生物化学第01章蛋白质的结构与功能临床5年制第7版.ppt

第一篇：生物大分子的结构与功能,生物大分子：由某些基本结构单位按一定顺序和连接方式所形成的多聚体。蛋白质：氨基酸 核酸：核苷酸 酶：（蛋白质）糖复合物：单糖,蛋白质的结构与功能,第一章,Structure and Function of Protein,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：占人体干重的45，某些组织，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,蛋白质的生物学重要性,1.蛋白质是生物体重要组成成分(结构蛋白),Protein derives from Greek protos，meaning“first”or“foremost”.,1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递,2.蛋白质具有重要的生物学功能(功能蛋白),3.氧化供能,病例：老年痴呆症 蛋白质结构变化引起疾病,记忆力明显减退，经常忘记刚刚说过的话或做过的事，对于熟悉的人或物品，不能回忆其名称。语言不流畅，经常间断，与人交流困难。睡眠欠佳，表情淡漠，反应迟钝。,里根,撒切尔,什么是蛋白质?,蛋白质（protein）是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein,第一节,组成蛋白质的元素：,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。,蛋白质分子组成：,蛋白质的含氮量平均为16。,体内含氮物质以蛋白质为主，测定生物样品含氮量，可根据以下公式推算蛋白质大致含量：,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：,三氯氢胺事件,一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于 L-氨基酸,自然界中氨基酸300余种，人体蛋白质氨基酸20种，均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,COOH COOH H2NCH HCNH2 R R L-氨基酸 D-氨基酸,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,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、氨基酸根据侧链结构和理化性质进行分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于 非极性脂肪族氨基酸,几种特殊氨基酸,脯氨酸（亚氨基酸）,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是 极性中性氨基酸(-OH、-SH、N2H）,半胱氨酸,胱氨酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是 芳香族氨基酸,Tyr,Trp,(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,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸是 碱性氨基酸,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,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,pH=pI,pHpI,pHpI,兼性离子A0,阳离子A+,阴离子A-,K1=A0H+/A+K2=A-H+/A0,K1,K2,A+A0+H+,A0 A-+H+,pI=(pK1+pK2)/2,（二）含共轭双键的氨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,四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,肽键(peptide bond)：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酰氨键。,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide),O O NH2-CH-COH HN CH-C OH R1 R2,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,蛋白质肽：氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物,二肽：两分子氨基酸残基缩合形成三肽：三分子氨基酸残基缩合形成，寡肽：十个以内氨基酸相连，(oligopeptide)多肽：由更多的氨基酸相连，(polypeptide)蛋白质：51个氨基酸氨基酸残基(residue):肽链中的氨基酸分子;因为氨基酸脱水缩合使基团不全。,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,多肽链(polypeptide chain)：许多氨基酸通过肽键连接形成的链状结构。,主链结构:氨基酸残基通过肽键连接而成的结构。侧链结构：氨基酸残基 R基团结构。,氨基末端（N 末端）：多肽链中有自由氨基的一端羧基末端（C 末端）：多肽链中有自由羧基的一端多肽链方向性：从氨基末端走向羧基末端,O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 R3 Rn,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1.谷胱甘肽(glutathione,GSH),GSH功能：GSH的巯基具有还原性：保护蛋白质或酶分子的巯基免遭氧化，维持蛋白质或酶活性状态。GSH还原H2O2GSH与致癌剂或药物结合,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein,第二节,蛋白质的分子结构：蛋白质分子各原子的空间排布和相互关系。蛋白质分子量大，呈多肽链，折叠成一定形状，具有空间结构。空间结构不同，功能不一样。,一级结构：氨基酸的排列顺序，线性结构。二级结构：主链原子的空间排布。三级结构：主链和侧链原子的空间排布。