第章蛋白质结构与功能ppt课件.ppt

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1、医用生物化学,童坦君主编,What is biochemistry in medicine?,生命的基本单位是什么？生命的基本特征是什么？生物化学是介于生物与化学之间的边缘学科，是利用化学的理论和方法研究生物的一门学科，其任务是阐述构成生物体的基本物质（生物大分子糖类、脂类、蛋白质、核酸）的结构、性质及其在生命活动（如生长、生殖、代谢、运动等）过程中的变化规律（物质代谢和能量代谢）。,Chapter 1,基本内容,生物大分子的结构与功能物质代谢遗传分子生物学专题生化,蛋白质的结构与功能,Yingzi Kang Ph.DDept.of Biochemistry,Tianjin Medical U

2、niversity,Chapter 1,本章教学纲要,在熟记蛋白质生理功能的基础上，理解蛋白质是生命活动的物质基础。熟记蛋白质的元素组成特点及多肽链的基本组成单位（L-a-氨基酸）；掌握20种氨基酸的缩写、结构及主要特点。能准确描述肽键、多肽链、蛋白质一级结构、高级结构。掌握蛋白质结构与功能的关系。熟习蛋白质重要的理化性质及有关的基本概念，理解蛋白质的性质及医学的关系。结合蛋白质的性质，熟悉蛋白质分离纯化及测定方法的原理及应用。,Chapter 1,本章基本要求,重点掌握蛋白质的分子组成、分子结构，蛋白质结构与功能的关系（第二、三、四节）。熟悉蛋白质在生命活动中的重要性，蛋白质的理化性质及分离

3、纯化（第一、五节）。了解蛋白质一级结构测定方法（第六节）。,Chapter 1,概述,蛋白质（protein）普遍存在于生物界，是生物体的基本组成成分之一，也是生物中含量最丰富的生物大分子（biomacromolecule）。它约占人体固体成分的45%，在细胞中可达细胞干重的70%以上。蛋白质分布广泛、种类繁多、结构和功能复杂，承担着完成生物体内各种生理功能的任务。蛋白质 是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子,Chapter 1,蛋白质的生物学功能,酶、抗体、大部分凝血因子、多肽激素、转运蛋白、收缩蛋白、基因调控蛋白等都是蛋

4、白质，但结构与功能截然不同。它们在物质代谢、机体防御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信号转导、个体生长发育、组织修复等方面发挥着不可替代的重要作用。蛋白质可谓是生命活动的物质基础，没有蛋白质就没有生命活动。,Chapter 1,蛋白质组,1995年，Macquarie大学的Winkins和Williams首先提出蛋白质组的概念。细胞或组织或机体在特定的时间和空间上所表达的所有蛋白质称为蛋白质组(proteome)。以蛋白质组为研究对象,在整体水平上研究蛋白质的组成与调控活动规律的学科称为蛋白质组学(proteomics)。,Chapter 1,蛋白质的分子组成-元素,主要元素组成为C（50-55%）

5、H（6-8%）O（20-23%）N（15-18%）S（0-4%）含氮量恒定在16%左右，成为计算蛋白质含量的基础-凯氏（Kjadehl）定氮法的理论基础样品蛋白含量（%）=含N 克数 x 6.25 x 100,Chapter 1,蛋白质的基本结构单位-氨基酸,围绕着不对称碳原子有四个不同的功能基团：氨基羧基侧链R氢原子,Chapter 1,氨基酸的旋光异构体,由于碳原子是个不对称碳原子，因而除甘氨酸外，其它氨基酸都具有旋光异构体（optical isomerism）以甘油醛为参照物,Chapter 1,Chapter 1,Chapter 1,氨基酸的分类,根据R的化学结构（1）脂肪族氨基酸：1

6、）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr（2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr（3）杂环氨基酸：Trp、His（4）杂环亚氨基酸：Pro根据R的极性（1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电：Asp、Glu（2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp,Chapter 1,氨基酸的理化性质,两性解离及等电点紫外吸收茚三酮显色反应其他显色反应荧光胺丹磺酰氯丹伯磺酰氯1氟2，4二硝

7、基苯,Chapter 1,两性游离及等点电,由于所有氨基酸都含有碱性的-氨基和酸性的-羧基，可在酸性溶液中与H+结合呈带有正电荷的阳离子（-NH3+），也可在碱性溶液中与OH-结合，失去H+变成带负电荷的阴离子（-COO-），因此氨基酸是一种两性电解质，具有两性游离的特性。其解离方式取决于所处溶液的pH。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，所带净电荷为零，呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等点电（isoelectric point,pI）。两性电解质、两性游离、兼性离子、等电点,Chapter 1,氨基酸的两性游离,Chapter 1,Chapter 1,等电点

