细胞生物学蛋白质课件.ppt

高级细胞生物学,Advanced Cell Biology,张慧杰,1,Protein Structure and Function,蛋白质的结构和功能,2,问题1：哪些物质含有蛋白质？,鸡蛋：蛋白、蛋黄瘦肉大豆毛发：角蛋白唾液：唾液淀粉酶血液：清蛋白、免疫球蛋白等,3,问题2：蛋白质有哪些功能？,4,Protein functions,5,Protein functions,马达蛋白,储存蛋白,信号蛋白,6,Protein functions,受体蛋白,基因调控蛋白,特殊功能蛋白,7,什么是蛋白质?,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。,8,蛋白质由氨基酸相连形成,甘氨酸,丙氨酸,多肽主链：由多肽上的氨基酸核心原子的重复序列组成。侧链：氨基酸中不参与主链形成的部分。这些侧链赋予氨基酸的独特性质。,9,氨基酸通过肽键相连,10,蛋白质在生物体内的分布特征,1.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。2.含量高 蛋白质占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。3.种类多 人体中蛋白质种类达十万余种，每种蛋白质都有其特定的结构与功能。,11,蛋白质的分类,(一)根据蛋白质组成成分,1.单纯蛋白质,2.结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分,(二)根据蛋白质形状,1.纤维状蛋白质,2.球状蛋白质,12,第一节 蛋白质的分子组成,一、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磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。,(一)组成蛋白质的元素,13,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粗略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%,(二)蛋白质元素组成的特点,三聚氰胺（C3H6N6）含氮量高达61%,14,二、蛋白质的基本单位氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的编码氨基酸仅有20种，均属-氨基酸（脯氨酸除外），且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,(一)氨基酸的通式,15,各种氨基酸的结构区别在于侧链（R基团）的不同，故具有不同的理化性质。,C,H2N,C,O,OH,H,16,费歇尔(Fischer)投影式,费歇尔投影式是用平面式来表示分子的立体结构。与手性碳原子相连的两个横键是伸向纸前方的，两个竖键是伸向纸后方的。因此，表示某一个化合物的费歇尔投影式只能在纸平面上平移，也能在纸平面上旋转180或其整数倍，但不能在纸平面上旋转90或其奇数倍，也不能离开纸平面翻转,17,手性（Chirality）,手性指一个物体与其镜像不重合。手性广泛的存在于自然界中。如果某物体与其镜像不同，则其被称为“手性的”，且其镜像是不能与原物体重合的，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。可与其镜像叠合的物体被称为非手性的（achiral）。,18,对映异构体,手性物体与其镜像被称为对映异构体（enantiomorph，希腊语意为“相对/相反形式”）。,19,非极性侧链氨基酸(9种)水溶性小。其侧链为非极性疏水基团。极性中性侧链氨基酸(6种)易溶于水，但色氨酸微溶于水。其侧链具有亲水性。酸性氨基酸(2种)侧链上有羧基，在水溶液中能释放出H+而带负电荷。碱性氨基酸（3种）侧链上有氨基、胍基、咪唑基等，在水溶液中能接受H+而带正电荷。,(二)氨基酸的分类,20,20种不同氨基酸,21,缬氨酸 valine Val V 5.96,1.非极性氨基酸（疏水的）(9种),甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,H,CH3,CH3-CH,CH3,CH3-CH2-CH,CH3,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,22,2.极性中性氨基酸（亲水的）(6种),色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,23,中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,3.酸性氨基酸(2种),天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,HOOC-CH2,4.碱性氨基酸(3种),中文名称 英文名称 缩写符号 结构式 等电点,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,24,1.含硫氨基酸,(三)几种特殊氨基酸,25,2.芳香族氨基酸,CH2,CHCOOH,NH2,苯丙氨酸,3.亚氨基酸,脯氨酸,26,(四)氨基酸的理化性质,1.两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离方式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，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,27,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,28,2.紫外吸收,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,波长(nm),29,3.茚三酮反应,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。