中國醫(yī)科大基礎醫(yī)學生物化學ppt課件第一章蛋白質的結構與功能

生物化學與分子生物學,Biochemistry and Molecular Biology,生物化學與分子生物學教研室 生物化學與分子生物學黨支部,緒 論,生物化學就是生命的化學。它是研究活細胞和有機體中存在的各種化學分子及其所參與的化學反應的科學。 分子生物學：是研究生物大分子結構、功能及其調控機制的科學。,一、生物化學發(fā)展簡史 二、生物化學研究內容 三、生物化學與醫(yī)學 四、本課內容簡介,生物化學研究內容,生物分子的結構與功能 物質代謝及其調節(jié) 遺傳信息的傳遞及其調控,生物化學與醫(yī)學,生物化學的理論與技術已滲透到醫(yī)學科學的各個領域 生物化學與分子生物學在生命科學中占有重要的地位 生物化學的發(fā)展促進了疾病病因、診斷和治療的研究,本課內容簡介（一） 蛋白質的結構與功能 酶 生物氧化 糖代謝 脂類代謝 氨基酸代謝,本課內容簡介（二） 核酸的結構與功能 核苷酸代謝 基因信息的傳遞 細胞信息傳遞 癌基因、抑癌基因與生長因子 血液的生化,蛋白質的結構與功能,第 一 章,Structure and Function of Protein,蛋白質(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。,蛋白質的生物學重要性,1. 蛋白質是生物體的重要組成成分 2. 蛋白質具有重要的生物學功能 1）作為生物催化劑 2）代謝調節(jié)作用 3）免疫保護作用 4）物質的轉運和存儲 5）運動與支持作用 6）參與細胞間信息傳遞 3. 氧化供能,蛋白質的分子組成 The Molecular Component of Protein,第 一 節(jié), 蛋白質的元素組成,主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白質含有少量P或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個別蛋白質還含有 I 。,蛋白質的含氮量平均為16。,通過樣品含氮量計算蛋白質含量的公式：,蛋白質含量 ( g % ) = 含氮量( g % ) 6.25, 蛋白質元素組成的特點,一、氨基酸 蛋白質的基本組成單位,存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,非極性疏水性氨基酸 極性中性氨基酸 酸性氨基酸 堿性氨基酸,（一）氨基酸的分類,非極性疏水性氨基酸,2. 極性中性氨基酸,3. 酸性氨基酸,4. 堿性氨基酸,習慣分類方法 芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe 含羥基氨基酸：Ser、Thr、Tyr 含硫氨基酸：Cys、Met 雜環(huán)族氨基酸：His 雜環(huán)族亞氨基酸：Pro 支鏈氨基酸：Val、Leu、Ile,幾種特殊氨基酸 Gly：無手性碳原子。 Pro：為環(huán)狀亞氨基酸。 Cys：可形成二硫鍵。,修飾氨基酸： 蛋白質合成后通過修飾加工生成的氨基酸。沒有相應的編碼。如：胱氨酸、羥脯氨酸（Hyp）、羥賴氨酸（Hyl）。 非生蛋白氨基酸： 蛋白質中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鳥氨酸、同型半胱氨酸，是代謝途徑中產生的。,（二）氨基酸的理化性質,1. 兩性解離及等電點,2. 紫外吸收,3. 茚三酮反應,二、肽,* 肽鍵(peptide bond)：是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。,（一）肽(peptide),多肽鏈(polypeptide chain) 二肽，三肽 寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide) 氨基酸殘基(residue) 氨基末端（amino terminal）和羧基末端（carboxyl terminal） 主鏈和側鏈,多肽鏈,多肽鏈,（二） 幾種生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),結構:,谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽 谷氨酸的-羧基形成肽鍵 SH為活性基團 為酸性肽 是體內重要的還原劑,GSH過氧化物酶,GSH還原酶,NADPH+H+,NADP+,主要功能:,肽類激素：如促甲狀腺素釋放激素（TRH）,神經肽(neuropeptide),2. 肽類激素及神經肽,三、蛋白質的分類,* 根據(jù)蛋白質組成成分,* 根據(jù)蛋白質形狀,蛋 白 質 的 分 子 結 構 The Molecular Structure of Protein,第 二 節(jié),蛋白質的分子結構包括： 一級結構 (primary structure) 二級結構 (secondary structure) 三級結構 (tertiary structure) 四級結構 (quaternary structure),定義： 蛋白質的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。,一、蛋白質的一級結構,主要化學鍵：肽鍵 二硫鍵的位置屬于一級結構研究范疇。,一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。,胰島素的一級結構,30,21,二、蛋白質的二級結構,蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象 。,定義：,穩(wěn)定因素： 氫鍵,（一）肽單元 (peptide unit),參與組成肽鍵的6個原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質構象的基本結構單位。,肽單元,H,H,H,H,蛋白質二級結構的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折疊 ( -pleated sheet ) -轉角 ( -turn ) 無規(guī)卷曲 ( random coil ),（二） -螺旋,結構要點: 多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成 右手螺旋，側鏈伸向螺旋外側。 每圈螺旋含3.6個氨基酸，螺距為0.54nm。 每個肽鍵的亞氨氫和第四個肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定。氫鍵與螺旋長軸基本平行。,（三）-折疊,多肽鏈充分伸展，相鄰肽單元之間折疊成鋸齒狀結構，側鏈位于鋸齒結構的上下方。 兩段以上的 -折疊結構平行排列 ，兩鏈間可順向平行，也可反向平行 。 兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵，以穩(wěn)固 -折疊結構。氫鍵與螺旋長軸垂直。,（四）-轉角和無規(guī)卷曲,-轉角：,無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結構。, 肽鏈內形成180回折。 含4個氨基酸殘基，第一個氨基酸殘基與第四個形成氫鍵。 第二個氨基酸殘基常為Pro。,-轉角：,（五）模體,蛋白質分子中，二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構象，被稱為模體(motif)。,螺旋環(huán)螺旋,鋅指,（六）影響二級結構形成的因素,氨基酸側鏈所帶電荷 、大小及形狀。,影響-螺旋形成的因素：, -折疊形成條件： 要求氨基酸側鏈較小。,三、蛋白質的三級結構,疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等。,穩(wěn)定因素：,整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。,定義,肌紅蛋白 (Mb),纖連蛋白分子的結構域,結構域 (domain),大分子蛋白質的三級結構?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行其功能，稱為結構域。,結構域,Triose phosphate isomerase,分子伴侶 (chaperon),通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構的一類蛋白質。