生化蛋白质.ppt
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1、蛋白质化学,第 2章,Structure and Function of Protein,下午12时6分,2,Protein 来自希腊字母,意思是“头等重要的,原始的” 蛋白质 来源于对蛋清(清蛋白)的研究,分布广: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。 含量高:蛋白质是细胞内最丰富的有机分子,占人体干重的45,某些组织含量更高,例如脾、肺及横纹肌等高达80。,下午12时6分,3,下午12时6分,4,下午12时6分,5,下午12时6分,6,1833年 Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1864年 Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白,并将其制成结晶。 19世纪末
2、 Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的,并将氨基酸合成了多种短肽 。 1938年 德国化学家Gerardus J. Mulder引用“Protein” 一词来描述蛋白质。,大事记:,下午12时6分,7,1951年 Pauling采用X(射)线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构-螺旋(-helix)。 1953年 Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。 1962年 John Kendrew 和 Max Perutz确定了血红蛋白的四级结构。 1965年 我国完成结晶牛胰岛素的人工合成。 20世纪90年代以后 蛋白质组学,下午12时6分,8,生命的起源必然是通过化学途经实现的,只
3、要把蛋白质的化学成份弄清楚以后,化学就能着手制造出活的蛋白质来,如果化学有一天能用人工的方法制造蛋白质,那么这样的蛋白质就一定会显示出生命现象。 反杜林论 恩格斯,下午12时6分,9,什么是蛋白质?,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。,下午12时6分,10, 组成蛋白质的元素,有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se、I等。,C 50 55 % H 6 7 % O 19 24 % N 13 19 % S 0 4 %,主要元素组成,下午12时6分,11,各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16
4、。,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 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%, 蛋白质元素组成的特点,凯氏定氮法:,下午12时6分,12,2.1蛋白质的分类,2.1.1 根据蛋白质形状,膜蛋白质,下午12时6分,13,下午12时6分,14,下午12时6分,15,下午12时6分,16,下午12时6分,17,下午12时6分,18,下午12时6分,19,下午12时6分,20,2.1.2 根据蛋白质组成成分,下午12时6分,21,1.简单蛋白:又称为单纯蛋白质;这类蛋白质只
5、含由-氨基 酸组成的肽链,不含其它成分。 (1)清蛋白和球蛋白:广泛存在于动物组织中,易溶于水,球蛋白微溶于水,易溶于稀酸中。 (2)谷蛋白和醇溶谷蛋白:植物蛋白,不溶于水,易溶于稀酸、稀碱中,后者可溶于7080乙醇中。 (3)精蛋白和组蛋白:碱性蛋白质,存在与细胞核中。 (4)硬蛋白:存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中,分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。,下午12时6分,22,2.结合蛋白:由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成 (1)色蛋白:由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞 色素等。 (2)糖蛋白:由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。 (3)脂蛋白
6、:由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-、-脂蛋白等。 (4)核蛋白:由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。 (5)磷蛋白:由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。,下午12时6分,23,2.1.3 根据功能分类,1.酶 如蛋白酶 2.调节蛋白 如激素 3.贮存蛋白质 如卵清蛋白 4.转运蛋白 如血红蛋白 5.运动蛋白 如肌球蛋白、肌动蛋白 6.防御蛋白和毒蛋白,下午12时6分,24,7.受体蛋白 8.支架蛋白 9.结构蛋白 10异常蛋白,下午12时6分,25,1)酶的生物催化作用,蛋白质具有重要的生物学功能,下午12时6分,26,2)调控作用,参
7、与基因调控:组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控:如激素或生长因子等,下午12时6分,27,3)运动与支持,机体的结构蛋白:头发、骨骼、牙齿、肌肉等,下午12时6分,28,4)参与运输贮存的作用,血红蛋白 运输氧 铜蓝蛋白 运输铜 铁蛋白 贮存铁,下午12时6分,29,5)免疫保护作用,抗原抗体反应 凝血机制,下午12时6分,30,6)参与细胞间信息传递,信号传导中的受体、信息分子等,7) 氧化供能,下午12时6分,31,2.2 蛋白质的组成单位 氨基酸,下午12时6分,32,氨基酸 组成蛋白质的基本单位,存在自然界中的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种,即含有氨基又有羧基
