蛋白质的结构和功能.ppt
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1、生物化学与分子生物学,Department of Biochemistry and Molecular Biology,CMU,绪 论,生物化学,早期主要是用化学、生物学、物理学以及数学原理研究各种形式的生命现象。至20世纪下半叶,生物化学进入分子生物学时期,融入了遗传学、细胞生物学、生物工程学、免疫学和生物信息学等理论和技术。因此,生物化学是一门边缘学科,也是生命科学领域重要的领头学科。,生物化学,是研究生物体内化学分子与化学反应的科学,从分子水平探讨生命现象的本质。分子生物学,研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控,揭示了生命本质的高度有序性和一致性。,生物化学,生
2、物化学发展简史,分为三个阶段:叙述生物化学阶段(18世纪中19世纪末)主要研究生物体的化学组成:系统研究了脂类、糖类、氨基酸;发现了核酸;分离了Hb;证实了肽键;合成了多肽,生物化学发展简史,分为三个阶段:动态生物化学阶段(20世纪初)营养方面:必需氨基酸、营养必需脂肪酸及多种维生素内分泌方面:激素的发现、分离、合成酶学方面:酶晶体物质代谢方面:主要物质代谢途径,生物化学发展简史,分子生物学的崛起(20世纪后半叶)DNA双螺旋结构的发现 遗传信息传递的中心法则 蛋白质的-螺旋结构、胰岛素的序列分析DNA克隆(重组DNA技术)转基因、基因敲除、基因诊断和治疗、PCR基因组学和其他组学,人类基因组
3、计划,HGP(human genome project)是由美国科学家于1985年率先提出,于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。,研究内容:遗传图谱,物理图谱,序列图谱,基因图谱,研究人员曾经预测人类约有710万个基因,但人类基因总数实际在2.6383万到3.9114万个之间,不超过40,000,只是线虫或果蝇基因数量的两倍,人有而鼠没有的基因只有300个。,蛋白质组学转录组学功能RNA组学代谢组学糖组学,生物化学研究的主要内容,生物分子的结构与功能物质代谢及其调节基因
4、信息传递及其调控,生物化学与医学,生物化学是联系生物学各学科的“桥梁”生物化学是生命科学的基础学科,是现代医学发展的“催化剂”生物化学的发展推动临床医学诊断、检验、治疗手段的发展,加速了生物产业的崛起,教材纲要,生物大分子的结构与功能蛋白质的结构与功能核酸的结构与功能酶,教材纲要,物质代谢及其调节生物氧化糖代谢脂类代谢氨基酸代谢核苷酸代谢,教材纲要,基因信息的传递DNA的生物合成(复制)RNA的生物合成(转录)蛋白质的生物合成(翻译)基因表达调控基因重组与基因工程,教材纲要,专题篇细胞信号转导癌基因、抑癌基因,第一章蛋白质的结构和功能Structure and Function of Prot
5、ein,蛋白质(protein)是许多氨基酸(amino acid)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质的生物学重要性,蛋白质是生物体的基本组成部分含量高人体固体成分的45%,细胞干重的70%以上分布广所有的器官组织都含有蛋白质,细胞的各个部分都含有蛋白质种类多,蛋白质的生物学重要性,蛋白质具有重要的生物学功能生物催化剂代谢调节免疫防护物质的转运与存储运动与支持细胞间信息传递氧化供能,第一节 蛋白质的分子组成,蛋白质的元素组成,主要元素C(5055%),H(67%),O(1924%),N(1319%),S(04%)次要元素P,Fe,Cu,Zn,I,体内主要的
6、含氮物质是蛋白质各种蛋白质的平均含氮量为16%100g样品中蛋白质的含量=每克样品中含氮克数6.25 100,1/16%,三聚氰胺的含氮量为66%左右。三聚氰胺的价格只有蛋白原料的1/5。三聚氰胺作为一种白色结晶粉末,无特殊气味,水溶性好,掺杂后不易被发现。,一、氨基酸,蛋白质的基本组成单位组成人体蛋白质的氨基酸只有20种,且都是L-氨基酸(甘氨酸除外),(一)氨基酸的分类,根据侧链的结构和理化性质分五类:非极性脂肪族氨基酸:侧链含烃链的氨基酸极性中性氨基酸:侧链有极性但不带电荷芳香族氨基酸:侧链含芳香基团酸性氨基酸:侧链含负性解离基团碱性氨基酸:侧链含正性解离基团,非极性脂肪族氨基酸,极性中
7、性氨基酸,芳香族氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸,特殊氨基酸脯氨酸(Pro),环型结构,属于亚氨基酸脯氨酸在蛋白质合成加工时可被羟基化修饰成羟脯氨酸,甘氨酸(Gly)无旋光性、无L-、D-型之分,半胱氨酸(Cys),修饰氨基酸:蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如胱氨酸、羟脯氨酸(Hyp)、羟赖氨酸(Hyl)非生蛋白氨基酸:蛋白质中不存在的氨基酸。如瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸,这些氨基酸是在代谢途径中产生的。,习惯分类法:芳香族氨基酸:Trp,Tyr,Phe含羟基氨基酸:Tyr,Thr,Ser含硫氨基酸:Cys,Met支链氨基酸:Val,Leu,Ile杂环族氨基酸:His,
8、Trp杂环族亚氨基酸:Pro,(二)氨基酸的理化性质,两性解离及等电点紫外吸收性质茚三酮反应:当氨基酸与茚三酮共热时,AA被氧化脱氨、脱羧,而茚三酮被还原,其还原产物与氨结合,再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色化合物,测A570nm,二、肽,(一)肽(peptide)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,甘氨酰甘氨酸,多肽链,二肽、三肽、五肽寡肽(oligopeptide)、多肽(polypeptide)氨基末端(amino terminal),也叫N-端羧基末端(carboxyl terminal),也叫C-端氨基酸残基(