一条多肽链所有原子的空间排布。四级结构：多条肽链之间原子的空间排布。,O O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-C-R 1 R2 R3 Rn,1951年Linus Pauling等提出蛋白质螺旋结构1952年丹麦科学家(Linderstrom-Lang)建议：,定义:蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。,一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构,主要的化学键:肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构：是蛋白质空间结构和生物学功能的基础。不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。细胞环境因素影响蛋白质分子空间构象。,蛋白质数据库,Genebank：NCBI网站：National Center for Biotechnology Informationhttp:/,二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构(secondary structure),蛋白质分子中某一段肽链的主链空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置。不涉及氨基酸残基侧链的构象。,主要的化学键：氢键,定义:,主链骨架原子：N-H、C、C=O重复排列。,O O O O NH2-CH-CNH-CH-CNH-CH-C-NH-CH-C-OH R R R R,键长：CN：0.149 C=N：0.127 肽键：0.132肽键具有部分双键性质,O O CC NC CC=N+C H H,（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上,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，此一平面称之。,肽单元：肽键平面的6个原子构成的单元结构称之。C1和C2在平面上所处的位置为反式构型。,H O R2 H H O R4 H H NH2CC=NCC=N CC=NCC=N CCOOH R1 H H O R3 H H O R5,-螺旋(-helix)-折叠(-pleated sheet)-转角(-turn)无规卷曲(random coil),蛋白质二级结构的主要形式：,肽单元平面通过C旋转或折叠形成的主链结构。,维系二级结构的主要化学键：氢键,（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构多肽链肽键平面通过C旋转，形成一种螺旋的结构。,结构特点:,右手螺旋，R基团伸向螺旋的外侧。螺旋稳定因素:每个肽链的C=O,与第4个氨基酸残基的N-H形成氢键。旋转一圈:3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm。两性特点：每隔34个aa有1个极性或非极性aa，肽链具有亲水性或疏水性。,（三）-折叠使多肽链形成片层结构,-折叠：多肽链肽键平面通过C折叠，形成一种伸展形的折纸状结构。,结构特点：,折纸状结构：以C为转折点，R基团在折纸状结构的上下方。稳定因素：两条肽链或一条肽链两段之间的C=O 与N-H 形成氢键。两段肽链走向：平行：N端到C端同方向，肽链间距0.65nm；反平行:N端到C端不同方向,肽链间距0.70nm。蛋白质的二级结构主要以螺旋和-折叠为主，许多蛋白质既有螺旋又有-折叠。,-转角：肽链1800回折，回折角形成的结构。,4、无规卷曲：没有确定规律性的部分肽链结构。,结构特点：4个氨基酸残基组成，第1个残基的C=0 与第4个残基的N-H形成氢键。第二个残基常为Pro.,（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在,（五）模体是具有特殊功能的超二级结构,超二级结构：2个或3个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近、相互作用形成有规则的二级结构组合，称为超二级结构。常见的超二级结构：、,-Loop,模体(motif)：具有特殊功能作用的超二级结构。蛋白质分子中，2个或3个具有二级结构的肽段，相互接近形成一个特殊的空间结构，并发挥专一的功能。,-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,钙结合蛋白的模体（螺旋-环-螺旋）在环(无规卷曲)中亲水侧链的氧原子通过氢键与Ca2+结合。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,锌指结构 1个螺旋，2个反平行-折叠组成形似手指的结构。N-末端1对Cys，C-末端1对His，容纳结合一个Zn2+。螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，与DNA结合。,（六）氨基酸残基侧链对二级结构形成的影响,R基团电荷影响螺旋的形成：酸碱性氨基酸集中的区域，同性相斥，不利螺旋。R基团大小影响螺旋的形成：（Phe、Try、Ile）集中的区域，不利螺旋。Gly，Pro不能形成典型的螺旋。折叠的氨基酸R基团较小。,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,疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。以疏水键为主要作用，不牢固，易被破坏。,主要的化学键:,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。包括主链和侧链原子。具有功能作用的完整蛋白质分子。,定义:,（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,肌红蛋白(Mb),Mb的结构特点：153个氨基酸残基组成球状单链蛋白分子。8个螺旋占75%，间隔无规卷曲。含1个血红素辅基,（二）结构域是三级结构层次上的局部折叠区,结构域：蛋白质分子折叠形成的、相对致密的、具有一定功能作用的局部区域，称为结构域。结构域是蛋白质的活性部位，是蛋白质局部肽链所有原子排布。,磷酸甘油醛脱氢酶的NAD+结合结构域和催化结构域,纤连蛋白分子的结构域,分子伴侣(chaperone)：能为其它蛋白质分子提供合适 环境，使之折叠成具有天然构象蛋白质的分子。