生物化學課件-蛋白質(zhì)

第二章蛋白質(zhì)的結構與功能,一、概述二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸解)三、蛋白質(zhì)的結構四、蛋白質(zhì)結構與功能的關系五、蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)、分離純化與鑒定,了解蛋白質(zhì)的元素組成；掌握蛋白質(zhì)的基本結構單位氨基酸的基本結構；了解氨基酸的分類；了解稀有氨基酸和非蛋白質(zhì)氨基酸；掌握氨基酸的各種理化性質(zhì)；掌握肽鍵、肽鏈和蛋白質(zhì)一級結構的概念，同時了解蛋白質(zhì)一級結構的表示方法；掌握二肽及多肽的形成過程；了解蛋白質(zhì)一級結構的測定方法。,思考題,1.蛋白質(zhì)分為哪些類型？各行使何種功能？2.自然界存在的氨基酸種類、結構、性質(zhì)？3.肽鍵有何特點？對蛋白質(zhì)構象的形成有何影響？4.何謂蛋白質(zhì)的一、二、三、四級結構？維系蛋白質(zhì)構象的作用力有哪些？5.何謂蛋白質(zhì)的超二級結構和結構域？6.試述蛋白質(zhì)一級結構和高級結構與功能的關系。7.何謂蛋白質(zhì)的變性作用與復性作用？,一、概述,（一）蛋白質(zhì)的生物學意義和元素組成（二）蛋白質(zhì)的分類,（一）蛋白質(zhì)的生物學意義和元素組成,1.蛋白質(zhì)的生物學意義（1）蛋白質(zhì)生物學功能的多樣性酶的催化功能、控制生長和分化、代謝調(diào)節(jié)功能、運動功能、運輸作用、免疫保護作用、接受和傳遞信息、貯存營養(yǎng)功能、結構支持作用。（2）蛋白質(zhì)生物學功能的復雜性某一功能的發(fā)揮往往受到多種因素的影響與調(diào)節(jié)。,2.蛋白質(zhì)的元素組成,一般含有：碳（5055）、氮（1518）、氧（2023）、氫（68）、硫（04）。在某些蛋白質(zhì)中，還含有一些微量元素如：磷、鐵、銅、鉬、碘、鋅等。蛋白質(zhì)元素組成的一個特點：各種蛋白質(zhì)的氮含量比較恒定，平均值為16左右。用凱氏定氮法測定氮的含量，計算蛋白質(zhì)的含量（由氮的含量乘以6.25）出來。,（二）蛋白質(zhì)的分類,1.按蛋白質(zhì)的構象分類2.按蛋白質(zhì)的功能分類3.按蛋白質(zhì)的組成和溶解性分類,1.按蛋白質(zhì)的構象分類,分為球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)。,球狀蛋白質(zhì)（globularprotein）血紅蛋白、肌紅蛋白等。,纖維狀蛋白質(zhì)（fibroueprotein）膠原蛋白、彈性蛋白、角蛋白、絲心蛋白等。,催化蛋白（酶）調(diào)節(jié)蛋白結構蛋白運輸?shù)鞍踪A藏蛋白運動蛋白防御蛋白電子傳遞蛋白,2.按蛋白質(zhì)的功能分類,3.按蛋白質(zhì)的組成和溶解性分類,單純蛋白質(zhì)（simpleprotein）結合蛋白質(zhì)（complexprotein）,二、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸,（一）氨基酸的結構（二）氨基酸的分類（三）氨基酸的性質(zhì),（一）氨基酸的結構,蛋白質(zhì)的基本結構單位-氨基酸的結構通式,側鏈,脯氨酸,亞氨基,（二）氨基酸的分類,1.編碼氨基酸2.非編碼氨基酸3.非蛋白質(zhì)氨基酸,1.編碼氨基酸,第21種氨基酸硒代半胱氨酸,2.非編碼氨基酸,沒有相應的三聯(lián)體遺傳密碼。由編碼氨基酸經(jīng)羥基化、甲基化、磷酸化等修飾形成的衍生物。例如：膠原蛋白和彈性蛋白中的4-羥脯氨酸、5-羥賴氨酸等。,3.非蛋白質(zhì)氨基酸,在生物體內(nèi)，還發(fā)現(xiàn)150多種不參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸。這些非蛋白質(zhì)氨基酸多是重要的代謝物前體或代謝中間產(chǎn)物。,1.