蛋白质的基本组.ppt

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1、人与人之间只有很小的差异，但这种很小的差异却往往造成巨大的差别！很小的差异就是所具备的心态是积极的还是消极的，巨大的差异就是成功与失败！最重要的就是不要去看远方模糊的事，而要做手边清楚的事。我们能够想象并且坚信的事情，就一定能实现它。拥有一个完全独立的今天。,第一讲绪论,教学目的与要求生物工程大观蛋白质概论教学大纲参考书目,蛋白质和核酸都是一类含氮的天然有机物，是生物体的主要组成部分。蛋白质在生命现象和生命过程中起着决定性的作用，是人类的三大营养物质之一，是维持生命活动必不可少的物质。从化学结构上看，蛋白质是由许多氨基酸通过酰胺键结合而形成的高分子化合物，无论是哪一类蛋白质，在酸、碱、酶等作用

2、下水解都得到-氨基酸的混合物。因此-氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元，要讨论蛋白质的结构与性质，首先要了解氨基酸的结构与性质,第二讲 蛋白质的基本组件,第二讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的物理性质氨基酸的化学性质氨基酸的代谢合成肽单位与肽链,关于组成蛋白质的氨基酸结构，正确的说法是：(),A,在alpha-碳原子上都结合有氨基或亚氨基B,所有的alpha-碳原子都是不对称碳原子C,组成人体的氨基酸除一种外都是L型D,脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸E,不同氨基酸的R基团大部分都是相同的,一、-氨基酸的基本结构,分子中既有氨基又有羧基的化合物叫氨基酸。天然存在的氨基酸有300余种

3、，但组成蛋白质的氨基酸到目前为止仅有22种，最常用的有20种，都是-氨基酸。其中亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苏氨酸八种氨基酸人体不能自身合成，需要从食物中摄取。本讲主要讨论-氨基酸。,1.结构-氨基酸是羧酸分子中烃基上的-H原子被-NH2取代得到的衍生物，其结构通式为：,具有-氨基和-羧基是各种氨基酸的共性各种氨基酸在结构上的差异主要是其侧链基团R的不同。,R group,氨基,羧基,L-Form Amino Acid,H=Glycine,CH3=Alanine,Juang RH(2003)Biochemistry,3.-氨基酸的构型 构型(configurat

4、ion)是一个分子中原子的特定空间排布，当一种构型改变为另一种构型时必须有共价键的断裂和重新形成。不同构型分子间除镜面操作外不能以任何方式重合。组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分子中碳原子均为手性碳原子，因此都具有旋光性。大多数-氨基酸都只有一个手性碳原子，其构型一般用D/L法来标记。若有两个或更多的手性碳原子，则以距羧基最近的手性碳原子为基准来标记其构型。自然界存在的氨基酸大多为L-型。动物体内的酶只对L-氨基酸代谢，而对D-氨基酸不起作用。,氨基酸有镜像异构物,镜 像,化性相同、物性(旋光度)不同,立体构造不同(算是异构物),返回,以H为顶点，沿HC键方向观察各组成基团的投影，如果

5、顺时针方向能得到“CORN”的就是L-型分子；不能则为D-型。,优势构象与旋转异构体,构象(conformation)是指组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布。显然，一种构象转变为另一种构象不要求有共价键的断裂和重新形成，在化学上也难以区分和分离。对两个四面体配位的碳原子，“交错构象”(stagged conformation)是能量上最有利的排布，其一个碳原子的取代基正好处于另一个碳原子的两个取代基之间。侧链中的每一个这种C原子，都有三种交错构象，它们彼此以120旋转相关。,优势构象与旋转异构体,对已精确测定的蛋白质结构的分析显示，大多数氨基酸残基的侧链都有一种或少数几种交错构

6、象作为优势构象最经常出现在天然蛋白质中，称为旋转异构体(rotamer)。目前，在国际上已经收集这些优势构象，建立旋转异构体库，作为一种基本工具应用于蛋白质结构的计算机模型构建中。,硒半胱氨酸是一种氨基酸，存在于少数一些酶中，如谷胱甘肽过氧化酶、甲状腺素5-脱碘酶、硫氧还蛋白还原酶、甲酸脱氢酶、甘胺酸还原酶和一些氢化酶等。硒半胱胺酸的结构和半胱胺酸类似，只是其中的硫原子被硒取代。包含硒半胱氨酸残基的蛋白都称为硒蛋白。,在遗传密码中，硒半胱氨酸的编码是UGA（即乳白密码子），通常用作终止密码子。但如果在mRNA中有一个硒半胱氨酸插入序列(SElenoCysteine Insertion Sequ