本质：热休克蛋白、伴侣分子、核质蛋白。,作用：分子伴侣能与未折叠肽段疏水部分可逆反复结合，使肽链正确折叠。分子伴侣能与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。分子伴侣能使二硫键形成正确的配对。,（三）分子伴侣参与蛋白质折叠,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。,蛋白质的亚基(subunit)：含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚基,血红蛋白的四级结构,均一四级结构：相同亚基组成。同聚体非均一四级结构：不相同亚基组成。异聚体,血红蛋白的一、二、三、四级结构,一级结构：氨基酸的排列顺序，线性结构。二级结构：局部主链原子的空间排布。（螺旋、折叠、转角、无规）超二级结构：几个二级结构的组合 模体：具有功能作用的超二级结构结构域：局部主链和侧链原子的空间排布三级结构：主链和侧链所有原子的空间排布。一条多肽链所有原子的空间排布。四级结构：多条肽链之间原子的空间排布。,蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein,第三节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础,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,（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,根据蛋白质结构与功能关系分类：序列相似、结构相似（结构域、模体）、功能相似,根据同源蛋白质序列相似程度分类同源蛋白：来自同一祖先（功能相似）的蛋白 质，氨基酸序列相似程度25%。,蛋白质的分类,根据蛋白质组成成分:,根据蛋白质形状:,（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息,细胞色素(cytochrome C)，比较一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。,（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血 glu:GTA val:GAA,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,二、蛋白质空间结构与功能的关系,1、蛋白质功能需要完整的空间结构。单亚基蛋白质(单聚体):结构域没有完整的功能。多亚基蛋白质(寡聚体):三级结构没有完整功能。2、空间结构改变（变构）,功能改变。3、空间结构破坏（变性）,功能丧失。,肌红蛋白（Mb）/血红蛋白（Hb）,血红素结构:铁卟啉化合物 4个吡咯环、4个甲炔基、2个丙酸基与aa连接Fe2+6个配位键：4N、组aa、O2,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,肌红蛋白（Mb）一条肽链，含1个血红素，可结合1个O2,血红蛋白（Hb）4个亚基，亚基结构与Mb相似含4个血红素，各结合4个O2亚基之间8对盐键。,氧合Hb（Mb）：与O2结合后的Hb（Mb）百分饱和度：氧合Hb(Mb)占总Hb(Mb)的百分数。氧解离曲线：氧分压与氧百分饱和度的关系曲线。,血红蛋白的构象变化与结合氧的功能,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,Mb:呈直角双曲线 MB易与O2结合 Hb:呈S状曲线 O2分压低时：Hb不易与O2结合；O2分压升高：逐渐增强结合力。,紧密型（T态）：盐键连接，亚基紧密结合，O2亲合力低。松弛型（R态）：盐键断裂，亚基松弛结合，O2亲合力高。,（二）血红蛋白亚基构象变化影响亚基与氧结合,亚基之间8对盐键，使Hb形成2种空间结构。,缺O2 时，Hb呈T态；O2升高与亚基结合，盐键断裂；Hb由T态转变为R态；R态Hb与O2亲合力提高。,血红素与O2结合；铁原子半径变小，进入卟啉环小孔中；肽链位置变动,影响亚基的构象；盐键断裂，T态转变为R态；亚基结合O2能力增强。,协同效应(cooperativity),一个多聚体蛋白质的一个亚基与配体结合，能影响此多聚体的另一个亚基与配体结合，这种现象称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positive cooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negative cooperativity),Hb的第一个亚基与O2结合，促进第二个亚基与O2结合。,别构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构（构象）的改变伴随其功能的变化，称为别构效应（变构效应）。,Hb的第一个亚基与O2结合，引起Hb的空间结构改变，从T态变构为R态，O2结合力改变。,（三）蛋白质构象改变可引起疾病,蛋白质构象疾病：蛋白质构象发生改变，影响蛋白质功能，所导致的疾病，称之。蛋白质的折叠发生错误，一级结构不变。,人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,蛋白质构象改变导致疾病的机制：蛋白质错误折叠后相互聚集，聚集蛋白抵抗蛋白水解酶，产生淀粉样纤维沉淀，而致病。病理改变：蛋白质淀粉样纤维沉淀,疯牛病：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。朊病毒蛋白的分型：正常细胞型PrP：PrPc 异常致病型PrP：PrPsc朊病毒蛋白的特点：同一基因编码，氨基酸顺序和共价修饰相同。PrPc：螺旋构成、蛋白酶敏感型 PrPsc：折叠构成、抗蛋白酶消化型。,疯牛病中的蛋白质构象改变,在某种未知蛋白质的作用下，PrPc转变成为-折叠的PrPsc，从而致病。,以外源或新生的PrPsc为模板，使PrPc转变为PrPsc。PrPsc经蛋白酶消化后剩下的核心部分分子量约2730KD(PrP2730)仍具感染性。,第四节,蛋白质的理化性质The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白质两性电离的性质,蛋白质的等电点(isoelectric point,pI),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。