生物化学-第一章-蛋白质.ppt
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1、第二章 蛋白质,第一节 蛋白质的元素组成、分类及生物学功能第二节 氨基酸第三节 肽第四节 蛋白质的分子结构第五节 蛋白质结构与功能的关系第六节 蛋白质的理化性质第七节 蛋白质的分离纯化与鉴定第八节蛋白质组学简介,1、掌握基本氨基酸的结构、分类、性质以及肽的概念特点,分离纯化的基本方法。2、重点掌握蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系,蛋白质的分离纯化方法、技术。,本章学习重点,第一节 蛋白质的元素组成、分类及生物学功能,一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的分类三、蛋白质的生物学功能,一、蛋白质的元素组成,蛋白质是一类含氮有机化合物,除含有碳、氢、氧外,还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一
2、些元素,主要是磷、铁、碘、钼、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为:碳 50 氢 7 氧 23 氮 16%硫 03 其他 微 量,蛋白质的含氮量,蛋白质的平均含氮量为16%,这是蛋白质元素组成的一个特点,也是凯氏(Kjedahl)定氮法测定蛋白质含量的计算基础。所以,可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量:蛋白质含量=蛋白氮 6.256.25为蛋白质系数,即1克氮所代表的蛋白质量(克数),三聚氰胺粉末,不溶于冷水,溶于热水,微溶于乙二醇、甘油、乙醇,不溶于乙醚、苯、四氯化碳,遇强酸或强碱水溶液水解。,三聚氰胺含氮量高达66.6%,其实凯氏定氮法的缺陷并不难弥补,只要多一道步骤
3、即可:先用三氯乙酸处理样品。三氯乙酸能让蛋白质形成沉淀,过滤后,分别测定沉淀和滤液中的氮含量,就可以知道蛋白质的真正含量和冒充蛋白质的氮含量。,蛋白质的分子组成,经酸、碱和酶处理蛋白质,使其彻底水解得到产物为氨基酸,组成蛋白质的常见20种氨基酸中除脯氨酸外,均为-氨基酸:,不变部分,可变部分,二、蛋白质的分类,1、据分子形状分2、据分子组成分3、据溶解度分4、据生物功能分,球状蛋白质(globular protein)*纤维状蛋白质(fibrous protein),外形接近球形或椭圆形,溶解性较好,细胞中的大多数可溶性蛋白质如胞质酶类,属于此类。,球状蛋白质(globular protein
4、):,分子类似纤维或细棒。大都是结构蛋白,如胶原蛋白,角蛋白等。可分为可溶性纤维状蛋白质(如肌肉中的肌球蛋白)和不溶性纤维状蛋白质(如胶原蛋白,角蛋白等)。,*纤维状蛋白质(fibrous protein):,简单蛋白(simple protein)结合蛋白(conjugated protein),1、据分子形状分2、据分子组成分3、据溶解度分4、据生物功能分,简单蛋白,又称为单纯蛋白质;这类蛋白质仅由氨基酸组成,不含其它化学成分。*清蛋白和球蛋白:albumin and globulin广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水,球蛋白微溶于水,易溶于稀酸中。*谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋
5、白(prolamin):植物蛋白,不溶于水,易溶于稀酸、稀碱中,后者可溶于7080乙醇中。*精蛋白和组蛋白:碱性蛋白质,存在与细胞核中。*硬蛋白:存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中,分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。,结合蛋白,除氨基酸外,还含有其它化学成分(辅因子),如:*色蛋白:含色素物质,如血红蛋白、细胞色素等。*糖蛋白:含糖类物质,如细胞膜中的糖蛋白等。*脂蛋白:含脂类。,如血清-,-脂蛋白等。*核蛋白:含核酸结合而成,如核糖体。,1、据分子形状分2、据分子组成分3、据溶解度分4、据生物功能分,清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白等,根据溶解度:清蛋白:又称白蛋白。溶于水。如乳清
6、蛋白、血清清蛋白球蛋白:微溶于水,溶于稀中性盐溶液。如大豆球蛋白谷蛋白:不溶于水、醇及中性盐溶液。但溶于稀酸、稀碱。如米、麦蛋白醇溶蛋白:不溶于水、溶于70-80%的乙醇。如玉米蛋白 另外还有精蛋白、组蛋白、硬蛋白等,酶、结构蛋白、运输蛋白、营养和储存蛋白、收缩蛋白和运动蛋白、防御蛋白、调节蛋白,1、据分子形状分2、据分子组成分3、据溶解度分4、据生物功能分,三、蛋白质的生物学功能,1、催化功能 酶类2、结构功能(胶原蛋白;韧带中的弹性蛋白;头发、指甲 和皮肤中的不溶性角蛋白;蚕丝、蛛网)3、营养和储存功能(卵清蛋白和牛奶中的酪蛋白)4、运输功能(血红蛋白、肌红蛋白)5、收缩或运动功能(骨骼肌
