蛋白质的基本单位.ppt

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1、胺基(Amino group),羧基(Carboxylic acid),氫原子,Amino acid,Protein,Enzyme,Coenzyme,張憲彰 96/10/02,胺基酸(Amino acid),為蛋白質的基本單位。有 20 種不同的胺基酸。每個胺基酸之間以胜肽(peptide bond)連結。胜肽鍵是由兩個胺基酸分別提供羧基和胺基，兩者之間經脫水反應(失去H2O)後所生成的。,胺基酸的分類,1.非極性或疏水性的R基群(Non-polar or hydrophobic R groups)2.不帶電荷或親水性的R基群(Uncharged or hydrophilic R groups

2、)3.帶負電荷的R基群(Negatively charged R groups)4.帶正電荷的R基群(Positively charged R groups),胺基酸的種類,非極性或疏水性的R基群,胺基酸的種類,非極性或疏水性的R基群,不帶電荷或親水性的R基群,胺基酸的種類,不帶電荷或親水性的R基群,胺基酸的種類,帶負電荷的R基群,帶正電荷的R基群,蛋白質的四級結構,一級結構：,二級結構：因兩碳上的R基團與前後相鄰基團的吸引力或排斥力，使得兩相鄰胜肽鍵平面間的轉動限制在一定角度範圍，而造成規律的兩種主要構形為螺旋(helix)和長帶(sheet)，其主要構成力量都是氫鍵。,三級結構：分子內各部

3、分的二級結構再相互組合，構成完整的球形。,四級結構：數個相同或不同的三級結構分子再結合成一較大的複合體，才能進行完整的活性功能，構成四級結構的每單位分子，稱為次體(subunit)。,一級結構,二級結構,三級結構,四級結構,KKGGLVAH,蛋白質的一級結構,四級結構(Quateruary Structure)：一些蛋白質由二個以上的peptide鏈(次單位)組成，代表蛋白質的整體結構。,三位一體密碼(The triplet code)-mRNA與蛋白質的關係,傳訊RNA(mRNA)(messenger RNA)2.核醣RNA(rRNA)(ribosomal RNA)3.轉運RNA(tRNA)

4、(transfer RNA),三種RNA各有所司,1.信使RNA(mRNA,messenger RNA)用來傳遞 DNA 的遺傳訊息並作為蛋白質合的模板，佔RNA總量5%。2.核醣RNA(rRNA,ribosomal RNA)用來將 mRNA 所攜帶的蛋白質胺基酸訊息序列，轉譯成相對應的胺基酸，佔 RNA 總量的15%。3.轉運RNA(tRNA,transfer RNA)核糖體RNA，是組成核糖核蛋白的主要成份。,rRNA是構成核糖體的成份，且具有酵素活性，一些蛋白質會經過核孔進入細胞核，在核仁附近與rRNA結合成兩種次單元（大單元及小單元，若是真核生物其大單元為60S，小單元為40S），這兩

5、個次單元會再次經過核孔離開細胞核，到達細胞質中並組合成為mRNA-核醣體複體(mRNA-ribosomal complex)。,rRNA的結構和功能,Ribosomal RNA(rRNA)is a component of the ribosomes,the protein synthetic factories in the cell.Eukaryotic ribosomes contain four different rRNA molecules:18 s,5.8 s,28 s,and 5 s rRNA.Three of the rRNA molecules are synthesize

6、d in the nucleolus,and one is synthesized elsewhere.rRNA molecules are extremely abundant.They make up at least 80%of the RNA molecules found in a typical eukaryotic cell.,http:/,tRNA的結構和功能,攜帶胺基酸來完成蛋白質合成：tRNA為單股RNA，折疊成苜蓿葉型(十字形)，它包含一個補密碼及攜帶一個對應的胺基酸，當一連串不同tRNA上面的這些補密碼與mRNA上的一連串密碼子互相配對時，其所攜帶的胺基酸就會連接在一起

