生物化学 蛋白质.ppt
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1、第一章,蛋白质的结构与功能 Structure and Function of Protein,The biochemistry and molecular biology department of JMU,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。,蛋白质研究的历史,1833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。 1864年,血红蛋白被分离并结晶。 19世纪末,证明蛋白质由氨基酸组成,并合成了多种短肽。 20世纪初,发现蛋白质的二级结构;完成胰岛素一级结构测定。,20世纪中叶,各种
2、蛋白质分析技术相继建立,促进了蛋白质研究迅速发展; 1962年,确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代,功能基因组与蛋白质组研究展开。,蛋白质的生物学重要性,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。,1. 蛋白质是生物体重要组成成分,1)酶的生物催化作用,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,2)调控作用,参与基因调控:组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控:如激素或生长因子等,3)运动与支持,机体的结构蛋白:头发、骨骼、牙齿、肌肉等,4)参与运输贮存的作用,血红蛋白
3、 运输氧 铜蓝蛋白 运输铜 铁蛋白 贮存铁,5)免疫保护作用,抗原抗体反应 凝血机制,6)参与细胞间信息传递,信号传导中的受体、信息分子等,作为生物催化剂(酶) 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能,蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein,第 一 节, 蛋白质的元素组成,主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo,个别蛋白质还含有 I 。,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
4、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,一、氨基酸 蛋白质的基本组成单位,存在自然界中的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种,且均属 L-氨基酸(甘氨酸除外)。,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基
5、酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,Lys, K,Arg, R,His, H,guanidyl,imidazol,Asp, D,Glu, E,carboxyl,carboxyl,methylthio,mercapto,Cys,C,Met,M,hydroxy,Ser,S,Thr,T,Tyr,Y,hydroxy,Phenyl,Phe,F,Tyr,Y,Trp,W,Val,V,Leu,L,Ile,I,Gly,G,Ala,A,Pro,P,carbonyl,carbonyl,Asn,N,Gln,Q,习
6、惯分类方法 芳香族氨基酸:Trp、Tyr、Phe 含羟基氨基酸:Ser、Thr、Tyr 含硫氨基酸:Cys、Met 杂环族氨基酸:His 杂环族亚氨基酸:Pro 支链氨基酸:Val、Leu、Ile,氨基酸分类归纳:,碱性赖精组,酸性天和谷,芳香苯色酪,分支缬亮异,含硫半甲硫,羟基酪苏丝,You should know names, structures, 3-letter codes,几种特殊氨基酸,脯氨酸 (亚氨基酸),甘氨酸 (无手性碳原子), 半胱氨酸,胱氨酸,修饰氨基酸: 蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如:胱氨酸、羟脯氨酸(Hyp)、羟赖氨酸(Hyl)。 非生蛋
7、白氨基酸: 蛋白质中不存在的氨基酸。如:瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸,是代谢途径中产生的。,Modified amino acids 修饰氨基酸,无密码子编码,Selenium, Se,Sulfur, S,羟脯氨酸,羟赖氨酸,amino acids not-presented in proteins,鸟氨酸,瓜氨酸,不出现在蛋白质结构中的氨基酸,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质,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。,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
8、中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,(一)氨基酸具有两性解离的性质,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,The pI is the pH midway between pK value on either side of the isoelectric species.,For Example Glycine Glutamate Histidine,pI的计算:,pI = (pK1+pK2)/2,An acidic amino acid pI=(pK1+pKR)/2,A basic amino acid pI=(pKR+pK2)/2,(二)含共轭双键的氨
9、基酸具有紫外吸收性质,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,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,(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,可生成蓝紫色化合物,其最大吸收峰在570nm处。 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。,茚三酮反应,四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,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。,(一)氨基酸通过肽键连接而形成肽 (pe
10、ptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,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,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(residue)。,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)。,N 末端:多肽链中有游离-氨基的一端 C 末端:多肽链中有游离-羧基的一端,多肽链有两端:,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。,多肽链,多肽链,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,(二) 几种生物活性肽,1.
