第二讲蛋白质化学.ppt
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1、1,蛋白质化学,曹辉 生物加工北京市重点实验室 生物炼制教育部工程中心,2,第一节 蛋白质概述,3,一、概述,1、什么是蛋白质? 蛋白质的定义-由20种左右L型-氨基酸通过肽键构成并具有稳定的构象和生物学功能的一类复杂高分子含氮化合物。 特点: *构造复杂 *功能多样 *分子量大 *平均含氮量为16% *具有胶体性质和两性性质,4,碳 50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫 0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼。氮平均含16。 利用蛋白质含氮量16%特征可以进行蛋白质含量测定-1克氮相当于含6.25克蛋白质 蛋白质含量6.25样品含氮量 不同来源蛋白质系数不同: 一般动物: 6.25 牛奶:
2、 6.38 植物: 5.7 大米: 5.95,2、蛋白质的元素组成,5,二、蛋白质的分类,分类原则:按分子形状、分子组成、溶解度、生物功能 (一)按分子形状:球状蛋白、纤维状蛋白、膜蛋白(近球状); (二)按分子组成:简单蛋白和结合蛋白; (三)按溶解度:清蛋白、精蛋白、组蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、硬蛋白等 (四)按功能分:酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。,6,三、蛋白质的生物学功能 由20种AA组成的20肽,其顺序异构体有 20!=21018种,1 酶 2结构成分(结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白),7,血红蛋白在血中输送氧
3、肌红蛋白在肌肉中输送氧,膜蛋白起运输作用,3贮藏(卵清蛋白、种子蛋白),4物质运输(血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体),8,5细胞运动(肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白),6激素功能(胰岛素) 7具免疫防御机能(抗体、皮肤的角蛋白、血凝蛋白) 8生物膜受体功能-接受、传递信息(受体蛋白,味觉蛋白) 9调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达(组蛋白、阻遏蛋白),胰岛素模型,抗体,9,四、 蛋白质的分子组成,1、蛋白质水解作用分类 酸水解(6MHCL,在100120,1024h):色氨酸破坏,天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基;不消旋。 碱水解(5MNaOH煮102
4、0h):多数氨基酸受到不同程度的破坏,消旋,色氨酸稳定;半胱氨酸,丝氨酸,苏氨酸,胱氨酸遭破坏。 酶水解:不产生消旋作用,也不破坏氨基酸;水解位点特异,用于一级结构分析,肽谱。两种水解酶:内肽酶,外肽酶。,10,四、 蛋白质的分子组成,2.蛋白质的水解产物 蛋白质的水解过程为: 蛋白质 多肽 二肽 -氨基酸 分子量: 500-103 200 100 -氨基酸(amino acid)是蛋白质的基本组成单位,11,第二节 氨基酸的结构分类及性质,12,一. 氨基酸的结构特点,特点: (1)都是-氨基酸; (2)具有酸性的-COOH基及碱性的-NH2基,为两性电解质; (3)除甘氨酸(R基是H原子)
5、外,都是L-型氨基酸,具有旋光性;,13,14,15,16,德国化学家埃米尔费舍尔任意地将甘油醛一种形态规定为,L甘油醛,而将它的镜像化合物规定为D甘油醛。,17,氨基酸的构型与旋光性,COOH H C NH2 R D-型氨基酸 氨基酸的构型和旋光性是两个不同的概念。,COOH N H2 C H R L-型氨基酸 构型:D-型,L-型 旋光性:左旋(-) 右旋(+),D(+)-型,D( )-型 X射线测定绝对构型,18,二、氨基酸的种类及结构,1、按结构可分为: 4大类 (1)脂肪族侧链:,甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸,丝氨酸,脯氨酸,苏氨酸,19,天冬氨酸 谷氨酸 天冬酰胺 谷氨