7、(這個過程 皆發生在核糖體上，如同上面所提到的rRNA 具有酵素活性,它可以協助胺基酸的連接),mRNA與蛋白質的合成,mRNA是攜帶DNA訊息，經過轉譯作用合成功能性的蛋白質。DNA會經過轉錄作用,將其遺傳密碼經過mRNA送到細胞質中轉譯出蛋白質,來表現遺傳性狀，mRNA中每三個鹼基序列稱為密碼子（如GGA,CUA,）。（這麼做可確保原始遺傳訊息不會被破壞;且因為RNA是單股，容易被分解，故在mRNA進行轉譯後,可確保細胞質不會有過量的RNA且不會過度轉譯太多蛋白質）mRNA是以DNA為模板轉錄的單鏈多聚核苷酸，每三個鹼基代表一個氨基酸訊息，稱三聯體密碼。起始密碼子(AUG or GUG)與

8、tRNA 作用後便可進行蛋白質的轉譯。,DNA-mRNA-Protein,（轉錄）（轉譯）,一種新的胺基酸，命名為對氨基苯丙氨酸（p-aminophenylalanine，簡稱pAF),前加州La Jolla,Scripps研究中心，目前任職賓州Lancaster,Franklin&Marshall學院的Ryan Mehl 博士就質疑：為何生命只選定20個胺基酸？是否更多的胺基酸能產生更強勢的生物？在物競天擇的壓力下，能否更有效的適應環境？為了釐清問題，Mehl 博士與Scripps研究中心Peter Schultz 教授所領導的科學家團隊，利用大腸桿菌的生命代謝路徑，由簡單的碳素來源成功產生

9、了一種新的胺基酸，並命名為對氨基苯丙氨酸（p-aminophenylalanine，簡稱pAF)。研究結果分析顯示，pAF在20種自然胺基酸的強力競爭下、依然能夠結合成新的蛋白質。,第21個胺基酸如何拼碼？如何併入蛋白質合成序列？,該研究團隊將原本是蛋白質合成時、訊息RNA序列上，作為停止合成蛋白質指令的密碼，改換為非自然形成的第21種胺基酸，並建立了全新的蛋白質合成路徑。這項研究的特殊之處在於生物合成，這種細菌能自我合成新胺基酸，有別於從培養基供應的非自然形成胺基酸。研究還發現，只需要鹽類及基本碳源，這種新創造出的細菌，便能進行後續演化功能，包括從合成新種胺基酸到組成新蛋白質，可謂是全新的非

10、自然物種。由於大腸桿菌長久以來便以快速增殖能力著稱，再加上細菌產生第21種胺基酸造成突變，難免使人們產生此種細菌變成強勢物種，造成失控及擴散的疑慮！為此，該研究團隊將此新物種的白胺酸（Leucine）生物合成能力破壞（白胺酸為20種必須胺基酸之一），如此便可控制這種細菌免於擴散實驗室之外、引發未知的後續問題。,酵素(Enzyme),酵素的命名：最初酵素命名並無法定規則，但都附有-in 或-zyme 等字尾，如trypsin，renin 及 lysozyme等；後來漸以該酵素催化的反應加上-ase 字尾為名，再冠上此反應的反應物，如 histidine decarboxylase(反應物+反應-

11、ase)。,酵素的分類：1.氧化還原酶(Oxidoreductases)：電子或質子轉移。2.轉移酶(Transferases)：官能基團的轉移。3.水解酶(Hydrolases)：加水或脫水分子。4.異構酶(Isomerases)：同一分子內基團之轉移。5.裂解酶(Lyases)：共價鍵生成或裂解。6.連接酶(Ligases)：消耗 ATP 生成分子間新鍵。,酵素主要由蛋白質所構成，然許多酵素還需加上其它物質。,全酶(Holoenzyme)的組成,一般酵素由蛋白質構成，但某些酵素為醣蛋白或脂蛋白，有些要加上輔助因子(cofactor,coenzyme)，才能成為功能完全的酵素稱之為全酶，若全