7、ence,SECIS)，UGA就用作硒半胱氨酸的编码。SECIS序列是由特定的核苷酸序列和碱基配对形成的二级结构决定的。在真细菌中，SECIS直接跟在UGA密码子之後，和UGA在同一个阅读框里。而在古细菌和真核生物中，SECIS在mRNA的3-不翻译区域(3-UTR)中，可以引导多个UGA密码子编码硒半胱氨酸残基。当细胞生长缺乏硒时，硒蛋白的翻译会在UGA密码子处中止，成为不完整而没有功能的蛋白。,和细胞中的其它氨基酸一样，硒半胱氨酸也有个特异的tRNA。这个tRNASec，和其它标准的tRNA相比有一些不同之处，最明显的是具有一个包含8个碱基（细菌）或9个碱基（真核生物）的接收茎(stem)

8、，一个长的可变臂，以及几个高度保守碱基的替换。tRNASec起初由丝氨酸-tRNA连接酶加载一个丝氨酸，但这个Ser-tRNASec并不能用于翻译，因为它不能被通常的翻译因子识别（细菌中的EF-Tu，真核生物中的eEF-1）。而这个丝氨酰可以被一个含有磷酸吡哆醛的硒半胱氨酸合成酶替换成硒半胱氨酰。最后，这个Sec-tRNASec特异性地和另外一个翻译延伸因子SelB或者mSelB结合，被输送到正在翻译硒蛋白mRNA的核糖体上。,吡咯赖氨酸在产甲烷菌的甲胺甲基转移酶中发现，是目前已知的第22种参与蛋白质生物合成的氨基酸。与标准氨基酸不同的是，它由终止密码子UAG的有义编码形成。与之对应的在产甲烷

9、菌中也含有特异的吡咯赖氨酰-tRNA合成酶(PylRS)和吡咯赖氨酸tRNA(tRNAPyl)具有不同于经典tRNA的特殊结构。产甲烷菌通过直接途径和间接途径这两种途径生成吡咯赖氨酰-tRNA(Pyl-tRNAPyl)，它还可能通过mRNA上的特殊结构以及其他还未发现的机制，控制UAG编码成为终止密码子或者吡咯赖氨酸。,第22种遗传基因编码氨基酸已成功的合成,第二讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的物理性质氨基酸的化学性质氨基酸的代谢合成肽单位与肽链,Gly,Ala,Val,Leu,Ile,Phe,Tyr,Trp,Cys,Met,S,S,各式氨基酸的大小样式齐全,有大有小,有

10、正有负,有极性非极性,形形色色的氨基酸侧基,返回,脂肪氨基酸,芳香氨基酸,杂环氨基酸,（4）根据侧链基团极性的不同可分为疏水氨基酸和极性氨基酸两类；后者又可据带电性的不同分为不带电和带电两类。,带电氨基酸,极性氨基酸,疏水氨基酸,疏水氨基酸残基的侧链一般没有化学反应性，其共同的特性是疏于与水相互作用，趋于彼此间或与其他非极性原子相互作用，这种疏水相互作用是多肽链折叠的原初推动力。所有蛋白质分子都有一部分这类残基密堆积在内部，形成疏水内核，这也是稳定蛋白质三维结构的主要因素。,POLAR,NON-POLAR,Tyr,His,Gly,Acidic,Neutral,Basic,Asp,Glu,Gln

11、,Cys,Asn,Ser,Thr,Lys,Arg,Ala,Val,Ile,Leu,Met,Phe,Trp,Pro,氨基酸的极性分类,极性或非极性，是蛋白质性质之所系,Juang RH(2003)Biochemistry,氨基酸侧链的几个要点,Useful notes on side chain properties:His is the only side chain that titrates near physiological pH.,H,组氨酸的咪唑基pK值接近于中性，在生理条件下组氨酸常处于可逆的解离状态，并往往能和Fe2+等金属离子形成配位化合物。,2)Lys and Arg ar

12、e positively charged(basic)at physiological pH.Lys和Arg带有碱性的侧链基团，此基团在pH9以下处于正电状态。Lys侧链上的氨基很容易发生酰化、烷化、芳基化和咪基化等反应。Arg侧链由3个非极性的甲基和一个强碱性的 胍基构成，pKa值约为12。其胍基在天然蛋白质存在的整个pH范围都是解离的。,Lys,Arg,Asp and Glu are negatively charged(acidic)at physiological pH.其侧链羟基的pKa值分别为3.9和4.3，故在生理条件下离解为电负性基团，它们也可整合金属离子。它们侧链相差一个-C

