高中生物競賽輔導生物化學一蛋白質(zhì)

關于高中生物競賽輔導生物化學一蛋白質(zhì)一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(aminoacids)通過肽鍵(peptidebond)相連形成的高分子含氮化合物。第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的生物學重要性1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細胞內(nèi)最豐富的有機分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1）作為生物催化劑（酶）2）代謝調(diào)節(jié)作用3）免疫保護作用4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲5）運動與支持作用6）參與細胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能3.氧化供能第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein第一節(jié)第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

組成蛋白質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘

。第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%

蛋白質(zhì)元素組成的特點第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、氨基酸

——組成蛋白質(zhì)的基本單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天非極性疏水性氨基酸（7）甘丙纈亮異苯脯極性中性氨基酸（8）色絲酪半蛋天谷蘇酸性氨基酸（2）天谷堿性氨基酸（3）賴精組（一）氨基酸的分類*20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00纈氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucineLeuL

5.98

異亮氨酸

isoleucineIleI

6.02

苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非極性疏水性氨基酸目錄第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天色氨酸

tryptophanTryW

5.89絲氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTryY

5.66

半胱氨酸

cysteineCysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagineAsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

蘇氨酸

threonineThrT5.602.極性中性氨基酸目錄第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22賴氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76組氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.堿性氨基酸目錄第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.茚三酮反應氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、肽*肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。（一）肽(peptide)第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天*肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*

肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。*由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端*多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天N末端C末端牛核糖核酸酶第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）幾種生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經(jīng)肽第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、蛋白質(zhì)的分類*根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分單純蛋白質(zhì)結合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分*根據(jù)蛋白質(zhì)形狀纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)第28頁,共90頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的分子結構

TheMolecularStructureofProtein

第二節(jié)第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的分子結構包括

一級結構(primarystructure)二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)高級結構第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天定義蛋白質(zhì)的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結構主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一級結構是蛋白質(zhì)空間構象和特異生物學功能的基礎。目錄第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的二級結構蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象

。定義

主要的化學鍵：

氫鍵

第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）肽單元參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)二級結構的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）

-螺旋目錄第36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）

-折疊第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）

-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲

-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結構。第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，被稱為模體(motif)。第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體

鋅指結構第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（六）氨基酸殘基的側鏈對二級結構形成的影響蛋白質(zhì)二級結構是以一級結構為基礎的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成

-螺旋或β-折疊，它就會出現(xiàn)相應的二級結構。第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、蛋白質(zhì)的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的化學鍵整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。（一）定義第42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天目錄第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

肌紅蛋白(Mb)N端C端第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天纖連蛋白分子的結構域（二）結構域大分子蛋白質(zhì)的三級結構常可分割成一個或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結構域(domain)。第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構象或形成四級結構。*分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。*分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。*分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結構蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結構。有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天血紅蛋白的四級結構

第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)結構與功能的關系TheRelationofStructureandFunctionofProtein第三節(jié)第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）一級結構是空間構象的基礎一、蛋白質(zhì)一級結構與功能的關系牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）一級結構與功能的關系例：鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導致的疾病，稱為“分子病”。第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結構二、蛋白質(zhì)空間結構與功能的關系目錄第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天Hb與Mb一樣能可逆地與O2結合，Hb與O2結合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分數(shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。（二）血紅蛋白的構象變化與結合氧第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天*協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應

(negativecooperativity)第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天O2血紅素與氧結合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動。第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天變構效應(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為變構效應。第59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）蛋白質(zhì)構象改變與疾病蛋白質(zhì)構象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質(zhì)的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)構象改變導致疾病的機理：有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。第61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天瘋牛病中的蛋白質(zhì)構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）蛋白質(zhì)的兩性電離一、理化性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。*蛋白質(zhì)的等電點(isoelectricpoint,pI)當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。第64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。*蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面電荷水化膜第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉第66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固*蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。第67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

造成變性的因素如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結構。第68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

應用舉例臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation)。第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天*蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。*蛋白質(zhì)的凝固作用(proteincoagulation)蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。

第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）蛋白質(zhì)的呈色反應⒈茚三酮反應(ninhydrinreaction)

蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生茚三酮反應。⒉雙縮脲反應(biuretreaction)蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙縮脲反應可用來檢測蛋白質(zhì)水解程度。第74頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的分離和純化（一）透析及超濾法*透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質(zhì)與小分子化合物分開的方法。*超濾法

應用正壓或離心力使蛋白質(zhì)溶液透過有一定截留分子量的超濾膜，達到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的。第75頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀*使用丙酮沉淀時，必須在0～4℃低溫下進行，丙酮用量一般10倍于蛋白質(zhì)溶液體積。蛋白質(zhì)被丙酮沉淀后，應立即分離。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。*鹽析(saltprecipitation)是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質(zhì)溶液，使蛋白質(zhì)表面電荷被中和以及水化膜被破壞，導致蛋白質(zhì)沉淀。第76頁,共90頁，2024年2月25日，星期天*

免疫沉淀法：將某一純化蛋白質(zhì)免疫動物可獲得抗該蛋白的特異抗體。利用特異抗體識別相應的抗原蛋白，并形成抗原抗體復合物的性質(zhì)，可從蛋白質(zhì)混合溶液中分離獲得抗原蛋白。第77頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）電泳蛋白質(zhì)在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質(zhì)在電場中泳動而達到分離各種蛋白質(zhì)的技術,稱為電泳(elctrophoresis)

。根據(jù)支撐物的不同，可分為薄膜電泳、凝膠電泳等。

第78頁,共90頁，2024年2月25日，星期天幾種重要的蛋白質(zhì)電泳*SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳，常用于蛋白質(zhì)分子量的測定。*等電聚焦電泳，通過蛋白質(zhì)等電點的差異而分離蛋白質(zhì)的電泳方法。*雙向凝膠電泳是蛋白質(zhì)組學研究的重要技術。第79頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）層析層析(chromatography)分離蛋白質(zhì)的原理待分離蛋白質(zhì)溶液（流動相）經(jīng)過一個固態(tài)物質(zhì)（固定相）時，根據(jù)溶液中待分離的蛋白質(zhì)顆粒大小、電荷多少及親和力等，使待分離的蛋白質(zhì)組分在兩相中反復分配，并以不同速度流經(jīng)固定相而達到分離蛋白質(zhì)的目的。第80頁,共