,(蓝紫色),30,三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,(一)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。,肽键,31,1.肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,2.两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,(二)肽(peptide),3.由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。,4.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)。,5.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。分别有：,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端，C 末端：多肽链中有自由羧基的一端。,32,33,(三)几种生物活性肽,1.谷胱甘肽(glutathione,GSH),谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸,存在于几乎身体的每一个细胞。GSH能帮助保持正常的免疫系统的功能。并具有抗氧化作用和整合解毒作用。能参与生物转化作用，从而把机体内有害的毒物转化为无害的物质，排泄出体外。,34,促皮质素、促性腺激素（含黄体生成素、绒毛膜促性腺激素）、胰岛素及其类似物、胰岛素样生长因子等。主要分泌器官是丘脑下部及脑垂体。肽类激素的作用是通过刺激肾上腺皮质生长、红细胞生成等实现促进人体的生长、发育，大量摄入会降低自身内分泌水平，损害身体健康，还可能引起心血管疾病、糖尿病等。同样，滥用肽类激素也会形成较强的心理依赖。,2.多肽类激素（peptide hormone）,35,焦谷氨酸 组氨酸 脯氨酰胺,在下丘脑合成。促进腺垂体分泌促甲状腺素，后者促进甲状腺细胞增生、合成并分泌甲状腺激素，可促进生乳素、催产素和辊压素的分泌。可影响大脑的机能，如抗抑郁、改变睡眠觉醒和行为。,促甲状腺素释放激素(TRH),36,由肾脏和肝脏分泌的一种激素样物质，能够促进红细胞生成。服用红细胞生成素可以使患肾病贫血的病人增加血流比溶度（即增加血液中红细胞百分比）。人体缺氧时，此种激素生成增加，并导致红细胞增生。EPO兴奋剂正是根据促红细胞生成素的原理人工合成，它能促进肌肉中氧气生成，从而使肌肉更有劲、工作时间更长。,促红细胞生成素（Erythropoietin）(EPO),兴奋剂，体育比赛中属违禁药物。,37,是腺垂体细胞分泌的蛋白质，是一种肽类激素。生长激素的主要生理功能是促进神经组织以外的所有其他组织生长；促进机体合成代谢和蛋白质合成；促进脂肪分解；对胰岛素有拮抗作用；抑制葡萄糖利用而使血糖升高等作用。受性别、年龄和昼夜节律的影响，睡眠状态下分泌明显增加。,生长激素（human Growth Hormone）(hGH),38,第二节 蛋白质的分子结构,39,蛋白质折叠形成能量最低的构象,蛋白质最终的折叠结构由其能量状况决定，通常处于自由能最小时的构象。变性的蛋白质能够恢复他们原来的形状，说明蛋白质三维结构所需的全部信息包含在这个蛋白质的氨基酸序列中。,40,蛋白质具有多样的形状和大小,41,免疫球蛋白,42,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),空间结构,43,1.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,2.主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,(一)定义与主要化学键,肽键的键长为0.132nm，短于单键的0.147nm，长于双键的0.123nm，故具有部分双键的特性，不能旋转。,44,(二)肽单元(肽键平面),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)。,肽键平面示意图,45,二、蛋白质的二级结构,1.定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。,2.主要的化学键 氢键,(一)定义与主要化学键,(二)蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋(-helix)-折叠(-pleated sheet)-转角(-turn)无规卷曲(random coil),46,1.-螺旋 1951年根据 X 线衍射图提出。以碳原子为转折点，形成右手螺旋。,(1)螺旋每圈含3.6个氨基酸残基，残基跨距0.15nm，螺距0.54nm。(2)螺旋以氢键保持稳固。(3)各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。,3.6残基,47,在生物结构中容易形成螺旋,48,49,卷曲螺旋,50,-螺旋在不同蛋白质中的含量,肌红蛋白、血红蛋白主要由-螺旋结构组成-球蛋白基本不含-螺旋结构毛发中的角蛋白几乎都是-螺旋结构,51,2.-折叠(1)是多肽链一种比较伸展、成锯齿状的肽链结构。,52,(2)两条肽链走向相同，称为顺向平行结构，反之，则称为反向平行结构。后者更为稳定。,Antiparallel sheet,Parallel sheet,53,折叠具有特殊的性质,They can help to keep insects from freezing in the cold.In an antifreeze protein isolated from a beetle that lives in cold climates,a series of parallel sheets forms a beautifully flat surface along one side of the protein molecule This array appears to offer a perfect platform for binding to the regularly spaced water molecules that are present in an ice lattice.By adhering to the ice crystals that form when water is cooled below its freezing point,the antifreeze protein prevents the ice crystals from growingthereby keeping the insects cells from freezing solid.,54,3.