动物生化第二章蛋白质.ppt
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1、第二章 蛋白质的结构与功能 Chapter 1 Structure and Function of Protein,讲授内容,第一节 蛋白质在生命中的重要作用第二节蛋白质的化学组成第三节蛋白质的化学结构第四节蛋白质的高级结构第五节多肽、蛋白质结构与功能的关系第六节蛋白质的物理化学性质和分离提纯第七节蛋白质分类,第一节 蛋白质在生命中的重要作用,蛋白质的概念,“protein”是荷兰化学家Mulder首先使用的,来自于希腊语“protos”,意为“第一”和“最重要的”蛋白质和核酸(DNA和RNA)都是生物大分子。它们存在于动物、植物和微生物的细胞之中。蛋白质是生命活动的物质基础,在机体内蛋白质约
2、占机体固体成分的45%,几乎在一切生命过程中都起着关键作用,酶类 催化体内生化反应激素蛋白类 调节体内物质代谢,如Ins、IGF-I、GH(Hormone)运输蛋白类 运输代谢所需小分子、离子以及电子,如血红蛋白运动蛋白类 使细胞或生物体发生运动,如肌球蛋白和肌动蛋白防御蛋白类 抵抗入侵,保护机体,如抗体(与细菌、病毒选择性结合)、补体(杀死细菌、病毒)、干扰素(抑制病毒);凝血酶和血液纤维蛋白原参与血液凝固受体蛋白类 存在于细胞各个部分,把激素、神经递质信号传递给靶细胞,如膜受体,生长、分化的调节蛋白类 对细胞的生长、分化、基因表达其调节作用。例如:组蛋白、阻遏蛋白、表皮生长因子营养和贮存类
3、 卵清蛋白、乳中酪蛋白、小麦种子中的醇溶蛋白结构蛋白类 机体的结构成分,如胶原蛋白、角蛋白、硬蛋白、丝心蛋白、弹性蛋白毒素蛋白类 极少量即可导致中毒,霍乱毒素、毒蛇的毒素蛋白膜蛋白类 生物膜的成分,可进行细胞的识别、物质运输、信息传递等,蛋白质是生命活动所依赖的物质基础。没有蛋白质就没有生命!,第二节蛋白质的化学组成,一、蛋白质的元素组成,碳50%55%、氢6%8%、氧20%23%、氮15%17%、硫0.3%2.5%某些蛋白中,还含有微量的磷、铁、铜、钼、碘、锌等元素各种蛋白质的氮的含量比较恒定,平均值为16%,蛋白质的含氮量,大多数蛋白质的含氮量接近于16%,这是蛋白质元素组成的一个特点,也
4、是凯氏(Kjedahl)定氮法测定蛋白质含量的计算基础。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=蛋白氮 6.256.25为蛋白质系数,即1克氮所代表的蛋白质量(克数),二、蛋白质的基本结构单位和其它组分,蛋白质的基本结构单位是氨基酸蛋白质分为两大类简单蛋白质 水解后产生各种氨基酸结合蛋白质 水解后还可产生其它组分,如血红素、糖类、脂类、核酸、金属离子等,三、氨基酸,氨基酸的基本结构与构型常见的氨基酸20种,除脯氨酸是-亚氨基酸外,其余19种都是-氨基酸。,甘氨酸 结构式,除甘氨酸外,其余19种氨基酸都具有手性,天然蛋白中的所有氨基酸都是L-型的。但在某些微生物和植物体中常含有
5、D-型氨基酸,根据R侧链极性和电荷不同,分四大类非极性不带电极性正电极性负电极性,2.氨基酸的分类,非极性氨基酸,“丙、缬、亮、异亮、脯上色、苯、蛋”R基团具有疏水性。,Non-polar amino acids,不带电极性,“甘、丝、苏、半、酪、天冬、谷氨酰胺”R基团有极性,但不解离,或仅极弱地解离,它们的R基团有亲水性,Polar,uncharged amino acids,正电极性,“赖、精、组”R基团有极性,且解离,在中性溶液中显碱性,亲水性强,Basic amino acids,负电极性,“天冬、谷氨酸”R基团有极性,且解离,在中性溶液中显酸性,亲水性强,Acidic amino a
