第2章蛋白质的化学.ppt

第二章 蛋白质的化学,第二章 蛋白质的化学,【学习目标】 掌握蛋白质的元素组成、基本组成单位、一级结构、空间结构、结构与功能的关系以及蛋白质的理化性质。熟悉蛋白质的分类、生物学功能及蛋白质分离纯化方法。 【重点难点】 蛋白质的元素组成及基本组成单位；蛋白质的一级结构、空间结构及其与生物学功能的关系；蛋白质理化性质。,蛋白质是构成生物体的基本成分,人体干重约45% 细菌约50%80% 干酵母约46.6% 黄豆约40%,蛋白质（Protein）由19种氨基酸和1种亚氨基酸组成的、具有复杂结构和特定功能的大分子物质。,蛋白质具有多样性的生物学功能,生物催化作用：酶 代谢调节作用：激素 免疫保护作用：免疫球蛋白 物质的转运与储存功能：血红蛋白运输O2和CO2，运铁蛋白运 输Fe，血浆脂蛋白运输脂类物质 运动和支持功能：肌动蛋白和肌球蛋白完成肌肉的收缩与舒张， 皮肤、骨骼和肌腱的胶原纤维主要含胶原蛋白 生长、繁殖、遗传、变异功能：核蛋白 生物膜的功能和受体：生物膜的基本成分为蛋白质和脂类，受 体传递信息 保护结缔组织的功能：作为结缔组织的主要成分 等等,一、蛋白质的元素组成,大多数蛋白质的含氮量比较接近且恒定，平均为16%。 蛋白质定量（微量凯氏定氮法的基础）: 蛋白质的含量 = 蛋白质样品含氮量×6.25,二、蛋白质的基本单位氨基酸,氨基酸(Amino acid):羧酸分子中-C原子上的一个H 原子被-NH2取代而生成的化合物, 又称-氨基酸。,氨基酸的结构特点, 除脯氨酸（-亚氨基酸）外，其余都是-氨基酸。 具有酸性-COOH和碱性-NH2，故氨基酸为两性电解质。 不同的-氨基酸其R侧链不同，R侧链对蛋白质的空间结构和理化性质有重大影响。 除R为H的甘氨酸外，其它氨基酸的-C原子都是手性碳原子，故具有旋光异构现象：D型和L型。,氨基酸的构型,构型：根据甘油醛构型确定D型和L型,注意： 构型与旋光性方向并无直接对应关系。 组成天然蛋白质的氨基酸大多数是L-氨基酸。,非极性R基氨基酸：丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Tre）、蛋氨酸（Met） 共8种 极性不解离R基氨基酸：甘氨酸（Gly）、丝氨酸（Ser）、苏 氨酸（Thr）、半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln） 共7种 酸性R基氨基酸：谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp） 共2种 碱性R基氨基酸：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、组氨酸（His） 共3种,氨基酸分类,非极性R基氨基酸,极性不解离R基氨基酸,酸性R基氨基酸,碱性R基氨基酸,三、蛋白质的分类,清蛋白和球蛋白：清蛋白易溶于水；球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。 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。 精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在于细胞核中。 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。,核蛋白：如细胞核中的核糖核蛋白等。 糖蛋白：如细胞膜中的糖蛋白等。 脂蛋白：如血清-，-脂蛋白等。 色蛋白：如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。 磷蛋白：如角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。 金属蛋白：如钙结合蛋白等。,外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，多为功能蛋白质。 如血红蛋白、酶、免疫球蛋白等。,分子呈纤维状，多为结构蛋白质。,可溶性纤维状蛋白质：肌肉的结构蛋白、血清蛋白等。,不溶性纤维状蛋白质：胶原蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。,一、蛋白质的一级结构,肽键,肽键平面,肽键的特点 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4个原子及相邻的2个-C原子处于同一平面。,肽键平面,肽,通常在多肽链的一端含有一个完整的-氨基，称为氨基端或N-末端；在另一端含有一个完整的-羧基，称为羧基端或C-末端。 