13、H3，使它们对主链的相互作用有不同的趋向性，从而对肽链的构象和化学反应都有显著不同的影响。,Asp D,Glu E,Asn and Gln resemble backbone peptide.既是H+的供体，又是H+的受体，这种特性与蛋白质的结构和功能有重要联系。,N,Q,Gly has the smallest side chain,it is often required where main chains must approach each other very closely.Gly is more flexible than other residues.缺乏长侧链的制约使多肽链在

14、Gly残基出现的地方具有显著的构象柔性。Gly可在广泛的构象空间中出现。,G,Cys has a sulphydryl group(-SH)that can act as a redox center.巯基被氧化可以去掉氢，双双结合形成二硫键，把两条肽链连结在一起，对蛋白质构象有很大贡献。这种反应是可逆的。两个独立的Cys之间，也可以双双氧化巯基后形成二元体，特称为胱氨酸(cystine)，缩写成为(Cys)2。注意英文写法的不同。,C,Cystine,Cysteine,双硫键,Disulfide-bond formation.The drawing illustrates the forma

15、tion of a covalent disulfide bond between the side chains of neighboring cysteine residues in a protein.,8)Met has a thiolether linkage with two lone electron pairs.Met的硫并非硫醇，而是被甲基化，因此无法如Cys般形成双硫键，但它是一个非常奇特的氨基酸，任何蛋白质的翻译，其第一个氨基酸一定是Met。,M,Ser,Thr,and Tyr have hydroxylic(-OH)side chains that can either

16、 be hydrogen bond donor or acceptor.有着不同程度的化学反应性。,S,Y,T,Phe(F),Trp(W),and Tyr(Y)have aromatic side chains and can mediate cation-p interactions.They can form stacking interactions with nucleotide bases.是使蛋白质产生紫外线吸收和荧光特性的主要因素。色氨酸的结构比其它氨基酸复杂，在蛋白质中含量最低，其在蛋白质结构与功能中的作用是一个重要的研究课题。,F,W,Y,这三种氨基酸对于介质环境非常敏感，常

17、常作为蛋白质结构变化的非常有用的探针。max/nmPhe:257.4Tyr:274.6Trp:279.8,His 0.360Cys 0.210Ser 0.130Lys 0.100Thr 0.100Asn 0.080Arg 0.055Gln 0.050Glu 0.050Asp 0.045Ile 0.005Tyr 0.040Val 0.060Gly 0.070Phe 0.120Trp 0.140Leu 0.180Pro 0.200Ala 0.025Met 0.025,11)氨基酸残基在活性部位出现的几率,关于组成蛋白质的氨基酸结构，正确的说法是：(),A,在alpha-碳原子上都结合有氨基或亚氨基

18、B,所有的alpha-碳原子都是不对称碳原子C,组成人体的氨基酸除一种外都是L型D,脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸E,不同氨基酸的R基团大部分都是相同的,A,C,D,第二讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的物理性质氨基酸的化学性质氨基酸的代谢合成肽单位与肽链,第二讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的物理性质氨基酸的化学性质氨基酸的代谢合成肽单位与肽链,四、氨基酸的化学性质-氨基酸分子中既含有氨基，又有羧基，因此，它应具有胺和羧酸的通性。由于-NH2与-COOH共存于一个分子中，因此，它又有一些特性。1、氨基的性质（1）与亚硝酸反应,+HNO2,+N2,收集反应放

19、出的氮气，可用来测定氨基酸的含量，这种测定氨基酸含量的方法称为范斯莱克（Van slyke）氨基测定法。,四、氨基酸的化学性质 1、氨基的性质,（2）与甲醛反应,甲醛,甲醛,甲醛与-氨基酸分子中的氨基反应，向氨基上导入两个吸电子基团（CH2OH），从而使氨基的碱性消失。因此，可用一般的酸碱滴定法来测定氨基酸的含量。,（3）与水合茚三酮反应,-氨基酸与水合茚三酮溶液一起加热，生成蓝紫色物质，利用这个反应，可对-氨基酸进行定性鉴定。,2、羧基的反应（1）脱羧 将-氨基酸加热时，可脱去CO2得到胺。,Ba(OH)2,尸胺,（2）与氨反应,无水乙醇,干HCl,NH3,生物体内利用这个反应在体内贮存氮源

