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1、Chapter 1 Structure and Function of Protein Section A Introduction Section B Amino Acids Section C Peptide Section D Structure of Protein Section E Character of Protein Section F Isolated and Purification of Protein,2,蛋白质(protein)是由氨基酸为单位组成的一类重要的生物大分子,是生命的物质基础。,蛋白质存在于所有的生物细胞中,是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。,蛋白
2、质是生命活动的物质基础,它参与了几乎所有的生命活动过程。,Section A Introduction,3,4,早在1878年,思格斯就在反杜林论中指出:“生命是蛋白体的存在方式,这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。”,可以看出, 第一,蛋白体是生命的物质基础; 第二,生命是物质运动的特殊形式,是蛋白体的存在方式; 第三,这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。 现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格斯的论断。,5,1、酶的催化作用 2、运输功能 细胞色素C: 传递电子 钠钾离子泵:运输K+和Na+ 血红蛋白 :向全身各组织细胞运输氧 血浆脂蛋白
3、:运输各种脂类。 运铁蛋白: 运输铁离子, 每分子运铁蛋白可以结合两个铁离子 清蛋白: 可与多种微溶物质结合形成复合物后有助于微溶物质的运输,这些微溶物质包括: 雌激素,肾上腺素,雄酮,黄体酮,三碘甲腺原氨酸,甲状腺素,胆红素,尿酸,抗坏血酸,乙酰胆碱,胆碱酯酶,腺嘌呤核苷,脂肪酸,组胺,金霉素,青霉素,蛋白质的功能,6,3、免疫功能 抗体与抗原 4、机械支持 如胶原蛋白、弹性蛋白和角蛋白 5、调节作用 如:胰岛素 6、接受和传递信息,7,蛋白质是一类含氮有机化合物,除含有碳、氢、氧外,还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素,主要是磷、铁、碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分
4、比约为:,A1 蛋白质的分子组成,碳 50 氢 7 氧 23 氮 16% 硫 03 其他 微量,8,氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此,可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近于16%,所以,可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量: 蛋白质含量(克%)=每克生物样品中含氮的克数 6.25,蛋白质的含氮量,9,蛋白质是分子量很大的生物分子。对任一种给定的蛋白质来说,它的所有分子在氨基酸的组成和顺序以及肽链的长度方面都应该是相同的,即所谓均一的蛋白质。 蛋白质分子量的上下限是人为规定的,因为这决定于蛋白质和分子量概念的定义。,蛋白质的大小与分子
5、量,10,部分蛋白质的相对分子质量(离心法),蛋白质 相对分子质量 蛋白质 相对分子质量 鲑精蛋白 5600 己糖激酶(酵母) 102000 胰岛素(单体) 5700 醇脱氢酶(酵母) 150000 核糖核酸酶(牛) 12700 门冬酰胺酶(ECoil) 25500 细胞色素C(马心) 13700 糖原磷酸化酶(牛肝) 370600 溶菌酶(卵清) 13900 脲 酶 480000 肌红蛋白(马心) 16900 甲状腺球蛋白 650000 卵白蛋白 44000 短枝病毒蛋白(番茄) 7600000 血红蛋白(人) 64000 斑纹病毒蛋白(烟叶) 40000000 a淀粉酶 97000,11,
6、某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基(多肽链)通过非共价结合而成的,称寡聚蛋白质。有些寡聚蛋白质的分子量可高达数百万甚至数千万。,12,Section B Amino Acids,13,14,组成蛋白质的基本单位是氨基酸(amino acid) 。如将天然的蛋白质完全水解,最后都可得到约二十种不同的氨基酸。除脯氨酸和甘氨酸外,其余均属于L-氨基酸。,L-氨基酸的结构通式,15,The a-amino carboxylic acids (amino acids) can be of two stereoisomers,甘氨酸是唯一一个没有不对称碳原子的氨基酸!,16,根据R侧链基团解离性质的不同
7、,可将氨基酸进行分类: 1.酸性氨基Glu(谷氨酸),Asp(天冬氨酸);侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。 2.碱性氨基酸His(组氨酸),Arg(精氨酸),Lys(赖氨酸);侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。,B1 氨基酸的分类,17,3.中性氨基酸 侧链基团在中性溶液中不发生解离,因而不带电荷的氨基酸。可分为: 极性氨基酸:Tyr(酪),Cys(半胱),Ser(丝),Thr(苏),Asn(天冬酰胺),Gln(谷氨酰胺),Met(甲硫氨酸),Trp(色); 非极性氨基酸:Gly(甘),Ala(丙氨酸),Val(缬氨酸),Leu(亮),Ile(异亮),Pro(脯氨酸),P
