4141肽肽 生长激素释放激素生长激素释放激素 4444肽肽 甲状旁腺素甲状旁腺素 8484肽肽 神经肽神经肽P P物质和脑啡肽物质和脑啡肽 抗生素肽抗生素肽短杆菌肽短杆菌肽A A，博莱霉素博莱霉素 6 6 基因工程产品基因工程产品 神经生长因子神经生长因子 118118个氨基酸个氨基酸 GM-CSF 127GM-CSF 127个氨基酸个氨基酸 - -干扰素干扰素 127134127134个氨基酸个氨基酸 -干扰素干扰素 165166165166个氨基酸个氨基酸 白细胞介素白细胞介素 133 133个氨基酸个氨基酸 促红细胞生成素促红细胞生成素 157157个氨基酸个氨基酸 VEGF 121, 189VEGF 121, 189个氨基酸个氨基酸