-转角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,4.无规卷曲,肽链出现180回折的部分形成-转角。,55,三、蛋白质的三级结构,疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。,2.主要的化学键,指一条多肽链在二级结构或者超二级结构甚至结构域的基础上，进一步盘绕，折叠，依靠次级键的维系固定所形成的特定空间结构。,1.定义,56,H2N,H3N+,N,b,H,COO-,O,a,C,C,COOH,S,S,H,O,CH2,O,a,a,CH,CH3,CH,CH3,CH3,CH2,CH3,CH3,CH3,c,c,c,O,O,C,c,CH2OH,CH2OH,b,NH2+,H2N,C,O,C,O-,a,b,c,氢键,离子键,疏水键,维持蛋白质分子构象的各种化学键,范德华力,d,57,三类非共价键帮助蛋白折叠,58,疏水作用帮助蛋白质折叠成致密的结构,59,分子内氢键帮助稳定结构,60,肌红蛋白(Mb),肌红蛋白的三级结构是由一簇八个a-螺旋组成的，螺旋之间通过一些片段连接。肌红蛋白中的四分之三氨基酸残基都处于a-螺旋中。,61,结构域是生物大分子中具有特异结构和独立功能的区域,形成空间上可以分辨的组织，是三级结构的一部分。通常含有100-250个氨基酸，是构成许多较大蛋白质的模块单元。,蛋白质结构域,62,蛋白质结构域,63,描述蛋白质结构域的不同模型,64,2.主要化学键 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。,四、蛋白质的四级结构,1.定义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)。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。,(一)定义与主要化学键,65,蛋白质的亚基,蛋白质表面通过非共价键与别的分子相互作用的区域成为结合位点。一个蛋白质可以有很多结合位点。当一个结合位点识别第二个蛋白的表面时，两条折叠的多肽链在此位点紧密的结合，并产生一个具有精确集合形状的更大的蛋白质。在这类蛋白质中，每条多肽链成为亚基。每个亚基可能含有一个以上的结构域，他们是多肽链单独折叠的部分。,66,血红蛋白,67,蛋白质的家族,蛋白质一旦进化到稳定构象并带有有用特性时，它的结构可以随着时间推移而稍作修改并使之具有新的功能，在一个家族内，每个成员彼此间具有相似的氨基酸序列和三维构象。,68,蛋白质装配成复杂的结构,69,蛋白质装配成丝，片或球,70,病毒的衣壳,许多病毒的衣壳或多或少是球状的蛋白组装物。这些衣壳蛋白是由一组蛋白亚基的多个拷贝形成的多面体。病毒的DNA或RNA被包裹在里面。,71,纤维蛋白,72,二硫键(Disulfide bonds),73,第三节蛋白质结构与功能的关系,74,一、一级结构与功能的关系,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,1.核糖核酸酶一级结构与功能的关系,二硫键破坏后，生物学活性丧失。,75,(1)将A链N端的第1个氨基酸残基切去，其活性只剩210，再将第24位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。,(2)将A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，胰岛素的功能完全消失。,(3)将B链第2830位氨基酸残基切去，其活性仍能维持100%。,2.胰岛素一级结构与功能的关系,76,3.血红蛋白一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血,N-val his leu thr pro glu glu C(146),HbS 肽链,HbA 肽 链,N-val his leu thr pro val glu C(146),谷氨酸,缬氨酸,异常血红蛋白链的第6位谷氨酸被缬氨酸所代替。这个疏水氨基酸正好适合另一血红蛋白分子链EF角上的“口袋”，这使两条血红蛋白链互相“锁”在一起，最终与其他血红蛋白链共同形成一个不溶的长柱形螺旋纤维束，使红细胞扭旋成镰刀形。,77,镰刀状红细胞,正常红细胞,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,变形的红细胞会堵塞血管，使血液和氧供应量减少，造成了溶血性贫血，并导致患者关节、四肢等部位周期性地感觉剧痛。,78,(二)蛋白质空间结构与功能的关系,1血红蛋白空间结构与功能的关系,Hb未结合O2时，4个亚基结构紧密,称紧张态(T态)。随着O2 的结合,空间结构发生变化，使结构相对松弛，称松弛态(R态)。T态对氧亲和力低,R态对氧亲合力高，是Hb结合O2 的形式。肺毛细血管O2 分压高,促使T态转变成R态,组织毛细血管O2 分压低,促使R态转变成T态。,79,例：疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常PrP富含-螺旋，称为PrPc。在某种未知蛋白质作用下转变成为-折叠的PrPsc，从而致病。,蛋白质构象疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。,2朊病毒蛋白空间结构与功能的关系,80,81,第四节 蛋白质的理化性质,一、蛋白质的两性解离和等电点,(一)两性解离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团，故称两性解离。