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1、 第1章蛋白质的结构与功能 Chapter1Struction functionofProtein 本章教学重点 蛋白质元素组成特点 氨基酸结构通式 氨基酸分类 三字英文缩写符号 肽 肽键的概念 蛋白质一 二 三 四级结构的概念及其稳定的主要化学键 二级结构主要形式及结构特点 蛋白质结构与功能的关系 变构效应的概念 蛋白质两性电离 胶体性质 蛋白质变性概念和意义 紫外吸收和呈色反应 模体 结构域 分子伴侣的概念 盐析 电泳和分子筛效应的原理 概述 1 什么是蛋白质 蛋白质 protein 是由许多氨基酸 aminoacids 通过肽键 peptidebond 相连形成的高分子含氮化合物 2 蛋
2、白质的生物学重要性 2 1 蛋白质是生物体重要组成成分分布广 所有器官 组织 细胞的各个部分都含有蛋白质 含量高 占人体干重的45 脾 肺及横纹肌等高达80 1 作为生物催化剂 酶 2 代谢调节作用3 免疫保护作用4 物质的转运和存储5 运动与支持作用6 参与细胞间信息传递 2 2 蛋白质具有重要的生物学功能 2 3 氧化供能 第1节蛋白质的分子组成 Section1theMolecularComponentofProtein 蛋白质的元素组成 蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近且恒定 平均为16 通过测定生物样品中的含氮量 再根据以下公式推算蛋白质的大致含量 主要有C H O N
3、和S 有些蛋白质含有少量磷或铁 铜 锌 锰 钴 钼 个别蛋白质还含有碘 100克样品中蛋白质的含量 g 每克样品含氮克数 6 25 100 1 16 1 氨基酸 氨基酸是组成蛋白质的基本单位 组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种 且多属L 氨基酸 仅甘氨酸除外 氨基酸的结构通式 1 1氨基酸的分类 1 非极性脂肪族氨基酸2 极性中性氨基酸3 芳香族氨基酸4 酸性氨基酸5 碱性氨基酸 20种氨基酸的英文名称 缩写符号及分类如下 1 1 1非极性脂肪族氨基酸 侧链含烃链 1 1 2极性中性氨基酸 侧链有极性但不带电荷 1 1 3芳香族氨基酸 侧链含芳香基团 1 1 4酸性氨基酸 侧链含负性解离基团 1
4、 1 5碱性氨基酸 侧链含正性解离基团 几种特殊氨基酸 脯氨酸 亚氨基酸 半胱氨酸 含巯基 胱氨酸 1 2氨基酸的理化性质 1 2 1 两性解离及等电点 等电点 isoelectricpoint pI 在某一pH的溶液中 氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等 成为兼性离子 呈电中性 此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点 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 怎样确定氨基酸pI 酸碱滴定 根据酸碱基团pKa计算 中性氨基酸pI 酸性氨基酸pI 碱性氨基酸pI 1 2 2 紫外吸收 芳香族氨基酸的紫外吸收 Trp Tyr 含共轭双键 最大吸收峰在280nm附近 大多数蛋白质含
5、有这两种氨基酸残基 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 1 2 3茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热 大多可生成蓝紫色化合物 其最大吸收峰在570nm处 由于此峰值与氨基酸的含量存在正比关系 可作为氨基酸定量分析方法 氧化脱羧脱氨 2 肽 2 1肽 peptide 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物 肽键 peptidebond 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱水缩合而形成的化学键 甘氨酰甘氨酸 肽键 两分子氨基酸缩合形成二肽 三分子氨基酸缩合则形成三肽 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全 被称为氨基酸残基 residue 由
6、十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 oligopeptide 由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽 polypeptide N末端 多肽链中有自由氨基的一端C末端 多肽链中有自由羧基的一端 多肽链有两端 多肽链 polypeptidechain 是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构 N末端 C末端 牛核糖核酸酶 2 2几种重要的生物活性肽 2 2 1 谷胱甘肽 glutathione GSH GSH过氧化物酶 GSH还原酶 NADPH H NADP GSH与GSSG间的转换 体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽 neuropeptide 2 2 2 多肽类激素及神经肽 第2节蛋白质的分子结构 S
7、ection2theMolecularStructureofProtein 蛋白质的分子结构包括一级结构 primarystructure 二级结构 secondarystructure 三级结构 tertiarystructure 四级结构 quaternarystructure 1 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序 稳定蛋白质一级结构的主要化学键是肽键 有些蛋白质还包括二硫键 蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础 但不是唯一的因素 2 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构是指多肽链中某个肽段的主链骨架原子的相对空间位置 主链骨架原子包括N H C O 和相邻的2
8、个C 稳定蛋白质二级结构的主要化学键是氢键 2 1肽单元或肽单位 peptideunit 参与肽键的6个原子C 1 C O N H C 2位于同一平面 C 1和C 2在平面上所处的位置为反式 trans 构型 此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 2 2二级结构的主要形式 螺旋 helix 折叠 pleatedsheet 转角 turn 无规卷曲 randomcoil 2 2 1 螺旋 肽段主链围绕中心轴做有规律的螺旋式上升 螺旋走向为顺时针 右手螺旋 肽单位 肽平面 围绕N C 键旋转57 Phi角 或绕C C 键旋转47 Psi角 氨基酸侧链伸向螺旋外侧 每3 6个氨基酸残基上升一圈
