蛋白质组成成分和氨基酸课件.pptx
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1、第一节 蛋白质通论,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。,Protein,第1页/共162页,一、蛋白质的功能多样性,1.催化功能 2.结构功能 3.运输功能 4.贮存功能 5.运动功能,6.防御功能 7.调节功能 8.信息传递功能 9.遗传调控功能 10.其它功能,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。,第2页/共162页,二、蛋白质的分类,(一)按分子组成特点分类: 单纯蛋白质 结合蛋白质(二)按分子形状分类
2、: 球状蛋白质 纤维状蛋白质(三)按生物学功能分类:活性蛋白质 非活性蛋白质 (四)按溶解度分类: 可溶性蛋白质 醇溶性蛋白质 不溶性蛋白质,第3页/共162页,二、蛋白质的分类(一)按分子形状分类,1.球状蛋白 球形,多溶于水,多具有活性,长度与直径之比一般小于10。 如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。,2.纤维状蛋白 细长,分子量大,多是结构蛋白。 如胶原蛋白,弹性蛋白,角蛋白等。,第4页/共162页,二、蛋白质的分类(二)按分子组成分类,1.简单蛋白 由氨基酸组成7类:清蛋白球蛋白组蛋白精蛋白谷蛋白醇溶蛋白和硬蛋白。,2.结合蛋白 由蛋白质和非蛋白成分组成,后者称为辅基。7类:核蛋白脂蛋
3、白糖蛋白磷蛋白血红素蛋白黄素蛋白和金属蛋白。,第5页/共162页,三、蛋白质的元素组成与分子量,元素组成: 、含量 : 克 6.25克 蛋白质每克样品中含N克数6.25100 =100克样品中蛋白质的含量(克%),第6页/共162页,四、蛋白质的水解1、酸水解,第7页/共162页,四、蛋白质的水解 2、碱水解,第8页/共162页,四、蛋白质的水解 3、酶水解,第9页/共162页,第二节 氨基酸,一、氨基酸的结构与分类(一)基本氨基酸(二)不常见的蛋白质氨基酸 (三)氨基酸的生物学功能二、氨基酸的性质(一)物理性质 (二)化学性质,第10页/共162页,一、氨基酸的结构与分类,(一)基本氨基酸组
4、成蛋白质的氨基酸,20种。(二)稀有氨基酸是多肽合成后由基本氨基酸经酶促修饰而来。(三)氨基酸的生物学功能,第11页/共162页,(一)基本氨基酸,1、种氨基酸的化学名称及结构通式:,第12页/共162页,2、构型:从蛋白质水解得到的氨基酸属 L 氨基酸 COOH H2 N CH R代表氨基酸的侧链(基团)。 不同的氨基酸,基团不同。,第13页/共162页,氨基酸的分类,根据氨基酸的侧链R基团的化学结构分类:脂肪族氨基酸:甘、丙、缬、亮、异亮、 蛋、半胱、丝、苏、谷、 谷酰、天、天酰、赖、精芳香族氨基酸:苯丙、酪、色杂环氨基酸: 组、脯杂环亚氨基酸:脯,第14页/共162页,第15页/共162
5、页,第16页/共162页,第17页/共162页,第18页/共162页,第19页/共162页,氨基酸 基团 基团上有功能基团 丝Ser 羟基 半胱Cysh 巯基 天酰Asn 酰胺基谷酰Gln天冬Asp 羧基谷Glu 赖Lys 2氨基 精Arg 胍基 组His 咪唑基,第20页/共162页,极性氨基酸:极性不带电荷:甘、丝、苏、天酰、 谷酰、 酪、半胱 极性带负电荷:天、谷极性带正电荷:组、赖、精非极性氨基酸:丙、缬、亮、异亮、 苯丙、蛋、脯、色,根据氨基酸的侧链R基团的极性分类:,第21页/共162页,第22页/共162页,第23页/共162页,必需氨基酸: 机体维持正常代谢、生长所必需,而自身
6、不能合成,需从外界获取的氨基酸。如:Phe、Trp、Lys、Met、Leu、I1e、Thr、Val、His、Arg。非必需氨基酸: 体内能合成的氨基酸。12种,第24页/共162页,(二)不常见蛋白质氨基酸,第25页/共162页,第26页/共162页,r-氨基丁酸(GABA),谷氨酸脱羧酶谷氨酸 r-氨基丁酸 2r-氨基丁酸的功能: 它是一种抑制性神经递质,对中枢神经原有普遍抑制作用,对突触前、突触后也有一定抑制作用。,第27页/共162页,(三)氨基酸的生物学功能,1、合成蛋白质,以满足机体生长发育和组织的更新修复等需要。2、转变成具有重要生理功能的含氮化合物(如核苷酸、尼克酰胺、儿茶酚胺类
