中國醫(yī)科大基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)生物化學(xué)ppt課件第一章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

生物化學(xué)與分子生物學(xué),Biochemistry and Molecular Biology,生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室 生物化學(xué)與分子生物學(xué)黨支部,緒 論,生物化學(xué)就是生命的化學(xué)。它是研究活細(xì)胞和有機(jī)體中存在的各種化學(xué)分子及其所參與的化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)。 分子生物學(xué)：是研究生物大分子結(jié)構(gòu)、功能及其調(diào)控機(jī)制的科學(xué)。,一、生物化學(xué)發(fā)展簡史 二、生物化學(xué)研究內(nèi)容 三、生物化學(xué)與醫(yī)學(xué) 四、本課內(nèi)容簡介,生物化學(xué)研究內(nèi)容,生物分子的結(jié)構(gòu)與功能 物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié) 遺傳信息的傳遞及其調(diào)控,生物化學(xué)與醫(yī)學(xué),生物化學(xué)的理論與技術(shù)已滲透到醫(yī)學(xué)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域 生物化學(xué)與分子生物學(xué)在生命科學(xué)中占有重要的地位 生物化學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了疾病病因、診斷和治療的研究,本課內(nèi)容簡介（一） 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 酶 生物氧化 糖代謝 脂類代謝 氨基酸代謝,本課內(nèi)容簡介（二） 核酸的結(jié)構(gòu)與功能 核苷酸代謝 基因信息的傳遞 細(xì)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(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,第 一 章,Structure and Function of Protein,蛋白質(zhì)(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(zhì)的生物學(xué)重要性,1. 蛋白質(zhì)是生物體的重要組成成分 2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能 1）作為生物催化劑 2）代謝調(diào)節(jié)作用 3）免疫保護(hù)作用 4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ) 5）運(yùn)動(dòng)與支持作用 6）參與細(xì)胞間信息傳遞 3. 氧化供能,蛋白質(zhì)的分子組成 The Molecular Component of Protein,第 一 節(jié), 蛋白質(zhì)的元素組成,主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白質(zhì)含有少量P或金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有 I 。,蛋白質(zhì)的含氮量平均為16。,通過樣品含氮量計(jì)算蛋白質(zhì)含量的公式：,蛋白質(zhì)含量 ( g % ) = 含氮量( g % ) 6.25, 蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn),一、氨基酸 蛋白質(zhì)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(zhì)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(xí)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(zhì)合成后通過修飾加工生成的氨基酸。沒有相應(yīng)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(zhì)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(chǎn)生的。,（二）氨基酸的理化性質(zhì),1. 兩性解離及等電點(diǎn),2. 紫外吸收,3. 茚三酮反應(yīng),二、肽,* 肽鍵(peptide bond)：是由一個(gè)氨基酸的-羧基與另一個(gè)氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)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(cè)鏈,多肽鏈,多肽鏈,（二） 幾種生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),結(jié)構(gòu):,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(tuán) 為酸性肽 是體內(nèi)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(jīng)肽(neuropeptide),2. 肽類激素及神經(jīng)肽,三、蛋白質(zhì)的分類,* 根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分,* 根據(jù)蛋白質(zhì)形狀,蛋 白 質(zhì) 的 分 子 結(jié) 構(gòu) The Molecular Structure of Protein,第 二 節(jié),蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括： 一級(jí)結(jié)構(gòu) (primary structure) 二級(jí)結(jié)構(gòu) (secondary structure) 三級(jí)結(jié)構(gòu) (tertiary structure) 四級(jí)結(jié)構(gòu) (quaternary structure),定義： 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。,一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),主要化學(xué)鍵：肽鍵 二硫鍵的位置屬于一級(jí)結(jié)構(gòu)研究范疇。,一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。,胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu),30,21,二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)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(gè)原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽鍵平面。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。,肽單元,H,H,H,H,蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折疊 ( -pleated sheet ) -轉(zhuǎn)角 ( -turn ) 無規(guī)卷曲 ( random coil ),（二） -螺旋,結(jié)構(gòu)要點(diǎn): 多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成 右手螺旋，側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。 每圈螺旋含3.6個(gè)氨基酸，螺距為0.54nm。 每個(gè)肽鍵的亞氨氫和第四個(gè)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(jié)構(gòu)，側(cè)鏈位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下方。 兩段以上的 -折疊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。氫鍵與螺旋長軸垂直。,（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲,-轉(zhuǎn)角：,無規(guī)卷曲：沒有確定規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)。, 肽鏈內(nèi)形成180回折。 含4個(gè)氨基酸殘基，第一個(gè)氨基酸殘基與第四個(gè)形成氫鍵。 第二個(gè)氨基酸殘基常為Pro。,-轉(zhuǎn)角：,（五）模體,蛋白質(zhì)分子中，二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)具有特殊功能的空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。,螺旋環(huán)螺旋,鋅指,（六）影響二級(jí)結(jié)構(gòu)形成的因素,氨基酸側(cè)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(cè)鏈較小。,三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu),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(duì)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(jié)構(gòu)域,結(jié)構(gòu)域 (domain),大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€(gè)或數(shù)個(gè)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(jié)構(gòu)域。,結(jié)構(gòu)域,Triose phosphate isomerase,分子伴侶 (chaperon),通過提供一個(gè)保護(hù)環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級(jí)結(jié)構(gòu)的一類蛋白質(zhì)。