,82,当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点（pI）。,二、蛋白质的胶体性质,(二)蛋白质胶体稳定的因素,颗粒表面电荷水化膜,(二)蛋白质的等电点,(一)蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,83,84,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,1.变性的本质,即破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质肽链的氨基酸序列。,(一)蛋白质的变性(denaturation),85,2.导致变性的因素如高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属离子、生物碱试剂及辐射等因素。,3.应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,86,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,4.复性(renaturation),若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。,87,(二)蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不一定变性。,(三)蛋白质的凝固作用蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸或强碱中。,88,四、蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,89,五、蛋白质的呈色反应,(一)茚三酮反应(ninhydrin reaction)蛋白质分子中的游离氨基也可发生茚三酮反应。,(二)双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,(三)Folin-酚试剂反应 蛋白质分子中酪氨酸残基在碱性条件下能与酚试剂反应生成蓝色化合物。该反应的灵敏度比双缩脲反应高100倍。,90,第五节 蛋白质如何发挥作用,一、蛋白质结合其它分子,(一)配体(Ligand)任何被蛋白质结合的物质均被称为该蛋白的一种配体。,91,一个蛋白质与其配体紧密结合时需要有许多个弱键。因此，配体必须与蛋白质的结合位点精确匹配，就像手与手套那样，以使得蛋白质和配体之间形成大量的非共价键。,蛋白质与配体的结合具有高度的选择性,92,结合位点使蛋白质及其配体相互作用,93,二、抗体结合位点的多样化,(一)抗体（Antibody）又称免疫球蛋白，一种由浆细胞（效应B细胞）分泌，被免疫系统用来鉴别与中和外来物质如细菌、病毒等的大型Y形蛋白质。(一)抗原（Antigen）可诱发免疫反应的物质，抗体所识别的目标分子。,94,抗体与抗原的结合,95,三、酶是强有力且高度专一化的催化剂,(一)酶（Enzyme）具有生物催化功能的高分子物质，在酶的催化反应体系中，反应物分子被称为底物，底物通过酶的催化转化为另一种分子。,96,(二)酶的作用具有特异性高度专一的催化一种类型的反应。,97,溶菌酶的工作机制,溶菌酶的表面有一个特殊的结合位点，称为活性位点。活性位点可以精确地吻合底物分子的形状，并在此发生催化反应。溶菌酶的活性位点是一个可以同时容纳6个相连的糖的长凹槽。一旦与底物形成复合物后，溶菌酶就通过在糖苷键之间插入一个水分子来切断多糖，切断的多糖链被迅速解离出来并释放出溶菌酶用于进一步的循环反应。,98,(二)大多数的药物抑制酶的活性,阿莫西林：口服后药物分子中的内酰胺基立即水解生成肽键，迅速和菌体内的转肽酶结合使之失活，切断了菌体依靠转肽酶合成糖肽用来建造细胞壁的唯一途径，使细菌细胞迅速成为球形体而破裂溶解，菌体最终因细胞壁损失，水份不断渗透而胀裂死亡。,99,格列卫（Gleevec）作用机制,100,(三)紧密结合的小分子赋予蛋白额外的功能,蛋白质经常利用一些小的非蛋白质分子来执行功能，这些功能弱单靠氨基酸是非常困难甚至是不可能完成的。,101,思考题,1.名词解释：肽键、亚基，结构域.2.为什么细胞内几乎所有的蛋白质都采用独特而稳定的构象？3.烫发能把头发烫成各种式样，是根据什么生物化学原理呢？（提示：头发里主要含有的蛋白质是角蛋白，角蛋白的二硫键形成模式部分决定了头发的形状。烫发药水含有硫醇类物质（含有巯基），中和剂含有过氧化氢。）,102,课堂作业,翻译下面一段英文：From a chemical point of view,proteins are by far the most structurally complex and functionally sophisticated molecules known.This is perhaps not surprising,considering that the structure and activity of each protein has been developed and fine-tuned over billions of years of evolutionary history.We start by considering how the position of each amino acid in the long string of amino acids that forms a protein determines its three dimensional shape,a structure stabilized by noncovalent interactions between different parts of the molecule.Understanding protein structure at the atomic level will allow us to describe how the precise shape of each protein determines its function in the cell.,103,