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。,肽链结构,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。,蛋白质的一级结构,1969年，国际纯化学与应用化学委员会（IUPAC）规定： 蛋白质的一级结构（Primary structure）指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置。,一级结构的意义,牛胰岛素的一级结构,二、蛋白质的空间结构,蛋白质的二级结构（Secondary structure）是指多肽链骨架中若干肽单位各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则的构象。,主要形式有-螺旋、-折叠、-转角、无规则卷曲。,蛋白质的二级结构,维持和稳定蛋白质分子构象的作用力： 氢键： X H ······ Y 疏水键：是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而群集在一起的集合力。 范德华力：在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一种较弱的作用力。 离子键：由带相反电荷的两个基团间的静电吸引所形成的。,二硫键,蛋白质的二级结构,-螺旋的特点： 绝大多数天然蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋。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，每个氨基酸残基的高度为0.15nm; 肽链内相邻两个螺旋之间形成一个氢键，是稳定-螺旋的主要次级键。氢键的取向几乎与轴平行，每个氨基酸残基的C=O氧与其后第四个氨基酸残基的N-H氢形成氢键。 肽键中的氨基酸残基的R基侧链分布在螺旋的外侧，其形状、大小及电荷均影响-螺旋的形成和稳定。,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成-螺旋结构。,1、螺旋（-helix）,-螺旋结构形成的限制因素,凡是有Pro存在的地方不能形成。因Pro的C-N键不能旋转，且形成的肽键N原子上没有H，不可能形成氢键。 静电斥力。若一段肽链有多个Glu或Asp相邻,则因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。 位阻。如Asn、Leu等的形状和大小，防碍-螺旋的形成。,2、折叠（-pleated sheet）,折叠的特点： 肽链充分伸展使肽键平面之间折叠呈锯齿状结构，侧链R基团交替分布于锯齿状结构的上下方。 肽链平行排列，相邻肽链间的肽键交替形成氢键，是稳定折叠的主要次级键。 相邻排列的两条折叠结构的走向相同称为顺向平行。反之，称为逆向平行。逆向平行的折叠更为稳定。,折叠走向,3、 转角（-turn）,主链形成180°的回折结构。由四个连续氨基酸残基构成。,（或发夹结构）,目前发现的-转角多数都存在蛋白质分子表面，它们的含量相当丰富，约占全部氨基酸残基的1/4。,4、无规则卷曲,多肽链由于肽键平面在空间的不规则排布形成的松散结构称为无规则卷曲。 在一般球蛋白分子中，往往含有大量的无规则卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象。,二级三级,蛋白质的三级结构,疏水键是维持三级结构（Tertiary structure）稳定的主要作用力。,磷酸丙糖异构酶 丙酮酸激酶,蛋白质的四级结构,两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链以非共价键缔合形成的复杂空间结构,四聚体,疏水键是稳定四级结构（Quarternary structure）的主要作用力。,一级结构二级结构三级结构四级结构发挥功能,三、蛋白质分子结构与功能的关系,一级结构与功能,一级结构是空间结构的基础，也是蛋白质功能的基础。,一级结构不同，生物学功能不同。 一级结构中的“关键”部分相同，其功能也相同。关键”部分变化，功能随之改变。,例一：细胞色素C,多种生物的细胞色素C一级结构的研究结果表明： 亲缘关系越近，氨基酸顺序的同源性越大。 尽管不同生物间亲缘关系差别很大，但与细胞色素C功能密切相关的氨基酸顺序却有共同之处，即保守顺序不变。,不同生物与人的细胞色素C相比较氨基酸数目差异 黑猩猩 0 鸡、火鸡 13 牛猪羊 10 海龟 15 狗驴 11 小麦 35 粗糙链孢霉 43 酵母菌 44,一级结构与功能,例二：镰刀形红细胞贫血病,病因：血红蛋白氨基酸顺序的细微变化,红细胞变形成镰刀状,输氧功能下降,细胞脆弱易溶血。