页数:106页文件大小:8.95 MB来源: 生物化学ppt课件
本课件沿「元素组成—氨基酸—肽与一级结构—空间构象—功能关系—理化性质」的主线展开,重点说明维系各级结构的化学键、α-螺旋等二级结构形式、血红蛋白的变构与协同效应,以及变性、沉淀与常用分离纯化方法。
蛋白质的结构与功能
Chapter1蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein
蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成
一.什么是蛋白质(protein)?蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。
所有器官、组织都含蛋白质
二.蛋白质的生物学重要性1.生物体重要组 布广:所有器官、组织都含蛋白质,每个细胞的各个部分都含蛋白质。含量高: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%。
具有重要的生物学功能
蛋白质的理化性质及其分离纯化
第一节蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProteinP
一、蛋白质的元素组成:主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼,有些蛋白质还含有碘。
由于体内的含氮物质以蛋白质为主
蛋白质元素组成的特点:各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16%。由于体内的含氮物质以蛋白质为主,因此只要测定生物样品中的含氮量就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量:100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%
二、氨基酸aminoacidaa
二、氨基酸aminoacid,aa. 蛋白质的基本组成单位存在自然界的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。P
氨基酸结构通式
氨酸.氨基酸结构通式CαCOOHCHRH3HCRH3H3N+HCOO-CαH2NH或
为α-氨基酸
两个半胱氨酸易脱氢
-OOC-CH-CH2-S+NH3 两个半胱氨酸易脱氢,形成二硫键 S-CH2-CH-COO-+NH3H+H胱氨酸-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3二硫键-HH
氨基酸的分类
(1)非极性疏水性氨基酸(2)极性中性氨基酸(3)酸性氨基酸(4)碱性氨基酸(一)氨基酸的分类 亲水性氨基酸*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:
非极性疏水性氨基酸的中英文名称:下表列出相关数据。
| 氨基酸 | 英文名称 | 三字母缩写 | 单字母符号 | 等电点pI |
|---|---|---|---|---|
| 甘氨酸 | glycine | Gly | G | 5.97 |
| 丙氨酸 | alanine | Ala | A | 6.00 |
| 缬氨酸 | valine | Val | V | 5.96 |
| 亮氨酸 | leucine | Leu | L | 5.98 |
| 异亮氨酸 | isoleucine | Ile | I | 6.02 |
| 苯丙氨酸 | phenylalanine | Phe | F | 5.48 |
| 脯氨酸 | proline | Pro | P | 6.30 |
原文单字母符号处苯丙氨酸记作「P」,按通用标准应为「F」,已修正。
极性中性氨基酸的中英文名称:下表列出相关数据。
| 氨基酸 | 英文名称 | 三字母缩写 | 单字母符号 | 等电点pI |
|---|---|---|---|---|
| 色氨酸 | tryptophan | Trp | W | 5.89 |
| 丝氨酸 | serine | Ser | S | 5.68 |
| 酪氨酸 | tyrosine | Tyr | Y | 5.66 |
| 半胱氨酸 | cysteine | Cys | C | 5.07 |
| 蛋氨酸 | methionine | Met | M | 5.74 |
| 天冬酰胺 | asparagine | Asn | N | 5.41 |
| 谷氨酰胺 | glutamine | Gln | Q | 5.65 |
| 苏氨酸 | threonine | Thr | T | 5.60 |
原文色氨酸的英文缩写记作「Try」,按通用标准三字母缩写为「Trp」,已修正。
酸性氨基酸与碱性氨基酸的名称:下表列出相关数据。
| 氨基酸 | 英文名称 | 三字母缩写 | 单字母符号 | 等电点pI | 类别 |
|---|---|---|---|---|---|
| 天冬氨酸 | aspartic acid | Asp | D | 2.97 | 酸性氨基酸 |
| 谷氨酸 | glutamic acid | Glu | E | 3.22 | 酸性氨基酸 |
| 赖氨酸 | lysine | Lys | K | 9.74 | 碱性氨基酸 |
| 精氨酸 | arginine | Arg | R | 10.76 | 碱性氨基酸 |
| 组氨酸 | histidine | His | H | 7.59 | 碱性氨基酸 |
氨基酸的理化性质
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两性解离性质氨基酸是两性电解质
1.两性解离性质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。
苯环共轭双键
2.紫外吸收性质苯丙氨酸Phe、色氨酸Trp、酪氨酸Tyr均有紫外吸收大多数蛋白质含有这几种氨基酸残基,所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。苯环共轭双键
可生成蓝紫色化合物
3.茚三酮反应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。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在着正比关系,因此可作为氨基酸定性定量分析方法。