8、计算,pK1 氨基与质子结合形成阳离子的解离常数；pK2 羧基与羟基结合失去质子形成阴离子的解离常数pKR 侧链的解离常数非极性或极性非解离氨基酸 pI=1/2（pK1+pK2）酸性氨基酸 pI=1/2（pK1+pKR）碱性氨基酸 pI=1/2（pKR+pK2）,Chapter 1,氨基酸的紫外吸收,Chapter 1,肽键与肽,肽键（peptide bond）二肽（dipeptide）寡肽（oligopeptide）多肽（polypeptide）氨基末端（amino terminus）羧基末端（carboxyl terminus）氨基酸残基（residue）,Chapter 1,Chapte

9、r 1,肽单元,用X射线晶体衍射法测定蛋白质的空间结构，发现肽单元是由6个原子组成的一个酰胺平面。肽键具有一定双键性，不能自由旋转，但C分别相连的两个键可以旋转，因此相邻的两个肽单元可随所连的两个单键的旋转而形成相对的空间位置关系。,Chapter 1,Chapter 1,天然存在的活性肽,生物体内存在许多具有生物活性的低分子量的肽，它们在代谢调节、神经传导等方面起着重要作用。多肽类激素：催产素、加压素、促肾上腺皮质激素及促甲状腺释放激素等。神经肽（neuropeptide）：脑啡肽、内啡肽、强啡肽等。还原型谷胱甘肽（glutathione,GSH）生物抗生素：青霉素、短杆菌素等。,Chapt

10、er 1,蛋白质的分类,组成成分、结构及功能,Chapter 1,蛋白质的分子结构-一级结构,Chapter 1,蛋白质的二级结构,螺旋（-helix）折叠（-pleated sheet）转角（-turn）无规卷曲（random coil）超二级结构（super-secondary structure）模序（motifs or modules）钙离子结合模序、锌指结构模序、亮氨酸拉链模序；结构域（domain）*分子伴侣（chaperon）,Chapter 1,蛋白质的二级结构螺旋,Chapter 1,蛋白质的二级结构折叠,Chapter 1,蛋白质的二级结构-转角（-turn）,为了紧紧折叠

11、成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。,Chapter 1,超二级结构,Chapter 1,超二级结构,超二级结构（supersecondary structure）是指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构，常常在空间折叠中靠近，形成规则的二级结构聚集体。结构域（domain）在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成两个或多个在空间上可以明显区别的局部区域，这种局部区域称为结构域。模序（motif）具有特征性的氨基酸排列顺序，并且同特定的功能联系。,Chapte

12、r 1,钙离子结合模序,Chapter 1,锌指结构模序,Chapter 1,蛋白质的三级结构,Chapter 1,维持蛋白质三级结构的作用力,Chapter 1,蛋白质的四级结构,Chapter 1,分子伴侣（molecular chaperon）,分子伴侣是蛋白质合成过程中，形成功能性空间结构的控制因子，广泛存在于从细菌到人类的各种生物体内。在新生肽链的折叠、加工和穿膜进入细胞器的转位过程中起关键作用。,Chapter 1,蛋白质结构与功能的关系,核糖核酸酶（RNase）的空间结构与功能的关系尿素、-巯基乙醇变性一级结构决定高级结构，是蛋白质的功能基础。在特定条件下，人工合成胰岛素可自动地

13、形成天然胰岛素的空间结构。一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,Chapter 1,酶的结构与功能的关系-活性中心,Chapter 1,种属差异与分子进化,空间结构相似的胰岛素功能相同，一级结构存在种属差异：非功能性氨基酸变异度最大保守残基在维持胰岛素的空间构象上非常重要进化保守序列-决定蛋白质空间构象，是其功能的关键氨基酸，可变性极小,Chapter 1,Chapter 1,Chapter 1,细胞色素C是研究蛋白质一级结构的种属差异与分子进化的一个有意义的例子,人的细胞色素C是由104个氨基酸残基组成的单链蛋白质，以共价键与血红素辅基相连。不同细胞色素C功能相同，都参与线粒体呼吸链

14、的组成，并在细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶之间传递电子。测定不同种属来源的细胞色素C的一级结构，存在27个不变的氨基酸残基，是保持细胞色素C生物活性所必需的。27个不变氨基酸残基是保证结合血红素、识别与结合细胞色素氧化酶和细胞色素还原酶、维持分子构象和传递电子所必要的。,分子病,由于基因编码序列的改变造成蛋白质的某个氨基酸发生改变，并进而导致蛋白质功能缺陷或异常所引起的疾病，称为分子病。几乎所有的遗传病都与正常蛋白质分子结构改变有关，即是分子病。人类有很多种分子病已被查明是某种蛋白缺乏或异常。这些缺损的蛋白质可能仅仅有一个氨基酸异常。如镰状红细胞贫血症（sickle cell anemia）,