,* 可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復(fù)進(jìn)行可使肽鏈正確折疊。,* 與錯(cuò)誤聚集的肽段結(jié)合，誘導(dǎo)其正確折疊。,* 對(duì)蛋白質(zhì)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(jié)合力主要是氫鍵和離子鍵。,四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)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(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。,每條具有完整三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱為亞基 (subunit)。,血紅蛋白（Hb）的四級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 The Relation of Structure and Function of Protein,第 三 節(jié),（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ),一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)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(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血,這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。,（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu),二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合， Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。,（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,* 協(xié)同效應(yīng)(cooperativity),一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。 促進(jìn)作用稱為正協(xié)同效應(yīng) (positive cooperativity) 抑制作用稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng) (negative cooperativity),變構(gòu)效應(yīng)(allosteric effect),凡蛋白質(zhì)（或亞基）因與某小分子物質(zhì)相互作用而發(fā)生構(gòu)象變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)（或亞基）功能的變化，稱為蛋白質(zhì)的變構(gòu)效應(yīng)。,（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病,蛋白質(zhì)構(gòu)象?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。,蛋白質(zhì)構(gòu)象病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)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(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)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(dòng)物神經(jīng)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(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)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(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白質(zhì)的兩性電離,一、理化性質(zhì),蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。,蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)( isoelectric point, pI) 當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。,利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì)，可通過電泳、離子交換層析、等電聚焦等技術(shù)分離蛋白質(zhì)。,（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì),蛋白質(zhì)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(dá)1100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。,* 蛋白質(zhì)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(zhì)的聚沉,（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固,* 蛋白質(zhì)的變性(denaturation) 在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)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(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。,應(yīng)用舉例 臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。 防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。,蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變： 溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。,若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性。,復(fù)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(zhì)沉淀 在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。 變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。,* 蛋白質(zhì)的凝固作用(protein coagulation) 蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。,（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收,由于蛋白質(zhì)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(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。,（五）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng),茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction) 蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應(yīng)。,雙縮脲反應(yīng)(biuret reaction) 蛋白質(zhì)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(yīng)稱為雙縮脲反應(yīng)，雙縮脲反應(yīng)可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。,二、蛋白質(zhì)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(zhì)與小分子化合物分開的方法。,* 超濾法：應(yīng)用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達(dá)到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。,（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀,*使用丙酮沉淀時(shí)，必須在04低溫下進(jìn)行，丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應(yīng)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(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。,*免疫沉淀法： 將某一純化蛋白質(zhì)免疫動(dòng)物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識(shí)別相應(yīng)的抗原蛋白，并形成抗原抗體復(fù)合物的性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。,（三）電泳,蛋白質(zhì)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(fù)極移動(dòng)。這種通過蛋白質(zhì)在電場中泳動(dòng)而達(dá)到分離各種蛋白質(zhì)的技術(shù), 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(zhì)電泳 *SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳：常用于蛋白質(zhì)分子量