8、he(苯丙氨酸)。,人体必需氨基酸有八种: Met Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr “假 设 来 借 一 两 本 书”,18,几种重要的不常见氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸,通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。,19,B2 氨基酸的理化性质,B21 旋光性 除甘氨酸外,氨基酸均含有一个手性-碳原子,因此都具有旋光性。 比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一,是鉴别各种氨基酸的重要依据,甘氨酸是唯一一个没有旋光性的氨基酸!,20,B22 氨基酸的光吸收,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收,但在远紫外区(220nm
9、)均有光吸收。 在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。,21,组成天然蛋白质分子的20种氨基酸中,只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右,以色氨酸吸收最强。 可利用此性质采用紫外分分光度法测定蛋白质的含量。 酪氨酸的max275nm,275=1.4x103; 苯丙氨酸的max257nm,257=2.0x102; 色氨酸的max280nm,280=5.6x103;,22,氨基酸分子是一种两性电解质。,B23 两性解离及等电点,23,The charge of an amino acid depends on pH,24,氨基酸
10、在结晶形态或在水溶液中,并不是以游离的羧基或氨基形式存在,而是离解成两性离子。 在不同的pH条件下,两性离子的状态也随之发生变化。,PH 1 7 10 净电荷 +1 0 -1 正离子 两性离子 负离子 等电点PI,25,当溶液浓度为某一pH值时,氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等,净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点,简称pI。 侧链不含离解基团的中性氨基酸, pI = (pK1 + pK2 )/2 对于侧链含有可解离基团的氨基酸,其pI值也决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。 酸性氨基酸:pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 碱性氨基酸:pI = (pK
11、2 + pKR-NH2 )/2,26,B24 氨基酸的显色,氨 基 酸 显 色 试 剂 颜 色 各种氨基酸 01-05茚三酮丙酮(或乙醇)溶液 蓝紫色 多种氨基酸 1吲哚醌酒精冰醋酸溶液 不同氨基酸显不同颜色 各种氨基酸 1澳酚蓝酒精溶液 蓝 色 甘 氨 酸 01邻苯二醛酒精溶液 墨绿色 酪 氨 酸 a-亚硝基-B萘酚酒精硝酸溶液 红 色 酪 氨 酸 对氨基苯磺酸-碳酸钠溶液 浅红色 组 氨 酸 对氨基苯磺酸-碳酸钠溶液 橘红色 丝 氨 酸 碘酸钠甲醇溶液及醋酸铵处理 黄 色 精 氨 酸 尿素萘酚酒精溶液、氢氧化钠溴溶液 红 色 半胱氨酸 亚硝酸铁氰化钠甲醇溶液 红 色 脯 氨 酸 吲哚醌-醋
12、酸锌异丙醇溶液 蓝 色 色 氨 酸 对甲基苯甲醛丙酮溶液 蓝紫色,27,蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的-羧基与另一个氨基酸分子的-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽。,Section C Peptide,28,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键,所形成的化合物称为肽。,C1 肽的结构,由两个氨基酸组成的肽称为二肽,由多个氨基酸(10个以上)组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。,29,30,在多肽链中,氨基酸残基按一定的顺序排列,这种排列顺序称为氨基酸顺序 通常在多肽链的一端含有一个游离的
13、-氨基,称为氨基端或N-端;在另一端含有一个游离的-羧基,称为羧基端或C-端。 氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始,以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为: Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,31,两氨基酸单位之间的酰胺键,称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。 多肽链具有方向性,头端为氨基端(N端),尾端为羧基端(C端)。 凡氨基酸残基数目在50个以上,且具有特定空间结构的肽称蛋白质;凡氨基酸残基数目在50个以下,且无特定空间结构者称多肽。,32,肽键,肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 组成肽键的原子处于同一平面。,33,肽键,肽键中
14、的C-N键具有部分双键性质,不能自由旋转。 在大多数情况下,以反式结构存在。,34,四肽的结构,35,C2 天然存在的重要多肽,在生物体中,多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。 但是,也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能,常称为活性肽。 如:脑啡肽;激素类多肽;抗生素类多肽;谷胱甘肽;蛇毒多肽等。,36,37,谷胱甘肽(GSH) 全称为-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原,故有还原型(GSH)与氧化型(GSSG)两种存在形式。,38,谷胱甘肽的生理功用: 解毒作用:与毒物或药物结合,消除其毒性作用; 参与氧化还原反应:作为重要的还原剂,参与体内
