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1、1,第二章 蛋白质(Protein)结构与功能,2,1833年,Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1838年,德国化学家Gerardus J. Mulder引用“Protein” 一词来描述蛋白质。 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,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 。,3,1951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, 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
2、构。 20世纪90年代以后,后基因组计划。,4,第一节 蛋白质在生命活动中的重要功能,生命的物质基础 生物体内含量最丰富的有机成分 各种生理活动由蛋白质参与完成 表达遗传信息的物质,5,1.催化 2.调节 3.保护和支持 4.运输 5.储存和营养 6.收缩和运动 7.防御 8.识别 9.信息传递 10.基因表达调控 11.凝血 12.其他,重要生理功能,6,第二节 蛋白质的分子组成,一、组成蛋白质的基本单位,1.元素组成 五种元素:C 55% H 6-8% O 19-24% N 13-19% S 0-4%,1g N 6.25g蛋白质(凯氏定氮法),1/16%,7,2.蛋白质的基本组成单位氨基酸
3、(amino acid) (L-氨基酸) 1)通式:,R:侧链基团,8,2)参与蛋白质组成的氨基酸20种 受遗传密码控制,无种族、个体特异性 结构特点: 、除甘氨酸外,其余都是L-氨基酸 、脯氨酸为亚氨基酸 、R基团的不同是分类的基础,9,3)分类: R基团不同: 脂肪族 15种 支链: Val Ile Leu 直链: Asp Asn Glu Gln Lys Thr Ser Cys Gly Ala Met Arg 芳香族: 2种 Tyr Phe 杂环族: 3种 His Pro Trp,10,结构特点: 1.含苯环: phe 2.含酚羟基: Tyr 3.含吲哚环: Trp 4.含羟基: Ser
4、Thr 5.含硫: Cys Met 6.含胍基: Arg 7.含咪唑基: His,11,根据酸碱性分类: 酸性氨基酸: 2 个COOH、 1个-NH2 Asp Glu 碱性氨基酸: 1 个COOH、 2个碱性基团 (氨基、胍基、咪唑基) Arg Lys His 中性氨基酸: 1 个COOH、 1个-NH 极性 非极性,12,13,胱氨酸,4) 特殊氨基酸(非编码氨基酸) 胱氨酸-2分子Cys氧化 羟脯氨酸- Pro羟化 羟赖氨酸-Lys羟化,14,5) 医学营养学上将20种氨基酸分为: 8种营养必需: Lys, Thr, Trp, Met, Val, Leu, Ile, Phe(His) 12
5、种营养非必需氨基酸,15,H+,3、氨基酸的理化性质 (1)氨基酸的两性解离,R-CH-COOH R-CH-COO R-CH-COO NH3+ NH3+ NH2 阳离子 兼性离子 阴离子,*等电点: 分子呈电中性时的溶液的pH值,OH,pHpI,pI,pHpI,OH,H+,16,(2)紫外吸收 芳香族氨基酸特有: (Phe,Tyr, Trp) 吸收峰:波长280nm 应用:蛋白质溶液定 性、定量,17,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,(3)成肽反应,18,19,第三节 蛋白质的分子结构 一、肽键和肽(peptide bond &peptide ) 肽键 CONH *肽键平面,20,氨基酸残基(amin
6、o acid residues) 寡肽(oligopeptide)、多肽(polypeptide)、 多肽主链、多肽侧链 -NH2末端(N-端,H-);-COOH末端(C端,-OH) 如:H-甘-丙-谷组-蛋-OH,H2NCHCOHNCHCONHCHCOOH,R1 R2 Rn,21,*谷胱甘肽 (glutathione, GSH),生物活性肽:,22,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,23,TRH,Glu His Pro,*许多激素属寡肽或多肽,24,超二级结构结构域,二、蛋白质的分子结构,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,空间结构,25,1.蛋白质的一级结构
7、(primary structure ) 定义: 蛋白质肽链中氨基酸残基的排列顺序,包 括生成二硫键的两个Cys残基的位置。 特点:由遗传信息决定,是蛋白质分子基本结 构,是决定空间结构的基础 主要化学键:肽键,二硫键,27,2.蛋白质的空间结构(构象conformation) 二级结构secondary structure : 多肽链主链各原子在各局部的空间排布方式。 主要形式:螺旋、折叠、转角、螺旋、 随意卷曲 (2)主要化学键:氢键,28,a) -螺旋(helix ): 右手螺旋 每圈包含3.6个氨基酸 螺距0.54nm,直径0.23nm 相邻2圈螺旋间1个肽键的C=O与隔3个氨 基酸残
8、基(即A1与A5,A2与A6)第5个肽键的N-H形成氢键,中间包括13个原子,又称3.613螺旋,Linus Pauling,29,30,氢键方向与螺旋纵轴平行,链内氢键是螺旋稳定的主要因素 侧链基团位于螺旋外,不参与-螺旋的组成但对螺旋的形成与稳定有影响 螺旋稳定蛋白质空间构象,a) -螺旋(- helix):,32,肽键平面之间折叠成锯齿状,相邻两平面呈110度 结构的维系依靠肽链间的氢键,氢键的方向与肽链长轴垂直 肽链的N末端在同一侧-顺向平行,反之为反向平行。,b)-片层(-pleated sheet structure),33,34,肽链出现180转回折的有规律“U”结构 由第1个氨