6、cids,3.稀有氨基酸,除了上述20种常见氨基酸以外,还有一些仅存在于少数蛋白质中的稀有L型氨基酸胶原蛋白和弹性蛋白中的4羟脯氨酸和5羟赖氨酸甲状腺球蛋白中的二碘酪氨酸和L甲状腺素肌球蛋白中的N甲基赖氨酸;-角蛋白中的胱氨酸是常见氨基酸的衍生物,没有遗传密码,是在蛋白质生物合成以后,通过有关酶的催化修饰而形成的。,4.非蛋白质氨基酸,有一些氨基酸不参与蛋白质的组成,而是以游离的状态存在于生物体之中。,5.必须氨基酸,从营养学角度还可以将氨基酸分为必需和非必需氨基酸。八种必须氨基酸:必需氨基酸包括:赖氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、色氨酸、组氨酸和精氨酸,其中的组氨酸
7、和精氨酸,虽然人体能自己合成,但效率较低,尤其在婴幼儿时期,需要由外界供给。“一家写两三本书来”+精组其余的10种氨基酸是非必需氨基酸:甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、脯氨酸和丙氨酸。,6.氨基酸的主要的理化性质,光吸收特性在紫外光区色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波长()分别为279、278、259nm。是利用紫外分光光度计(在波长280nm处)测定蛋白质浓度的基础。,氨基酸的两性解离及等电点,氨基酸COOH能放出质子,变成COO;NH2能接受质子,而变成NH3。氨基酸是两性电解质(ampho1yte),两性离子:带有数量相等的正负电
8、荷的离子,氨基酸两性解离示意图,pH 1(pI,向正极移动),氨基酸的等电点,溶液中氨基酸以两性离子的形式存在时,溶液的pH,称为该氨基酸的等电点,用pI表示。,从左向右第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态第二个拐点是氨基酸的等电点第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态,甘氨酸的电离酸碱滴定曲线,用NaOH滴定,溶液的pH由小到大逐渐升高,例如丙氨酸有两个可解离基团,a-COOH和a-NH3,它们的解离常数pK值分别是2.4(pK1)和9.9(pK2);组氨酸有3个可解离基团,即a-COOH、a-NH3和侧链基团咪唑基,pK值分别是1.8(pK1)、9.3(pK2)和6.0(pKR)。每一个
9、pK值都是位于滴定曲线缓冲区的中心,当丙氨酸处于pH2.4的缓冲液时,它的阳离子形式 和它的兼性离子形式 的摩尔浓度相等,同样在pH9.9时,它的兼性离子形式 和它的阴离子形式 的摩尔浓度相等。当氨基酸处于某一pH下,其净电荷为零时,该pH即为该氨基酸的等电点(pI)。pI可通过相应的pK值计算出。,pI(pKx pKy)/2 pKx,pKy为相应的两个可解离基团对于一氨基、一羧基的氨基酸,上式中的pKx 和pKy为它的pK1和pK2;而对于象天冬氨酸和谷氨酸那样的酸性氨基酸,pKx和pKy为它的pK1和pKR;而对于象赖氨酸、组氨酸和精氨酸那样的碱性氨基酸,pKx和pKy为它的pKR和pK2
10、。一个氨基酸带电状况取决于所处溶液的pH,当pI pH时,带净的正电荷。,氨基酸的等电点的作用,在一定的实验条件下,等电点是氨基酸的特征常数。不同的氨基酸,由于R基结构的不同,而有不同的等电点。当氨基酸处于等电点状态时,溶解度最小,容易发生沉淀;利用这一特性可以从各种氨基酸的混合物溶液中分离制取某种氨基酸。,7.氨基酸的重要化学反应,氨基酸与茚三酮的反应,氨基酸与茚三酮(ninhydrin)的反应是一个检测和定量氨基酸和蛋白质的重要反应。茚三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热,具有游离氨基的氨基酸都生成紫色化合物(l470),而亚氨基酸,则生成黄色化合物(l440)。在一定的反应条件下,产生的颜色的
