临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目录,目录,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,蛋白质的结构与功能,第一章,Structure and Function of Protein,蛋白质的结构与功能第一章Structure and Func,蛋白质的分子组成,（掌握）,蛋白质的分子结构,（掌握）,蛋白质结构与功能的关系,（了解）,蛋白质的理化性质,（掌握）,蛋白质的分离、纯化,（了解）,与结构分析,（了解）,本 章 主 要 内 容,学时：,5,蛋白质的分子组成（掌握）本 章 主 要 内 容学时：5,什么是蛋白质,?,蛋白质,(protein),是由许多氨基酸,(amino acids),通过肽键,(peptide bond),相连形成的高分子含氮化合物。,什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(ami,蛋白质的生物学重要性,分布广：,所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。,含量高：,蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的,45%,，而在细胞中可达细胞干重的,70%,以上。,1.,蛋白质是生物体重要组成成分,蛋白质的生物学重要性分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞,2.,蛋白质具有重要的生物学功能,3.,氧化供能,proteins,生物催化,运动、支持,免疫防御,代谢调节,转运、贮存,控制生长和分化,信息接受和传递,组成生物膜,2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能protein,蛋白质的分子组成,The Molecular Component of Protein,第一节,蛋白质的分子组成The Molecular Compone,元素组成,:,C,(5055%),H,(67%),O,(1924%),N(1319%),S,(04%),各种蛋白质的含氮量很接近，平均为,16,。,蛋白质的含量,=,蛋白质含氮量,6.25,1/16*100,三聚氰胺,元素组成:各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。,一、组成人体蛋白质的,20,种,L-,-,氨基酸,R,L-,氨基酸的通式,碳原子,组成蛋白质的氨基酸都是,L-,氨基酸（甘氨酸例外）,组成蛋白质的氨基酸都是,-,氨基酸（,脯氨酸例外,）,一、组成人体蛋白质的20种L-氨基酸RL-氨基酸的通,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,非极性脂肪族氨基酸,极性中性氨基酸,芳香族氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸,二、氨基酸,可根据侧链结构和理化性质进行分类,非极性脂肪族氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,(,一,),侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,Hydrophobic interactions,(expelling by water,hydrophobic,attractions),Interactions,between R,groups of non-polar amino acids,疏水作用,疏水作用,Hydrophobic interactions疏水作用疏水,(,二,),侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,甲硫氨酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸甲硫氨酸,(,三,),侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,Trp,Tyr,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸Trp,(,四,),侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,(,五,),侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,几种特殊氨基酸,脯氨酸,（亚氨基酸）,CH,2,CHCOO,-,NH,2,+,CH,2,CH,2,CH,2,CHCOO,-,NH,2,+,CH,2,CH,2,几种特殊氨基酸 脯氨酸CH2CHCOO-NH2+CH2CH,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,三、,20,种氨基酸具有共同或特异的理化性质,（一）氨基酸具有两性解离的性质,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质（一）氨基酸具有两性,pH=,pI,+OH,-,pH,pI,+H,+,+OH,-,+H,+,pHpI+H+OH-+H+pH motif,每个结构域都是一个功能单位，具有独立的功能。,例如：,脂肪酸合酶,具有,7,个结构域，分别催化不同的反应。,DNA,结合蛋白至少含有两个结构域，,DNA,结合域和转录激活域。,（二）结构域是三级结构层次上的独立功能区分子量较大的蛋白质常,（三）,蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象,分子伴侣,(chaperon),通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象。,分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。,分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。,（三）蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象分子伴侣(chap,亚基之间的结合主要是,氢键和离子键,等非共价键。,四、,含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构,蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为,蛋白质的四级结构,。,许多功能性蛋白质分子含有,2,条或,2,条以上多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的,亚基,(subunit),。,亚基之间的结合主要是氢键和离子键等非共价键。四、含有二条以上,由,2,个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为,同二聚体,(homodimer),，若亚基分子结构不同，则称之为,异二聚体,(heterodimer),。