7、激素、甲状腺素等)。3、转变成糖类或脂肪。4、氧化供能。,第28页/共162页,二、氨基酸的重要理化性质,(一)物理性质(二)化学性质,第29页/共162页,氨基酸的构型、旋光性和光吸收1、氨基酸的构型与旋光性Gly一种构型,无旋光性Thr和Ile有四种光学异构体。其余17种氨基酸有两种光学异构体:L型、D型。构成蛋白质的氨基酸均属L-型(L-苏氨酸)。,(一)物理性质,第30页/共162页,第31页/共162页,氨基酸的旋光性(符号和大小)取决于它的R基的性质,并与溶液的PH值有关。 外消旋物:D-型和L-型的等摩尔混合物。 L-苏氨酸和D-苏氨酸组成消旋物。,第32页/共162页,内消旋物
8、:分子内消旋胱氨酸有三种立体异构体:L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。L-胱氨酸和D-胱氨酸是外消旋物,第33页/共162页,2、氨基酸的光吸收性,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)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。 酪氨酸的max275nm,275=1.4x103; 苯丙氨酸的max257nm,257=2.0 x102; 色氨酸的max280nm,280=5.6x103;,第34页/共162页, 与苯异硫氰酸酯(PITC )的反应,COOH |+ H2N-CH | R,苯乙内酰硫脲氨基酸(PT
9、H-氨基酸) 无色,Edman反应,(二)化学性质,第35页/共162页, 与2,4-二硝基氟苯反应,COOH |+ H2N-CH | R,+HF,Sanger 反应,第36页/共162页,Sanger 反应2.4一二硝基氟苯(DNFB)DNP-氨基酸,黄色,层析法鉴定,被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸,第37页/共162页, 与茚三酮的反应,2,+,沸腾,蓝紫色化合物,第38页/共162页,第39页/共162页,成肽反应,R1 R2 H2NCHCOOH H2NCHCOOH,R1 R2 H2NCHCOHN CH COOH,二肽,第40页/共162页,两性解离和等电点,第41页/共1
10、62页,氨基酸的兼性离子形式,氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在。晶体熔点高离子晶格,不是分子晶格。 不溶于非极性溶剂极性分子介电常数高水溶液中的氨基酸是极性分子。,第42页/共162页,第43页/共162页,氨基酸的等电点,当溶液为某一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(pI)。在等电点时,氨基酸既不向正极也不向负极移动,即氨基酸处于两性离子状态。 不同的氨基酸,其等电点(pI)不同。,第44页/共162页,第45页/共162页,第46页/共162页,氨基酸的等电点,侧链不含离解基团的中性氨基酸,其等电点是它的p
11、K1和pK2的算术平均值: 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 + pK2 )/2 碱性氨基酸:pI = (pK2 + pK3 )/2,对于丙氨酸等一氨基一羧基的中性型氨基酸来说,由于羧基电离度略大于氨基电离度,所以溶于水时,其负离子数将多于正离子数,因而在纯水中显微酸性.,第47页/共162页,+2H,半胱氨酸,半胱氨酸,形成二硫键,第48页/共162页,第三节 肽,一、肽键及肽链二、肽的命名及结构三、天然存在的活性寡肽,第49页/共162页,蛋白质的基本结构单位是氨基酸,
12、由20 种氨基酸组成了各种各样的蛋白质。 研究证明,蛋白质是由许多氨基酸按照一定的排列顺序通过肽键连接起来的生物大分子。,第50页/共162页,一、肽键及肽链,肽键(peptide bond)是蛋白质分子中氨基酸之间的主要连接方式,它是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基缩合脱水而形成的酰胺键。,第51页/共162页,R1 R2 H2NCHCOOH H2NCHCOOH,R1 R2 H2NCHCOHN CH COOH,二肽,第52页/共162页,一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基之间失去一分子水相互连接而成的化合物称为肽(peptide),由2 个氨基酸缩合形成的肽叫二肽(dipep