15、多种氧化还原反应; 保护巯基酶的活性:使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态; 维持红细胞膜结构的稳定:消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。,39,+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO- +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO- Met-脑啡肽 Leu-脑啡肽,40,L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val L-Orn L-Or L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu 短杆菌肽S(环十肽) 由细菌分泌的多肽,有时也都含有D-氨基酸和一些不常见氨基酸,如鸟氨酸(Ornithine, 缩写为 Orn)。,41,-Amanitin(鹅膏覃碱):是来自
16、毒蘑菇Amanita phalloides 二环八肽,能抑制真核RNA聚合酶,特别是聚合酶II 转录,42,Section D 蛋白质的分类,按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。 球状蛋白质:globular protein外形接近球形或椭圆形,溶解性较好,能形成结晶,大多数蛋白质属于这一类。 纤维状蛋白质:fibrous protein分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。,D1 依据蛋白质的外形分类,43,D2 依据蛋白质的组成分类,按照蛋白质的组成,可以分为 简单蛋白(simple protein) 结合蛋白(conjugated protei
17、n),44,简单蛋白,又称为单纯蛋白质;这类蛋白质只含由-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。清蛋白易溶于水,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。,45,结合蛋白,由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成, 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。 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
18、。 脂蛋白:由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-,-脂蛋白等。 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。,46,D3 几种重要的蛋白质类型,D31 纤维状蛋白 纤维状蛋白质(fibrous protein)广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内,它是动物体的基本支架和外保护成分, 占脊椎动物体内蛋白质总量的一半成一半以上。 外形呈纤维状或细棒状,分子轴比(长轴短轴)大于1 0 小于10的为球状蛋白质 分子是有规则的线型结构。,47,纤维状蛋白质的类型,不溶性(硬蛋白),可溶性,角蛋白 胶原蛋白弹性蛋白,肌球蛋白 纤维蛋白原,48,(1)角蛋白 Keratin,角蛋白广泛存在于动物
19、的皮肤及皮肤的衍生物,如毛发、甲、角、鳞和羽等,属于结构蛋白。角蛋白中主要的是-角蛋白。 -角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维 -角蛋白的伸缩性能很好,当-角蛋白被过度-拉伸时,则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转变成-折叠结构,称为-角蛋白。,49,毛发的结构,一根毛发周围是一层鳞状细胞(scaIe cell),中间为皮层细胞(cortical celI)。皮层细胞横截面直径约为20m。在这些细胞中,大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。,大原纤维,微纤维,50,二聚物,原细丝,51,角蛋白分子中的二硫键,52,卷发(烫发)的生物化学基
20、础,永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemical engineering),角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为构象,但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。 这是因为角蛋白的侧链R基一般都比较大,不适于处在构象状态,此外角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联,这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(螺旋构象)的重要力量。,53,(2)-角蛋白,丝心蛋白(fibroin)这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高,质地柔软的特性,但不能拉伸。它具有0.7nm周期,这与角蛋白在湿热中伸展后形成的角蛋白很相似(0.65nm周期)。丝心蛋白是典型的反平行式叠片。,54,丝蛋白的
21、结构,丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为: -(Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n-,55,56,(3) 肌球蛋白和肌动蛋白,肌纤维膜,微管,肌浆,腱,横小管,57,肌肉的构成,纤维状或丝状结构的蛋白质:肌球蛋白和肌动蛋白。按生物功能来说它们不是基本的结构蛋白质,它们参与需能的收缩活动。 肌球蛋白是一种很长的捧状分子,它的总分子量为450000,约160nm长,实际上含有六条肽链。 肌球蛋白也存在于非肌肉细胞内。,58,肌动蛋白以两种形式存在,球状肌动蛋白(G肌动蛋白)和纤维状肌