7、收缩肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动的结果)6、激素功能(胰岛素)7、保护和防御功能(蛋白质抗体和免疫球蛋白)8、接受和传递信息功能(受体蛋白)9、调节或控制细胞的生长、分化和遗传信息的表达功能(组蛋白、阻遏蛋白),蛋白质是生命活动的物质基础,它参与了几乎所有的生命活动过程。,小结,第一节 蛋白质的元素组成、分类及生物学功能,一、蛋白质的元素组成二、蛋白质的分类三、蛋白质的生物学功能,第二节 氨 基 酸(amino acid),一、氨基酸的分类二、氨基酸的理化性质三、氨基酸的分离分析,蛋白质的水解,根据水解程度 完全水解 氨基酸混合物 不完全水解 大小不等的肽和氨基酸,根据水解方法 酸水解:多数氨基
8、酸稳定,不引起消旋作用;Trp完全被破坏,羟基氨基酸部分分解,Gln和Asn的酰胺基被水解下来。碱水解:Trp稳定;多数氨基酸被不同程度破坏,且产生消旋现象,Arg脱氨。酶水解:不产生消旋作用,也不破坏氨基酸,但需多种酶协同作用。,蛋白质的氨基酸组成,目前已发现的氨基酸有250多种。但是组成蛋白质的常见的氨基酸只有20种,称为基本氨基酸。各种蛋白质所含的20种常见氨基酸的种类和数目各不相同。或者说,20种常见氨基酸不同的排列顺序组成了特定的蛋白质。蛋白质分子中的氨基酸组成与其性质相关。此外蛋白质分子中氨基酸组成及比例与其结构也有一定的关系。,一、氨基酸的分类,根据是否组成蛋白质分为:1.蛋白质
9、中常见氨基酸 2.蛋白质中稀有氨基酸 3.非蛋白氨基酸,1.常见蛋白质氨基酸(20种),有对应的遗传密码。近年发现谷胱甘肽过氧化物酶中存在硒代半胱氨酸,有证据表明此氨基酸由终止密码UGA编码,可能是第21种蛋白质氨基酸。,结构通式(脯氨酸除外)共同特点:L-型,羧基相连的-碳上连接-NH2,所以都是L-氨基酸。,不变部分,可变部分,根据R基团极性20种常见氨基酸又分为,(1)非极性R基团氨基酸:8种Ala Val Leu Ile Phe Pro Trp Met(2)极性不带电荷R基团氨基酸:7种Gly Ser Thr Tyr Asn Gln Cys(3)带负电荷R基团氨基酸:2种Asp Glu
10、(4)带正电荷R基团氨基酸:3种Lys Arg His,1、蛋白质中常见氨基酸的结构,(1)非极性R基团氨基酸,-氨基丙酸,丙氨酸 Alanine,(1)非极性R基团氨基酸,-氨基异戊酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine,(1)非极性R基团氨基酸,-氨基异己酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine,-氨基-甲基戊酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine,(1)非极性R基团氨基酸,(1)非极性R基团氨基酸,-氨基-苯基丙酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileu
11、cine苯丙氨酸 Phenylalanine,(1)非极性R基团氨基酸,-吡咯烷基-羧酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine苯丙氨酸 Phenylalanine脯氨酸 Proline,(1)非极性R基团氨基酸,-氨基-吲哚基丙酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine苯丙氨酸 Phenylalanine脯氨酸 Proline色氨酸 Tryptophan,(1)非极性R基团氨基酸,-氨基-甲硫基丁酸,丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine
12、苯丙氨酸 Phenylalanine(F)脯氨酸 Proline色氨酸 Tryptophan(W)甲硫氨酸 Methionine,R基疏水性大小 AlaMetProValLeuIlePheTrp这类氨基酸R基的疏水性在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用。,特点:不易溶于水,Pro是唯一的一种-亚氨基酸,它在蛋白质空间结构中具有极重要的作用,一般出现在两段-螺旋之间的拐角处。,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,氨基乙酸,甘氨酸 Glycine,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,-氨基-羟基丙酸,甘氨酸 Glycine 丝氨酸 Serine,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,-氨基-羟基丁酸,甘氨酸 G
