蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能.ppt.ppt

第二章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,(structure and function of protein),一、什么是蛋白質(zhì)?,蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過(guò)肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。,二、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能,(一) 蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)的分布特征 1.分布廣 所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)部分都含有蛋白質(zhì)。 2.含量高 蛋白質(zhì)占人體干重的45，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80。 3.種類(lèi)多 人體中蛋白質(zhì)種類(lèi)達(dá)十萬(wàn)余種，每種蛋白質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)與功能。,1.作為生物催化劑（酶） 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 7.氧化供能,(二) 蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能,三、蛋白質(zhì)的分類(lèi),(一)根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分,1.單純蛋白質(zhì),2.結(jié)合蛋白質(zhì) = 蛋白質(zhì)部分 + 非蛋白質(zhì)部分,(二)根據(jù)蛋白質(zhì)形狀,1.纖維狀蛋白質(zhì),2.球狀蛋白質(zhì),第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成,一、蛋白質(zhì)的元素組成,主要有c、h、o、n和s。 有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有碘 。,(一)組成蛋白質(zhì)的元素,(the molecular component of protein),各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16。,(二)蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn),由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測(cè)定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：,100克樣品中蛋白質(zhì)的含量 ( g % ) = 每克樣品含氮克數(shù) 6.25100,1/16%,考考你,按照who與中國(guó)的嬰幼兒配方奶粉標(biāo)準(zhǔn)，嬰兒配方奶粉理化指標(biāo)(012個(gè)月)每100克奶粉的蛋白質(zhì)含量在10.0克20.0克；實(shí)驗(yàn)室抽樣檢測(cè)某奶粉，稱(chēng)取1克奶粉，測(cè)定n的含量是0.024克，此奶粉是否合格？ 這樣的檢測(cè)方法有什么弊端?,三聚氰胺事件,二、蛋白質(zhì)的基本單位氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的編碼氨基酸僅有20種，且均屬 l-氨基酸（甘氨酸除外）。,(一)氨基酸的通式,各種氨基酸的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于側(cè)鏈（r基團(tuán)）的不同，故具有不同的理化性質(zhì)。,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(lèi),* 20種氨基酸的英文名稱(chēng)、縮寫(xiě)符號(hào)及分類(lèi)如下:,甘氨酸 glycine gly g 5.97,丙氨酸 alanine ala a 6.00,纈氨酸 valine val v 5.96,亮氨酸 leucine leu l 5.98,異亮氨酸 isoleucine ile i 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine phe f 5.48,脯氨酸 proline pro p 6.30,非極性疏水性氨基酸,色氨酸 tryptophan try w 5.89,絲氨酸 serine ser s 5.68,酪氨酸 tyrosine try y 5.66,半胱氨酸 cysteine cys c 5.07,蛋氨酸 methionine met m 5.74,天冬酰胺 asparagine asn n 5.41,谷氨酰胺 glutamine gln q 5.65,蘇氨酸 threonine thr t 5.60,2. 極性中性氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid asp d 2.97,谷氨酸 glutamic acid glu e 3.22,賴(lài)氨酸 lysine lys k 9.74,精氨酸 arginine arg r 10.76,組氨酸 histidine his h 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 堿性氨基酸,幾種特殊氨基酸,脯氨酸 （亞氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,（二）氨基酸的理化性質(zhì),1. 兩性解離及等電點(diǎn),氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。,等電點(diǎn)(isoelectric point, pi) 在某一ph的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的ph值稱(chēng)為該氨基酸的等電點(diǎn)。,ph=pi,+oh-,phpi,+h+,+oh-,+h+,phpi,氨基酸的兼性離子,陽(yáng)離子,陰離子,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,3. 茚三酮反應(yīng),氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。,三、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式,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）肽鍵(peptide bond)：,多肽鏈,1.肽是由氨基酸通過(guò)肽鍵縮合而形成的化合物。,2.兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽,(二)肽(peptide),3.由十個(gè)以?xún)?nèi)氨基酸相連而成的肽稱(chēng)為寡肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱(chēng)多肽。,4.肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱(chēng)為氨基酸殘基(residue)。,5.多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。分別有：,n 末端：多肽鏈中有自由氨基的一端， c 末端：多肽鏈中有自由羧基的一端。,多肽鏈,（二） 幾種生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, gsh),結(jié)構(gòu):,gsh過(guò)氧化物酶,gsh還原酶,nadph+h+,nadp+,主要功能:,肽類(lèi)激素：如促甲狀腺素釋放激素（trh）,神經(jīng)肽(neuropeptide),2. 肽類(lèi)激素及神經(jīng)肽,2、測(cè)得某一蛋白質(zhì)樣品的含氮量為4.0g，此樣品中約含蛋白質(zhì)多少克（ ） a、20g b、25g c、64g d、30g e、62.5g,1、已知某蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)為6.8（pi=6.8），如果電泳液的ph為8.3，則該蛋白質(zhì)的電泳方向?yàn)椋?） a、向正極移動(dòng) b、向負(fù)極移動(dòng) c、不能確定 d、不動(dòng) e、以上都不對(duì),3、下列含兩個(gè)羧基的氨基酸是（ ） a、精氨酸 b、賴(lài)氨酸 c、甘氨酸 d、色氨酸 e谷氨酸,4、在ph=6.0的緩沖液中電泳，哪種氨基酸基本不動(dòng)（ ） a、精氨酸pi=10.76 b、丙氨酸pi=6.00 c、谷氨酸pi=3.22 d、天冬氨酸pi=2.77 e、賴(lài)氨酸pi=9.74,5、天然蛋白質(zhì)中不存在的氨基酸是（ ）a、半胱氨酸 b、脯氨酸 c、絲氨酸 d、蛋氨酸 e、瓜氨酸,6、蛋白質(zhì)的元素組成特點(diǎn)是（ ） a、含氮量約16% b、含大量的碳 c、含少量的硫 d、含大量的磷 e、含少量的金屬離子,(the molecular structure of protein),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),第二節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),空間結(jié)構(gòu),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),(二）主要的化學(xué)鍵 肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。