三、氨基酸的连接方式1
三、氨基酸的连接方式 1(一)肽键(peptidebond) 肽键是由前一个氨基酸的α-羧基与后一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的化学键。
肽键
-HOHONH2-CH-C-N-CH-CR1HR2OHONH2-CH-C+NH-CH-COOR1OHHR2OH肽键
羧基端放在右侧
NH2MetPhePheCysSerThrValCOOH氨基末端(N-端)羧基末端(C-端)蛋-苯丙-苯丙-半胱-丝-苏-缬书写多肽链时一般把氨基端放在左侧,羧基端放在右侧。
各氨基酸残基的侧链基团所构成的短链
OH2NSCH3NHONHOH2NNHOHSNHOHONHOHOH3CHNOCH3H3COH主链:多肽链中由肽键连接成的长链侧链:各氨基酸残基的侧链基团所构成的短链
谷氨酸半胱氨酸甘氨酸
(三)几种生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathioneGSH),SHCOO-H2CH2CHCNH3OOHC谷氨酸半胱氨酸甘氨酸NHCH2CHCONHCH2OC.组成P1
避免蛋白质或酶失活
GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH还原酶NADPH+H+NADP+.功能:GSH是体内重要的还原剂,使H2O2还原为水,保护蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化,避免蛋白质或酶失活。
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
第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein
蛋白质的分子结构包括:一级结构二级结构三级结构四级结构高级结构P1
各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同胰岛素的一级结构
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一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。
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蛋白质二级结构的主要形式
.蛋白质二级结构的主要形式: α-螺旋 β-折叠 β-转角 无规则卷曲
被约束在一个刚性平面
肽单元(肽键平面、酰胺平面)肽键中的C=O和C-N均不能自由旋转,肽键(-CONH-)中的4个原子和2个α碳原子(Cα)被约束在一个刚性平面(即肽键平面)上,构成一个肽单元(peptideunit)。39P
侧链在其外部c.作用
a.氢键是由肽键上的N-H和它后面第四个肽键的C=O形成b.主链原子构成螺旋的主体,侧链在其外部c.作用:增强了机械强度,具有弹性
个氨基酸残基绕成一个螺圈螺距为
d.α-螺旋参数:每3.6个氨基酸残基绕成一个螺圈螺距为0.54nm每个氨基酸残基上升0.54/3.6=0.15nm
肽键平面呈伸展的锯齿状排列形成的结构称
2.β-折叠(β-pleatedsheet)肽键平面呈伸展的锯齿状排列形成的结构称β-折叠。
在其它类型二级结构肽段之间起活节作用
4.无规卷曲(randomcoil)没有确定规律性的肽键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H2NCOOH
形成的一个具有特殊功能的空间结构
模体(motif)几个具有二级结构的肽段在空间上互相接近,形成的一个具有特殊功能的空间结构。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构 模体的特征性构象是其特殊功能的结构基础
一级结构对二级结构的影响侧链原子的影响 6 R基的电荷性质-多个带相同电荷的氨基酸在肽链中连续出现(polyLys,polyGlu) R基的基团大小-侧链基团较大的氨基酸残基的集中部位(polyIle) 脯氨酸,羟脯氨酸都会妨碍α-螺旋的形成β-折叠要求氨基酸残基的侧链较小
疏水相互作用由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力疏水作用示意图
离子键由异性电荷间的静电吸引形成的键。
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故球形蛋白质水溶性较好
肌红蛋白(Mb)N端C端亲水区:亲水区多位于分子表面,故球形蛋白质水溶性较好。疏水核:疏水区多位于分子内部, 是与辅酶/基或底物结合位点。对于只含有一条肽链的蛋白质来说,具备了三级结构后,就具有了生物学功能。
使肽链正确折叠
分子伴侣(chaperon) 分子伴侣通过提供一个保护环境加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。如:热休克蛋白分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后分开,如此重复进行可防止错误的聚集发生,使肽链正确折叠。分子伴侣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。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起到重要的作用。
单独的亚基一般没有生物学功能
血红蛋白的四级结构*亚基之间的结合力主要是氢键和离子键;单独的亚基一般没有生物学功能。
维系蛋白质结构的作用力主键:肽键(共价键)一级结构次级键:疏水键、离子键、氢键和范德华力(VanderWaals力)二硫键(共价键)空间结构
五、蛋白质的分类*根据蛋白质组 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
第三节蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofprotein
有催化活性去除尿素、β-巯基乙醇
天然状态,有催化活性去除尿素、β-巯基乙醇
哺乳类动物胰岛素氨基酸序列的差异:下表列出相关数据。
| 物种 | B30 | A10 | A6 | A5 |
|---|---|---|---|---|