8、的化合物,下午12时6分,33,分子中同时含有羧基和氨基,且与羧基相邻的-碳原子上都有一个氨基,因而称为-氨基酸。 除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的-碳原子都为不对称碳原子, A. 氨基酸都具有旋光性; B. 每一种氨基酸都具有D-型和L-型两种立体异构体。目前已知的天然蛋白质中氨基酸都为L-型。,下午12时6分,34,R,下午12时6分,35,既有氨基,又有羧基的小分子有机物称为氨基酸。 氨基酸就是氨基连接在羧酸的碳原子上。,下午12时6分,36,基本氨基酸中,除脯氨酸和甘氨酸外其余均属于L-氨基酸。,例外:,Pro 亚氨基酸,Gly 没有手性,下午12时6分,37,以甘油醛为参照,AA分
9、为D型和L型,有旋光性 手性碳原子,下午12时6分,38,下午12时6分,39,下午12时6分,40,下午12时6分,41,下午12时6分,42,下午12时6分,43,2.2.2 氨基酸的分类,分类依据 :R侧链基团的结构及理 化性质的不同,下午12时6分,44,按侧链的极性:极性AA、非极性AA 按侧链的结构:脂肪族AA、芳香族AA 杂环AA、杂环亚AA 按侧链的酸碱性:酸性AA、碱性AA 中性AA,下午12时6分,45,按侧链的极性、酸碱性,非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸 极性带电荷氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸,中性氨基酸,下午12时6分,46,非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸 酸
10、性氨基酸 碱性氨基酸,下午12时6分,47,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非极性疏水性氨基酸,下午12时6分,48,下午12时6分,49,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨
11、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,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 极性中性氨基酸,下午12时6分,50,侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。,3. 酸性氨基酸 Glu,Asp,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,下午12时6分,51,4. 碱性氨基酸 His,Arg,Lys,侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。,组氨酸 Hi
12、s (H) 7.59,赖氨酸 Lys(K) 9.74,精氨酸 Arg (R) 10.76,下午12时6分,52,另外:,1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修 饰的修饰氨基酸 如:脯氨酸 羟基化 成 羟脯氨酸 赖氨酸 羟基化 成 羟赖氨酸 2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在,下午12时6分,53, 半胱氨酸,胱氨酸,下午12时6分,54,下午12时6分,55,下午12时6分,56,下午12时6分,57,人体所需的八种必需氨基酸 赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 蛋氨酸(Met) 色氨酸(Trp) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile) 苏氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe) 婴儿时期所需: 精
13、氨酸(Arg)、组氨酸(His) 早产儿所需:色氨酸(Trp)、半胱氨酸(Cys),下午12时6分,58,必需氨基酸 生命活动所必需的,但人体自身不能合成,必须从食物中摄取的氨基酸。 半必需氨基酸 在人体内合成速度很低,特别是新生儿或患病期,但又需要给予补充的氨基酸。 非必需氨基酸 人体自身能够合成的氨基酸。,下午12时6分,59,2.2.3 氨基酸的理化性质,. 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处溶液的酸碱度。,下午12时6分,60,等电点(isoelectric point, 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
14、中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,下午12时6分,61,氨基酸等电点的特点: 净电荷数等于零,在电场中不移动; 此时氨基酸的溶解度最小。,下午12时6分,62,氨基酸等电点的确定:,酸碱滴定 根据pK值计算: 等电点等于两性离子两侧pK值的算术平均数。,下午12时6分,63,下午12时6分,64,方,方,下午12时6分,65,下午12时6分,66,Gly+ Gly Gly-,OH+,OH+,H+,H+,pI = (pK1 + pK2) /2 = (2.34 + 9. 6) /2 = 5.97,下午12时6分,67,下午12时6分,68,Asp+ Asp Asp- Asp=,H+,H
15、+,H+,OH+,OH+,OH+,K1,K2,K3,两性离子zwitterion,pI = (pK1 + pK2) /2 = (1.88 + 3. 65) /2 = 2.77,下午12时6分,69,H+,H+,H+,OH+,OH+,OH+,K1,K2,K3,两性离子,pI = (pK2 + pK3) /2 = (8.95 + 10.53) /2 = 9.74,Lys+ Lys+ Lys Lys -,下午12时6分,70,中性氨基酸: pIpH6.0(5.06.3) 碱性氨基酸(二氨基一羧基): pIpH7.5 (7.610.9) 酸性氨基酸(一氨基二羧基): pI pH3.0 (2.83.2)
