蛋白质的结构、功能及分离纯化.ppt
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1、第四章,蛋白质的共价结构,(一)蛋白质的化学组成和分类1、元素组成 碳 50%氢7%氧23%氮16%硫 0-3%微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼 凯氏定氮:粗蛋白质含量=蛋白氮6.252、氨基酸组成蛋白质是由20种L-型氨基酸组成的长链分子,一、蛋白质通论,3、分类(1)按组成:单纯蛋白质:只含氨基酸成分;可以根据其物理性质进行分类缀合蛋白质:氨基酸+辅基(配体);可以按其非氨基酸成分进行分类(2)按生物学功能:酶、调节蛋白、转运蛋白、贮存蛋白、收缩和游动蛋白、结构蛋白、支架蛋白、保护和开发蛋白、异常蛋白。,(二)蛋白质分子的形状和大小,1 形状纤维状蛋白质:具有比较简单球状蛋白质膜蛋白质,2 大
2、小少于50个氨基酸的低分子量多聚物称为肽,寡肽或生物活性肽,有时也称多肽。多于50个氨基酸的称为蛋白质。蛋白质分子量=氨基酸数目*110,蛋白质都有自己特有的天然空间结构,称为构象。一级结构:氨基酸顺序二级结构:螺旋、折叠、转角,无规卷曲三级结构:整个肽链(亚基)的形状;四级结构:亚基之间的聚集形式。,(三)蛋白质的构象和蛋白质结构的组织层次,(四)蛋白质功能的多样性,催化酶,生物催化剂调节激素蛋白类,调节体内的物质代谢过程或参与基因表达的调控转运运输蛋白类,通过血流或膜通道转运特定的物质贮存能贮存氨基酸等,作为机体的营养物,在需要时提供各种元素运动使细胞或生物体发生运动结构成分具有强大的抗拉
3、作用,对机体起支持作用支架作用在细胞应答激素和生长因子的途径中起作用防御和进攻在细胞防御、保护和开发方面的主动作用异常功能,二 肽,肽(peptides)是由氨基酸通过肽键连接起来的一类有机物。根据其所含氨基酸残基的数量,有小肽和多肽之分。小肽一般是指不到10个氨基酸所组成的肽,多肽一般是指1050个氨基酸所组成的肽。,(一)肽键与肽链,肽键: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。,肽键的特性,氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用: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,以反式结构存在。组成肽键的原子处于同一平面-肽平面。,肽键的结构特点:酰胺
4、氮上的孤对电子与相邻羰基之间形成共振杂化体。肽键具有部分双键性质,不能自由旋转。肽键具有平面性,组成肽键的4个原子和2个C几乎处在同一平面内(酰氨平面)。肽键亚氨基在pH0-14内不解离。肽链中的肽键一般是反式构型,而Pro的肽键可能出现顺、反两种构型,肽 链,由两个氨基酸组成的肽称为二肽,由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成肽链的氨基酸单元称为氨基酸残基。,肽链中AA的排列顺序和命名,在多肽链中,氨基酸残基按一定的顺序排列,这种排列顺序称为氨基酸顺序。通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基,称为氨基端或N-端;在另一端含有一个游离的-羧基,称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N端的氨基酸残基
5、开始,以C端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为:Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,旋光性:一般短肽的旋光度等于其各个氨基酸的旋光度的总和。肽的酸碱性质短肽在晶体和水溶液中也是以偶极离子形式存在。肽的酸碱性质主要取决于端和端COOH以及侧链上可解离的基团。在长肽或蛋白质中,可解离的基团主要是侧链基团。,(二)肽的物理和化学性质,4)原则:当溶液pH大于解离侧链的值,占优 势的离子形式是该侧链的共轭碱,当溶液pH小于解离侧链的值,占优势的离子形式是该侧链的共轭酸。3.肽的化学反应:肽的-羧基,-氨基和侧链R基上的活性基团都能发生与游离氨基酸相似的反应,如茚三酮反应、Sanger反
6、应、DNS反应和Edman反应;还可发生双缩脲反应(含有两个或两个以上肽键的化合物与CuSO4碱性溶液发生反应生成紫红色或蓝紫色的复合物。氨基酸无该反应)。,(三)天然存在的活性肽,一些小肽在动物体内主要用于合成蛋白质,作为体蛋白的结构组分,因而称之为结构肽(structural peptieds)。另有一些肽类物质,在体内并非用于合成蛋白质,而是独立发挥其特定的生物学功能,一般称之为生物活性肽(bioactive peptides),简称活性肽;也称功能肽(functional peptides)。已为人们广泛熟悉的表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)、成纤