,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。,PHPI,利用电荷性质差异进行蛋白质分离,蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)。,二、蛋白质胶体性质,蛋白质分子量1万至100万之间，分子的直径1100nm，为胶粒范围之内。,蛋白质胶体稳定的因素:水化膜：表面极性基团吸附H2O分子。颗粒表面电荷：静电斥力，使蛋白质颗粒不易聚集。,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,蛋白质沉淀：蛋白质胶体性质破坏，或疏水基团暴露，使蛋白质分子聚集，而从溶液中析出的现象。使蛋白质沉淀的因素：中和电荷：pH=pI 破坏水化膜：脱水剂 破坏空间结构：蛋白质变性 结构改变，疏水基团暴露。,在物理和化学因素作用下，蛋白质特定空间构象被破坏，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学活性的丧失。,蛋白质变性(denaturation),三、蛋白质空间结构破坏而引起变性,引起变性的因素：加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等,变性的本质：破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。,变性的结果：理化性质改变：溶解度降低，粘度提高。生物学功能丧失，称为失活。,应用举例:使蛋白质变性：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：有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,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。,蛋白质的复性(renaturation),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,变性的蛋白质易于沉淀：疏水侧链暴露，水化膜破坏，调节pH，蛋白质容易从溶液中沉淀。沉淀的蛋白质并不都变性。,蛋白质变性与沉淀,四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰,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。,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,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。,五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量,茚三酮反应(ninhydrin reaction),双缩脲反应(biuret reaction),六、蛋白质组学,（一）蛋白质组学基本概念,蛋白质组（proteome):是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一个基因组所表达的全套蛋白质”。蛋白表达谱蛋白质翻译后修饰谱,（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）蛋白质组学研究的科学意义,反映蛋白质的表达和功能全貌。比较蛋白质组学，寻找疾病特异性蛋白质分子。,第五节,蛋白质的分离纯化与结构分析The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein,一、透析及超滤法:清除蛋白质溶液中的小分子化合物。二、蛋白质沉淀：丙酮沉淀、盐析、免疫沉淀三、电荷性质:电泳法四、相分配或亲和结合:层析方法五、蛋白质颗粒沉降:超速离心分离,六、应用化学或反向遗传学方法分析多肽链氨基酸序列,分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成,测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基,把肽链水解成片段，分别进行分析,测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用Edman降解法,一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨基酸顺序的结果。,按照三联密码的原则推演出氨基酸的序列,通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列,测定蛋白质末端氨基酸序列,测定cDNA序列,排列出mRNA序列,根据末端氨基酸序列设计RT-PCR引物,RT-PCR扩增cDNA,七、应用物理学、生物信息学原理可进行蛋白质空间结构测定,二级结构测定：圆二色光谱(circular dichroism，CD)：测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。-螺旋的CD峰：222nm负峰、208nm负峰、198nm正峰三个成分；而-折叠的CD谱不很固定。,三级结构测定：X射线衍射法(X-ray diffraction)核磁共振技术(nuclear magnetic resonance,NMR)是研究蛋白质三维空间结构最准确的方法。,根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构：几十万蛋白质序列 7000蛋白质空间结构：X射线衍射法、NMR,同源模建：待研究序列与已知结构的同源蛋白进行序列比对，通过模建和能量优化计算，产生待研究序列三维结构。序列相似性越高，预测的模型也越准确。折叠识别：通过预测二级结构、预测折叠方式和参考其它蛋白的空间结构，从而产生待研究序列的三维结构。从无到有：根据单个氨基酸形成二级结构的倾向，加上各种作用力力场信息，直接产生待研究序列三维结构。,根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构：,目的与要求,掌握：氨基酸侧链的结构特点；蛋白质的分子结构形式和特点、蛋白质的理化性质。熟悉：蛋白质的一级结构、空间结构与功能的关系；了解：蛋白质的分离、纯化与序列分析技术。（结合实验课学习）,