,血红蛋白的四级结构,由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,定义,肽键,氨基酸残基,基本单位,主要键,备注,模体,肽单元,整条肽链,亚基,氢键,疏离氢,Van,离氢,结构域,亚基,蛋白质,结构层次比较,一级结构定义肽键氨基酸残基基本单位主要键备注模体肽单元整条肽,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,五、蛋白质的分类,根据蛋白质组成成分,:,单纯蛋白质,结合蛋白质,=,蛋白质部分,+,非蛋白质部分,根据蛋白质形状,:,纤维状蛋白质,球状蛋白质,五、蛋白质的分类根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质结合蛋白质=,蛋白质结构与功能的关系,The Relation of Structure and Function of Protein,第三节,蛋白质结构与功能的关系第三节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级结构,是高级结构与功能的基础,1,、一级结构不同，功能不同,（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与,剩,2-10,丧失活性,活性仍,100,2.,一级结构中“关键”部位相同，其功能也相同,剩2-10 丧失活性 活性仍100 2.一级结构中“关,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),3.,一级结构中“关键”部位不同，其生物学活性也改变,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”,例：镰刀形红细胞贫血N-val his leu,Sickle-cell anemia,镰刀型,红细胞,贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”,Crescent-shaped erythrocytes,(lack of blood),Sickle-cell anemia 镰刀型红细胞贫血这种由,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,The sickled cells are fragile.Their breakdown leads to an anemia that leaves the victim susceptible to infections and diseases.,The elongated cells tend to block capillaries,causing inflammation and considerable pain,The sickled cells are fragile.,镰刀型贫血症在非洲发病率较高,携带者,(,杂合体,),表现为轻度贫血，但对恶性疟疾有较强的抵抗力，由于自然选择的结果，使这一基因在非洲恶性疟疾猖獗的地区较多保留了下来。,杂合体的红细胞,镰刀型贫血症在非洲发病率较高携带者(杂合体)表现,二、蛋白质的功能依赖特定空间结构,天然状态，有催化活性,尿素、,-,巯基乙醇,去除尿素、,-,巯基乙醇,非折叠状态，无活性,二、蛋白质的功能依赖特定空间结构 天然状态，有催化活性,肌红蛋白,/,血红蛋白含有血红素辅基,血红素结构,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构（一）血红蛋白亚,肌红蛋白,(,myoglobin,，,Mb,),肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有,8,段,-,螺旋结构。,血红素分子中的两个丙酸侧链以,离子键,形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的,F8,组氨,酸残基还与,Fe,2+,形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。,肌红蛋白(myoglobin，Mb)肌红蛋白是一个只有三级,血红蛋白,(,hemoglobin,，,Hb,),血红蛋白具有,4,个亚基组成的四级结构，,每个亚基可结合,1,个血红素并携带,1,分子氧,。,Hb,亚基之间通过,8,对盐键，使,4,个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。,血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有4个亚基组,The iron atom in the center of the heme group,Two bonding positions are above and below the plane of the heme,One is bound to the R group of the His F8,the other is bound to O,2,molecule,His F8,The iron atom in the center o,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合,8 salt bonds link the 4 subunits to make Hb,tightly form hydrophilic,globular protein,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合8 salt b,肌红蛋白,(Mb),和血红蛋白,(Hb),的氧解离曲线,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,O,2,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。,O2血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,协同效应,(,cooperativity,),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为,协同效应,。如果是促进作用则称为,正协同效应,(positive cooperativity),。,如果是抑制作用则称为,负协同效应,(negative cooperativity),协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个,第四节,蛋白质的理化性质,The Physical and Chemical Characters of Protein,第四节蛋白质的理化性质,一、,蛋白质具有两性电离的性质,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液,pH,条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,当蛋白质溶液处于某一,pH,时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的,pH,称为,蛋白质的等电点。,蛋白质的等电点,(isoelectric point,pI),一、蛋白质具有两性电离的性质蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解,二、蛋白质具有胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自,1,万至,100,万之巨，其分子的直径可达,1,100nm,，为胶粒范围之内。,颗粒表面电荷,水化膜,蛋白质胶体稳定的因素,:,二、蛋白质具有胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1,+,+,+,+,+,+,+,带正电荷的蛋白质,带负电荷的蛋白质,在等电点的蛋白质,水化膜,+,+,+,+,+,+,+,+,带正电荷的蛋白质,带负电荷的蛋白质,不稳定的蛋白质颗粒,酸,碱,酸,碱,酸,碱,脱水作用,脱水作用,脱水作用,溶液中蛋白质的聚沉,+带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白,三、蛋白质空间结构破坏而引起变性,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,蛋白质的变性,(denaturation),三、蛋白质空间结构破坏而引起变性在某些物理和化学因素作用下，,造成变性的因素,:,如,加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等,。