22、动蛋白(F肌动蛋白)。纤维状肌动蛋白实际上是一根由G肌动蛋白分子(分子量为46000)缔合而成的细丝。两根F肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。,单体,肌动蛋白,微管蛋白,二聚物,纤维,亚组,59,(4) 胶原蛋白,胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质。 胶原蛋白至少包括四种类型,称胶原蛋白I、H、HI和IV。下面主要讨论胶原蛋白I。 腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensile strength),约为20-30kgmm2, 相当于12号冷拉钢丝的拉力。,60,胶原蛋白的结构,61,生物体内胶原蛋白网,62,D32球状蛋白,球状蛋白是结构最
23、复杂,功能最多的一类蛋白质。分子的外层多为亲水性残基,内部主要为疏水性氨基酸残基。因此,表面是亲水性的,而内部则是疏水性的。典型的球蛋白是血红蛋白。 血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条肽链,每一条肽链各与一个血红素相连接。血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。,63,免疫球蛋白,免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。 免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布在脾、肝和淋巴节等组织中。 当一类外来的被称为抗原的物质,如多糖、核酸和蛋白质等
24、侵入机体时即引起抗体的产生,这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白。,64,免疫球蛋白G,人的免疫球蛋白可分为五大类,其分子量范围从150000到950000道尔顿。免疫球蛋白M(IgM)是对一个抗原作出反应时产生的第一个抗体。 免疫球蛋白G(IgG)是一类最简单的免疫球蛋白。IgG含有两条相同的高分子量的重链(heavy chain)和两条相同的低分子量的轻链(light chain)。 四条链通过二硫键共价联接成Y字形结构。每一免疫球蛋白分子含有二个抗原结合部位,它们位于Y形结构的二个顶点。,65,免疫球蛋白的结构,66,抗体的特点,抗体具有两个最显著的特点,一是高度特异性,二是多样性。
25、高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原抗体复合物往往是不溶的,因此常从溶液中沉淀出来,此即“沉淀反应”。 一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远,则产生抗体所需的时间愈短,抗体反应也愈强。,67,抗原抗体的作用,68,某些低分子量的物质可以与抗体结合,但它们本身不能刺激抗体的产生。如果它们与大分子紧密结合,则能刺激抗体的产生。这些小分子物质称为半抗原(hapten)。 几乎所有外来的蛋白质都是抗原,并且每种蛋白质都能诱导特异抗体的产生。一个人得体内在任一个给定时刻大约有10000种抗体存在。,抗原,69,多肽类激素 种类较多,生理功能各异。主要见于下丘脑及垂体分泌的激素
26、。,70,Section E Structure of Protein,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。 蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外,蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构,即构象。 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。,71,示例,72,木瓜蛋白酶(组织蛋白酶),73,虾红素,74,E1 非共价键(次级键),E11. 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。 氢键在维系蛋白质的空间结构稳定
27、上起着重要的作用。 氢键的键能较低(12kJ/mol),因而易被破坏。,75,蛋白质分子中氢键的形成,76,E12. 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。 蛋白质分子中的许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。,77,E13. 离子键(盐键) 离子键(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
28、成离子键。,78,蛋白质分子中离子键的形成,79,E14范德华氏(van der Waals)引力 原子之间存在的相互作用力。,80,蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序,即多肽链的线状结构。 维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。蛋白质是由一条或多条多肽(polypeptide)链以特殊方式结合而成的生物大分子。 蛋白质与多肽并无严格的界线,通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。 1954年英国生化学家Sanger报道了胰岛素的一级结构,是世界上第一例确定一级结构的蛋白质。Sanger由此1958年获Nobel 化学奖。 1965年我国科学家完成
29、了结晶牛胰岛素的合成,是世界上第一例人工合成蛋白质。,E2 蛋白质的一级结构,81,蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目. 多肽链的氨基酸顺序, 以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序,它是蛋白质生物功能的基础。,82,胰岛素(Insulin)由51个氨基酸残基组成,分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基,B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起,A链另有一个链内二硫键。,83,在镰刀状红细胞贫血患者中,由于基因突变导致血红蛋白-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸,血红蛋白的亲水性明显下降,