13、tide),由3 个氨基酸缩合形成的肽叫三肽(tripeptide),少于10 个氨基酸的肽称为寡肽(oligopeptide),由10个以上氨基酸形成的肽叫多肽(polypeptide)。,第53页/共162页,二、肽的命名及结构,肽链中的氨基酸由于参加肽键的形成已经不是原来完整的分子,因此称为氨基酸残基(amino acidresidues)。肽的命名是从肽链的N-末端开始,按照氨基酸残基的顺序而逐一命名。氨基酸残基用酰来称呼,称为某氨基酰某氨基酰某氨基酸。 例如,由丝氨酸、甘氨酸、酪氨酸、丙氨酸和亮氨酸组成的五肽就命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸。,第54页/共162页,甘丙丝缬亮蛋
14、赖赖精谷 Gly-Ala-Ser-Val-Leu-Met-Lys-Lys-Arg-Glu G-A-S-V-L-M-K-K-R-E 在书写时,含自由氨基的一端总是写在左边,含自由羧基的一端总是写在右边。,第55页/共162页,多肽链 R1 R2 R3 H2NCHCOHN CH COHNCHCOOH,多肽链中单位氨基酸残基;多肽链有两端:氨基末端(端) 羧基末端(端)多肽链的主链:侧链:各基团,第56页/共162页,第57页/共162页,第58页/共162页,谷胱甘肽的结构: SH CH2 H2N-CH-CH2-CH2-CO-HN-CH-CO-HN-CH2-COOH COOH -2H 2 G-SH
15、 G-S-S-G (还原型) +2H (氧化型),巯基,三、天然存在的活性寡肽,第59页/共162页,谷胱甘肽的功能,GSH可与氧化剂如H2O2起反应,从而保护一些含巯基的蛋白质或酶免遭氧化而丧失正常结构与功能。 如红细胞中的GSH可以保护细胞膜上含巯基的蛋白质和酶,以维护膜的完整性和酶活性。,第60页/共162页,谷胱甘肽的功能,H2O2,2H2O,2GSH,GSSG,NADP+,NADPH+H+,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,第61页/共162页,生物体中还有许多其它的多肽,也具有重要的生理意义。如牛加压素、催产素、舒缓激肽都是具有激素作用的多肽。,第62页/共162页,第四节 蛋白质的
16、分子结构,蛋白质的结构可以分为四个层次来研究,即一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。其中一级结构又称蛋白质的化学结构(chemical structure)、共价结构或初级结构。而二级结构、三级结构和四级结构又称为蛋白质的空间结构或三维结构(three dimensional structure)。,第63页/共162页,一、蛋白质的一级结构,1.蛋白质的一级结构 所谓蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置。 一级结构是蛋白质分子结构的基础,它包含了决定蛋白质分子所有结构层次构象的全部信息。蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质的氨基酸组成、氨基酸排列顺序和二硫键的
17、位置,肽链数目,末端氨基酸的种类等。一级结构是蛋白质的肽键维系的。,第64页/共162页,第65页/共162页,第66页/共162页,2.蛋白质一级结构的测定 蛋白质一级结构的测定就是测定蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序,这是揭示生命本质,阐明结构与功能的关系,研究酶的活性中心和酶蛋白高级结构的基础,也是基因表达、克隆和核酸顺序分析的重要内容。,第67页/共162页,蛋白质一级结构的测定主要包括以下基本步骤: 测定蛋白质的分子量和氨基酸组成 获取一定量纯的蛋白质样品,测定其分子量。将一部分样品完全水解,确定其氨基酸种类、数目和每种氨基酸的含量。,第68页/共162页,进行末端分析,确定蛋白质的肽
18、链数目及N-端和C-端氨基酸的种类 测定N-末端氨基酸的方法有多种,常用的有二硝基氟苯(DNFB)法和异硫氰酸苯酯(PTH)法(如氨基酸的化学性质中所介绍的)。还可以用丹磺酰氯(DNS-CL)法测定N-末端氨基酸。,第69页/共162页,测定C-末端氨基酸常用的方法有肼解法和还原法等。肼解法的原理为:多肽链和过量的无水肼在100反应510h,所有肽键被水解,除C-末端氨基酸自由存在外,其他氨基酸都转变为氨基酸酰肼。,第70页/共162页,拆开二硫键并分离出每条多肽链 拆开二硫键最常用的方法是用过甲酸(即过氧化氢甲酸)将二硫键氧化,或用过量的-巯基乙醇处理,将二硫键还原。还原法应注意用碘乙酸(烷