12、酶失去了輔助因子，剩下的部份稱為原酶(apoenzyme)，輔助因子都是人體無法自行合成，須由外界攝取者，我們日常吃的維他命丸，就幾乎全是輔助因子。,(apoenzyme),輔酶(Coenzyme),二十種胺基酸的基團中，不是屬於非極性者，就是相當溫和的酸性或鹼性機團，酵素活性區經常需要較強的官能基來引發催化反應，為補足此缺點，且增加酵素的反應能力，部份酵素因此納入蛋白質以外的輔助因子參與其構造，作為催化的重要反應基團。輔助因子：1.金屬離子：如Zn2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+,Cu2+,K+，以離子鍵結合在 His,Cys,Glu等胺基酸。2.有機小分子:分子構造稍複雜而多樣又稱輔酶，

13、如維生素B群、葉酸(folic acid)。輔酶的作用：a.改變酵素構形,b.協助催化反應,c.直接提供反應基團,酵素的催化反應,在反應物轉變成生成物的過程中，會有一介於兩者之間的中間過渡狀態，是整個催化反應最難達致的步驟，所以酵素的活性區是提供一個催化口袋，此口袋可以穩定中間過渡狀態的形成。也就是說，酵素可以使過渡狀態比較容易形成，所需要的能量(活化能)比較低。,酵素的活性區,(1)可穩定過渡狀態：過渡狀態分子的構造中，經常都有相當高的局部電荷，而催化口袋內的適當位置上，剛好佈置有可以中和掉此局部高電荷的基團，因而得以穩定過渡狀態。(2)防止水分子干擾：在水溶液中，許多離子間的鍵結或反應都會

14、被水分子干擾，故凹陷的催化口袋可隔離大多數水分子，使離子間的反應順利進行。(3)具高反應性基團：在活性區內的胺基酸基團，有些可以因為特別的空間排列，而使得原本反應性低的基團(例如 Ser-OH)，因為附近其他基團的影響(如His可奪取其H+)，而變成具有高反應性的基團(如Ser-O-)。(4)有輔酶幫助反應：活性區通常也是輔脢的結合區，輔脢分子都帶有強大的電荷基團，可直接參與反應或者輔助反應進行。,酵素與基質的反應式,酵素E與受質或基質S一定要先結合在一起成為ES，然後才能得到生成物 P，因此ES的生成速度與消失速度一樣，則反應液中的ES濃度為恆定，此稱為steady state theory

15、。,(I),(II),(III),(IV),酵素動力學,酵素動力學實驗,中間圖表示當基質S濃度的高低變化時，會影響酵素反應的速率。左邊圖因直接作圖法只能以漸近估計求得Vmax，若x及y軸分別改為1/S及 1/vo，可作出一條直線，由x軸上的交點求1/Km，由y軸交點求1/Vmax。右邊圖表示若Km越高，若要達到最高速率時，所添加基質的濃度也要越高，表示該基質與酵素的親和力並不是很好。,Vmax/2,酵素活性單位,一般測定酵素活性時，是在單位時間內測定所得到生成物的量，如圖所示。若生成物以mole表示，則酵素每分鐘催化產生得到 1 mole，稱為一個活性單位，若活性單位再除以蛋白質的mg數目，即

16、得比活性。在一定時間內測量生成物時，要注意生成物的生成量與反應時間要成正比，如上圖反應時間在30 min 之內都可以，但是反應時間在之外時生成物已不成線性關係，測出來的活性將會不準。,酵素的抑制,一般細胞內的抑制劑都是屬於可逆性的抑制，也就是說當抑制劑去除後，酵素得以恢復原來的活性。但有些外來的抑制劑，或者是人工合成的化學抑制劑，都是對酵素分子造成共價性的永久抑制，是為不可逆性的抑制。,三種酵素抑制機制,各種酵素的反應例 Oxidoreductases,一氧化還原酵素(Oxidoreductase)oxidase(氧化酶)、oxygenase(加氧酶)、peroxidase(過氧化酶)、deh