13、lycine 丝氨酸 Serine苏氨酸 Threonine,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,-氨基-对羟苯基丙酸,甘氨酸 Glycine 丝氨酸 Serine苏氨酸 Threonine酪氨酸 Tyrosine,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,甘氨酸 Glycine 丝氨酸 Serine苏氨酸 Threonine酪氨酸 Tyrosine天冬酰胺 Asparagine,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,甘氨酸 Glycine 丝氨酸 Serine苏氨酸 Threonine酪氨酸 Tyrosine天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺 Glutamine,(2)极性不带电荷R基团氨基酸,甘氨酸 Gl
14、ycine 丝氨酸 Serine苏氨酸 Threonine酪氨酸 Tyrosine天冬酰胺 Asparagine谷氨酰胺 Glutamine(Q)半胱氨酸 Cysteine,-氨基-巯基丙酸,特点:这类氨基酸侧链含极性基团,但在生理条件下不解离,易溶于水,R侧链能与水形成氢键。,Cys中R含巯基(-SH),两个Cys的巯基 氧化生成二硫键,生成胱氨酸。二硫键在蛋白质的结构中具有重要意义。,(3)带负电荷R基团氨基酸,-氨基丁二酸,天冬氨酸 Aspartate,(3)带负电荷R基团氨基酸,-氨基戊二酸,天冬氨酸 Aspartate(D)谷氨酸 Glutamate(E),在生理条件下,侧链羧基完全
15、解离,带负电荷。为酸性氨基酸。,(4)带正电荷R基团氨基酸,,-二氨基己酸,赖氨酸 Lysine,(4)带正电荷R基团氨基酸,-氨基-胍基戊酸,赖氨酸 Lysine精氨酸 Arginine,(4)带正电荷R基团氨基酸,-氨基-咪唑基丙酸,赖氨酸 Lysine(K)精氨酸 Arginine组氨酸 Histidine,在生理条件下,侧链解离,带正电荷。为碱性氨基酸。,另外,根据R侧链的化学结构,20种常见氨基酸 可以分为:脂肪族氨基酸(15种)芳香族氨基酸(Phe,Tyr)杂环族氨基酸(Trp,His,Pro),从营养学角度分类:必需氨基酸和非必需氨基酸必需氨基酸:人和哺乳动物不可缺少但又不能自身
16、合成的氨基酸,只能从食物中补充。包括8种(Ile、Met、Val、Leu、Trp、Phe、Thr、Lys)“一家写两三本书来”还有2种:Arg、His,人和哺乳动物虽然能够合成,但数量远远达不到机体的需求,尤其是在胚胎发育以及婴幼儿期间,基本上也是由食物中补充,称为半必需氨基酸。注:植物和微生物能合成自己全部的氨基酸。,2.蛋白质中几种重要的稀有氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸,通常称为稀有的蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。在 遗传上,不具有遗传密码。其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基
17、酸的结构如下。,3.非蛋白氨基酸(200多种),广泛存在于各种细胞和组织中,呈游离或结合态,但并不存在于蛋白质中的一类氨基酸,大部分也是蛋白质氨基酸的衍生物。H2N-CH2-CH2-COOH H2N-CH2-CH2-CH2-COOH,-丙氨酸,-氨基丁酸,非蛋白氨基酸存在的意义:,(1)作为细菌细胞壁中肽聚糖的组分:D-Glu D-Ala(2)作为一些重要代谢物的前体或中间体:-丙氨酸、鸟氨酸(Orn)、胍氨酸(Cit)(3)作为神经传导的化学物质:-氨基丁酸(4)有些氨基酸只作为一种N素的转运和贮藏载体(5)杀虫防御作用:如种子中高浓度的刀豆氨酸和5-羟色氨酸能防止毛虫的危害,高精氨酸能抑制
18、细菌的生长。绝大部分非蛋白氨基酸的功能不清楚。,1.高熔点2.一般均溶于水,溶于强酸、强碱;不溶于乙醚。3.氨基酸一般有味:如大米的香味(Cys)、啤酒的苦味(Val、Leu、Ile)氨基酸的两个重要性质:氨基酸晶体的熔点高(200C);氨基酸使水的介电常数增高。,二、氨基酸的理化性质,(一)氨基酸的一般物理性质,二、氨基酸的理化性质,除甘氨酸外,其他氨基酸含有一个手性-碳原子,因此都具有旋光性。,(二)氨基酸的光学性质 1.氨基酸的旋光性,旋光性:旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。使偏振面向右旋的,称右旋光物质,记为“+”,使偏振面向左旋的,称左旋光物质,记为“-”。氨基酸的旋光性
19、是由它们的结构决定的。除甘氨酸外,其它氨基酸的-C原子都与四个不同的原子和基团连接,因而是不对称C原子。手性中心(chiral center):当一个C原子有四个不同的取代基同它连接形成一个不对称碳原子时,这个碳原子就是一个不对称中心或称做手性中心。,2.氨基酸的光吸收,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收,但在远紫外区(220nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有光吸收的能力。酪氨酸的max275nm;苯丙氨酸的max257nm;色氨酸的max280nm;,(三)氨基酸的两性解离性质和等电点,1.氨基酸的兼性离子形式(两性离子)H H3N-