16、,下午12时6分,71,计算一定pH氨基酸溶液中各离子比例,pH=pKa+lg,质子受体,质子供体,下午12时6分,72,紫外吸收,色氨酸和酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,下午12时6分,73,紫外分分光度法: 大多数蛋白质含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。,芳香族氨基酸的紫外吸收,下午12时6分,74,氨基酸的化学性质 茚三酮反应:氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物,最大吸收峰在570nm。 该反应可作为蛋白质定性、定量分析的基础。 -氨基、 -羧基共同参与的反应。,下午12时6分,75,下午12时6分,76,与
17、甲醛的反应,OH-,中和滴定,下午12时6分,77,与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应,弱碱性,下午12时6分,78,取代DNFB测定蛋白质N端氨基酸,灵敏度高,下午12时6分,79,与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应,pH8.3,无水HF,重复测定多肽链N端氨基酸排列顺序,设计出“多肽顺序自动分析仪”,下午12时6分,80,与亚硝酸反应,在标准条件下测定生成的氮气体积,即可计算出氨基酸的量, 也可用于蛋白质水解程度的测定 注意:生成的氮气(N2)只有一半来自氨基酸,下午12时6分,81,与荧光胺反应: 根据荧光强度测定氨基酸含量(ng级)。激发波长x=390nm,发射波长m=475nm。,
18、下午12时6分,82,与5,5-双硫基-双(2-硝基苯甲酸)反应:,下午12时6分,83,硫代硝基苯甲酸,测定Cys-SH含量 (pH8.0412nm的摩尔消光系数=13600 L.mol-1.cm-1),下午12时6分,84,2.3、肽,2.3.1 肽(peptide)的结构,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,下午12时6分,85,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,下午12时6分,86,肽键(peptide bond):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,本质为酰胺键。 氨基酸残基(residue) :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。
19、,下午12时6分,87,下午12时6分,88,下午12时6分,89,下午12时6分,90,* 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,* 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称多肽(polypeptide)。,* 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,下午12时6分,91,下午12时6分,92,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,多肽链有方向性:,N端,C端,下午12时6分,93,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,下午12时6分,94,下午1
20、2时6分,95,2.3.2 几种生物活性肽, 谷胱甘肽(glutathione, GSH),下午12时6分,96,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH 有抗氧化剂的作用,可还原细胞内产生的过氧化氢,下午12时6分,97,谷胱甘肽的生理功用: 解毒作用: 参与氧化还原反应: 保护巯基酶的活性: 抗氧化剂作用,维持红细胞膜的稳定:,下午12时6分,98,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide),2. 多肽类激素及神经肽,下午12时6分,99,促进子宫、乳腺平滑肌收缩,加速遗忘。,收缩血管减少排尿巩固记忆,加压素(升血压),催产素,下午12时6分,
21、100,脑啡肽(enkephalin,ENK)与-内啡肽、强啡肽等合称内源性阿片肽.内源性阿片肽是体内具有阿片样活性的一类物质,分布广泛,通过作用于不同部位的各种类型的阿片受体,发挥复杂多样的生理作用.,下午12时6分,101,脑啡肽:一种能产生吗啡样作用的天然化学物质。它是发现最早(1975年)的内啡肽,属于五肽。休斯(Hughes,G.)从动物脑内分离出两种类似的五肽:一种为甲硫氨酸脑啡肽(MEnkephalin);另一种为亮氨酸脑啡肽(LEnkephalin)。发现它们局限于脑内的神经末梢,含脑啡肽的神经元都是小的中间神经元。其作用和吗啡 一样能与阿片受体呈立体专一性结合,下午12时6分
22、,102,下午12时6分,103,下午12时6分,104,2.4 蛋白质的结构 The Molecular Structure of Protein,下午12时6分,105,蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的,具有特定分子结构的高分子化合物。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键(次级键)来维系,下午12时6分,106,蛋白质的分子结构包括(人为划分) 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),下
23、午12时6分,107,定义:蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。(包括蛋白质分子中所有的二硫键的位置),2.4.1、蛋白质的一级结构,主要的维系键:肽键,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功能的基础。但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素,下午12时6分,108,CN键不能自由旋转 酰胺平面包括6个原子,下午12时6分,109,Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn,1 5 6 10 11 15 21,Phe-Val-Asn-Gln-H
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