17、ydrogenase(脫氫酶)、reductase(還原酶)等多種。此種酵素作用於氧化還原反應，使物質與氫脫離或氧結合，如：食物在體內產生熱量時，此酵素作用出現e.g.L-lactate dehydrogenase(LDH,EC 1.1.1.27)(S)-lactate+NAD+pyruvate+NADH+H+malate dehydrogenase(MDH,EC 1.1.1.37)(S)-malate+NAD+oxaloacetate+NADH+H+,1.Oxidase:以氧為氧化劑，對受質進行氧化催化。如:Glucose oxidase(GOD,GOx,)Glucose+O2 glucon

18、ic acid+H2O22.Oxygenase:以氧為氧化劑，催化受質與氧原子結合的反應。如:(Rubisco,)Ribulose 1,5 bisphosphate+O2 2-phosphoglycolate+3-phosphoglycerate+2H+Rubisco:ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase3.Peroxidase:以化學物質為還原劑，將過氧化氫還原催化成H2O。如:(Horseraddish peroxidase,HRP,EC 1.11.1.x)ROOR+electron donor(2 e-)+2H+ROH+ROH(1

19、)Ascorbate peroxidase:催化以ascorbic acid為還原劑。(2)Glutathione peroxidase:催化以glutathione為還原劑。(3)Catalase():亦為一種peroxidase，為催化H2O2為還原劑。2 H2O2 O2+2 H2O,4.Dehydrogenase:催化由受質移走氫原子的反應，所移走的氫原子，會轉給酵素的輔酶(coenzymes,如NADP+、NAD+或FAD等)。該酵素要在有輔酶的情況下，始能進行催化反應且常具其逆反應之催化性，即從輔酶(coenzymes,如NADPH、NADH或FADH2等)轉移氫原子給受質。如:(1

20、)Malate+NAD+-(MDH)oxaloacetate+NADH+H+(2)Succinate+FAD-(succinate dehydrogenase,)fumarate+FADH2(3)Glucose 6-phosphate+NADP+H2O-(glucose 6-phosphate dehydrogenase,)6-phosphogluconate+NADPH+2H+(4)Acetaldedyde+NADH+H+-(ADH,)-alcohol+NAD+(5)pyruvate+NADH+H+-(LDH)lactate+NAD+5.Reductase:泛指可催化對受質進行還原反應的酵素

21、。如上述的peroxidase或dehydrogenase(催化其逆反應時)均是一種reductase。Reductase還有許多種類，如:(1)nitrate reductase:催化將硝酸(nitrate,NO3-)還原成亞硝酸(nitrite,NO2-)的反應:2H+NO3-+2e-NO2-+H2O。(2)nitrite reductase:催化將亞硝酸(nitrite,NO2-)還原成氨(NH4+)的反應:8H+NO2-+6e-NH4+2H2O。,Glucose-6-phosphate dehydrogenase(G6PDH)deficiency,各種酵素的反應例-,二轉移酵素(tra

22、nsferase)EC2 轉移酶是一種催化一個分子（稱為供體）的官能團（如甲基或磷酸鹽團）轉移至另一個分子（稱為受體）的酶。例如以下的化學反應就是轉移酶：兩分子之間的原子或 官能基的轉移。A-X+B A+B-X Choline acetyltransferase(EC)is an enzyme which is synthesized within the body of a neuron.It is then transferred to the nerve terminal via axoplasmic flow.It joins Acetyl CoA to choline,resulti

23、ng in the formation of the neurotransmitter acetylcholine.,Acetylcholine(乙醯膽鹼）,Choline(膽鹼）,各種酵素的反應例-,三水解酵素(Hydrolase)EC3 1.水解酶是一種催化化學鍵的水解的酶，催化以下的 化學反應就是水解酶：A-B+H2O A-OH+B-H 2.此種酵素功能為水解化合物，食物進入體內經水解後，以助體內消化。如澱粉水解成葡萄糖以利體內吸收,Glycoside hydrolases(EC 3.2.1.x),glucose-6-phosphate(G6P)is hydrolyzed to gluc