7、维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)、类胰岛素生长因子(insulin-like growth factor,IGF)均为典型的生物活性肽。,1 谷胱甘肽(GSH),GSH的功能,SH缓冲剂:保护血液中的红细胞不受氧化损伤,维持血红素中半胱氨酸处于还原态解毒作用:GHS可与过氧化氢或其它有机过氧化物反应参与氨基酸的转运,2、短杆菌肽(抗生素)由短杆菌产生的10肽环。抗革兰氏阳性细菌,临床用于治疗化浓性病症。L-OrnL-LeuD-PheL-ProL-ValL-OrnL-LeuD-Phe L-ProL-Val,3、脑啡肽(5肽)Met-脑啡肽:TyrGlyG
8、lyPheMet Leu-脑啡肽:TyrGlyGlyPheLeu具有镇痛作用。生物体内寡肽的来源:合成蛋白质的剪切、修饰酶专一性逐步合成(如谷胱甘肽)、动物肠道可吸收寡肽,4、肽类激素,一级结构:蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序 表示方法:N-末端向C-末端维持力:肽 键、二硫键,三、蛋白质一级结构的测定,(一)蛋白质测序的策略 对于一个纯蛋白质,理想方法是从N端直接测至C端,但目前只能测60个N端氨基酸。1、直接法(测蛋白质的序列)两种以上特异性裂解法 N C A 法裂解 A1 A2 A3 A4 B 法裂解 B1 B2 B3 B4,2、间接法(测核酸序列推断氨基酸序列),3 测序前的准备工
9、作1)蛋白质的纯度鉴定 纯度97%以上,均一。聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)要求一条带 DNScl(二甲氨基萘磺酰氯)法测N端氨基酸2)测定分子量,估算氨基酸残基数,确定肽链数 SDS-PAGE 凝胶过滤法 沉降系数法,4 蛋白质测序的一般步骤(1)测定蛋白质分子中多肽链的数目;(2)拆分蛋白质分子中的多肽链;(3)断裂链内二硫键;(4)分析每一多肽链的氨基酸组成;(5)鉴定多肽链的N末端和C末端残基;(6)裂解多肽链成较小的肽段;(7)测定各个肽段的氨基酸顺序;(8)确定肽段在多肽链中的顺序;(9)确定多肽链中二硫键的位置。,(二)N 末端和C-末端氨基酸残基的鉴定1 N-末端分析 DNS-
10、cl法:最常用,黄色荧光,灵敏度极高,DNS-多肽水解后的DNS-氨基酸不需要提取。DNFB法:Sanger试剂,DNP-多肽,酸水解,黄色DNP-氨基酸,有机溶剂(乙酸乙酯)抽提分离,纸层析、薄层层析、液相等 PITC法:Edman法,逐步切下。无色PTH-氨基酸,有机溶剂抽提,层析。,2 C-末端分析肼解法无水肼NH2NH2 100 5-10h。苯甲醛沉淀氨基酸的酰肼,C端游离氨基酸留在上清中。Gln、Asn、Cys、Arg不能用此法。,羧肽酶法(Pro不能测)羧肽酶A:除Pro、Arg、Lys外的所有C端a.a羧肽酶B:只水解Arg、Lys N H2N ValSerGly C,图 P11
11、8 羧肽酶法测C末端,(三)二硫桥的断裂 过甲酸氧化:SS+HCOOOH SO3H 巯基乙醇还原(四)氨基酸组成的分析 酸水解的同时辅以碱水解,(五)多肽链的部分裂解和肽段混合物的分离纯化1 酶裂解法1)胰蛋白酶 Lys X(X Pro)Arg X2)胰凝乳蛋白酶 TyrX(X Pro)TrpX PheX3)嗜热菌蛋白酶 Leu(Trp、Try、Phe)X(X Pro/Gly)4)胃蛋白酶 Phe(Trp、Try、Leu)Phe(Trp、Try、Leu),2 化学裂解法 溴化氰 MetX 产率85%亚碘酰基苯甲酸 TrpX 产率70-100%NTCB(2-硝基-5-硫氰苯甲酸)XCys 羟胺N
12、H2OH AsnGly 约150个氨基酸出现一次,3、肽段的分离纯化 电泳法 根据分子量大小分离 离子交换层析法(DEAECellulose、DEAESephadex)根据肽段的电荷特性分离 反相法 根据肽段的极性分离 凝胶过滤要求:单带 单峰 端单一(常用c l法),四 蛋白质的一级结构与生物功能,(一)同源蛋白质的物种差异与生物进化1 同源蛋白质:在不同的生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。如:血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能,细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化。亲源关系越远,同源蛋白的氨基酸顺序
13、差异就越大。,同源蛋白质的特点:同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性(序列同源性)有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的,称不变残基,不变残基高度保守,是必需的。除不变残基以外,其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化,称可变残基,可变残基中,个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。多肽链长度相同或相近,2 细胞色素C 分子量:12500左右氨基酸残基:100个左右,单链。25种生物中,细胞色素C的不变残基35个。60种生物中,细胞色素C的不变残基27个。亲源关系越近的,其细胞色素C的差异越小。亲源关系越远的,其细胞色素C的差异越大。人与黑猩猩 0人与猴 1人与狗 10人与酵母 44,细胞色素