氨基酸的兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)（ampholyte）,（三）氨基酸的性質(zhì),氨基酸兩性解離,R,COOH,C,H,NH,2,R,COO,C,H,NH,3,+,-,中性分子形式,兩性離子形式,R,COOH,C,H,NH,3,R,COO-,C,H,NH,3,+,R,COO-,C,H,NH,2,+,OH-,H+,對某種氨基酸來講，當溶液在某一特定的pH時，氨基酸所帶凈電荷為零（即正電荷數(shù)與負電荷數(shù)相等），在電場中，既不向正極移動，也不向負極移動。這時，溶液的pH稱為該氨基酸的等電點(isoelectricpoint)，用pI表示。兩性解離物質(zhì)所帶靜電荷為零時溶液的pH。,氨基酸的等電點,（1）不同氨基酸，由于R基團結構的不同，有不同的等電點。在一定實驗條件下，等電點是氨基酸的特征常數(shù)。（2）當氨基酸處于等電點狀態(tài)時，其溶解度最小，容易發(fā)生沉淀。利用這一特性，可以從各種氨基酸的混合物溶液中，分離制取某種氨基酸。,氨基酸等電點的作用,（1）氨基酸的構型除甘氨酸以外，其余20種氨基酸的C都是不對稱碳原子（手性）。,2.氨基酸的光學活性與吸收光譜,甘氨酸的結構式,參與蛋白質(zhì)組成的氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收；在紫外光區(qū)只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波長()分別為280nm、275nm、257nm；是利用紫外分光光度計，在280nm波長處，測定蛋白質(zhì)濃度的基礎。,（2）吸收光譜,三、蛋白質(zhì)的結構,（一）蛋白質(zhì)的一級結構（二）蛋白質(zhì)的三維結構,蛋白質(zhì)結構層次,一級結構（primarystructure）；二級結構（secondarystructure）；超二級結構（supersecondarystructure）；結構域（structuraldomain）；三級結構（tertiarystructure）；四級結構（quarternarystructure）,蛋白質(zhì)結構層次,（一）蛋白質(zhì)的一級結構,概念：多肽鏈上各種氨基酸殘基的排列順序，即氨基酸序列稱為蛋白質(zhì)的一級結構（primarystructure）。,（51Aa，5733u）,1.肽和肽鍵,肽由氨基酸構成的線形聚合物稱為肽（peptide）。二個氨基酸分子縮合而成的肽，稱為二肽（dipeptide）。,肽鍵（peptidebone）多肽鏈（polypeptidechain）,肽鍵氮氧原子共振產(chǎn)生：（1）部分雙鍵性質(zhì)；（2）多肽主鏈酰胺平面；（3）C處于順式或反式構型；（4）二面角；（5）偶極性（N末端，C末端）。,氨基酸殘基（aminoacidresidue）,H,OH,蛋白質(zhì)一級結構的表示法,中文氨基酸殘基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸三字母符號表示法：TyrGlyGlyPheMet單字母符號表示法：YGGFM,谷胱甘肽腦啡肽（5肽）短桿菌肽S（10肽）肽類激素,3.天然活性肽,（二）蛋白質(zhì)的三維結構,蛋白質(zhì)的三維結構指的是蛋白質(zhì)分子中全部原子和基團相互間的立體關系，包括全部原子和基團的排列、分布及肽鏈的走向。又稱為蛋白質(zhì)的高級結構、空間結構或構象，可分為二級、超二級、結構域、三級和四級結構。,1.蛋白質(zhì)的二級結構2.蛋白質(zhì)的超二級結構和結構域3.蛋白質(zhì)的三級結構4.蛋白質(zhì)的四級結構5.穩(wěn)定蛋白質(zhì)構象的作用力,蛋白質(zhì)結構層次,1.基本知識,（1）構型與構象構型（configuration）構象（conformation）1969年，IUPAC（2）蛋白質(zhì)的立體結構原理肽單位與二面角將多肽鏈的基本結構中，-C-CO-NH-C-這一主鏈骨架的重復單位叫肽單位（Pauling和Corey在1951年根據(jù)X-射線衍射結果，提出蛋白質(zhì)肽單位平面原則3）。