11、强度(溶液中的光吸收)与氨基酸浓度成比例,根据溶液的吸光度,可以算出相应的氨基酸和蛋白质的浓度。,氨基酸与2,4-二硝基氟苯反应,2,4-二硝基氟苯(2,4-dinitrofluorobenzene,DNFB)也叫做Sanger试剂。DNFB在弱碱性溶液中与氨基酸发生取代反应,生成黄色化合物二硝基苯基氨基酸(dinitro phenyl amino acid,DNP氨基酸),氨基酸与丹磺酰氯的反应,丹磺酰氯(dansyl chloride)是5-二甲基氨基萘-1-磺酰氯(5-dimethylaminonaphthalene-1-sulfonyl chloride)的简称。丹磺酰氯与氨基酸反应生
12、成荧光性质强和稳定的磺胺衍生物,也常用于多肽链的N末端氨基酸的鉴定。,氨基酸与苯异硫氰酸酯反应,苯异硫氰酸酯(phenylisothiocyanate,PITC)在弱碱性条件下,与氨基酸反应生成苯乙内酰硫脲(phenylthiohydantoin,PTH)衍生物,即PTH-氨基酸,这种衍生物是无色的,可用层析法鉴定,此反应又称之Edman反应,该反应是蛋白质或多肽氨基酸序列测定常用的反应。,第三节蛋白质的化学结构,蛋白质的化学结构,氨基酸组成多肽链数目末端氨基酸组成氨基酸排列顺序二硫键位置。,一、蛋白质的氨基酸组成,测定:用盐酸或NaOH对高纯度蛋白质样品进行彻底水解,再用氨基酸自动分析仪测定
13、。组成:即所含氨基酸的种类和数量。有两种表示方式:Aa g/100g 蛋白Aa个/个蛋白(已知分子量情况下)每一种蛋白质都有自己特定的氨基酸组成,氨基酸组成不同,则蛋白质不同。,二、肽键和肽链,肽键(peptide bond),一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键,所形成的化合物称为肽。含有三个、四个、五个氨基酸的肽,分别称为三肽、四肽、五肽等。含有三个以上氨基酸的肽,统称为多肽(polypeptide)由许多氨基酸残基通过肽键彼此连接而成的链状多肽,称为多肽链(polypeptide chain),肽键,肽键中的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
14、式结构存在。,氨基酸残基,组成多肽的氨基酸成为不完整的分子形式。被称为氨基酸残基(amino acid residue)。,三、蛋白质的一级结构,定义:就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序(sequence)是蛋白质最基本的结构。它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链,侧链基团的理化性质和空间排布各不相同,当它们按照不同的序列关系组合时,就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构。,从多肽的结构可以看出,多肽的大多数离子电荷都是由它的组成氨基酸残基的侧链贡献的。所以一个多肽和蛋白质的离
15、子特性和它的溶解性都取决于它的氨基酸组成。此外就象我们将在下面看到的那样,氨基酸残基侧链之间的相互作用对于稳定一个蛋白质分子的三维结构有重要贡献。,有些肽比较大,例如胰岛素就是含有51个氨基酸残基的多肽,具有重要的生物学活性。但有些肽虽然比较小,也具有重要的生理功能例如加压素(9肽)和催产素(9肽)。一些神经多肽的类似物,如内啡肽,就是一种天然的止痛药。还有一些非常简单的肽也常用作食物的调味剂。如甜味剂Aspartame就是天冬氨酰苯丙氨酸的甲基酯(右图)。它的甜度是蔗糖的200倍,所以广泛用于食品饮料中。,多肽链的书写与名称,在多肽链中,肽链的一端保留着一个氨基,另一端保留一个羧基,带氨基的
