绪论和蛋白质化学PPT学习教案

会计学1绪论和蛋白质化学绪论和蛋白质化学第1页/共123页第2页/共123页本质本质，又称为，又称为生命的化学生命的化学。生命的化学，化学的生命第3页/共123页生物学动物学植物学微生物学化学生物学第4页/共123页二、研究内容第5页/共123页研究物质的化学结构、性质及功能第6页/共123页：水、无机盐：多糖、复合脂类、核酸和蛋白质等：维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等第7页/共123页 氧的代谢 糖代谢 脂类代谢 氨基酸代谢 核苷酸代谢 第8页/共123页 第9页/共123页三、生化的重要性第10页/共123页第11页/共123页第12页/共123页四、生化魅力第13页/共123页所有生物学科都不是孤立的，而是相互联系、相互补充、相互渗透，其基础就是“生命的化学语言”。换而言之，生物化学是联系生物学科之间的桥梁。第14页/共123页 可以知道很多有趣问题的答案 例如：猫为什么要吃老鼠？可以了解人体的众多奥秘 例如：火的利用对人体的价值？多吃糖为什么会发胖？为什么会影响视力？可实现个人愿望第15页/共123页20-21世纪Nobel生理学与医学奖中半数以上是在生物化学与分子生物学领域取得重大突破例如：日本山中伸弥与英国约翰戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。美国罗伯特莱夫科维茨和布赖恩科比尔卡分享2012年诺贝尔化学奖，以表彰他们在“G蛋白偶联受体”方面的研究。第16页/共123页无形资产：知识、专利有形资产：基因工程产品第17页/共123页五、学习方法第18页/共123页第19页/共123页第20页/共123页第21页/共123页第22页/共123页第23页/共123页第24页/共123页第25页/共123页1、主要元素：、和，有些蛋白质还含有S、P和金属元素等。2、特点：各种蛋白质的含氮量很接近，平均含氮量为。3、定氮法测定蛋白质含量：蛋白质含量样品含氮量 6.25第26页/共123页第27页/共123页第28页/共123页第29页/共123页第30页/共123页第31页/共123页第32页/共123页第33页/共123页 甘(Gly),丙(Ala)；缬(Val),亮(Leu),异亮(Ile)；脯(Pro，亚氨基)Ser,Thr(含羟基)；Cys,Met(含硫)；Gln,Asn(含酰氨)苯丙(Phe)；酪(Tyr)；色(Trp)第34页/共123页 Asp(含羧基)；Glu(含羧基)Lys(氨基)；Arg(胍基)；His(咪唑基)n含硫氨基酸：Met、Cys （含有硫）n芳香族氨基酸：Phe、Tyr、Trp（含有苯环）n支链氨基酸：Val、Leu、Ile第35页/共123页侧链含烃链的氨基酸是非极性脂肪族氨基酸第36页/共123页侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸第37页/共123页侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸第38页/共123页侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸第39页/共123页侧链含正性解离基团的氨基酸是碱性氨基酸第40页/共123页n蛋白质基本结构单位：L氨基酸n 氨基酸：脯氨酸（亚氨基酸）除外n L氨基酸：甘氨酸（无不对称C）除外n 氨基酸结构通式：RCH(NH2)COOHn 常见氨基酸种类：20种。小结第41页/共123页第42页/共123页（四）氨基酸的理化性质氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。等电点(isoelectric point,pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。1、氨基酸的两性解离和等电点第43页/共123页pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子 阳离子阴离子CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+第44页/共123页2、芳香族氨基酸的紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。第45页/共123页3、氨基酸与茚三酮反应氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。第46页/共123页三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式1、肽键（peptide bond）一个氨基酸的与另一氨基酸的脱水缩合而成的共价键称为肽键，又称酰胺键。（CO-NH）第47页/共123页成肽反应：第48页/共123页2、肽（peptide）第49页/共123页4、医学上重要的多肽：n谷胱甘肽n神经肽：脑啡肽(9肽)、内啡肽(9肽)、强啡肽(9肽)n肽类激素：TRH(3肽)、催产素(9肽)、加压素(9肽)n其他：生长因子；短杆菌S；甜味肽等3、蛋白质的基本结构形式：n多肽呈链状，又可称多肽链(NHCHCO-NHCHCO)n多肽链的方向性：从指向。第50页/共123页第51页/共123页第52页/共123页第53页/共123页第54页/共123页第55页/共123页一级结构是指蛋白质的多肽链中氨基酸的排列顺序；主要靠维系，另外还有。二四级结构称为蛋白质的空间结构，或空间构象；主要靠维系。