9、360 螺距为0 54nm 每个肽键的N H和第四个肽键的C O形成与长轴平行的氢键 2C 间距0 15nm 影响 螺旋形成的因素 氨基酸结构刚性 Pro 氨基酸形成离子键或静电斥力 Glu Asp His Lys Arg 氨基酸侧链大小 Val Ile 2 2 2 折叠 伸展 2C 间的距离达0 35nm 瘦长 弯曲 桶状 两链同向或反向在不同链或同一条链不同片段形成氢键侧链突出在折叠的上方或下方强度大 有刚性 2 2 3 转角和无规卷曲 转角 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构 常由4个AA残基组成1stAA C O与4thAA N H形成氢键2ndAA是Pro或Gly As
10、p Asn Trp形似发夹反向常见于反向平行末端 2 3超二级结构 模体 模序 motif 二级结构组合形式如 在许多蛋白质分子中 二个或三个具有二级结构的肽段 在空间上相互接近所形成的有规则的二级结构组合 被称为模体 motif 模体是赋予功能含义的超二级结构 钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构 2 4侧链对二级结构形成的影响 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的 一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 螺旋或 折叠 它就会出现相应的二级结构 theconformationalpreferencesofthe20AAsforthe helix 3 蛋白质的三级结构 整条肽链中全部氨基酸残基的相
11、对空间位置 即肽链中所有原子在三维空间的排布 在二级结构基础上进一步折叠形成天然结构 功能结构稳定因素 疏水键 离子键 氢键和VanderWaals力等 肌红蛋白 Mb 三级结构 3 1结构域 domain 较大的蛋白质分子中折叠形成的结构较为紧密的具独特空间构象的并各行其功能的局部区域称之 纤连蛋白分子的结构域 3 2分子伴侣 chaperon 热休克蛋白70 Hsp70 伴侣蛋白 chaperonin 如Hsp60 GroEL GroES 核质蛋白 nucleoplasmin 是为加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构提供合适微环境的一类蛋白质 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后
12、松开 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了重要的作用 4 蛋白质的四级结构 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用 称为蛋白质的四级结构 含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中 每条具有完整三级结构的多肽链称为蛋白质的亚基 subunit 亚基间的结合力主要是疏水作用 其次是氢键和离子键 由2个亚基组成的蛋白质四级结构中 若亚基分子结构相同 称之为同二聚体 homodimer 若亚基分子结构不同 则称之为异二聚体 heterodimer 血红蛋白的四级
13、结构 5 蛋白质组学 蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质 即 一种基因组所表达的全套蛋白质 蛋白质组学是研究细胞或机体全部蛋白质的表达及其活动方式 包括翻译后修饰 转运定位 结构变化 蛋白质间相互作用等 揭示蛋白质功能与生命活动规律的一个新的研究领域 蛋白质组学是高通量 高效率的研究 其研究技术平台 双向电泳分离样品蛋白质蛋白质点的定位 切取蛋白质点的质谱分析蛋白质组学研究的科学意义阐明生命在生理或病理状态下的变化规律疾病诊断 新药筛选 农业 环保等 第3节蛋白质结构与功能的关系 Section3TheRelationofStructure FunctionofProtein 1
14、 蛋白质一级结构与功能的关系 1 1一级结构是空间结构的基础 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 牛核糖核酸酶 1 2一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构和功能 1 3一级结构提供重要的生物进化信息 细胞色素 cytochromeC 的进化树 同一种蛋白质一级结构差异愈小 物种间进化愈接近 1 4一级结构改变可引起疾病 例如 镰刀形红细胞贫血 由蛋白质分子发生变异所导致的疾病 称为 分子病 2 蛋白质空间结构与功能的关系 2 1Hb亚基与Mb空间结构相似 都具有运输氧气的功能 Mb Hb Hb HbA 2 2Hb亚基构象变化可影响亚基与氧结合 Hb与
15、O2结合后称为氧合Hb 氧合Hb占总Hb的百分数 称百分饱和度 随O2浓度变化而改变 Hb和Mb的氧结合 解离曲线 S型 矩型 变构效应 allostericeffect 又称别构效应 是指寡聚体蛋白质与其配体结合后 引起该蛋白质分子的构象变化 而导致其活性改变的现象 协同效应 cooperativity 寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后 能影响此寡聚体中其他亚基与配体结合能力的现象 称之 如果是促进作用则称为正协同效应 positivecooperativity 如果是抑制作用则称为负协同效应 negativecooperativity 血红素与氧结合后 铁原子半径变小 就能进入卟啉环的
16、小孔中 继而引起肽链位置的变动 2 3蛋白质构象改变与疾病 若蛋白质的折叠发生错误 尽管其一级结构不变 但蛋白质的构象发生改变 仍可影响其功能 严重时可导致疾病发生 这类疾病如 人纹状体脊髓变性病 脑退行性疾病 亨停顿舞蹈病 疯牛病等 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 表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变 第4节蛋白质的理化性质 Section4ThePhysical ChemicalCharactersofProtein 1 蛋白质的两性解离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外 氨基酸残基侧链中某些基团 在一定的溶液pH条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团 当蛋白质溶液处于某一pH时 蛋白质解离成正 负离子的趋势相等 即成为兼性离子 净电荷为零 此时溶液的pH称为蛋白质的等电点 isoelectricpoint pI 2 蛋白质的胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一 分子量可自1万至数百万kD 其分子的直径可达1 100nm 为胶粒范围之内 稳定蛋白质胶体的因素 颗粒表面电荷 水化膜 水化膜 溶液中蛋白质的聚沉 3 蛋白质的变性 凝固和