19、基化试剂)保护还原生成的半胱氨酸中的巯基,以防止二硫键的重新生成。,第71页/共162页,分析每条多肽链的N-末端和C-末端残基 取每条多肽链的部分样品进行N-末端和C-末端氨基酸的鉴定,以便建立两个重要的氨基酸顺序参考点。方法如前所述。,第72页/共162页,用两种不同方法将肽链专一性地水解成两套肽段并进行分离 将每条多肽链用两种不同方法进行部分水解,这是一级结构测定中的关键步骤。目前用于顺序分析的方法一次能测定的顺序都不太长,然而天然的蛋白质分子大多在100个残基以上,因此必须设法将多肽断裂成较小的肽段,以便测定每个肽段的氨基酸顺序。水解肽链的方法可采用酶法或化学法,通常是选择专一性很强的
20、蛋白酶来水解。,第73页/共162页,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,第74页/共162页,肽链,水解位点,糜蛋白酶,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。,第75页/共162页,肽链,水解位点,胃蛋白酶,Pepsin:R1和R2R1=苯丙氨酸Phe,色氨酸Trp,酪氨酸Tyr; 亮氨酸Leu以及其它疏水性氨基酸,水解速度较快。,第76页/共162页,肽链,水解位点,thermolysin):R2=苯丙氨酸Ph
21、e,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。,嗜热菌蛋白酶,第77页/共162页,肽链,水解位点,羧肽酶和氨肽酶,分别从肽链羧基端和氨基端水解。,第78页/共162页,测定各个肽段的氨基酸排列顺序并拼凑出完整肽链的氨基酸排列顺序 多肽链部分水解后分离得到的各个肽段需进行氨基酸排列顺序的测定,序列测定可用氨基酸序列分析仪。然后用重叠顺序法将两种水解方法得到的两套肽段的氨基酸顺序进行比较分析,根据交叉重叠部分的顺序推导出完整肽链的氨基酸顺序。,第79页/共162页,比如有一蛋白质肽链的一个片段为十肽,用两种方法水解,水解法A
22、 得到四个小肽,分别为Al:Ala-Phe;A2:Gly-Lys-Asn-Tyr;A3:Arg-Tyr;A4:His-Val。水解法B 得到三个小肽,分别为B1:Ala-Phe-Gly-Lys;B2:Asn-Tyr-Arg;B3:Tyr-His-Val。将两套肽段进行比较分析得出如下结果:,第80页/共162页,二硫键位置的确定 根据已知氨基酸顺序选择合适的专一性蛋白水解酶,在不打开二硫键的情况下部分水解蛋白质,将水解得到的肽段进行分离。将分离得到的含有二硫键的肽段进行氧化或还原,切断二硫键。分离切断二硫键以后生成的两个肽段,并确定这两个肽段的氨基酸顺序。将这两个肽段的氨基酸顺序与多肽链的氨基
23、酸顺序比较,即可推断出二硫键的位置。,第81页/共162页,第82页/共162页,二、蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构(secondary structure)是指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。研究证明,蛋白质的二级结构主要有-螺旋、-折叠和转角。氢键是稳定二级结构的主要作用力。,第83页/共162页,(一)肽单位的构象 肽单位(peptide group)是多肽链中从一个-碳原子到相邻-碳原子之间的结构。,第84页/共162页,第85页/共162页,肽单位的构象具有三个显著的特征:1肽单位是一个刚性的平面结构 肽键中羰基碳原子与氮原子之间所形成的键不能自由旋转,因为这个键(C-N 键
24、)的长度为0.132nm,比一般的C-N 单键(0.147nm)要短些,而比一般的C=N 双键(0.127nm)要长些,所以具有部分双键的性质,不能自由旋转,这样使得肽单位所包含的六个原子处于同一个平面上,这个平面又称为酰胺平面或肽平面。,第86页/共162页,2肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置 由于连接在相邻两个-碳上的侧链基团之间的立体干扰不利于顺式构象的形成,而有利于伸展的反式构象的形成,所以蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构象.,第87页/共162页,3C和亚氨基N 及C与羰基C 之间的键是单键,可以自由旋转 -碳原子与羰基碳原子之间的键是一个纯粹的单键,-碳原子与亚氨基
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