6、酰胺,半胱氨酸,甲硫氨酸,赖氨酸,精氨酸,20,(2)芳香族侧链:,苯丙氨酸 酪氨酸,21,(3)杂环氨基酸,组氨酸 色氨酸,22,(4)杂环亚氨基酸,脯氨酸,23,2、按R基团的极性分:,极性氨基酸: 极性不带电荷:丝、苏、天冬酰胺、 谷氨酰胺、酪、半胱、 极性带负电荷:天冬、谷、 极性带正电荷:组、赖、精、,非极性氨基酸:甘、丙、缬、亮、异亮、 苯丙、甲硫、脯、色,24,根据R基团的结构或性质特点,巧记20种氨基酸的口诀: 甘、丙、缬、亮、异、脂链,(脂肪链R基团的5种) 丝、苏、半、蛋、羟硫添。(含-OH,-S者共4种) 天、谷、精、赖、组、酸碱;(酸性碱性者5种) 脯、酪、苯、色、杂芳
7、环(芳香环和杂环R集团者4种) 门冬酰胺、谷酰胺,(两种酰胺) 都有密码属“常见”。(常见氨基酸都有特异的遗传密码),25,3、根据营养功能分类,必需氨基酸:机体不能自身合成,必须由食物供给的氨基酸。 赖、色、苏、缬、甲硫、亮、异亮、苯丙 半必需氨基酸:人体可合成,但幼儿期合成速度不能满足需要。 组*、精*、 非必需氨基酸:机体可自身合成的氨基酸。,26,4、非蛋白质氨基酸,非蛋白质氨基酸也具有生物活性。 -丙氨酸:泛酸及辅酶A的组成成分; 鸟氨酸、瓜氨酸:尿素循环的中间体; D-谷氨酸、D-丙氨酸:参与细菌细胞壁组成的肽聚糖; D-苯丙氨酸:组成抗生素短杆菌肽;,27,三 .氨基酸的性质,(
8、一)氨基酸的物理性质 1.氨基酸均为无色结晶体或粉末,可用于鉴定; 2.氨基酸的熔点较高,一般都大于200;(离子化合物) 3.光吸收性质芳香族氨基酸具有特征紫外吸收,280nm吸光值测定蛋白质含量; 4.溶解性质溶于水,在稀酸、稀碱中溶解度好,不溶于有机溶剂; 5. 20种标准氨基酸中,除Gly以外的19种氨基酸都有手性。,28,(二)氨基酸的化学性质,1.两性解离和等电点,29,等电点:当调节氨基酸溶液pH值,是氨基酸分子上的-NH3+基和COO-基的解离度完全相等时,即氨基酸所带净电荷为零,在电场中既不向阴极移动也不向阳极移动,此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点,用pI表示。
9、 特点:溶解度最小。 应用:谷氨酸的生产;电泳法、离子交换法分离氨基酸;,30,等电点的计算,由式可知解离常数:,K1 K2 =,H+ 2,31,两边取负对数: -lg H+ 2 = - lg K1 - lg K2 -lg H+ = pH - lg K1 = pK1 - lg K2 = pK2 2 pH = pK1 + pK2 令 pI为等电点时的pH,则 pI = ( pK1 +pK2) Glu:pI = (2 .19 + 4.25) = 3.22,32,甘氨酸电离曲线,33,2.由-氨基参加的反应,与亚硝酸反应(-氨基特有的反应):Van Slyke氏氨基氮测定的理论基础; 与甲醛反应甲醛
10、滴定法; 与2,4-二硝基氟苯的反应:氨基酸+DNFBDNP-氨基酸,鉴定氨基酸或蛋白质结构测定; 与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应-Edman法测氨基酸序列的原理; 酰胺化反应-多肽合成保护氨基 成盐反应 ; 形成西夫碱-羰胺反应(美拉德反应),食品褐变,烧烤,薯条(丙烯酰胺); 脱氨基反应形成-酮酸;,34,3.由-羧基参与的反应,成盐反应 成酯反应 酰氯化反应(氯化亚砜)-活化羧基 脱羧基反应-氨基酸代谢 叠氮反应-活化羧基,35,茚三酮反应,4.由-氨基和-羧基共同参加的反应,36,与茚三酮的反应 特点: (1)灵敏-毫克级氨基酸; (2)定性作为分离氨基酸的层析图谱上的显色剂; (3
11、)定量比色(570nm)测定氨基酸的含量; (4)多肽和蛋白质也能发生该反应; (5)通过测定气体CO2的量间接测定氨基酸的含量(定量)。 成肽反应,37,四 .氨基酸的分离制备和用途,(一)氨基酸的分离与检测 1.纸层析法 2.柱层析法-高效液相 3.薄层层析法 4.电泳法 5.氨基酸自动分析仪,38,(二)氨基酸的制备,1.水解蛋白质法 2.人工合成法 3.微生物发酵法 (三)氨基酸的用途 1.科学实验 2.医药卫生 3.工农业,39,第三节 蛋白质的结构,40,蛋白质的结构,一级结构:氨基酸的组成; 二级结构:多肽链本身的折叠方式; 三级结构:螺旋肽链结构盘绕、折叠成 复杂的空间结构;
