四川大學(xué)生物化學(xué) 第1章蛋白質(zhì)0906課件

1、第 一 篇 生 物 大 分 子 的 結(jié) 構(gòu) 與 功 能Part I. Structure & function of biologic macromoleculesProtein: structural molecule, functional moleculeNucleic acid: genetic materialEnzyme: biocatalyst第一章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能Chapter 1. Structure & function of protein 蛋白質(zhì)是組成生物體最基本的成分蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)分成不同的四個層次蛋白質(zhì)的種類和功能具有多樣性不同蛋白質(zhì)的功能取決于其組成和結(jié)構(gòu)的

2、差異第一節(jié). 蛋白質(zhì)的分子組成Section 1. Molecular compose of protein(一)、結(jié)構(gòu)組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸均為- 氨基酸通常處于電離狀態(tài)構(gòu)型均為L-型組成蛋白質(zhì)的元素主要有C, H, O, N, S, 某些蛋白還含有P, Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Mo 等元素 其中, N含量恒定, 平均為16 %蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸一、氨 基 酸(amino acid)100g樣品中蛋白質(zhì)含量(g%) =每克樣品含氮克數(shù)1006.25 根據(jù)側(cè)鏈 R 在水溶液中的性質(zhì)可分為： 1. 非極性疏水性氨基酸: 側(cè)鏈為鏈烴 2. 極性的中性氨基酸：側(cè)鏈含有O、

3、N或S原子組成的非電離極性基團(tuán)，如羥基、巰基、酰胺基等 3. 酸性氨基酸: Asp, Glu 4. 堿性氨基酸: Lys, Arg, His 兩種特殊氨基酸 A. 脯氨酸(Pro): 亞氨基酸 B.半胱氨酸(Cys): 常以胱氨酸形式存在(二)、 氨基酸的分類兩性電離及等電點2. 紫外吸收色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收峰在280nm波長附近 3. 茚三酮反應(yīng)是鑒定氨基酸(蛋白質(zhì))的特殊顏色反應(yīng)可用于氨基酸(蛋白質(zhì))的定量分析 1. 肽鍵(peptide bond)氨基酸與氨基酸之間的連接方式 二、肽(peptide)(一)、肽4. 肽鏈的方向性 N-末端(N-terminal) 和 C-末

4、端(C-terminal) 書寫方向通常為: N-端在左, C-端在右1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)(二)、生物活性肽結(jié)構(gòu)特點功能特性: -SH的還原性和嗜核性, 主要作為體內(nèi)的氧化保護(hù)劑和解毒劑2. 多肽類激素與神經(jīng)肽下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)軸的多種激素神經(jīng)肽1. 根據(jù)組成成分單純蛋白結(jié)合蛋白: 其中非蛋白成分稱為輔基, 可以是金屬離子、色素、寡糖、脂類、磷酸或核酸等2. 根據(jù)形狀三、蛋白質(zhì)的分類(classification of proteins)纖維蛋白: 長軸/短軸 10, 呈纖維狀, 多數(shù)不溶于水, 為結(jié)構(gòu)蛋白球狀蛋白: 長軸/短軸 10, 多聚體 亞基有自己獨

5、立的一、二、三級結(jié)構(gòu)，但無完整的功能 亞基可以相同均一四級結(jié)構(gòu) 亞基亦可不相同非均一四級結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure) 3. 主要維系力：疏水作用Summary第三節(jié). 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系Section 3. Relationships between structure and functions of protein一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系(primary structure & function) 一級結(jié)構(gòu)一旦確定，就決定了其空間結(jié)構(gòu)的排布 但一級結(jié)構(gòu)并不是決定空間結(jié)構(gòu)的唯一因素(一). 一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)(二). 一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)

6、系 1.不同的一級結(jié)構(gòu)決定不同的生理功能2. 一級結(jié)構(gòu)中只有少數(shù)氨基酸殘基與功能直接相關(guān), 即功能基團(tuán), 或稱關(guān)鍵部位(key - part) 3. 非功能基團(tuán)對維持功能基團(tuán)的構(gòu)象有重要作用 關(guān)鍵部位相同，則功能可能相同或相似。如Insulin,Cyt c關(guān)鍵部位不同，即便是一個氨基酸殘基的改變，也可導(dǎo)致功能的完全改變或喪失. 如鐮刀型血紅蛋白 鐮刀形血紅蛋白在HbS中，由于帶負(fù)電的極性親水谷氨酸被不帶電的非極性疏水纈氨酸所代替，致使血紅蛋白的溶解度下降。在氧張力低的毛細(xì)血管區(qū)，HbS形成管狀凝膠結(jié)構(gòu)(如棒狀結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致紅細(xì)胞扭曲成鐮刀狀(即鐮變)。這種僵硬的鐮狀紅細(xì)胞不能通過毛細(xì)血管，加上H