,变性的本质,:,破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。,造成变性的因素:变性的本质:破坏非共价键和二硫键，不改变,应用举例,:,临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。,此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,应用举例:,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为,复性,(renaturation),。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢,天然状态，有催化活性,尿素、,-,巯基乙醇,去除尿素、,-,巯基乙醇,非折叠状态，无活性,天然状态，有催化活性 尿素、去除尿素、非折叠,在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。,变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。,蛋白质沉淀,蛋白质的凝固作用,(protein coagulation),在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集,四、蛋白质,在紫外光谱区有特征性吸收峰,由于蛋白质分子中含有,共轭双键的酪氨酸和色氨酸,，因此在,280nm,波长处有特征性吸收峰。蛋白质的,A,280,与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰由于蛋白质分子中含有共轭,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为,双缩脲反应,，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量,茚三酮反应,(ninhydrin reaction),双缩脲反应,(biuret reaction),蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。蛋白质和多肽,第五节,蛋白质的分离纯化与结构分析,The Separation and Purification and Structure Analysis of Protein,第五节蛋白质的分离纯化与结构分析The Separatio,一、,透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物,应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。,透析,(dialysis),超滤法,利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法,。,一、透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物应用正压或离,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质浓缩方法,使用,丙酮沉淀,时，必须在,0,4,低温下进行，丙酮用量一般,10,倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。,盐析,(salt precipitation),是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。,二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质浓缩方法使用丙酮沉,免疫沉淀法：,将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。,免疫共沉淀法,(Co-IP)：,研究整个,蛋白质复合体,染色质免疫沉淀,(ChIP)：,用来研究DNA上的特定蛋白质,RNA免疫沉淀法,(RIP)：,和ChIP相近，但RNA免疫沉淀法是用来研究会与RNA结合的蛋白质,免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体,三、利用荷电性质可电泳分离蛋白质,蛋白质在高于或低于其,pI,的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为,电泳,(elctrophoresis),。,根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。,三、利用荷电性质可电泳分离蛋白质蛋白质在高于或低于其pI的溶,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,SDS-,聚丙烯酰胺凝胶电泳,，常用于蛋白质分子量的测定。,等电聚焦电泳,，通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。,双向凝胶电泳,是蛋白质组学研究的重要技术。,几种重要的蛋白质电泳,:,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，常用于蛋白质分子量的测定。几种重,Native PAGE,SDS-PAGE,Native PAGE,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,Two-dimensional electrophoresis,蛋白质组学研究的重要技术之一,Two-dimensional electrophoresi,四、,应用相分配或亲和原理可将蛋白质进行层析分离,待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的。,层析,(chromatography),分离蛋白质的原理,四、应用相分配或亲和原理可将蛋白质进行层析分离待分离蛋白质溶,离子交换层析：,利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。,凝胶过滤,(gel filtration),又称分子筛层析,，利用各蛋白质分子大小不同分离。,蛋白质分离常用的层析方法,离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。蛋白质,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,Ion exchange chromatography,Ion exchange chromatography,凝胶过滤层析,凝胶过滤层析,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,临床医学生物化学高起本专升本教案01第01章蛋白质的结构与功能课件,五、,利用蛋白质颗粒沉降行为不同可进行超速离心分离,超速离心法,(ultracentrifugation),既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。,蛋白质在离心场中的行为用沉降系数,(sedimentation coefficient,S),表示，沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。,五、利用蛋白质颗粒沉降行为不同可进行超速离心分离超速离心法(,思考题,1.,等电点、超二级结构、模体、结构域的概念,2.,蛋白质的变性,(protein denature),及其应用,3.,何谓蛋白质的二级结构，它主要有哪几种，维持二级结构的主要化学键是什么？,4.,举例说明蛋白质分离纯化的方法及其原理,思考题1.等电点、超二级结构、模体、结构域的概念,