11、谷胱甘肽(glutathione, GSH),结构:,谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽 谷氨酸的-羧基形成肽键 SH为活性基团 为酸性肽 是体内重要的还原剂,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,主要功能:,GSH 有抗氧化剂的作用,可还原细胞内产生的过氧化氢,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:,肽类激素:如促甲状腺素释放激素(TRH),神经肽(neuropeptide),2. 肽类激素及神经肽,蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein
12、,第 二 节,蛋白质的分子结构包括: 一级结构 (primary structure) 二级结构 (secondary structure) 三级结构 (tertiary structure) 四级结构 (quaternary structure),定义: 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要化学键:肽键 二硫键的位置属于一级结构研究范畴。,胰岛素的一级结构,30,21,一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。,二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 二级结构,主要的化学键:氢键,(一)参与肽键形成的6个原子在同一平面上
13、,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面,C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型,此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,由于C=O双键中的电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”,使肽键具有部分双键的性质,不能自由旋转。,蛋白质立体结构原则,肽单元,H,H,H,H,(一)参与肽键形成的6个原子在同一平面上,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面,C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型,此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,-螺旋 ( -helix)
14、-折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil),(二)-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构,蛋白质二级结构,-螺旋,0.54nm,-helix,R-residue stretch out ,steric interactions,Top view,-螺旋,结构要点: 多肽链主链围绕中心轴形成 右手螺旋,侧链伸向螺旋外侧。 每圈螺旋含3.6个氨基酸,螺距为0.54nm。 每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。,(三)-折叠使多肽链形成片层结构,-pleated sheet,-pleated shee
15、t,(三)-折叠,多肽链充分伸展,相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构,侧链位于锯齿结构的上下方。 两段以上的 -折叠结构平行排列 ,两链间可顺向平行,也可反向平行 。 两链间的肽键之间形成氢键,以稳固 -折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。,Pro存在处往往形成-转角。,(四)-转角和无规卷曲,-转角:,-转角:, 肽链内形成180回折。 含4个氨基酸残基,第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。 第二个氨基酸残基常为Pro。,无规卷曲:没有确定规律性的肽链结构。,(五)模体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有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个有规则的二级结构组合,被称
16、为超二级结构。,二级结构组合形式有3种: ,,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,称为模体(motif) 。,模体是具有特殊功能的超二级结构。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,-螺旋-转角(或环)-螺旋模体 链-转角-链模体 链-转角-螺旋-转角-链模体,模体常见的形式,螺旋折叠折叠 2个His和2个Cys 与Zn离子结合 螺旋区 与 DNA 结合,(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。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或-折叠,它就会出现相应的二级结构。,影响二级结构形成的因素,氨基酸侧链所带电荷 、
17、大小及形状。,影响-螺旋形成的因素:, -折叠形成条件: 要求氨基酸侧链较小。,妨碍-螺旋形成的主要因素:,(1)多个酸性AA相邻或多个碱性AA相邻,R带同种电荷相斥。,(2)Asn , Leu存在处,R侧链大。,(3)Pro存在,Pro的N原子位于刚性五元环中,妨碍盘曲而使肽链走向转折,不能形成-螺旋,-折叠形成的条件: 较小的R(如Gly , Ala)容许两条肽段彼此接近。蚕丝蛋白中含大量Gly,Ala,故富含-折叠。,Pro存在处往往形成-转角。,三、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,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。,定义:
18、,(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,Noncovalent bond,肌红蛋白 (Mb),纤连蛋白分子的结构域,(二)结构域是三级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密的区域,并各行其功能,称为结构域 (domain) 。,(三)分子伴侣参与蛋白质折叠,分子伴侣(chaperon)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。,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,使肽链正确折叠。,分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合,使之解聚后,再诱导其正确折叠。,分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中
19、二硫键的正确形成起了重要的作用。,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。,四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构,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,称为蛋白质的四级结构。,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,称为蛋白质的亚基 (subunit)。,胰岛素受体:由4个亚基组成(22) ,亚基与亚基形成单体(monomer),2个单体形成二聚体(dimer)。,由2个亚基组成的蛋白质四级结构中,若亚基分子结构相同,称之为同二聚体(homodimer),若亚基分子结构不同,则称之为异二聚体(heterodimer
20、)。,血红蛋白的四级结构,4 subunits,血红蛋白的四级结构,血红蛋白的四个亚基紧密结合,亚基之间的维系键是亚基之间的8个盐键,五、蛋白质的分类,* 根据蛋白质组成成分,* 根据蛋白质形状,纤维状蛋白质:多为结构蛋白,难溶于水,球状蛋白质:多数具有生理活性,多数可溶 如酶、免疫球蛋白等等,结合蛋白质及其辅基,六、蛋白质组学,(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达的全部蛋白质,即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。,(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:,双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点的定位、切取 蛋白质点的质谱分析,(三)蛋白质组学研究的
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