第56页/共123页一、蛋白质的一级结构(primary structure)：是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。连接键：主要靠维系，另外还有。重要意义：n一级结构体现生物信息：20n .多样性n一级结构是空间结构及生物活性的基础.特异性n研究一级结构有助于从分子水平诊断和治疗遗传病第57页/共123页一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。第58页/共123页二、蛋白质的空间结构某些共价键空间排布相互关系蛋白质的构象第59页/共123页定义 指多肽主链骨架原子的局部空间排列，不涉及氨基酸残基侧链的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置。第60页/共123页1、形成二级结构的基础 肽键平面(peptide unit)由肽键中的四个原子和与之相邻的两个碳原子共同构成的刚性平面。（C1CO-NHC2）第61页/共123页第62页/共123页 第63页/共123页2、蛋白质二级结构的基本形式分类：主要有、和等维持二级结构的力量为氢键第64页/共123页n以肽键平面为单位，以-碳原子为转折点，形成的右手螺旋n3.6个AA/圈，螺距0.54nm；n氢键：第一个肽键的-NH与第四个肽键的-CO形成氢键，方向与主链长轴平行；n侧链R基团伸向螺旋的外侧【举例】肌红蛋白、血红蛋白、角蛋白、肌球蛋白和纤维蛋白等第65页/共123页第66页/共123页第67页/共123页n多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；n侧链交错位于锯齿状结构的上下方；n氢键：氢键的方向垂直长轴；n可有顺向平行和反向平行2种结构。【举例】蚕丝蛋白第68页/共123页第69页/共123页多肽主链出现的180回折部分称通常由4个连续的氨基酸残基构成，与形成氢键。多肽链中没有确定规律性的部分构象第70页/共123页第71页/共123页（二）三级结构 指在一条多肽链中所有原子的整体空间排布，包括和。三级结构的形成使得在序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近。n氨基酸位置由侧链极性决定：非极性（内）、极性（表面，少数内部）、带电（表面）n次级键维系：、n功能区：表面或特定部位第72页/共123页次级键介导蛋白质高级结构形成第73页/共123页第74页/共123页纤维连接蛋白分子的结构域结构域是三级结构层次上的局部折叠区肽链中某些局部的二级结构常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为。第75页/共123页定义：由2个或2个以上具有独立三级结构的多肽链借相互聚合形成的整体。n亚基(subunit)：寡聚蛋白中的单条独立的多肽链，具有独立的一、二、三级结构，单独存在时一般无生物学活性。n亚基之间以联系，包括疏水键、氢键、离子键、范德华力n亚基可以相同或不同（三）四级结构第76页/共123页若亚基分子结构相同，称之为同聚体；若亚基分子结构不同，则称之为异聚体。血红蛋白的四级结构第77页/共123页第78页/共123页蛋白质一级结构是空间结构和生物功能的基础，一级结构决定空间结构；但一级结构并非决定空间结构的唯一因素。空间结构是生物活性的直接体现。第79页/共123页一级结构中的保守序列决定空间结构（1）不同蛋白质之间的比较：相似结构相似功能、不同结构不同功能（2）同一蛋白质不同状态的比较：一级结构决定空间结构（3）保守序列改变，功能改变；保守序列不变，功能不变【举例】胰岛素（一）蛋白质一级结构与功能的关系第80页/共123页其活性仍能维持100%其活性只剩210其活性完全丧失将A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，胰岛素的功能完全消失。第81页/共123页氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。第82页/共123页1、空间结构体现生物特异性2、空间结构体现生物活性3、空间结构的灵活性，体现了生物活性的可调节特性（二）蛋白质空间结构与功能的关系空间结构中的特定区域体现生物活性第83页/共123页【经典举例】血红蛋白（Hb）：由22四聚体组成，每个亚基含有1个血红素辅基；Hb的氧解离曲线呈“S”型。n多种空间构象，多种活性状态第84页/共123页第85页/共123页第86页/共123页第87页/共123页 Hb未结合O2时，4个亚基结构紧密,称 紧密型(T型)随着O2 的结合,空间结构发生变化，使 结构相对松弛，称松弛型(R型)T型对氧亲和力低,不易与O2 结合 R型对氧亲合力高，是Hb结合O2 的形式肺部 O2 分压高,促使T型转变成R型 组织 O2 分压低,促使R型转变成T型 Hb的这种变构效应 有利于它在肺部与O2结合、在周围组织释放O2 第88页/共123页第89页/共123页（一）蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病n例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链HbA 肽 链N-val his leu thr pro val glu C(146)这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。