14、C,功能:传递电子多肽链,血红素,铁原子,胰岛素有24个氨基酸残基位置始终不变:AB链上6个Cys 不变,其余18个氨基酸多数为非极性侧链,对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。其它可变氨基酸对稳定蛋白质的空间结构作用不大,但对免疫反应起作用。猪与人接近,而狗则与人不同,因此可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。,3 系统树,(二)同源蛋白质具有共同的进化起源1 氧合血红素蛋白质丝氨酸蛋白酶类3 功能差异很大的蛋白质,(三)血液凝固与氨基酸序列的局部断裂,1、血液凝固中的级联过程,2 凝血酶和血纤蛋白原在血凝中的作用,在凝血酶原致活因子催化下,凝血酶原分子中的Arg274Thr275、Arg323Ile3
15、24断裂,释放出48个a.a,产生活性凝血酶。A链49 a.a B链259 a.a,纤维蛋白原,22r2从二条链和二条链的N端各断裂一个特定的肽键-ArgGly-,释放出二个纤维肽A(19个氨基酸)和二个纤维肽B(21个氨基酸),它们含有较多的酸性氨基酸残基。,A、B肽切除后,减少了蛋白质分子的负电荷,促进分子间聚集,形成网状结构。在凝血因子XIIIa(纤维蛋白稳定因子)催化下,纤维蛋白质单体间形成共价健(Gln-Lys结合),生成交联的纤维蛋白。,五、肽和蛋白质的人工合成氨基保护:叔丁氧甲酰氯(BOC-Cl)、苄氧酰氯(CBZ-Cl)、对甲苯磺酰氯Tosyl-Cl);羧基保护:苄酯、叔丁酯(
16、成盐、成酯);羧基活化:酰氯法(PCL5)、叠氮法、混合酸酐法、活化酯法;缩合剂:DCCI(二环己基碳二亚胺)直接接肽。,第5章 蛋白质的三维结构,决定蛋白质天然构象的3个因素:1)与溶剂分子的相互作用;2)溶剂的pH和离子强度;3)蛋白质的氨基酸序列.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。,一 研究蛋白质构象的方法,X射线衍射法光谱学
17、方法 紫外差光谱 荧光和荧光偏振 圆二色性 核磁共振,二 稳定蛋白质三维结构的作用力,蛋白质的折叠和具有生物学功能的蛋白质构象的稳定性依赖于大量的非共价因素,其中包括疏水效应、氢键、范德华力(van der Waals)和离子间相互作用;以及共价交联(二硫键)。,(一)氢 键,氢键的贡献是协同蛋白质的折叠和帮助稳定球蛋白的天然构象。前面已经提到多肽链骨架的羰基和酰胺基之间,特别是在球蛋白内部的那些基团之间常常形成氢键使肽链形成a-螺旋和b-折叠结构。此外在多肽链骨架和水之间,多肽链骨架和极性侧链之间,两个极性侧链之间以及极性侧链和水之间也可以形成氢键。大多数氢键都是N-HO类型的。,蛋白质结构
18、中常见的氢键,(二)范德华力,范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用,范德华力只有当两个非极性残基之间处于一定距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说比较弱,但由于范德华力相互作用数量大,并且具有加和性,因此范德华力对球蛋白的稳定性也有贡献。,(三)疏水相互作用,蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水相互作用(hydrophobic 0interaction)或疏水效应(hydrophobic effect)。疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主要的作用,因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈,非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内部,而大多数极性侧链在
19、蛋白质表面维持着与水的接触。,(四)盐 键,带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用也能帮助稳定球蛋白,虽然这种作用很弱。离子化的侧链一般都出现在球蛋白的表面,所以是溶剂化的,对于整个球蛋白的稳定性的贡献是最小的。,盐 键,(五)二 硫 键,除了氢键以外,共价交联,例如二硫键也有助于某些球蛋白的天然构象的稳定,二硫键有时存在于由细胞分泌的蛋白质中,当这样的蛋白质离开细胞内环境时,由于有二硫键的存在,可使得蛋白质对去折叠以及降解不那么敏感,而维持蛋白质的稳定。,二 硫 键,三 多肽主链折叠的空间限制,氨基酸残基是通过肽键连接形成线性的多肽链的,一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复单位N-Ca-C组
