绪论蛋白质的结构和功能09级

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,延安大学医学院 生物化学教研室,主讲,许静洪教授,生物化学,生命的化学，应用化学的理论、技术及物理学、免疫学等原理和方法研究生物体（植物、动物、微生物、人体等）的化学组成和生命过程中化学变化规律的一门基础生命科学。,分子生物学,是从生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学等多种学科经过相互杂交、相互渗透而形成的，主要研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息传递和细胞信息转导过程中的作用。,生物化学发展史：,叙述生物化学阶段,（,20,世纪,20,年代以前）,以分析和研究组成生物体的成分及生物体的分泌物和排泄物为主。,动态生物化学阶段,（,20,世纪,20,年代至,50,年代）,主要研究体内各种物质的合成和分解途径及动态平衡。,机能生物化学阶段,（近,50,多年）,探讨生物大分子的结构和机能的关系。,第 一 篇 生物大分子的结构与功能,构件分子 生物大分子 细胞器 细胞 组织器官 生物体,蛋白质的结构与功能,第 一 章,Structure and Function of Protein,一、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。,二、蛋白质的生物学重要性,1.,蛋白质是生物体重要组成成分,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：,是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的,45,，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达,80,。,1,）作为生物催化剂（酶）,2,）代谢调节作用,3,）免疫保护作用,4,）物质的转运和存储,5,）运动与支持作用,6,）参与细胞间信息传递,2.,蛋白质重要的,生物学功能,3.,氧化供能,蛋 白 质 的 分 子 组 成,The Molecular Component of Protein,第 一 节,组成蛋白质的元素,主要有,C,、,H,、,O,、,N,和,S,。,有些蛋白质含有少量,磷,或金属元素,铁、铜、锌、锰、钴,、,钼,，个别蛋白质还含有,碘,。,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为,16,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：,100,克样品中蛋白质的含量,(g,%,),=,每克样品含氮克数,6.25100,1/16%,蛋白质元素组成的特点,一、氨基酸,组成蛋白质的基本单位,存在自然界中的氨基酸有,300,余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有,20,种，且均属,L-,氨基酸,（甘氨酸除外）。,H,甘氨酸,CH,3,丙氨酸,L-,氨基酸的通式,R,极性中性氨基酸,非极性疏水性氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸,（一）氨基酸的分类,甘氨酸,glycine,Gly,G,5.97,丙氨酸,alanine,Ala A,6.00,缬氨酸,valine,Val V,5.96,亮氨酸,leucine,Leu,L,5.98,异亮氨酸,isoleucine,Ile I,6.02,苯丙氨酸,phenylalanine,Phe,F,5.48,脯氨酸,proline,Pro P,6.30,非极性疏水性氨基酸,目 录,色氨酸,tryptophan Try W,5.89,丝氨酸,serine Ser S,5.68,酪氨酸,tyrosine Ty,r,Y,5.66,半胱氨酸,cysteine,Cys,C,5.07,蛋氨酸,methionine,Met M,5.74,天冬酰胺,asparagine,Asn,N,5.41,谷氨酰胺,glutamine,Gln,Q,5.65,苏氨酸,threonine,Thr,T,5.60,2.,极性中性氨基酸,目 录,天冬氨酸,aspartic acid Asp D,2.97,谷氨酸,glutamic,acid,Glu,E,3.22,赖氨酸,lysine Lys K,9.74,精氨酸,arginine,Arg,R,10.76,组氨酸,histidine,His H,7.59,3.,酸性氨基酸,4.,碱性氨基酸,目 录,几种特殊氨基酸,脯氨酸,（亚氨基酸）,半胱氨酸,+,胱氨酸,二硫键,-,H,H,（二）氨基酸的理化性质,1.,两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离程度和带电性质取决于其所处溶液的酸碱度。,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,。,pH=,pI,+OH,-,pH,pI,+H,+,+OH,-,+H,+,pH,pI,氨基酸兼性离子,阳离子,阴离子,2.,紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰分别,280nm,和,275nm,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。,3.,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。,二、,肽,肽键,(peptide bond),是由一个氨基酸的,-,羧基与另一个氨基酸的,-,氨基脱水缩合而形成的化学键。,（一）肽,(peptide),+,-,H,OH,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽,是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,两分子氨基酸缩合形成,二肽,，三分子氨基酸缩合则形成,三肽,肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为,氨基酸残基,(residue),。