9、基酸残基的C=O与第4个氨基酸残基的N-H形成氢键,中间包括1012个原子,较螺旋紧密 常位于球蛋白分子表面,为蛋白质活性的重要空间结构部分,c)-转角(-turn),35,36,左手螺旋,4.4个氨基酸残基绕一圈 氢键维系螺旋稳定,氢键跨18个原子,故称4.418螺旋 多见于胶原蛋白,3股左手螺旋盘绕形成右手超螺旋后转变为胶原纤维,d)螺旋(-helix),37,38,蛋白质中一系列无序构象的总称 是蛋白质分子结构与功能的重要肽段,e)无规则卷曲random coil,39,f)超二级结构(supersecondary structure ) 蛋白质多肽链上的一些二级结构单元,可有规律地 聚
10、集起来,形成,等结构称 为超二级结构。又称为模体(motif),40,*结构域domain 单个或多个超二级结构进一步集结形成在蛋白质分 子空间结构中可明显区分的区域称为结构域。 结构域又是蛋白质分子上的一个功能单位,亦可称为功能域。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,42,43,重要性 (1)蛋白质的功能单位,二级与三级结构的 重要中间层次。 (2)由该蛋白质相应基因的DNA链上的不同 外显子编码。,44,三级结构 tertiary structure : 在二级结构基础上,由肽链上相距甚远的氨基酸残 基所形成的整条多肽链的空间结构。 *特点 a.仅一条多肽链的蛋白质,三级结构是其最高
11、空间 结构,具活性 b.形成亲水表面及疏水内核,45,46,四级结构quaternary structure : 由两个以上具有三级结构的多肽链相互聚合而成的 大分子蛋白质的空间结构。 *亚基subunit 在蛋白质的四级结构中,每个各具独立三级结构 的多肽链称为亚基。亚基单独存在不具有生物活性。,47,特点 在具有四级结构蛋白质中,亚基单独存在 无活性 不是所有的蛋白质都具有四级结构 有些蛋白质只有三级结构也有生物活性 亚基间以次级键相连(盐键为主) 肽链间如以共价键(二硫键)相连,则不属于四级结构,48,49,三、稳定空间结构的键 一级:肽键、二硫键 二级:氢键hydrogen bond
12、三级:疏水键、氢键、盐键 四级:盐键,50,51,*二硫键 disulfide bond,52,第四节 蛋白质结构与功能的关系,DNA的碱基排列顺序 蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序 蛋白质的空间构象 蛋白质的功能 *一级结构是基础,高级结构是关键,53,一、一级结构决定构象 1、关键位置氨基酸残基改变影响生理功能 E.g.镰刀状红细胞性贫血 HbA Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys HbS Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys 6 *分子病molecular disease DNA分子上基因结构的改变,使其编码相应蛋白质一级结构改变,从而
13、引起其功能的异常或丧失所造成的遗传性疾病。,54,HbS携氧能力下降,缺氧时RBC呈镰刀状,脆性增加,溶血,55,2.非关键部位氨基酸残基改变不影响生理活性 *各种胰岛素,56,促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(-MSH, -MSH)共有一段相同的氨基酸序列,因此,ACTH也可促进皮下黑色素生成但作用较弱。,57,二、蛋白质空间结构和功能的关系 特定的功能,特定的构象;构象改变,功能改变 1.两亲性的螺旋,58,2,59,2.变构效应allosteric effect : *特点: 1) 只有具有四级结构的蛋白质有此性质 2)变构剂多为生理小分子,如O2、ATP 3)变构剂与活性中心外的
14、某一部位结合 4)构象轻微改变,活性增高或降低,60,61,62,63,第五节 蛋白质的分类 1、按组成分类 单纯蛋白质simple protein 结合蛋白质conjugated protein 2、按分子形状分类 球状蛋白质globular protein 纤维状蛋白质fibrous protein 3、按功能分类 活性蛋白质active protein 非活性蛋白质passive protein,64,NH3+ NH3+ NH2,COOH COO- COO- 阳离子 兼性离子 阴离子 (pHPI),P P P,第六节 蛋白质的理化特性 一、蛋白质的两性解离 1.,+H+,+H+,+OH,
15、+OH,65,2、蛋白质的等电点:分子呈电中性时溶液的pH值 3、蛋白质所带电荷受环境pH的影响 pH PI 阴离子 pH = PI 电中性,66,血清蛋白电泳图谱, 2 1 ,67,二、蛋白质的高分子特性,1.亲水胶体溶液稳定性决定因素: 水化层 电荷 2.透析 3.超速离心,MW 1万百万 分子大小 1100nm,68,四、蛋白质的变性denaturation 1、变性的概念 (1)引起变性的因素:高温、高压、紫外线、乙醇 (2)变性的本质:一级结构不变,次级键断裂, 空间结构破坏 (3)结果:理化性质改变,生物学活性丧失,三、紫外吸收 max:280nm(酪氨酸,色氨酸),69,2、变性蛋白质的特性 (1)生物学活性丧失 (2)溶解度降低 (3)理化性质改变:粘度增加,呈色性增加,易为 蛋白酶水解 3、实际应用:杀菌消毒,低温保存 4、复性renaturation,70,71,3.比较,
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