20、。,3、氨基和羧基同时参与的反应（1）两性与等电点 由于-氨基酸分子中既含有-NH2又有-COOH，因此，它既具有酸性，又具有碱性，它不但可以与酸、碱作用生成盐，而且自身可发生中和反应生成内盐。,+H+,+OH-,内盐分子中氨基带正电荷，羧基带负电荷，即在氨基酸分子中，既有正电荷，又有负电荷，称之为偶极离子或两性离子。当,氨基酸与酸作用时，H+有利于-NH2解离而抑制-COOH基解离，氨基酸带正电荷；当与碱作用时，OH-将有利于-COOH解离而抑制-NH2解离，氨基酸带负电荷。,H+,H+,OH-,OH-,带负电荷,带正电荷,两性离子,由上面的反应式可以看出，-氨基酸分子所带电荷与该溶液的酸碱

21、度有关，我们可以通过控制溶液的pH值，使氨基酸分子带上不同电荷。对某一种氨基酸，总有一个pH值，在这个pH值下，氨基酸分子所带的正电荷和负电荷恰好相等，即对外表现净电荷为零，此时氨基酸溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示。若pH pI，则氨基酸分子带负电荷；若pH pI，则氨基酸分子带正电荷；若pH=pI，则氨基酸分子不带电荷。,若将带有电荷的氨基酸分子置于电场中，则会发生移动，若氨基酸分子带正电荷时，向阴极移动；若氨基酸分子带正电荷，则向阳极移动。这种带电粒子在电场中的移动现象称为电泳。利用电泳方法可以分离、提纯氨基酸，这种方法称为电泳法。一般来讲，中性氨基酸的等电点（pI）为6.2

22、6.8；碱性氨基酸的等电点为9.710.7；酸性氨基酸的等电点为2.83.2。氨基酸在等电点时溶解度最小，可用于氨基酸的分离。（2）受热脱水反应-氨基酸加热时可发生分子间脱水，生成交酰胺。,-2H2O,（5）成肽反应 两分子-氨基酸发生反应，一分子aa提供-NH2，另一分子aa提供-COOH，脱去一分子水，生成以酰胺键相连的化合物，叫做肽。酰胺键在蛋白质化学中又称为肽键。,第二讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的物理性质氨基酸的化学性质氨基酸的代谢合成肽单位与肽链,五、氨基酸代谢与合成,和脂肪酸与葡萄糖相反，氨基酸除了合成蛋白质和其它生物分子所需以外，不能储存于体内，也无法排

23、出体外。多余的氨基酸会进行脱胺作用而形成代谢中间物进行其它代谢作用如柠檬酸循环、进入肝中产生葡萄糖、脂肪酸合成，或者其碳骨架参与其它氨基酸的合成，无法合成者称之为必需氨基酸。,第二讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构氨基酸的分类氨基酸的物理性质氨基酸的化学性质氨基酸的代谢合成肽单位与肽链,20种氨基酸的平均分子量为128，某蛋白质由100个氨基酸构成(仅为一条多肽链)，问该蛋白质的分子量是多少(),问题,A.12800 B.11000 C.11018 D.7800,关于肽键与肽的下列描述，哪些是正确的：(),A,肽键具有部分双键性质 B,是核酸分子中的基本结构键C,含两个肽键的肽称三肽D,肽链水

24、解下来的氨基酸称氨基酸残基E,蛋白质的肽链也叫寡肽,肽键与多肽一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成的共价连接称为肽键(peptide bond)。20种氨基酸在蛋白质中是通过肽键连接在一起的。多个氨基酸通过肽键连接在一起构成多肽链(polypeptide chain)。寡肽：含有 10 个左右氨基酸残基(如二肽、五肽、八肽)多肽：含 1020 个氨基酸残基 蛋白质：含几十个到数千个氨基酸残基,六、肽单位与肽链,NH2,COOH,两个氨基酸分子头尾连接起來,肽键的形成,脫水,碳化二亚胺Carbodiimide,N,C,C,N,C,肽键虽是单键却具有局部双键性质,肽键周边六个原子在同一

25、平面上,前后两个氨基酸的-carbon在对角(trans),C,肽键的特性,sp2,sp2,肽键不能旋转，具有反式(trans)和顺式(cis)两种构型,在反式构型中，相邻C原子之间有0.38nm的距离，而在顺式中只有0.32nm。因而在顺式肽构型中原子间的推斥力较大，能量上处于不利状态，其稳定性只有反式肽的千分之一。脯氨酸由于其具有特殊结构，由它的氨端形成的顺式肽键与反式肽键的比为1:4。因此，非脯氨酸顺式肽键在天然蛋白质中很少出现，频率仅为0.05%，出现者大多位于结构或活性重要部位。,为何肽键(-C-N-)具有双键性质？,氮原子上面有一对 lone pair 电子，是以 p 轨道绕行在平

