医学生物化学课件.ppt
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1、蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第第1 1章章Structure and Function of Proteinn什么是蛋白质什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。n蛋白质蛋白质研究研究的的历史历史18331833年,从麦芽中分离淀粉酶;随后从胃液中年,从麦芽中分离淀粉酶;随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。分离到类似胃蛋白酶的物质。18641864年,血红蛋白被分离并结晶。年,血红蛋白被分离并结晶。1919世纪末,证明蛋白质由氨基酸组成,并合成世纪末,证明蛋白质由氨基酸组成,并合成了
2、多种短肽。了多种短肽。2020世纪初,发现蛋白质的二级结构;完成胰岛世纪初,发现蛋白质的二级结构;完成胰岛素一级结构测定。素一级结构测定。2020世纪中叶,各种蛋白质分析技术相继建立,世纪中叶,各种蛋白质分析技术相继建立,促进了蛋白质研究迅速发展;促进了蛋白质研究迅速发展;19621962年,确定了血红蛋白的四级结构。年,确定了血红蛋白的四级结构。2020世纪世纪9090年代,功能基因组与蛋白质组研究年代,功能基因组与蛋白质组研究地地展开。展开。n蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性分布广:分布广:所有器官、组织都含有蛋白质;细胞所有器官、组织都含有蛋白质;细胞的各个部分都含有蛋白质。的各
3、个部分都含有蛋白质。含量高:含量高:蛋白质是细胞内最丰富的有机分子,蛋白质是细胞内最丰富的有机分子,占人体干重的占人体干重的4545,某些组织含量更高,例如,某些组织含量更高,例如脾、肺及横纹肌等高达脾、肺及横纹肌等高达8080。1.蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分作为生物催化剂(酶)作为生物催化剂(酶)代谢调节作用代谢调节作用免疫保护作用免疫保护作用物质的转运和存储物质的转运和存储运动与支持作用运动与支持作用参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能氧化供能蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecul
4、ar Component of Protein第一节第一节n组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和 S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼,个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近,平均为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克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%n蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、组成人体蛋白质的一、组成人体蛋白质的20种氨基酸种氨基酸均属于均属于
5、L-氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种,且均属 L-氨基酸(甘氨酸除外)。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质可根据侧链结构和理化性质进行分类进行分类(一一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸氨基酸(二二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸中性氨
6、基酸(三三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸(四四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸(五五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸氨基酸n几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸(亚氨基酸)(亚氨基酸)CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-C
7、H-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3三、三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质种氨基酸具有共同或特异的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质,其解离程度取决于所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。处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)在某一在某一pH的溶液中,氨基酸解离成阳离子和的溶液中,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。此时溶液的中性。此时溶液的p
8、H值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。(一)氨基酸具有两性解离的性质(一)氨基酸具有两性解离的性质pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子CHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+(二)含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质(二)含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多数蛋白质含大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基,有这两种氨基酸残基,所以测定蛋白质
9、溶液所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收(三)氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物(三)氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热,可生成氨基酸与茚三酮水合物共热,可生成蓝蓝紫色紫色化合物,其最大吸收峰在化合物,其最大吸收峰在570nm处。处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系,因此可作为氨基酸定量分析方法。比关系,因此可作为氨基酸定量分析方法。四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成四、蛋白质是由许多氨基酸残基组
10、成的多肽链的多肽链肽键肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的-羧基与另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氨基脱水缩合而形成的化学键。的化学键。(一)(一)氨基酸通过肽键连接而形成肽氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。合物。两分子氨基酸缩
11、合形成二肽,三分子氨基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,被称为氨基酸残基不全,被称为氨基酸残基(residue)。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽由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,由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽称多肽(polypeptide)。N 末端:多肽链中有末端:多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端C 末端:多肽链中有末端:多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端n多肽链有两端:多肽链有两端:多肽链多肽链(p
12、olypeptide chain)是指许多氨是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶(二)(二)体内存在多种重要的生物活性肽体内存在多种重要的生物活性肽 1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+nGSH与与GSSG间的转换间的转换 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The
13、Molecular Structure of Protein 第二节第二节n蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括:高级高级结构结构一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)n定义定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至端至C-端的端的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。一、一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构的一级结构n主要的化学键主要的化学键:
14、肽键肽键,有些蛋白质还包括二硫键。,有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能功能的基础的基础,但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素。二、二、多肽链的局部主链构象为蛋白质多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空间蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,即该段肽链主链骨架原子的相对空结构,即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置,并不涉及氨基酸残基侧链的构象间位置,并不涉及氨基酸残基侧链的构象。n定义定义:n主要的化学键主要的化学键:氢键氢键 (一)参与肽键形成的(一)参与肽键形
15、成的6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平位于同一平面,面,C 1和和C 2在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型,此同构型,此同一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元(peptide unit)。(一)参与肽键形成的(一)参与肽键形成的6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平位于同一平面,面,C 1和和C 2在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型,此同构型,此同
16、一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元(peptide unit)。-螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)(二)(二)-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构螺旋结构是常见的蛋白质二级结构n蛋白质二级结构蛋白质二级结构n-螺旋螺旋(三)(三)-折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽链形成片层结构(四)(四)-转角和无规卷曲在蛋白质分子中转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在普遍存在-转角转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结
17、构。分肽链结构。(五)模体(五)模体是具有特殊功能的超二级结构是具有特殊功能的超二级结构在许多蛋白质分子中,可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中,可发现二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个个有规则的二级结构组合,被称为有规则的二级结构组合,被称为超二级结构超二级结构。二级结构组合形式有二级结构组合形式有3 3种:种:,。二个或三个具有二级结构的肽段,在空间二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个特殊的空间构象,称为上相互接近,形成一个特殊的空间构象,称为模体模体(motif)。模体是具有特殊功能的超二级结构。模体是具
18、有特殊功能的超二级结构。钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构-螺旋螺旋-转角(或转角(或环)环)-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角-链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角-链模体链模体n模体常见的形式模体常见的形式(六)氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响(六)氨基酸残基的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。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一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋螺旋或或-折叠,它就会出现相应的二级结构。折叠,它就会出现相应的二级结构。三、三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠
19、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构形成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。n主要的化学键主要的化学键:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。n定义定义:(一)三级结构是指整条肽链中全部氨基酸(一)三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置残基的相对空间位置 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域(二)结构域(二)结构域是三级结构层次上的局部折叠区是三级
20、结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域,并各行其功能,称为结构域密的区域,并各行其功能,称为结构域(domain)。(三)分子伴侣(三)分子伴侣参与蛋白质折叠参与蛋白质折叠分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开,如此重复进行可防止错误的聚集发生,后松开,如此重复进行可防止错误的聚集发生,使肽链正确折叠。使肽
21、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。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。形成起了重要的作用。伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用亚基之间的结合主要是氢键和离子键。亚基之间的结合主要是氢键和离子键。四、四、含有二条以上多肽链的蛋白质含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构具有四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接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,称为触部位的布局和相互作用,称为
22、蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链,有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链,每一条多肽链都有完整的三级结构,称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构,称为蛋白质的质的亚基亚基 (subunit)。由由2个亚基组成的蛋白质四级结构中,若亚基分子个亚基组成的蛋白质四级结构中,若亚基分子结构相同,称之为结构相同,称之为同二聚体同二聚体(homodimer),若亚基分子,若亚基分子结构不同,则称之为结构不同,则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。血红蛋白的血红蛋白的四级结构四级结构五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类n根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分:单纯蛋白
23、质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分蛋白质部分+非蛋白质部分非蛋白质部分n根据蛋白质形状根据蛋白质形状:纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质六、蛋白质组学六、蛋白质组学(一)蛋白质组学基本概念(一)蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质,即达的全部蛋白质,即“一种基因组所表达的一种基因组所表达的全套蛋白质全套蛋白质”。(二)蛋白质组学研究技术平台(二)蛋白质组学研究技术平台 蛋白质组学是高通量,高效率的研究蛋白质组学是高通量,高效率的研究:双向电泳分离样品蛋白质双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点的定位、切取蛋白质点的定
24、位、切取 蛋白质点的质谱分析蛋白质点的质谱分析 (三)蛋白质组学研究的科学意义(三)蛋白质组学研究的科学意义蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第三节第三节(一)一级结构是空间构象的基础(一)一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构一、蛋白质一级结构是高级结构是高级结构与功能的基础与功能的基础牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态,天然状态,有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态,无活性非折叠状态
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