,由十个以内氨基酸相连而成的肽称为,寡肽,(,oligopeptide,),，,由更多的氨基酸相连形成的肽称,多肽,(polypeptide),。,N,末端：有,自由氨基,的一端,C,末端：有,自由羧基,的一端,多肽链有两端,多肽链,(polypeptide chain),是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,N,末端,C,末端,牛核糖核酸酶,（二）,几种生物活性肽,1.,谷胱甘肽,(glutathione,GSH),GSH,过氧化物酶,H,2,O,2,2GSH,2H,2,O,GSSG,GSH,还原酶,NADPH,+,H,+,NADP,+,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽,(,neuropeptide,),2.,多肽类激素及神经肽,蛋 白 质 的 分 子 结 构,The Molecular Structure of Protein,第 二 节,蛋白质的分子结构包括,一级结构,(primary structure),二级结构,(secondary structure),三级结构,(tertiary structure),四级结构,(quaternary structure),高 级 结 构,定义,指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的化学键,肽键,，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,目 录,二、蛋白质的二级结构,蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象,。,定义,主要的化学键：,氢键,（一）肽单元,参与肽键的,6,个原子,C,1,、,C,、,O,、,N,、,H,、,C,2,位于同一平面，,C,1,和,C,2,在平面上所处的位置为反式,(trans),构型，此同一平面上的,6,个原子构成了所谓的,肽单元,(,peptide unit),。,蛋白质二级结构的主要形式,-,螺旋,(,-helix),-,折叠,(,-pleated sheet),-,转角,(,-turn),无规卷曲,(random coil),（二）,-,螺旋,目 录,（三）,-,折叠,（四）,-,转角和无规卷曲,-,转角,无规卷曲是指没有规律性的那部分肽链结构。,（五）模体,在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体,(motif),。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,三、蛋白质的三级结构,疏水键、离子键、氢键等。,主要的化学键,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,（一）定义,目 录,肌红蛋白,(Mb),N,端,C,端,纤连蛋白分子的结构域,（二）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域,(domain),。,（三）,分子伴侣,通过提供一个保护环境而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。,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。,与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,折叠中对二硫键的正确形成起重要。,(chaperon),亚基之间的结合力主要是离子键，其次是氢键和疏水作用。,四、蛋白质的四级结构,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,。,有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的,亚基,(,subunit,),。,血红蛋白的四级结构,五、蛋白质的分类,根据折叠方式和复杂程度,一级结构蛋白质,二级结构蛋白质,三级结构蛋白质,四级结构蛋白质,根据功能,活性蛋白质,非活性蛋白质,根据组成成分,单纯蛋白质,结合蛋白质,=,蛋白质部分,+,非蛋白质 部分,根据外观形状,纤维状蛋白质,球状蛋白质,蛋白质结构与功能的关系,The Relation of Structure and Function of Protein,第 三 节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,牛核糖核酸酶的一级结构,二硫键,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）一级结构与功能的关系,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,”,。,（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构,二、蛋白质空间结构与功能的关系,目 录,Hb,与,Mb,一样能可逆地与,O,2,结合，,Hb,与,O,2,结合后称为氧合,Hb,。氧合,Hb,占总,Hb,的百分数（称百分饱和度）随,O,2,浓度变化而改变。,（二）血红蛋白的构象变化与结合氧,肌红蛋白,(Mb),和血红蛋白,(,Hb,),的氧解离曲线,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,),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。,变构效应,(,allosteric,effect),在变构剂的作用下，变构蛋白质的空间构象发生改变，导致其功能发生改变的现象称为变构效应。,（三）蛋白质构象改变与疾病,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。,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。,疯牛病中的蛋白质构象改变,疯牛病是由朊