12、四级结构:蛋白质亚基聚合成大分子蛋 白质的方式; 蛋白质的结构层次: 一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构,41,一 .蛋白质的肽链结构一级结构,1.肽的一般概念 肽键(peptide bond):一个氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基缩水而成的酰胺键称为肽键。(CONH) 肽平面(peptide unit):由肽键中的四个原子和与之相邻的两个碳原子共同构成的刚性平面。(CCONHC),42,肽键平面的形成,43,肽键平面示意图,44,2.肽的命名及表达式(N端-C端),1、酪胺酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰蛋氨酸 2、Tyr-Gly-Gly-Phe-Met (甲硫氨酸型脑啡肽) 3、H-Ty
13、r-Gly-Gly-Phe-Met-OH 4、YGGFM,45,3、生物活性肽:,(1)谷胱甘肽 (2)神经肽:脑啡肽 (3)肽类激素:催产素、加压素等,46,47,脑啡肽具有强烈的镇痛作用(强于吗啡),不上瘾。,Met-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Leu-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu,(2)神经肽,(2)神经肽,(3)催产素和升压素,均为9肽,第3位和第8位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩,具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩,升高血压,控制大出血或侵入性手术前预防大出血。,48,4.蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构指肽链中氨基
14、酸的排列顺序和连接方式;稳定一级结构的化学键:肽键; 二四级结构称为蛋白质的空间结构,或空间构象;主要靠次级键维系,尤其是疏水键。,一级结构体现生物信息:21018 .多样 一级结构是空间结构及生物活性的基础特异 一级结构的连接键:肽键(主要)、二硫键,49,50,桑格(Frederick Sanger),英国生物化学家 ,历经10年的研究之后,于1955年确定了牛胰岛素的结构,获得1958年诺贝尔化学奖 。1980年他又因设计出一种测定DNA(脱氧核糖核酸)内核苷酸排列顺序的方法而与W吉尔伯特、P伯格共获1980年诺贝尔化学奖,51,蛋白质测序仪,52,将蛋白质水解为氨基酸,测组成,确定N和
15、 C端氨基酸,确定小肽段氨基酸序列,确定小肽段氨基酸序列,利用两组不同肽段序列确定完整氨基酸序列,氨基酸序列确定过程,53,胰蛋白酶作用,胰凝乳蛋白酶作用,拼出完整氨基酸序列,54,概念:蛋白质空间结构又称蛋白质的构象(高级结构),指蛋白质分子中所有原子和基团在三维空间的排列及肽链的走向。,二、蛋白质的空间结构,胶原蛋白,血红蛋白,55,二、蛋白质的空间结构,氢键: 离子键: 范德华力 疏水相互作用力 二硫键 酯键 金属键(配位键),(一)维系蛋白质空间结构的化学键,56,1. 氢键: 氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子,与另一电负性很强的原子之间
16、,如 C=O H-N。,(一)维系蛋白质空间结构的化学键,H与电负性强的原子X共价结合时,共用的电子对强烈地偏向X的一边,使H带有部分正电荷,能再与另一个电负性强的原子Y结合。,57,蛋白质分子中氢键的形成,H,58,维系蛋白质分子构象的非共价键,酪,苯丙,丝,缬,亮,59,在蛋白质分子中,由于存在数目众多的氢键,故氢键在稳定蛋白质的空间结构上起着重要的作用。 但氢键的键能较低(12kJ/mol),易被破坏。,60,2. 疏水键: 非极性物质在含水的极性环境中存在时,会产生一种相互聚集的力,这种力称为疏水键或疏水作用力(hydrophobic interaction)。,61,蛋白质分子中的许