,肽單位平面結構,肽單位立體結構,二面角（dihedralangle）,肽平面1圍繞C2N1單鍵旋轉，其旋轉的角度用表示；肽平面2也可以圍繞C2C2單鍵旋轉，其旋轉的角度用表示。(右為正,左為負),N1,C2,C2,多肽鏈主鏈骨架的構象是由每個C的成對二面角（，）所決定的。非鍵合原子間的最小接觸距離在相鄰的兩個肽單位的構象中，非鍵合原子間的接近有無障礙，是否符合標準接觸距離，即能量是否達到最低，也是肽鏈構象能否穩(wěn)定存在的重要立體化學原則。,2.二級結構,概念指多肽鏈主鏈在一級結構的基礎上，某些肽段借助氫鍵進一步盤旋或折疊，從而形成有規(guī)律的構象。主要類型-螺旋、-折疊片、-轉角、無規(guī)卷曲。,（1）-螺旋,即每個氨基酸殘基（n）的CO與另一個氨基酸殘基（n+4）的NH形成氫鍵。,Pauling和Corey于1951年提出蛋白質(zhì)的-螺旋（-helix）結構模型。,羊毛等纖維狀蛋白質(zhì)中，球狀蛋白中也廣泛存在。它是蛋白質(zhì)主鏈的一種典型結構形式.,每隔3.6個氨基酸殘基，螺旋上升一圈，每圈間距0.54nm.氫鍵環(huán)內(nèi)包括13個主鏈原子，因此稱這種螺旋為3.613螺旋。,電子顯微鏡下的人體頭發(fā),（2）-折疊,（a）Antiparallel,-折疊：伸展的多肽鏈靠氫鍵聯(lián)結而成的鋸齒狀片層結構，存在于纖維蛋白，球狀蛋白也有。又稱為-折疊片（-pleatedsheet）。,反平行式較為穩(wěn)定，例如在絲心蛋白中存在穩(wěn)定的反平行折疊。,（3）-轉角,蛋白質(zhì)分子中連接不同結構單位的180o轉彎結構稱為-轉角（-turn）。由氨基酸殘基（n）的CO與另一個氨基酸殘基（n+3）的NH形成氫鍵。,（4）無規(guī)卷曲,沒有規(guī)律性的多肽主鏈骨架的構象，就是無規(guī)卷曲（randomcoil，、角度不定）；球蛋白分子中，往往含有較多的無規(guī)卷曲；無規(guī)卷曲往往有利于多肽鏈形成靈活的、具有特異生物活性的構象。,（1）超二級結構相鄰的二級結構單元（主要是螺旋和折疊）組合在一起，形成有規(guī)則的、空間上能夠辨認的二級結構的組合體，充當三級結構的構件，稱為超二級結構（supersecondarystructure）。,3.超二級結構和結構域,常見的組合形式：、,（2）結構域,多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上，進一步卷曲折疊成為相對獨立、近似球形的三維實體稱為結構域（structuredomain），是三級結構的局部折疊區(qū)。,結構域之間常常只有一段肽鏈相連，形成所謂“鉸鏈區(qū)”（hingeregion），使結構域容易發(fā)生相對運動。結構域之間的這種柔性（flexibility）有利于如酶和抗體活性的發(fā)揮。,4.三級結構,多肽鏈在二級結構、超二級結構和結構域的基礎上，主鏈構象和側鏈構象相互作用，進一步盤曲折疊形成特定的球狀分子結構，稱作三級結構（tertiarystructure）。三級結構是指多肽鏈中所有原子的空間排布。,肌紅蛋白myoglobin,5.四級結構,由兩條或兩條以上具有三級結構的多肽鏈聚合而成的特定三維結構（構象）稱為蛋白質(zhì)的四級結構（quarter-narystruc-ture）。涉及亞基的種類、數(shù)目和亞基的空間排布，包括亞基間的接觸位點和相互作用關系，但不包括亞基本身的構象。,-亞基（subunit）,血紅蛋白hemoglobin,-亞基,血紅素（haem）,煙草花葉病毒（TMV）示意圖,由2130個相同亞基構成的螺旋對稱性柱形蛋白質(zhì)外殼，緊密排列于一含有6390個核苷酸的單鏈RNA分子周圍。解離的TMV外殼亞基和RNA，在合適的條件下能自裝配成完整的TMV。,蛋白質(zhì)結構層次,5.穩(wěn)定蛋白質(zhì)構象的作用力,四、蛋白質(zhì)結構與功能的關系,（一）蛋白質(zhì)一級結構與功能的關系（二）蛋白質(zhì)構象與功能的關系,1.一級結構變異與生物進化在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質(zhì)，稱為同功能蛋白質(zhì)。