,一级结构与功能,例三：胰岛素原 胰岛素,前胰岛素原胰岛素原胰岛素降血糖,空间构象与功能,空间构象是实现蛋白质功能的基础，构象改变功能随之改变。 有时蛋白质的构象发生轻微改变，但其生物学活性会有显著变化。,例一：RNase的变性与复性,Anfinsen experiments,例二：血红蛋白的变构,有些蛋白质分子在表现其生物功能时，构象必须发生一定的变化。,CO也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红素的结合能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制肌红蛋白或血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。,一、蛋白质的两性解离性质,蛋白质分子在溶液中解离成正、负离子的数目正好相等，即净电荷为0，这时溶液的pH值即为 蛋白质的等电点，简称pI（isoelectric point）。,带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象称为电泳(electrophoresis)。,电泳,二、蛋白质的变性,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）。,变性因素：加热、紫外线、剧烈搅拌、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。,变性本质：破坏了维持蛋白质空间构象的次级键。,生物活性丧失,三、蛋白质的高分子性质,质点直径1100nm 蛋白质溶液具有胶体性质。,胶体稳定因素： 蛋白质颗粒表面具有水化膜 蛋白质分子表面带有同种电荷,阻隔 排斥,四、蛋白质的沉淀,蛋白质在溶液中靠水化层和电荷保持其稳定性，一旦除去水化层和电荷，蛋白质溶液的稳定性就被破坏，蛋白质就会从溶液中聚集析出，此现象即为蛋白质的沉淀作用(precipitation)。,沉淀过程,五、蛋白质的颜色反应,茚三酮反应,双缩脲反应,酚试剂反应,六、蛋白质的紫外吸收,这三种氨基酸在280nm 附近有最大吸收，因此大多数蛋白质在280nm 附近显示强吸收。,大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。,一、食物蛋白质的生理功能,二、氮平衡,氮平衡指摄入蛋白质的含氮量与排泄物的含氮量之间的关系。,三、食物蛋白质的营养价值,必需氨基酸（essential amino acid）是指机体需要但自身不能合成，必须由外界摄入的氨基酸。,婴儿时期所需: 精氨酸(Arg)、组氨酸(His) 早产儿所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys),四、蛋白质的生理需要量,成年人：11.5g/天/kg 儿童、青少年、孕妇等： 1.53g/天/kg,本章小结 蛋白质的基本组成单位是20种氨基酸，它们通过肽键相连形成蛋白质，多肽链中的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。在一级结构的基础上，通过氢键、疏水键、离子键、范德华力、二硫键等次级键的作用，多肽链折叠盘曲，形成蛋白质的空间构象，包括二级、三级和四级结构。一级结构是空间结构的基础，而空间结构决定蛋白质的生物学活性。 蛋白质是两性电解质，在溶液中的带电状态取决于该蛋白质的等电点和溶液的pH值。蛋白质是高分子化合物，其溶液是亲水胶体，表面的水化膜和电荷层是亲水胶体稳定的因素，稳定因素一旦被破坏，蛋白质就聚集而沉淀。某些理化因素会使蛋白质变性，变性最主要的特征是蛋白质生物学活性丧失。蛋白质有紫外吸收的特性并可发生多种颜色反应，常利用这些特征对蛋白质进行定性或定量。 依据不同蛋白质的溶解度、分子大小、带电性质、配体特异性不同，常采用盐析法、透析法、离子交换层析法、亲和层析法等方法对蛋白质进行分离纯化方法。,自我检测 （一）名词解释 蛋白质一级结构、肽单位、等电点、蛋白质的变性作用、盐析、电泳 （二）思考题 1、简述蛋白质的生物学功能。 2、蛋白质的二级结构有哪些形式？各有何特点？ 3、何谓蛋白质的空间构象？有哪几个层次？各靠哪些次级键维持？ 4、蛋白质的沉淀方法有哪些？其原理是什么？ 5、蛋白质纯化时常用哪些方法？这些方法的依据是什么？,谢谢！,超二级结构,超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。,结构域,结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同。,