20、C-COO-R,+,两性离子:在同一个氨基酸分子上带有能给出质子的-NH3+正离子;可以接受外界质子的-COO-负离子。即在同一氨基酸分子上含有等量的正负两种电荷。,二、氨基酸的理化性质,在反应中它可以提供质子,起酸的作用:N+H3 NH2 R C COO-R C COO-+H+H H 也可以接受质子,起碱的作用:N+H3 N+H3 R C COO-+H+R C COOH H H 因此氨基酸是两性电解质,2.氨基酸的两性解离在不同的pH条件下,两性离子的状态也随之发生变化。,pH 1 7 10净电荷+1 0-1 正离子 两性离子 负离子 等电点pI,(三)氨基酸的两性解离性质和等电点,3.氨基
21、酸的等电点及其计算,氨基酸的等电点:当溶液pH为某一值时,氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等,净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点,简称pI。在等电点时,处于电场中的氨基酸既不向正极也不向负极移动,即没有电泳行为。,丙氨酸的解离方程,COOHH3N+C H CH3,K1,COO-H3N+C H CH3,COO-H2N C H CH3,K2,+,H+,COO-H3N+C H CH3,+,H+,Ala+,Ala+,Ala+,Ala-,丙氨酸在酸性溶液中,完全质子化:,K1、K2分别代表-COOH和-NH3+的表观解离常数,若侧链R基有可解离的基团,其表观解离常数用KR表示。,
22、当Ala处于pI时,Ala+=Ala-,Ala+H+,Ala+*K2,K1,H+,=,-,-,H+2,=,K1,K2,.,pI=(pK1+pK2)/2,所以,丙氨酸 pI=(2.34+9.69)/2=6.02,侧链不含解离基团的中性氨基酸,其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值,HCl NaOH,物质的表观解离常数可以用测定滴定曲线的实验方法求得。,20种基本氨基酸中只有组氨酸咪唑基的pK最接近生理pH值(游离氨基酸中为6.00,在多肽链中为7.35),是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸。,天冬氨酸的解离方程,COOHCH NH 3CH2COOH,COO-CH NH3CH2COOH,
23、COO-CH NH3CH2COO-,COO-CH NH2CH2COO-,+H+,-H+,-H+,-H+,+H+,+H+,K1,K2,KR,Asp+,Asp+,Asp-,Asp2-,pIAsp=(pK1+pKR)/2,+,+,+,带有可解离R基的氨基酸,相当于三元酸,有3个pK。,赖氨酸:H+OH-COOH COO-COO-COO-K1 K2 KRH3N+C H H3N+C H H2N C H H2N C H 2.18 8.95 10.53(CH2)4(CH2)4(CH2)4(CH2)4 N+H3 N+H3 N+H3 NH2 Lys2+Lys+Lys+-Lys-pI=(pK2+pKR)/2=(8
24、.95+10.53)=9.74,氨基酸等电点的计算:侧链不含离解基团的中性氨基酸,其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值:pI=(pK1+pK2)/2 同样,对于侧链含有可解离基团的氨基酸,其pI值也决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。酸性氨基酸:pI=(pK1+pK R-COO-)/2 碱性氨基酸:pI=(pK2+pKR-NH2)/2,小 结,1.某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的pK值和的一半。2.在氨基酸等电点以上任何pH,AA带净的负电荷,在电场中向正极移动;在氨基酸等电点以下任何pH,AA带净的正电荷,在电场中向负极移动。3.在一定pH范围中,溶液的pH离AA等电点愈远
25、,AA带净电荷愈多。,用途:常用于氨基酸的定性或定量分析。,(四)氨基酸的化学反应,1.与茚三酮的反应(弱酸加热条件下-NH2和-COOH 共同参与的反应),脯氨酸与茚三酮反应的产物:,N+,黄色化合物,(四)氨基酸的化学反应,2.与2、4-二硝基氟苯的反应(-NH2 参与的反应),在碱性条件下水解,得到黄色DNP-氨基酸。该产物能够用乙醚抽提分离。不同的DNP-氨基酸可以用色谱法进行鉴定。,+,DNFB(dinitrofiuorobenzene),氨基酸,DNP-AA(黄色),+HF,用途:可以用来鉴定多肽或蛋白质-NH2末端氨基酸.亦称Sanger反应,2.与2、4-二硝基氟苯的反应,在碱
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- 生物化学 第一章 蛋白质
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