,(一)定義,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)的空間結(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。主要的化學(xué)鍵 氫鍵 。,(一) 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),1、形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本單位是肽鍵平面（肽單元）,參與肽鍵的6個(gè)原子c1、c、o、n、h、c2位于同一平面，此同一平面上的6個(gè)原子構(gòu)成了所謂的肽單元 (peptide unit) 。,肽鍵平面示意圖,二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),(一) 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),2、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(wú)規(guī)卷曲 ( random coil ),-螺旋 1951年根據(jù) x 線衍射圖提出。以碳原子為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，形成右手螺旋。,(1)螺旋每圈含3.6個(gè)氨基酸殘基，殘基跨距0.15nm，螺距0.54nm。 (2)螺旋以氫鍵保持穩(wěn)固。 (3)各氨基酸殘基的r基團(tuán)均伸向螺旋外側(cè)。,-折疊 (1)是多肽鏈一種比較伸展、成鋸齒狀的肽鏈結(jié)構(gòu)。,(2)兩條肽鏈走向相同，稱(chēng)為順向平行結(jié)構(gòu)，反之，則稱(chēng)為反向平行結(jié)構(gòu)。后者更為穩(wěn)定。,-轉(zhuǎn)角,無(wú)規(guī)卷曲是用來(lái)闡述沒(méi)有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。,無(wú)規(guī)卷曲,肽鏈出現(xiàn)180回折的部分形成-轉(zhuǎn)角。,(二）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。,（1）是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。只有具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈才能稱(chēng)為蛋白質(zhì)。,1.蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu),（2）維持鍵,肌紅蛋白 (mb),維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的各種化學(xué)鍵,2、 結(jié)構(gòu)域,大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)常可分割成一個(gè)或數(shù)個(gè)球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)域(domain) 。,免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域示意圖,3、分子伴侶,（1）分子伴侶是一類(lèi)可識(shí)別肽鏈非天然構(gòu)象，促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)折疊的保守蛋白質(zhì)。,（3） 已發(fā)現(xiàn)分子伴侶具有形成二硫鍵的酶活性，在蛋白質(zhì)分子折疊過(guò)程中對(duì)二硫鍵正確形成起到重要的作用。,（2） 分子伴侶能可逆地與未折疊肽段結(jié)合，使肽鏈正確折疊；也可與錯(cuò)誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。,2.主要化學(xué)鍵 亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。,（三）蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu),1.定義 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(chēng)為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。,有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的亞基 (subunit)。亞基單獨(dú)存在時(shí)無(wú)生物活性。,血紅蛋白是由含有血紅素的2個(gè)亞基和2個(gè)亞基組成的四聚體。,血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu),(一)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,三、蛋白質(zhì)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(wú)活性,1.核糖核酸酶一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,二硫鍵破壞后，生物學(xué)活性喪失。,(1)將a鏈n端的第1個(gè)氨基酸殘基切去，其活性只剩210，再將第24位氨基酸殘基切去，其活性完全喪失。,(2) 將a、b兩鏈間的二硫鍵還原，a、b兩鏈即分離，胰島素的功能完全消失。,(3) 將b鏈第2830位氨基酸殘基切去，其活性仍能維持100%。,2.胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,3、血紅蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血（分子病）,這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱(chēng)為“分子病”。,(二)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,1血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,肺毛細(xì)血管o2 分壓高,促使t態(tài)轉(zhuǎn)變成r態(tài),組織毛細(xì)血管, o2 分壓低,促使r態(tài)轉(zhuǎn)變成t態(tài)。,例：瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變 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。,2朊病毒蛋白空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。,章節(jié)總結(jié),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念、作用力 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,課后練習(xí),蛋白質(zhì)的各級(jí)結(jié)構(gòu)的概念。 維持蛋白質(zhì)各級(jí)的作用力是什么？ 舉例說(shuō)明蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。,第三節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì) (the physical and chemical characters of protein),一、蛋白質(zhì)的兩性解離和等電點(diǎn),(一) 兩性解離 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)，故稱(chēng)兩性解離。,一級(jí)結(jié)構(gòu)不同 蛋白質(zhì)pi不同,人血清蛋白質(zhì)的分類(lèi)，等電點(diǎn)，分子量及遷移率,二、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì),(二) 蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素,顆粒表面電荷 水化膜,(一) 蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。,透析,沉降系數(shù)(s),在一定溶劑中，經(jīng)超速離心，蛋白質(zhì)發(fā)生沉降。 單位力場(chǎng)中的沉降速度為沉降系數(shù)，與蛋白質(zhì)分子量、分子形狀、密度等因素相關(guān)。,（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固,1、 蛋白質(zhì)的變性(denaturation) 在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無(wú)序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。,3、 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 。,4、 應(yīng)用舉例 臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來(lái)消毒及滅菌。 此外, 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。,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(wú)活性,5. 復(fù)性(renaturation),若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除 變性因素后，蛋白