17、多氨基酸残基侧链也是非极性的,这些非极性的基团在水中也可相互聚集,形成疏水键,如Leu,Ile,Val,Phe,Ala等的侧链基团。,62,维系蛋白质分子构象的非共价键,63,离子键,又称为盐键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。 在近中性环境中,蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷,而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷,二者之间可形成离子键。,64,蛋白质分子中离子键的形成,65,维系蛋白质分子构象的非共价键,66,4范德华氏引力(van der Waals force): 原子之间存在的相互作用力。,67,68,5. 二硫键 6. 酯键,
18、69,(二)蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构(secondary structure)是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构,但与侧链R的构象无关,仅限于主链原子的局部空间排列。 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。,70,蛋白质二级结构的类型:,蛋白质的二级结构主要包括-螺旋,-折叠,-转角及无规卷曲等几种类型。,71,1. -螺旋(-helix):,左手和右手螺旋,72,73,-螺旋结构特征: (1)右手螺旋,类似棒状的结构,侧链R伸向外; (2)一个螺旋3.6个AA残基,螺距为0.54nm,每个AA残基沿轴上升0.15nm沿轴旋转100; (3)螺旋结构主要靠氢键稳定;,1. -螺旋
19、(-helix),74,典型的螺旋用3.613表示, 3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基 13表示氢键封闭的环包括13个原子,75,影响-螺旋形成和稳定的因素:,(1)氨基酸R基所带电荷性质; 多聚赖氨酸在pH7时以无规卷曲形式存在,在pH12时,聚赖氨酸即自发形成-螺旋结构。 (2)R基的大小 连续两个或两个以上异亮、缬、亮,大R基,不易形成螺旋;(空间位阻) 连续的几个丝或苏,会破坏-螺旋(羟基争夺氢键); 多肽链存在脯氨酸(无酰胺氢),-螺旋即被中断,形成一个“节结”;,76,R基对-螺旋的影响(Glu,PI=3.22,Lys,PI=9.74),(),(+),77,又称为-片层结构,两条
20、或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起,所形成的扇面状片层构象; 相邻肽链主链上的氨基和羰基之间形成有规则的氢键,维持这种片层结构的稳定性。,2. -折叠(-pleated sheet),78,2. -折叠(-pleated sheet),79,-折叠结构特点: 肽链几乎是完全伸展的,呈锯齿状; 氨基酸残基之间的轴心距为0.35nm; 相邻肽链或肽段上的CO和NH形成氢键,氢键几乎垂直与肽键; R侧链基团在肽平面上、下交替出现; 平行和反平行式;,2. -折叠(-pleated sheet),80,-折叠的平行式与反平行式排列,81,82,3. -转角(-turn),83,-转角是多肽链18
21、0回折部分所形成的二级结构,约占转角结构的75。 主链骨架本身以大约180回折; 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; 构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 (4)甘氨酸常出现在转角位,脯氨酸出现在中心位,-转角( -turn)的结构特征,84,4. 无规卷曲(random coil),无规卷曲(自由回转结构)为没有一定规律的松散肽链的转角结构,约占25%。 对于特定的蛋白质分子而言,其无规卷曲部分的构象则是特异的。,85,核糖核酸酶分子中的二级结构,86,在蛋白质分子中,若干具有二级结构的肽段在空间上相互接近,形成的二级结构聚集体。 -螺旋构象的聚集体( 型) -
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