第90页/共123页分子病（molecular disease）：由于基因结构改变，蛋白质一级结构中的关键氨基酸发生改变，从而导致蛋白质功能障碍，出现相应的临床症状，这类遗传性疾病称为分子病。【经典举例】镰形细胞贫血症：编码珠蛋白链的结构基因第六个密码子由CTTCAT，相应的多肽序列中N端的第六个氨基酸由GluVal；其空间结构发生相应改变，在表面形成互补区，使蛋白质分子之间彼此聚合，促使红细胞在低氧压下变形成镰形，丧失运输氧的生物活性。第91页/共123页第92页/共123页（二）蛋白质构象改变可引起疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。第93页/共123页蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。第94页/共123页疯牛病知识 1985年在英国发现后，90年代初发展成为一个高潮，又逐渐扩展到西欧目前已经变成世界性问题。疯牛病可能通过牛肉和牛肉制品，尤其是内脏和骨髓传染给人类，引起新型早老性 痴呆症即新型克雅氏症。疯牛病是对牛海绵状脑病(BSE)的俗称，它是一种慢性、具有传染性的致死性 中枢神经系统疾病。第95页/共123页疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。PrPc-螺旋PrPsc-折叠正常疯牛病n疯牛病的蛋白质构象改变第96页/共123页第97页/共123页 第98页/共123页一、【概念】第99页/共123页PrCOOHNH3+PrCOO-NH3+PrCOO-NH2+OH-+H+OH-+H+pH=pIpHpIPrCOOHNH2pI是蛋白质特征性常数各种蛋白质有各自的pI 第100页/共123页n血浆中绝大部分蛋白质的pI在pH5左右，故在血浆pH7.4的生理情况下，血浆蛋白质呈负电。n带电状态判定 pH pI .带负电 pH pI .带正电 pHpI .不带电第101页/共123页【临床应用】第102页/共123页pH pIpH pIpH pI向负极向正极位于原点不易 易 不易 溶解度最小，易沉淀折出 利用此性质，可以分离提纯蛋白质。第103页/共123页 清蛋白 1 2 清蛋白 1 2 B血 清 蛋 白 电 泳 图A:染色后的图谱B:光密度扫描后的电泳峰第104页/共123页 电泳技术是生化检验和实验研究常用技术，如利用该技术可作血清蛋白电泳、尿蛋白电泳及同工酶的鉴定，以帮助诊断疾病。(对诊断肝、肾疾病有较大参考价值)第105页/共123页几种常见疾病的电泳图型第106页/共123页二、第107页/共123页【原理】第108页/共123页第109页/共123页第110页/共123页1、变性(denaturation)：在某些理化因素作用下，蛋白质的空间结构被破坏，导致理化性质改变和生物活性丧失的现象。变性的因素：物理、化学、生物等变性的本质：。理化性质的变化：溶解度下降，粘度增加，结晶能力丧失，易被蛋白酶水解。三、蛋白质的变性、沉淀和凝固第111页/共123页第112页/共123页2、沉淀概念：蛋白质自溶液中析出的现象 蛋白质在溶液中维持稳定的因素：表面电荷、水化层沉淀蛋白质的方法：盐析：在蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐（氯化钠、硫酸铵等），破坏pr的水化层和电荷层，使之沉淀，而不使之变性。第113页/共123页3、复性：若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，仍可恢复其原有的构象和功能，这种现象称为。4、凝固：变性蛋白经加热煮沸，可形成较坚固的凝块，不再溶于强酸和强碱中，这种现象称为。第114页/共123页5、应用利用变性：n酒精消毒n高压灭菌n血滤液制备防止变性：低温保存生物制品取代变性：乳品解毒（用于急救重金属中毒）第115页/共123页第116页/共123页四、紫外吸收性质n酪氨酸和色氨酸在波长附近具有最大吸收峰，其中色氨酸的最大吸收最接近280nm第117页/共123页第118页/共123页1.双缩脲反应蛋白质溶液在碱性铜的存在下，与酚试剂（含磷钨酸-磷钼酸）作用，生成蓝色化合物，最大吸收峰在540nm处。可用来进行蛋白质定量分析。2.Folin-酚试剂反应第119页/共123页原理原理呈色呈色比色比色应用应用蛋白质和多肽分子中肽蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸键在稀碱溶液中与硫酸铜共热铜共热紫红色紫红色540 nm检测血清总检测血清总蛋白及蛋白蛋白及蛋白质水解程度质水解程度氨基酸与茚三酮水合物氨基酸与茚三酮水合物共热共热紫蓝色紫蓝色570 nm氨基酸定量氨基酸定量分析分析酪氨酸在碱性条件下与酪氨酸在碱性条件下与酚试剂（磷钨酸和磷钼酚试剂（磷钨酸和磷钼酸）反应酸）反应蓝色蓝色500 nm蛋白含量测蛋白含量测定，灵敏度定，灵敏度高高白蛋白在白蛋白在pH4.2的缓冲的缓冲液中带正电荷，与带负液中带正电荷，与带负电荷的溴甲酚绿结合电荷的溴甲酚绿结合蓝绿色蓝绿色630 nm检测血清白检测血清白蛋白蛋白第120页/共123页1、重要名词 氨基酸、肽键、肽键平面、结构域(domain)、等电点、变性、复性、凝固、双缩脲反应2、化学结构n元素组成：C、H、O、N（16%，6.25）n结构单位：20种L-氨基酸（芳香族、含硫、酸性、碱性氨基酸等）n一级结构：肽键、二硫键；N端C端n二级结构：氢键；类型（-螺旋，-折叠，-转角，无规则卷曲）n三级结构：次级键n四级结构：次级键3、理化性质 两性解离和等电点；胶体性质；变性；紫外吸收；呈色反应小结第121页/共123页第122页/共123页