16、末端称氨基末端(N端);带羧基的末端称羧基末端(C端)。肽链书写:一般从N末端向C末端书写,N端写于左侧,用H做标帜,C端于右侧用OH表示。肽命名时为某某酰某某酰某某酸。,甲硫脑啡肽命名举例,中文氨基酸残基命名法:酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸中文单字表示法:酪甘甘苯丙甲硫 1 2 3 4 5三字母符号表示法:TyrGlyGlyPheMet单字母符号表示法:YGGFM,蛋白质一级结构的测定,Sanger于1953年完成了第一个蛋白质胰岛素的氨基酸序列测定。每一种蛋白质都具有唯一的氨基酸序列,实际上蛋白质的氨基酸序列是由DNA决定的。蛋白质的氨基酸序列具有重要意义:蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋
17、白质生物活性的分子基础;蛋白质的一级结构决定它的空间结构;氨基酸序列的改变可以导致蛋白功能异常和疾病;通过对一些蛋白质的氨基酸序列的比较可以反应出一些生物亲缘关系。,氨基酸的组成分析,一个已经纯化的蛋白质的氨基酸组成可以定量测定。首先通过酸水解破坏蛋白质的肽键,典型酸水解的条件是:真空条件下,110,用6M盐酸水解16至72小时。然后水解的混合物(水解液)进行柱层析,通过柱层析可以将水解液中的每一个氨基酸分离出来并被定量,这一过程称之氨基酸分析(amino acid analysis)。其中一种氨基酸分析方法是用苯异硫氰酸酯(PITC)处理蛋白质水解液(pH9),生成苯硫脲(PTC)-氨基酸衍
18、生物,PTC-氨基酸混合物经HPLC(细硅胶柱),按照它们的疏水特性被分离。分离的每个PTC-氨基酸经测量254nm(PTC-氨基酸吸收峰波长)光吸收,确定它们的浓度。下图给出了PTC-氨基酸混合物HPLC的洗脱图,图中的峰用各个氨基酸的吸收峰,用标准的单个字母表示。由于存在于水解液中每个氨基酸的量是与洗脱峰的面积成比例的。,缺点:,酸水解虽然很有用,但酸水解条件下不能获得完整的氨基酸分析,因为天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链含有酰胺键,用于切断蛋白质肽键的酸也可以将天冬酰胺转换为天冬氨酸,谷氨酰胺转换为谷氨酸。所以当使用酸水解时,层析图中的谷氨酸和谷氨酰胺的总量用Glx或Z表示,而天冬氨酸和天冬酰胺
19、的总量用Asx或B表示。由于水解温度比较高,色氨酸的吲哚环容易被空气氧化,即使在密封的管中,色氨酸的吲哚环也几乎都被破坏了。因此蛋白质的色氨酸含量往往是通过它的紫外吸收光谱估计的,也可以通过碱水解分析色氨酸的含量。半胱氨酸在酸水解中也不能精确测定,要精确测量需要在蛋白质水解之前进行氧化或羧甲基化,形成的衍生物在酸水解之后才能定量。,Edman降解,1950年P.Edman公布了一项新的氨基酸序列的测定技术,即运用上述苯异硫氰酸酯与氨基酸的反应(Edman反应)。这种技术每次都只是从蛋白质的N端解离和鉴定一个氨基酸残基,这是一项使蛋白质序列分析革命化的技术。1967年Edman和Begg建成了多
20、肽氨基酸序列分析仪。,过程,P.Edman降解测序主要涉及耦联、水解、萃取和转换等4个过程。首先使用苯异硫氰酸酯(PITC)在pH9.0的碱性条件下对蛋白质或多肽进行处理,PITC与肽链的N-端的氨基酸残基反应,形成苯氨基硫甲酰(PTC)衍生物,即PTC-肽。然后PTC-肽用三氟乙酸处理,N-端氨基酸残基肽键被有选择地切断,释放出该氨基酸残基的噻唑啉酮苯胺衍生物。接下来将该衍生物用有机溶剂(例如氯丁烷)从反应液中萃取出来,而去掉了一个N-端氨基酸残基的肽仍留在溶液中。萃取出来的噻唑啉酮苯胺衍生物不稳定,经酸作用,再进一步环化,形成一个稳定的苯乙内酰硫脲(PTH)衍生物,即PTH-氨基酸。,大蛋