15、Chapter 1,镰状细胞贫血（sick-cell anemia）,从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。-链 1 2 3 4 5 6 7Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-LysHb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys,Chapter 1,蛋白质构象与功能的关系,空间构象决定蛋白质分子的功能状态。别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变的作用。因别构而产生的效应称别构效应。血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与其它亚基的相互作用。,Chapter 1,铁仆啉环配位

16、图,Chapter 1,血红蛋白与血红素的连接方式,Chapter 1,Chapter 1,Chapter 1,协同效应与变构效应,在血红蛋白与氧结合的过程中，带有氧分子的血红蛋白亚基协助不带氧的亚基结合氧的现象，称为协同效应（cooperative effect）。氧分子与血红蛋白结合后引起血红蛋白的构象变化，这种蛋白质分子在表现功能的过程中引起构象改变的现象，成为变构效应或别构效应（allosteric effect）。变构剂（effector）别构蛋白（allosteric protein）,Chapter 1,功能基团,亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。酸碱性基

17、团：天冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。,Chapter 1,Chapter 1,环境因素影响构象,阮病毒疯牛病蛋白性感染粒子,Chapter 1,氨基酸相关的理化性质,两性解离及等电点紫外吸收性质呈色反应,Chapter 1,两性解离及等电点,蛋白质的等电点大多数接近于pH5.0。体液环境（pH7.4）下，大多数蛋白解离成阴离子。含碱性氨基酸较多的蛋白质等电点偏于碱性，称碱性蛋白。如与精蛋白和细胞色素C。少数蛋白质含酸型氨基酸较多，等电点偏于酸性，称酸性蛋白。如丝蛋白和胃蛋白酶。,Chapter 1,氨基酸分子所未有的性质,生物大分子特性-

18、高分子量胶体性质沉淀、变性、凝固特性,Chapter 1,高分子,蛋白质的高分子性质：蛋白质亲水胶体的稳定因素。水化膜；解离带电去除胶体稳定因素可分离蛋白质：透析与超滤法分离纯化蛋白质；蛋白质的沉淀与超离心分离。,Chapter 1,Chapter 1,蛋白质沉淀,盐析重金属盐沉淀蛋白质生物碱试剂与某些酸沉淀蛋白质有机溶剂沉淀蛋白质,Chapter 1,蛋白质的变性、结絮及凝固,蛋白质的结构决定其性质和功能，在某些物理或化学因素作用下，使蛋白质的空间构象破坏，导致蛋白质若干理化性质、生物学性质的改变，称为蛋白质的变性作用（denaturation）。蛋白质被强酸或强碱变性后，仍能溶于强酸或强碱

19、溶液中。若将溶液pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物，称为结絮作用（flocculation）。结絮作用 所生成的絮状物仍能再溶于强酸或强碱中，如在加热则絮状物变为比较坚固的凝块；此凝块不易再溶于强酸或强碱中，称为蛋白质的凝固作用（protein coagulation）。,Chapter 1,蛋白质的呈色反应,双缩脲反应（biuret reaction）尿素直接加热时生成氨与双缩脲，双缩脲在稀NaOH溶液中与稀CuSO4溶液共热时出现紫色或红色，称为双缩脲反应。肽键与双缩脲相似，都具有这一反应；氨基酸则没有。,Chapter 1,蛋白质的纯化分离,等电点沉淀法分离提取蛋白质：蛋

20、白质在等电点pH附近溶解度最小，极容易沉淀析出；且不同蛋白质等电点不同。蛋白质的电泳分离和分子量测定：带电颗粒在电场中移动的现象成为电泳；泳动速度主要决定于带电荷的性质、数目、颗粒的大小和形状。,Chapter 1,蛋白质的纯化分离,蛋白质的离子交换层析（Ion exchange chromatography）：是利用蛋白质两性解离特性和等电点作为分离依据的另一种方法超速离心分子筛盐析变性沉淀,Chapter 1,分析题,写出四种有甘氨酸参与合成的不同类型的生物活性物质，分别说明他们的主要功用。从结构和功能两个方面比较血红蛋白（Hb）和肌红蛋白（Mb）的异同。以酶原激活为例说明蛋白质结构与功能的关系。试举两例说明什么是分子病及其机制。蛋白质含氮量平均为多少？为何能用蛋白质的含氮量表示蛋白质的相对含量，如何计算？,Chapter 1,分析题,何为氨基酸的等电点？如何计算赖氨酸的等电点？（赖氨酸的羧基、氨基和氨基的pK值分别为2.18、8.95和10.53）何谓蛋白质的一级结构？蛋白质的一级结构测定方法有哪些？何谓蛋白质的二级结构？蛋白质的二级结构主要有哪些形式？各有何结构特征？何谓蛋白质的三级结构？维系蛋白质三级结构的化学键有哪些？何谓蛋白质的四级结构？举例说明。,Chapter 1,