9、residue)多肽链(polypeptide chain)多肽链从氨基末端走向羧基末端多肽与蛋白质的分界,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,(二)生物活性肽谷胱甘肽(glutathione,GSH),谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽谷氨酸的-羧基形成肽键-SH为活性基团为酸性肽是体内重要的还原剂,GSH的生物学功能,GSH的巯基具有还原性,保护体内蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化,使其处于活性状态。还原细胞内产生的H2O2,使其变成H2O。GSH的巯基有嗜核特性,能与外源的嗜电子毒物结合,阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合,保护机体免遭毒物损害。,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADP
10、H+H+,NADP+,肽类激素:如促甲状腺素释放激素(TRH),神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,第二节 蛋白质的分子结构,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),一、蛋白质的一级结构,定义:在蛋白质分子中,从N-端至C-端的氨基酸排列顺序主要化学键:主要化学键是肽键,蛋白质分子中二硫键的位置也属于一级结构的范畴,胰岛素的一级结构,二、蛋白质的二级结构,定义:蛋白质分子中某一段肽链的局部空间
11、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主要化学键:氢键,(一)肽单元,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构型,此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元,相邻肽单元的旋转性,蛋白质二级结构的模型,蛋白质二级结构的主要形式-螺旋(-helix)-折叠(-pleated sheet)-转角(-turn)无规则卷曲(random coil)维系二级结构稳定性的主要化学键氢键,(二)-螺旋(-helix),左手螺旋和右手螺旋,结构要点:多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋,侧链伸向螺旋外侧。,每圈螺旋含3.6个氨基酸
12、,螺距为0.54nm。每个肽键的羰基氧和第四个肽键的氨基氢形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。*Pro的N上缺少H,不能形成氢键,经常出现在-螺旋的末端,它改变多肽链的方向并终止螺旋,脯氨酸(Pro),(三)-折叠(-pleated sheet),结构要点:多肽链充分伸展,每个肽单元以C为旋转点,依次折叠成锯齿状结构,侧链交替地位于锯齿状结构的上下方两段以上-折叠结构平行排列,可以顺向平行,也可以反向平行每两链之间的肽键形成氢键,从而维持-折叠结构的稳定,(四)-转角和无规卷曲,-转角(-turn)肽链内形成180回折通常含有4个氨基酸残基,第一个残基的羰基氧与第四个残基的氨基氢形
13、成氢键第二个氨基酸残基通常为脯氨酸无规卷曲没有确定规律性的肽链结构,(五)模体,在蛋白质分子中,二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个有规则的二级结构组合,被称为超二级结构。二级结构组合形式有3种:,模体(motif)具有特殊功能的超二级结构,它是由蛋白质分子中二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个特殊功能的空间构象一些常见的模体:锌指螺旋-环-螺旋螺旋-转角-螺旋碱性亮氨酸拉链,DNA结合蛋白的锌指结构模体,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,亮氨酸拉链,(六)侧链对二级结构形成的影响,影响-螺旋形成的因素脯氨酸的刚性五元环,影响氢键的形成,不形成-螺旋。多个酸
14、性或碱性氨基酸残基相邻,由于同性电荷彼此相斥,妨碍-螺旋的形成。侧链较大的氨基酸残基,如天冬酰胺、亮氨酸等,也影响-螺旋形成。影响-折叠形成的因素要求氨基酸的侧链较小,三、蛋白质的三级结构,定义:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置稳定因素:次级键疏水作用、离子键(盐键)、氢键和Van der Waals力 共价键二硫键也参与维持三级结构,肌红蛋白(Mb),3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸丙糖异构酶,结构域,分子量较大的蛋白质三级结构常可折叠成多个结构较为紧密的区域,各行其功能,称为结构域(domain),纤连蛋白分子的结构域,分子伴侣(chaperon
15、),定义:通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质 许多分子伴侣是ATP酶,作用:可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合后松开,如此反复进行可防止错误的聚集发生,使肽链正确折叠与错误聚集的肽段结合,使之解聚后,再诱导其正确折叠对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要作用,四、四级结构,亚基(subunit):每条具有完整的三级结构的多肽链,称为亚基四级结构:蛋白质分子中各个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各亚基间的结合力主要是氢键、离子键,五、蛋白质的分类,根据蛋白质组成成分,根据蛋白质形状,(辅基),六、蛋白质组学,(一)蛋白质组学
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