20、成的,酰胺氢和羰基氧结合在骨架上,而不同氨基酸残基的侧链连接在a-碳上。,酰胺平面,参与肽键形成的2个原子以及另外4个取代成员:羰基氧原子、酰胺氢原子、以及2个相邻的a-碳原子构成了一个肽单位。肽键的部分双键特性防碍了C-N键的旋转,其结果造成肽单位实际上是个平面-酰胺平面。,由于连接在两个a-碳上的侧链基团之间的立体干扰,不利于顺式构象的形成,对伸展的反式构象的形成有利,因此蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构象。,二面角(dihedral angle),一个蛋白质的构象取决于肽单位绕N-Ca键和Ca-C键的旋转,旋转本身受到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的立体干扰的限制。,一个肽平面绕N
21、-Ca键旋转的角度用F表示,而绕Ca-键旋转的角度用Y表示,顺时针方向为正,反时针为负,理论上F(fai)和Y(fai)可以取180至180之间的任一个角度。当包含a的两个肽键处于同一平面时,F和Y都定义为0。,二级结构:肽主链折叠的规则方式,早在1951年,Pauling和Corey根据对一些简单化合物,例如氨基酸、二肽以及三肽的X-射线晶体图的研究数据,提出了两个周期性的多肽结构:a-螺旋(a-helix)和b-折叠(b-sheet)结构,它们是许多纤维蛋白和球蛋白的主要的二级结构。,(一)a-螺旋,在一个理想的a-螺旋中,每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升了0.15nm,每圈螺旋需要3.6个氨
22、基酸残基(一个羰基、3个N-Ca-C单位和一个氮),它们绕螺旋轴上升的距离,即螺距为0.54nm。,在a-螺旋中,相邻的螺圈之间形成链内氢键,多肽链骨架的每个羰基氧(氨基酸残基n)与它后面C-端方向的第四个残基(n4)的a-氨基氮形成氢键,螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的长轴,所有的羰基都指向C-末端。,影响a-螺旋形成的原因,氨基酸组成与序列 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸 残基,(如Lys,或Asp,或Glu),不能形成稳定的螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。Gly在肽中连续存在时,不易形成螺旋。R基大(如Ile)不易形成螺旋 Pro、脯氨酸中止螺旋。R基较小,且不带电荷的氨基酸利于螺旋
23、的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成螺旋。,pH对螺旋的影响,右手-螺旋与左手-螺旋,右手螺旋比左手螺旋稳定。蛋白质中的-螺旋几乎都是右手,但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手螺旋,由Asp-Asn-Gly-Gly(226-229)组成(+64、+42)。,(二)b-折叠片,Pauling和Corey提出的b-折叠结构,是一种由伸展的多肽链(称之b链)组成的二级结构。b-折叠又分为平行式(所有肽链的N端都在同一方向)和反平行式(肽链N端一反一正)。,(1)氢键与肽链的长轴接近垂直。(2)多肽主链呈锯齿状折叠构象(3)侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。在a-螺旋中,每一个氨基酸残基绕
24、轴上升0.15nm,但在b-构象中,每个残基大约占0.320.34nm,羰基氧和酰胺氢之间的氢键起着稳定b-折叠结构的作用。,(三)转角及其它,除a-螺旋和b-折叠结构之外,球蛋白还含有一些非重复的三维结构区。非重复区一般是由2至16个氨基酸残基组成,这些非重复区可以连接二级结构和环(loop)处改变肽链折叠的方向,使得蛋白质最终呈现球形。,转角 由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成;主链骨架以1800返回折叠;第一个肽单位上的羰基氧原子与第三个肽单位上的亚氨基氢原子生成一个氢键。,发夹,由一条伸展的多肽链弯曲而成的两条等长、彼此相邻、反向平行的肽段;两条肽段依靠氢键联系,氢键有16个;此构象包
25、含1011个氨基酸残基。,无规卷曲 没有规律的多肽链主链骨架构象。往往与生物活性有关-螺旋,-转角,-折叠在拉氏图上有固定位置,而无规卷曲的、二面角可存在于所有允许区域内。,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 proteins)。一般来说纤维蛋白的特性通过它的二级结构就可表现出来,但球蛋白的生物学功能通常都是以三级结构表现出来的,而某些球蛋白的生物学活性则需要四级结构。纤维蛋白的主要功能是维持和支撑单个的细胞和整个的有机体。a-角蛋白和胶原蛋白是最常见的纤维蛋白,a-角蛋白是毛发和动物尾巴的主要成分,而胶原蛋白是腱、皮肤、骨
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