30、从而发生聚集,使红细胞变为镰刀状。许多先天性疾病是由于某一重要的蛋白质的一级结构发生了差错引起的。如血红蛋白亚基6 位Glu被Val代替(基因突变),即表现为镰刀状贫血,为世上最常见的血红蛋白病。若亚基6位Glu被Lys取代引起另一类贫血:血红蛋白C病。,比较不同生物细胞色素C的一级结构可以帮助了解物种间的进化关系,物种间越接近,则细胞色素C的一级结构越相似。,84,细胞色素c的一级结构与生物进化的关系,85,E3 蛋白质的三维结构,蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。 主要有-螺旋、-折
31、叠、-转角。,D31 蛋白质的二级结构,86,87,立体结构模型,88,蛋白质立体结构原则:,1. 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。 2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构,称为肽单元或肽键平面。但由于-碳原子与其他原子之间均形成单键,因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。,89,肽键平面 由于肽键具有部分双键的性质,使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上,这一平面称为肽键平面或肽单元。,90,E311 -螺旋 -helix,在-螺旋中肽平面的键长和键角一定; 肽键的原子排列呈反式构型; 相邻的肽平面构成两面角;,9
32、1, -螺旋:,92,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转,形成螺旋结构,螺旋一周,沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基;两个氨基酸之间的距离为0.15nm; 肽链内形成氢键,氢键的取向几乎与轴平行,第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。 蛋白质分子为右手-螺旋。,-螺旋,93,-螺旋,94,影响-螺旋稳定的因素有: 极大的侧链基团如Asn(天冬氨酸)、Leu(亮氨酸)侧链很大,防碍螺旋的形成。(存在空间位阻); 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基(同种电荷的互斥效应)若一段肽链有多个Glu(谷氨酸)或Asp(天冬氨酸)相邻,则
33、因pH=7.0时都带负电荷,防碍螺旋的形成;同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内,正电荷相斥,也防碍螺旋的形成。 ; 有Pro等亚氨基酸存在(不能形成氢键)。,95,E312 -折叠,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列,通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象 在-折叠中,-碳原子总是处于折叠的角上,氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直,两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm;,-pleated sheet,96,-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的;也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联,氢键与链的长轴接近垂直。 -折叠有两种类
34、型。一种为平行式,即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式,即相邻两条肽链的方向相反。,-折叠,97,-折迭包括平行式和反平行式两种类型,98,-折迭:,99,E313 -转角,在-转角部分,由四个氨基酸残基组成; 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键,形成一个不很稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,-turn,100,-转角,101,-转角是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构,其结构特征为: 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。
35、,102,无规卷曲:,无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。,103,RNase的分子结构,-螺旋,-折迭,-转角,无规卷曲,104,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,形成具有特殊功能的结构区域,称模序(motif)或超二级结构。 蛋白质分子中,二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成 一个有特殊功能的空间结构。如钙结合蛋白中的结合钙离子的模序和锌指结构。,105,锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模序),106,E32 蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布,也就是一条多肽链的完整的三维结构。 维系三级结构的化学键主