21、白被水解成肽段后再测序,Edman降解法测序每次只能测定几十个氨基酸残基,所以要测定较大蛋白质的氨基酸序列,需要将其降解为一些肽段,经HPLC分离出各个肽段,然后再进行Edman降解测序。蛋白质降解常用的是一些水解酶(如胰蛋白酶)和化学试剂(如溴化氰)。一般都是采用两种酶(或化学试剂)解获得两组不同的肽段,以便最后拼出完整的氨基酸序列。,溴化氰(BrCN)可以特异与蛋白质中的蛋氨酸残基反应生成一个C末端为高丝氨酸内酯的肽和一个带有新的N末端残基的肽。,胰蛋白酶特异地催化赖氨酸残基和精氨酸残基羧基侧的肽键的水解,而胰凝乳蛋白酶特异地催化苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸三种芳香族氨基酸残基羧基一侧的肽键水
22、解,蛋白质一级结构的比较可以揭示进化关系,蛋白质一级结构是由编码它的基因确定的,蛋白质一级结构之间的差别可以反映出进化关系。亲缘关系密切的蛋白质的氨基酸序列非常类似,一级结构中氨基酸残基序列差别越大,它们的亲缘关系就越远。细胞色素c是由一条含有104至111个氨基酸残基的多肽链组成的,由于细胞色素c几乎存在于所有的需氧生物中,所以通过在分子水平上比较来自不同种属的细胞色素c,可以看出它们之间的进化关系。,下图是根据不同种属的细胞色素c的氨基酸残基的差别绘制出的进化树,每一个树杈的长度都与蛋白质中氨基酸残基的差别数成比例。例如人与黑猩猩的细胞色素c的氨基酸序列完全一样,但与猴、狗、金枪鱼和酵母的
23、细胞色素c相比,可变换的氨基酸残基数依次为1、10、21和44。那些进化中不易改变的、保守的氨基酸残基是维持细胞色素c功能所必需的。由同一个祖先进化来的表现出序列相似性的蛋白质称之同源蛋白质。,1955年Sanger等人用酶和化学方法成功测定牛胰岛素全部化学结构要求:纯度达到97%以上,样品的分子量和氨基酸组成必须事先测出步骤:末端测定二硫键测定两种裂解法制短肽纯化短肽自动蛋白测序仪分析肽段序列重迭法排序确定二硫键位置,牛胰岛素的结构,小 结,蛋白质是由20种氨基酸组成的。氨基酸性质方面的差别反映了它们侧链的不同。除了甘氨酸没有手性碳以外,其他19种氨基酸都至少含有一个手性碳。氨基酸的侧链可以
24、按照它们的化学结构分为:脂肪族的、芳香族的、含硫的、含醇的、碱性的、酸性的和酰胺类。氨基酸和多肽的酸性和碱性基团的离子状态取决于pH。许多氨基酸具有非极性的侧链,在水溶液中它们倾向于聚集在一起,以减少与水相互作用的面积,这种倾向称为疏水相互作用。,茚三酮与脯氨酸反应生成黄色化合物,与其它氨基酸生成的都是紫色化合物。2,4-二硝基氟苯、丹黄酰氯和苯异硫氰酸酯都能与氨基反应。蛋白质中的氨基酸残基是通过肽键连接的,残基的序列称之为蛋白质的一级结构。肽和小的蛋白质可以利用液相或固相合成法合成。可以根据蛋白质溶解度、净电荷、大小以及结合特性上的差异,从生物资源中纯化蛋白质。常用方法包括离子交换层析、凝胶
25、过滤层析、HPLC、SDS-PAGE、等电聚焦和双向电泳等方法。多肽的氨基酸序列可以通过Edman降解确定。利用蛋白酶和化学试剂有选择地水解,结合Edman降解可确定大的蛋白质的序列。比较蛋白质的一级结构可以揭示进化关系,种属的不同常反映在它们蛋白质的一级结构的差异上。,第四节蛋白质的高级结构,学习目标,掌握a-螺旋、b-折叠和胶原的结构特征,二级、三级和四级结构概念,维持蛋白质空间结构的主要作用力。熟悉肌红蛋白和血红蛋白结构特征以及它们的氧饱和曲线和镰刀型细胞贫血病的起因。,大多数蛋白质可以分为两种主要类型:纤维蛋白(Fibrous proteins)和球蛋白(globular protei
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