它們的氨基酸序列具有明顯的相似性，這種現(xiàn)象稱為序列同源，有明顯序列同源的蛋白質(zhì)，也稱同源蛋白質(zhì)。,（一）蛋白質(zhì)一級結構與功能的關系,（1）同源蛋白質(zhì)完全相同的氨基酸殘基，稱不變殘基，它們決定了蛋白質(zhì)的空間結構與功能。（2）有相當大變化的氨基酸殘基，稱為可變殘基，它們的差異體現(xiàn)了種屬特異性。因此，對不同生物來源的同功能蛋白質(zhì)的一級結構進行比較研究：可以幫助我們了解哪些氨基酸對其活性是重要的，哪些是不重要的；可為生物進化提供新的可靠依據(jù)。,同源蛋白質(zhì)結構的種屬差異與保守性,2.一級結構變異與分子病,（1）分子病基因突變Aa變異蛋白結構和功能改變引起的遺傳病。（2）鐮刀型紅細胞貧血病由Hb分子亞基N末端序列的一級結構改變引起Hb表面電荷和等電點變化，溶解度降低并出現(xiàn)不正常線形締合。,正常紅細胞和鐮刀狀紅細胞的掃描電鏡圖譜,？,一級結構相似，可能會有相同的功能；一級結構有差異，功能會不同。如OX與ADH:,3.多肽激素的一級結構與功能,（ADH）,（OX）,不同生物（哺乳動物、鳥類、魚類）來源胰島素分子一級結構，發(fā)現(xiàn)組成的51個氨基酸殘基中，只有24個氨基酸殘基始終保持不變，為不同生物所共有，為維持高級結構和生物活性所必需。,4.不同生物來源的胰島素一級結構比較,5.一級結構斷裂與功能激活,有些蛋白質(zhì)常以無活性的前體形式產(chǎn)生和貯存。在機體需要時，切去部分肽段之后，才變成有活性的蛋白質(zhì)。如參與蛋白質(zhì)消化的各種蛋白酶、參與血液凝固的凝血酶、凝血因子等。激活（activation）：使前體蛋白質(zhì)變成活性蛋白質(zhì)的過程，稱為激活。,（二）蛋白質(zhì)構象與功能的關系,1.變構調(diào)節(jié)活性2.變性喪失活性,血紅蛋白,-亞基,-亞基（-subunit）,血紅素（haem）,血紅蛋白的變構現(xiàn)象（變構時的亞基移動）,血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線不同，前者是S形曲線，后者是雙曲線。-亞基可與氧結合，而-亞基由于存在空間位阻，幾乎不與氧結合。當-亞基與氧結合后，發(fā)生三級結構的變化，此變化使相鄰的-亞基發(fā)生三級結構的變化，與氧結合使血紅蛋白結合氧的能力在短時間內(nèi)迅速上升，從，而使曲線程S形。,氧飽和度（%）,（一）蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)（二）蛋白質(zhì)分離純化的原則與方法,五、蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)、分離純化與鑒定,1.蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點2.蛋白質(zhì)的變性與復性3.蛋白質(zhì)的呈色反應,（一）蛋白質(zhì)的重要性質(zhì),蛋白質(zhì)的等電點（isoelectricpoint）當溶液在某個pH時，使蛋白質(zhì)分子所帶正電荷數(shù)與負電荷數(shù)恰好相等，即凈電荷為零，在直流電場中，既不向陽極移動，也不向陰極移動，此時溶液的pH就是該蛋白質(zhì)的等電點，用pI表示。兩性解離物質(zhì)所帶靜電荷為零時溶液的pH。,1.蛋白質(zhì)的兩性解離與等電點,（1）蛋白質(zhì)變性天然蛋白質(zhì)在變性因素作用之下，其一級結構保持不變，但其高級結構發(fā)生了異常的變化，即由天然態(tài)（折疊態(tài)）變成了變性態(tài)（伸展態(tài)），從而引起生物功能的喪失，物理、化學性質(zhì)也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象被稱為變性（denaturation）。,2.蛋白質(zhì)的變性與復性,引起變性因素：物理因素和化學因素。1.熱（60100）；2.pH；3.鹽；4.有機溶劑；5.尿素與鹽酸