36、要是非共价键(次级键),如疏水键、氢键、盐键、范氏引力等,但也有共价键,如二硫键等。,107,108,109,结构域: 在一级结构上相距较远的氨基酸残基,通过三级结构的形成,多肽链的弯折,彼此聚集在一起,从而形成一些在功能上相对独立的,结构较为紧凑的区域,称为结构域(domain)。在蛋白质结构中形成一紧密的结构,具有特殊的功能,多为蛋白质的活性部位。有的蛋白质分子有一个结构域,有的有多个,如纤连蛋白含有6 个结构域。,110,111,胰岛素分子的三级结构,112,溶菌酶分子的三级结构,113,磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构,114,E33 蛋白质的四级结构,蛋白质的四级结构(Quate
37、rnary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式;各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。 这种蛋白质分子中,最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit,它一般由一条肽链构成,无生理活性;,115,维持亚基之间的化学键主要是疏水力。 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白; 蛋白质的四级结构(quaternary structure)就是指蛋白质分子中亚基的立体排布,亚基间的相互作用与接触部位的布局。 维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。,亚基(subunit)就是指参与构成蛋白质四级结
38、构的、每条具有三级结构的多肽链。,116,117,血红蛋白(hemoglobin)的四级结构,118,119,蛋白质的一级结构 一级结构指肽链中氨基酸的排列顺序,它决定了蛋白质的结构、性质和功能。,如核糖核酸酶是一条肽键124个氨基酸残基,内有4个二硫键; 牛胰岛素两条肽键分别含21和30个氨基酸残基,二肽链通过两个链间二硫键连接。 血红蛋白是由4条肽链组成。 细胞色素C存在于许多动植物体内,执行着相同的功能即:在真核细胞的生物氧化过程中起传递电子作用。 蛋白质的二级结构 二级结构是指多肽借助氢键排列成沿一维方向具有周期性结构的构象。,120,蛋白质的三级结构 是指有二级结构的多肽链借助各种次
39、级键(非共价键)盘绕、折叠成具有特定肽链走向的紧密球状构象 维持三级结构稳定的因素有:二硫键、氢键、疏水力、盐键等以及范德华力。 蛋白质的四级结构 由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合成特定构象的蛋白质分子,又称为寡聚蛋白,其中每一条多肽链称为亚基,亚基单独存在时无活力性. 维持四级结构的主要力量是疏水力,还有范德华力、氢键、盐键、二硫键等。 氨基酸序列决定蛋白质结构,蛋白质结构决定其功能。,121,蛋白质四级结构与功能的关系 变构效应,当血红蛋白的一个亚基与氧分子结合以后,可引起其他亚基的构象发生改变,对氧的亲和力增加,从而导致整个分子的氧结合力迅速增高,使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形
40、。这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变构效应。 一个蛋白质与它的配体或其它蛋白质结合后,蛋白质的构象发生变化,使它更适合于功能需要。小分子O2称为变构剂。 一个亚基与其配体结合后,能影响此寡聚体中一亚基与配体的结合能力。正协同效应、负协同效应.,122,一级结构决定高级结构,E4. 蛋白质的结构和功能,123,血红蛋白的变构,124,血红蛋白,125,血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部分,它的主要功能是运输氧和二氧化碳。 血红蛋白中,血红素Fe原子的第六配价键可以与不同的分子结合:无氧存在时,与水结合,生成去氧血红蛋白(Hb);有氧存在时,能够与氧结合形成氧合血红
41、蛋白(HbO2)。,126,血红蛋白的功能,运输氧和CO2 对血液的pH起缓冲作用 因为HbO2在释放出一分子氧的同时,结合一个氢质子。这样就可以消除由于呼吸作用产生的CO2引起pH的降低。,127,血红素,128,血红素在蛋白中的位置,129,煤气中毒的机制,一氧化碳(CO)也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍,因此,人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与O2的结合,从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中(如新鲜空气、纯氧气或高压氧气),使与血红素结合的CO被O2置换出来。,130,2、种属差异,131,Section F Chara
42、cter of Protein,F1 蛋白质水解,132,常用6 mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸在105-110条件下进行水解,反应时间约20小时。 此法的优点是不容易引起水解产物的消旋化。缺点是色氨酸被沸酸完全破坏; 含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解;门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。,F11 酸水解,133,一般用5 mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。 由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏,产率不高。 部分的水解产物发生消旋化。 该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。,F12碱水解,134,目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶(proteolyt