7、bS的凝膠化使血液的黏滯度增大，阻塞毛細(xì)血管,引起局部組織器官缺血缺氧，產(chǎn)生脾腫大、胸腹疼痛(又叫做“鐮形細(xì)胞痛性危象”)等臨床表現(xiàn)。往往會阻塞毛細(xì)血管，進(jìn)一步導(dǎo)致疼痛、中風(fēng)、心臟病發(fā)作、腎功能喪失、甚至早夭。鐮刀形紅細(xì)胞貧血（sickle cell anemia） Differences in amino acids sequence of insulin from human and animals.Insulin A8 A9 A10 B30human Thr Ser Ile Thrpig Thr Ser Ile Aladog Thr Ser Ile Alarabbit Thr Ser I

8、le Ser cow Ala Ser Val Alagoat Ala Gly Val Alahorse Thr Gly Ile Ala二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系(conformation & function)(一). 肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu),Mb儲存氧氣Hb運輸氧氣蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與生理功能密切相關(guān)以肌紅蛋白和血紅蛋白為例含153個氨基酸殘基的單鏈蛋白和一個血紅素(heme)輔基空間結(jié)構(gòu)上主要為8段-螺旋折疊為球狀, heme位于分子內(nèi)部的袋形空穴中1. 肌紅蛋白(myoglobin, Mb)由4個亞基組成，分別為2個-亞基和2個-亞基每個亞基的結(jié)構(gòu)與Mb極相似4個亞基共同圍繞成緊密的

9、球形，亞基之間以疏水作用和鹽鍵維持穩(wěn)定2. 血紅蛋白(hemoglobin, Hb)(二). 血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧1. 結(jié)合氧特性(解離曲線)Hb與O2的結(jié)合曲線呈S型, 與Mb不同(直角雙曲線)4個亞基與4個O2結(jié)合時難易程度不同,先難后易(平衡常數(shù)K1K2,K3K4), 具有正協(xié)同效應(yīng)(positive cooperativity)2. 協(xié)同效應(yīng)機(jī)理變構(gòu)效應(yīng)(allosteric effect) (1). 變構(gòu)效應(yīng)的概念 蛋白質(zhì)與效應(yīng)劑結(jié)合后引起蛋白質(zhì)的構(gòu)象改變(進(jìn)而引起生物活性改變)的現(xiàn)象，稱為變構(gòu)效應(yīng)。 (2). Hb的變構(gòu)效應(yīng) 未結(jié)合時處于緊張態(tài)(T態(tài))第一個O2結(jié)合血紅素后

10、該亞基F肽段位移 兩個-亞基之間的鹽鍵斷裂 亞基間結(jié)合松弛 第二、第三亞基更易結(jié)合O2 三個亞基結(jié)合O2以后，第四亞基的血紅素已幾乎完全暴露，極易結(jié)合O2 整個血紅蛋白完全處于松弛態(tài)(R態(tài))Summary Mb: 三級結(jié)構(gòu)，無變構(gòu)效應(yīng) Hb: 四級結(jié)構(gòu)，有變構(gòu)效應(yīng)（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病 蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，使蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生，此類疾病稱為蛋白構(gòu)象疾病。例：瘋牛病 PrPC PrPSC (-helix) (-sheet) 第四節(jié). 蛋白質(zhì)理化性質(zhì)及其分離純化Section 4. Physicochemical propertie

11、s, separation and purification of protein一、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)(physicochemical properties) 氨基酸兩性電離的結(jié)果 蛋白質(zhì)的兩性電離還受側(cè)鏈酸、堿性基團(tuán)電離的影響(一). 蛋白質(zhì)的兩性電離(二). 蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì) 分子量大，在水溶液中分子顆粒達(dá)1200nm 蛋白溶液的穩(wěn)定因素：形成水化膜；表面電荷概念：是指某些理化因素使蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象發(fā)生改變或破壞，導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變和生物活性的喪失。本質(zhì)為次級鍵的破壞，不涉及一級結(jié)構(gòu)的改變應(yīng)用:消毒滅菌(三). 蛋白質(zhì)的變性、 1. 變性(denaturation) 變性因素: 加熱

12、 強酸、強堿 有機(jī)溶劑：乙醇 重金屬離子： Hg2+, Pb2+ 變性劑：SDS, 尿素 還原劑：-巰基乙醇 蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性(四). 蛋白質(zhì)的紫外吸收蛋白質(zhì)的特征吸收光為280nm的紫外光, 且其吸收值(O.D) 與蛋白質(zhì)濃度呈正比，可用于蛋白質(zhì)的定量(五). 蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng) 1. 茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction) 2. 雙縮脲反應(yīng)(biuret reaction)二、蛋白質(zhì)的分離純化(separation & purification)三、氨基酸序列分析(sequencing of polypeptide)四、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)測定(determination of conformation)一、透析(dialysis) 二、層析(chromatography) 離子交換層析 凝膠過濾 親和層析離子交換層析(ion exchange chromatography)固定相離子交換樹脂 陽離子：酸性基團(tuán)，帶負(fù)電，交換陽離子 陰離子：堿性基團(tuán)，帶正電，交換陰離子 原理：蛋白質(zhì)所帶電荷的性質(zhì)和數(shù)量 凝膠過濾(gel filtration) 固定相：凝膠顆粒多孔性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)