,* 可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可使肽鏈正確折疊。,* 與錯誤聚集的肽段結合，誘導其正確折疊。,* 對蛋白質分子中二硫鍵的正確形成起重要的作用。,作用：,亞基之間的結合力主要是氫鍵和離子鍵。,四、蛋白質的四級結構,蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構。,每條具有完整三級結構的多肽鏈，稱為亞基 (subunit)。,血紅蛋白（Hb）的四級結構,蛋白質結構與功能的關系 The Relation of Structure and Function of Protein,第 三 節(jié),（一）一級結構是空間構象的基礎,一、蛋白質一級結構與功能的關系,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、-巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,（二）一級結構與功能的關系,例：鐮刀形紅細胞貧血,這種由蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。,（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結構,二、蛋白質空間結構與功能的關系,Hb與Mb一樣能可逆地與O2結合， Hb與O2結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。,（二）血紅蛋白的構象變化與結合氧,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,* 協(xié)同效應(cooperativity),一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。 促進作用稱為正協(xié)同效應 (positive cooperativity) 抑制作用稱為負協(xié)同效應 (negative cooperativity),變構效應(allosteric effect),凡蛋白質（或亞基）因與某小分子物質相互作用而發(fā)生構象變化，導致蛋白質（或亞基）功能的變化，稱為蛋白質的變構效應。,（三）蛋白質構象改變與疾病,蛋白質構象?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。,蛋白質構象病的機理：有些蛋白質錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質淀粉樣纖維沉淀的病理改變。,這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。,瘋牛病 瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。 正常的PrP富含-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為-折疊的PrPsc，從而致病。,PrPc -螺旋,PrPsc -折疊,正常,瘋牛病,第四節(jié),蛋白質的理化性質與分離純化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白質的兩性電離,一、理化性質,蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。,蛋白質的等電點( isoelectric point, pI) 當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。,利用蛋白質兩性電離的性質，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術分離蛋白質。,（二）蛋白質的膠體性質,蛋白質屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1100nm，為膠粒范圍之內。,* 蛋白質膠體穩(wěn)定的因素 顆粒表面電荷 水化膜,水化膜,溶液中蛋白質的聚沉,（三）蛋白質的變性、沉淀和凝固,* 蛋白質的變性(denaturation) 在某些物理和化學因素作用下，蛋白質分子的特定空間構象被破壞，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。,造成變性的因素： 如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。,應用舉例 臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。 防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。,蛋白質變性后的性質改變： 溶解度降低、粘度增加、結晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。,若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性。,復性(renaturation),天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、-巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,* 蛋白質沉淀 在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。 變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發(fā)生沉淀，但并不變性。,* 蛋白質的凝固作用(protein coagulation) 蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。,（四）蛋白質的紫外吸收,由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。,（五）蛋白質的呈色反應,茚三酮反應(ninhydrin reaction) 蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。,雙縮脲反應(biuret reaction) 蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質水解程度。,二、蛋白質的分離和純化,（一）透析及超濾法,* 透析(dialysis)：利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法。,* 超濾法：應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質溶液的目的。,（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀,*使用丙酮沉淀時，必須在04低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質溶液體積。蛋白質被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。,*鹽析(salt precipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，使蛋白質表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。,*免疫沉淀法： 將某一純化蛋白質免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質，可從蛋白質混合溶液中分離獲得抗原蛋白。,（三）電泳,蛋白質在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白質的技術, 稱為電泳(elctrophoresis) 。 根據(jù)支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。,幾種重要的蛋白質電泳 *SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳：常用于蛋白質分子量