43、ic enzyme)或称蛋白酶(proteinase)已有十多种。 应用酶水解多肽不会破坏氨基酸,也不会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。 最常见的蛋白水解酶有以下几种:,F13酶水解,135,Trypsin :R1=赖氨酸Lys和精氨酸Arg侧链(专一性较强,水解速度快)。,肽链,水解位点,胰蛋白酶,136,或胰凝乳蛋白酶(Chymotrypsin):R1=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr; 亮氨酸Leu,蛋氨酸Met和组氨酸His水解稍慢。,肽链,水解位点,糜蛋白酶,137,Pepsin:R1和R2R1=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr; 亮氨酸Leu以及其它疏水性氨
44、基酸水解速度较快。,肽链,水解位点,胃蛋白酶,138,thermolysin):R2=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr; 亮氨酸Leu,异亮氨酸Ileu,蛋氨酸Met以及其它疏水性强的氨基酸水解速度较快。,肽链,水解位点,嗜热菌蛋白酶,139,分别从肽链羧基端和氨基端水解,肽链,水解位点,羧肽酶和氨肽酶,140,由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链上存在游离的氨基和游离的羧基,因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质,因而也具有特定的等电点。,F2 蛋白质的两性解离与等电点,141,蛋白质与多肽一样,能够发生两性离解,也有等电点。在等电点时(Isoelectric point pI),蛋
45、白质的溶解度最小,在电场中不移动。 在不同的pH环境下,蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中,蛋白质粒子带负电荷,在电场中向正极移动;在等电点偏碱性溶液中,蛋白质粒子带正电荷,在电场中向负极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。,(1)蛋白质的两性离解和电泳现象,142,电泳,蛋白质在等电点pH条件下,不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象,可以将蛋白质进行分离纯化。,143,由于蛋白质的分子量很大,它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质,如丁达尔现象、布郎运动等。 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜,因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除
46、去。,(2)蛋白质的胶体性质,144,蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。 改变溶液的条件,将影响蛋白质的溶解性质 在适当的条件下,蛋白质能够从溶液中沉淀出来。,(3)蛋白质的沉淀作用,145,在温和条件下,通过改变溶液的pH或电荷状况,使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。 在沉淀过程中,结构和性质都没有发生变化,在适当的条件下,可以重新溶解形成溶液,所以这种沉淀又称为非变性沉淀。 可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法,如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。,(3)蛋白质的沉淀作用,可逆沉淀,146,在强烈沉淀条件下,不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性,而且也破坏了蛋
47、白质的结构和性质,产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。 由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化,所以又称为变性沉淀。 如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。,(3)蛋白质的沉淀作用,不可逆沉淀,147,蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素,能够破坏蛋白质的结构状态,引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。,(4)蛋白质的变性,148,蛋白质的变性,149,变性蛋白质通常都是固体状态物质,不溶于水和其它溶剂,也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以,蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。 蛋白质变性的可逆性: 蛋白质在体外变性后,绝大多数情况下是不能复性的; 如变性程度浅,蛋白质分子的构象未被严重破坏;或者蛋白质具有特殊的分子结构,并经特殊处理则可以复性。,150,核糖核酸酶的变性与复性,151,蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀。 变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀,但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质。 加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固。因此,凡凝固的蛋白质一定发生变性。,152,大
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