24、ose by the glucose-6-phosphatase(G6Pase,EC 3.1.3.9)complex,各種酵素的反應例-,四裂解酵素(Lysase)EC4 從基質內取走官能基，但非經過水解。,EC4.1包括分解C-C鍵的裂合酶，如脫羧酶 EC4.2包括分解C-O鍵的裂合酶，如脫水酶 EC4.3包括分解C-N鍵的裂合酶 EC4.4包括分解C-S鍵的裂合酶 EC4.5包括分解碳鹵鍵的裂合酶 EC4.6包括分解P-O鍵的裂合酶，如腺苷環化酶 EC4.99包括其他裂合酶,各種酵素的反應例-,五異構酵素(Isomerase)EC5異構酶是一種催化同分異構體轉換的酶。亦即，使某種物質中的原

25、子重新組合成為異構物-甲氨基-L-丙氨酸，（英文-methylamino L-alanine，簡稱BMAA），是一種神經毒素，能在蘇鐵科植物種子中找到。這一種非蛋白胺基酸，與非必要胺基酸丙氨酸（alanine）十分相似，是由念珠藻屬的藍藻產生，而這些藍藻大都生長於植物的根部。L-alanine D-alanine,各種酵素的反應例-,六接合酵素(Ligases)EC6 連接酶，或稱連結酶及結合酶，是一種催化兩種大型分子以一種新的化學鍵結合一起的酶，一般會涉及水解其中一個分子的團。亦即，連結兩個分子，並隨之分解ATP中的焦磷酸鹽鍵 A-b+C A-C+b A-c+D-b A-D+b+c 如：X+

26、Y+ATP X-Y+ADP+Pi,酵素的命名 http:/juang.bst.ntu.edu.tw/BCbasics/Enzyme12.htm#1,a.早期命名：最初酵素命名並無法定規則，但都附有-in 或-zyme 等字尾，例如 trypsin,renin 及 lysozyme 等；後來漸以該酵素催化的反應加上-ase 字尾為名，再冠上此反應的反應物，如 histidine decarboxylase(反應物+反應-ase)。b.系統命名法：1965 年命名系統化，把所有酵素依催化反應分成六大類，以四組數字名之(IUBMB系統)；例如 histidine carboxylase 為EC 4.

27、1.1.22：Main Class：4 Lyases 分裂 C-C,C-O,C-N 鍵 Subclass：4.1 C-C lyase 分裂 C-C 鍵 Sub-subclass：4.1.1 Carboxylase 分裂 C-COO 鍵 序列號碼：22 第 22 個 4.1.1 分裂組胺酸的 C-COO 鍵,吸光法原理：Beer-Lamberts law,化學物質在波長的吸光值(A)與下列兩項因子成一正比關係:(1)化學物質在溶液中的濃度(c;單位:M或mg/ml 等)。(2)所用石英管(cuvette)的寬度(l;單位:cm)。(3)化學物質在波長的吸光值(A;absorbance)定義為A=

28、log(I0/I)。吸光值另稱為optical density(OD)，分光光度儀(spectrophotometer)測定吸光值。此正比關係稱為Beers law(或Beer-Lamberts law):即A=c l,H2O2 在波長240 nm的240 nm=0.0395 mM-1 cm-1NADH在波長340 nm的240 nm=6220 mM-1 cm-1 NADH於酸中不安定,酵素的活性單位,(1)抽出液中含有多種蛋白質，這當中有些則具有某些酵素活性。如，種子抽出液中，含有多種酵素，其中有一種即為a-amylase。常用的單位有兩種:(a)units/ml:即1 ml 的抽出液中含多

29、少unit(單位)的該種酵素活性。(b)unit/mg:即抽出液中，每1 mg 的蛋白質含有多少unit(單位)的該種酵素活性，此法稱為抽出液中所含有該酵素的比活性(specific activity)。比活性愈高，則抽出液含有該酵素的純度愈高。(2)酵素活性單位(unit)，指在單位時間(通常為分鐘)內，酵素使受質減少(或產物增加)的量。受質減少(或產物增加)的量，可視實驗的需求或方便性，以mole、g、OD吸光值等表示。1 U=mole/min(1961),1 kat=1 mole/sec(1972)=60 x 106 mole/min=6 x 107 U,O.D.值變化量活性(ko)=min-1 or sec-1(樣品蛋白質含量)x(反應時間),Thanks for your attention,