| 人 | Thr | Ile | Ser | Thr |
| 猪 | Ala | Ile | Ser | Thr |
| 狗 | Ala | Ile | Ser | Thr |
| 兔 | Ser | Ile | Gly | Thr |
| 牛 | Ala | Val | Gly | Ala |
| 羊 | Ala | Val | Ser | Ala |
| 马 | Ala | Ile | Ser | Thr |
原文残基序号粘连为「B30 A10 A6 A5」,其中 A6、A5 疑为 A9、A8 之误;表格数值按原文顺序录入,建议对照原课件图片核对序号。
促肾上腺素皮质激素
ACTH促肾上腺素皮质激素MSH促黑激素
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可帮助了解物种进化间的关系
对不同种属中一种蛋白质一级结构的比较,可帮助了解物种进化间的关系。
的区别
HbS与HbA的区别
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肌红蛋白与血红蛋白的结构都有血红素为辅基
二、蛋白质空间结构与功能的关系空间结构是生物学功能的基础(一)肌红蛋白与血红蛋白的结构都有血红素为辅基
其中一个可结合O
1.血红素:由4个吡咯环通过4个甲炔基连成一个环,Fe2+位于环中,有6个配位键,其中一个可结合O
使整个分子呈球形
3.血红蛋白=珠蛋白(globin) +血红素(heme)HbA:22各亚基的三级结构与Mb相似Hb+4O2Hb(O2)4四亚基之间通过8对盐键紧密缔合,使整个分子呈球形。
形曲线在氧分压低时较难与氧结合氧合
(二)血红蛋白的构象变化与结合氧Mb直角双曲线易与氧结合HbS形曲线在氧分压低时较难与氧结合氧合Hb占总Hb的百分数(称氧饱和度)肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线
铁原子变小
O2血红素与氧结合后,铁原子变小,就能进入卟啉环的小孔中,继而引起肽链位置的变动。造成两个亚基间盐键断裂结合松弛,促进第二个亚基与O2结合,如此可影响第三、四个亚基与O2结合。P2
若蛋白质的折叠发生错误
(三)蛋白质的构象改变与疾病蛋白质构象疾病:若蛋白质的折叠发生错误,使蛋白质的构象发生改变,尽管其一级结构不变,仍可影响其功能,严重时可导致疾病发生。机理:有些蛋白质错误折叠后相互聚集,常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀,产生毒性而致病。包括:人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。
第四节蛋白质的理化性质与分离纯化
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蛋白质的变性与复性
并达到平衡
(一)两性电离蛋白质两端分别有α-氨基和α-羧基,其中氨基酸侧链上也有一些可解离的基团,如:胍基、咪唑基等在不同酸碱性环境中能解离或结合H+,并达到平衡,是两性电解质。
能稳定的分散在水中
(二)胶体性质蛋白质分子量在0.6~100万之间,颗粒大小在10-9~10-7m范围,能稳定的分散在水中,主要有两方面原因:表面形成水化膜表面同种电荷的斥力
但不改变蛋白质的一级结构
高温、高压、紫外线、剧烈振荡
3.使蛋白质变性的因素 物理因素:高温、高压、紫外线、剧烈振荡 化学因素:强酸、强碱、有机溶剂、生物碱、尿素、重金属
生物活性丧失
去除变性因素后
有催化活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素
天然状态,有催化活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素、β-巯基乙醇
蛋白质的紫外吸收性质OD280
(四)蛋白质的紫外吸收性质OD280(色氨酸,酪氨酸的最大吸收峰)
蛋白质的呈色反应
(五)蛋白质的呈色反应 茚三酮反应(NinhydrinReaction) 双缩脲反应(BiuretReaction)Pr+CuSO4OH-L紫色或红色AA+CuSO
蛋白质的分离和纯化
达到浓缩蛋白质溶液的目的
超滤法:应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜,达到浓缩蛋白质溶液的目的。
丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀
(二)丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀
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作用原理:使蛋白质脱去水化层
有机溶剂沉淀法 作用原理:使蛋白质脱去水化层,又能降低溶液的介电常数使蛋白质表面电荷减少,导致蛋白质分子聚集而沉淀。 常用有机溶剂:甲醇、乙醇、丙酮 缺点:常会使蛋白质变性 注意事项:必须在低温下操作,尽量缩短处理的时间,及时将蛋白质中残存的有机溶剂除去。
并形成抗原抗体复合物的性质
免疫沉淀法:将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白,并形成抗原抗体复合物的性质,可从蛋白质混合液中分离获得抗原蛋白。
常见有以下几种
(四) 种类很多,常见有以下几种:薄 析亲和层析凝胶过滤:又称分子筛离子交换层析:利用某一特定pH时,各蛋白质的电荷量和性质不同来进行分离。阴离子交换树脂:带正电,分离带负电的蛋白质阳离子交换树脂:带负电,分离带正电的蛋白1质
阳离子交换树脂工作示意图
带正电荷多蛋白紧密结合带正电荷少蛋白先流过层析柱 阳离子交换树脂工作示意图
阴离子交换树脂工作示意图
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分子筛层析
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超速离心
(五)超速离心
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沉淀蛋白质的紫外吸收蛋白质的呈色反应透析
维系蛋白质结构的作用力
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