26、面的上下两边；而 C=O 的双键，是碳与氧原子的两对 p 轨道所形成。因此在 O=C-N 上总共有三个 p 轨道，有时碳与氮的 p 轨道会混在一起，形成短暂的双键；也可以把这三个 p 轨道的电子，一起混成为一个类似共振的综合轨道，使得肽键具有双键的性质。如此混成所形成的双键，造成肽键无法自由转动，也就是说肽平面所包含的六个原子，必须平躺在同一平面上，它们具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构，称为肽单位(peptide unit)，也叫肽键平面。有序连接的肽单位就是多肽链的主链。因此，从结构上看，肽单位和侧链基团是蛋白质分子的基本建筑模块。,p 轨道电子共振使 肽键具双键特性,两个肽键平面

27、的交接点为 a-碳,以肽键平面连接成多肽长链,注意 a-碳上面接有各种大小不等的基团,多肽链中由肽键连接的部分称为主链(main chain或backbone)，它在所有氨基酸中都是相同的；氨基酸在形成肽键后保留的部分称为氨基酸残基(amino acid residue)。氨基酸的侧链从主链的C原子伸出。一条肽链的两端有不同结构和性质：一端的氨基酸残基带有游离氨基，称为氨基端或N端；另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称为羧基端或C端。,多肽链的构象,肽单位绕其所连接的两个共价单键CC(C为羰基中的C原子)和NC旋转是蛋白质分子主链仅有的自由度。肽单位围绕单键NC旋转形成的位置用角描述；绕CC 旋

28、转形成的位置用 角描述。因此，一个蛋白质分子的主链构象可以用其所有组成氨基酸的一套(，)n角度值来定量表征。这一定量表述方法是基于立体化学中常用的扭角(torsion angle)或双面角(dihedral angle)系统。,(1)扭角(双面角),由4个原子或基团组成的系统投影在与BC键正交的平面上，AB键投影与CD键投影之间的夹角称为扭角。这角度也可视为ABC决定的平面与BCD决定的平面间的夹角，故也称为双面角。扭角的量值区间是180。扭角系统既可用于定量描述蛋白质的主链构象，也可用于侧链构象。,(2)多肽链的构象角,在多肽链中，绕共价单键NC形成的扭角称为角，绕单键CC形成的扭角称为角。

29、一个氨基酸残基i特定构象可由一对(i,i)来规定，它们各包含如下四原子体系：i(Ci-1,Ni,Ci,Ci);i(Ni,Ci,Ci,Ni+1)，其中，第二、三位原子间的共价键就是旋转的中心键。,R基团对二个酰胺平面旋转具有阻碍作用,形成氢键阻碍酰胺平面的旋转,(3)拉氏构象图,将作横座标，作纵座标，可画出一个直方图，其平面上的任意一点就对应一对(,)。将一条肽链所有组成氨基酸的(i,i)值画在图上，就可用简明的解析方式定量表达一条多肽链的构象。印度人G.N.Ramachandran利用这一方式首先计算了多肽链构象的允许区，结果表明没有或基本没有空间障碍的多肽链的(,)值被限制在一定的范围，这种

30、图因此称为Ramachandran plot，简称为拉氏构象图。,对常有侧链的氨基酸，其最适允许构象值占可能构象空间的7.5%，最大允许构象区占22.5%。,拉氏构象图一直广泛用于实验测定的和计算机模型建造的各种蛋白质结构的合理性。大量实验测定的蛋白质结构显示的结果与拉氏图所示的结果基本一致。,20种氨基酸的平均分子量为128，某蛋白质由100个氨基酸构成(仅为一条多肽链)，问该蛋白质的分子量是多少(),问题,A.12800 B.11000 C.11018 D.7800,C,关于肽键与肽的下列描述，哪些是正确的：(),A,肽键具有部分双键性质 B,是核酸分子中的基本结构键C,含两个肽键的肽称三肽D,肽链水解下来的氨基酸称氨基酸残基E,蛋白质的肽链也叫寡肽,A,C,思考题,可以形成氢键的氨基酸有哪些？侧链带手性的氨基酸都有哪些，它们是否有某种特定的二级结构倾向性？为什么带电的精氨酸、赖氨酸也有一定的疏水性质，这种性质是如何表现出来的？为什么肽键的顺反异构常常是蛋白质折叠过程中的决速步骤？,