2第2章蛋白质的结构与功能

第第二二章章蛋蛋白白质质的的结结构构与与功功能能Chapter2StructureandFunctionofProtein幻灯片2一一、、什什么么是是蛋蛋白白质质??蛋白质(protein)是由许多不同的α-氨基酸(aminoacids)按照一定的序列通过肽键(peptidebond)相连形成的具有比较稳定构象和一定生物功能的高分子含氮化合物。幻灯片3二二、、蛋蛋白白质质的的生生物物学学意意义义1.蛋白质是生物体重要组成成分所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。2.蛋白质具有重要的生物学功能P161作为生物催化剂（酶）；代谢调节作用；免疫保护作用；物质的转运和存储；运动与支持作用；参与细胞间信息传递。3.氧化供能幻灯片4第第一一节节蛋蛋白白质质的的分分子子组组成成TheMolecularComponentofProtein幻灯片5组组成成蛋蛋白白质质的的元元素素主要有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。幻灯片6蛋蛋白白质质元元素素组组成成的的特特点点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×6.25×100100/16幻灯片7蛋蛋白白质质水水解解最最后后成成为为氨氨基基酸酸混混合合物物酸水解得19种L-AA，色氨酸破坏。碱水解得色氨酸，其余氨基酸消旋破坏。酶水解不消旋破坏，但水解不彻底。幻灯片8一一、、氨氨基基酸酸((aammiinnooaacciidd))————组组成成蛋蛋白白质质的的基基本本单单位位如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约二十种不同的氨基酸。除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-α-氨基酸。幻灯片9L-α-氨基酸的结构通式幻灯片10（（一一））氨氨基基酸酸的的分分类类：：根据侧链R基的化学结构分脂肪族氨基酸芳香族氨基酸杂环氨基酸杂环亚氨基酸幻灯片11根根据据RR侧侧链链基基团团解解离离性性质质分分1.酸性氨基酸——Glu，Asp；侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。2.碱性氨基酸——His，Arg，Lys；侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。3.中性氨基酸——侧链基团在中性溶液中不发生解离，因而不带电荷的氨基酸。可分为：极性氨基酸：Tyr，Cys，Ser，Thr，Asn，Gln，；非极性氨基酸：Gly，Ala，Val，Leu，Ile，Phe,Pro，TrpMet。幻灯片12幻灯片13幻灯片14极性带负电荷氨基酸天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22极性带正电荷氨基酸赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.59幻灯片15几种特殊氨基酸脯氨酸（亚氨基酸）幻灯片16半胱氨酸幻灯片17（（二二））氨氨基基酸酸的的理理化化性性质质：：1．两性解离及等电点：氨基酸分子是一种两性电解质。通过改变溶液的pH可使氨基酸分子的解离状态发生改变。氨基酸分子带有相等正、负电荷时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。幻灯片18幻灯片19氨基酸等电点的确定酸碱滴定法P131按氨基酸可解离基团的pK值计算等电点pI值相当于该氨基酸的两性解离状态两侧基团pK值之和的一半由P132公式由pH值、AO/A+或A-/A0测pKapKa为常数，由pH计算A0/A+或A-/A0由[质子受体]/[质子供体]可计算pH组氨酸幻灯片2022..氨氨基基酸酸的的甲甲醛醛滴滴定定P135习题7幻灯片213．紫外吸收性质：组成天然蛋白质分子的20种氨基酸中，只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸对紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。可利用此性质采用紫外分分光度法测定蛋白质的含量。幻灯片224．茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。自习P139氨基酸的化学反应幻灯片23（（三三））氨氨基基酸酸的的分分析析分分离离层析：利用氨基酸混合物各组分物理化学性质（如溶解度、吸附能力、电荷和分子量等）的差别，使各组分在支持物上集中分布在不同区域，借此将各组分分离。层析系统：固定相、流动相。各组分受固定相的阻力和受流动相的推力影响不同，各组分移动速度也各异，从而使各组分得以分离。此法首先用于有色物质的分离，故又称色谱层析法。层析类型：所用固定相不同：吸附层析、分配层析、离子交换层析、凝胶层析、亲和层析等；操作方式不同：柱层析、薄层层析和纸层析等。幻灯片24分配层析原理：逆流分溶柱层析纸层析薄层层析离子交换层析气液层析高效液相层析幻灯片25二二、、肽肽((ppeeppttiiddee))（一）肽键与肽链：蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽。幻灯片26幻灯片27两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。凡氨基酸残基数目在50个以上，且具有特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸残基数目在50个以下，且无特定空间结构者称多肽。幻灯片28幻灯片29牛核糖核酸酶幻灯片30（（二二））肽肽平平面面：：PP2200441.由于C=O双键中的π电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。幻灯片312.由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一刚性平面结构称为肽单元或肽键平面(peptideunit)。但由于α-碳原子与其他原子之间均形成单键，因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。幻灯片32（（三三））肽肽的的理理化化性性质质等电点P166化学反应1.茚三酮反应2.双缩脲反应幻灯片33（（四四））生生物物活活性性肽肽：：生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。幻灯片341.谷胱甘肽（GSH）：全称为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。幻灯片35谷胱甘肽的生理功用：解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。幻灯片362.多肽类激素：种类较多，生理功能各异。主要见于下丘脑及垂体分泌的激素。幻灯片37以以活活性性多多肽肽研研究究为为基基础础的的药药物物研研究究血管紧张素转化酶（ACE）抑制剂（ACEI）的开发是近代高血压治疗史上的重大进展。血管紧张素Ⅰ（AngⅠ）：十肽，无活性，但在ACE作用下转化为血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）八肽，具有收缩血管平滑肌作用，使血压升高。ACEDRVYIHPFHL(AngⅠ)DRVYIHPF(AngⅡ)。ACEI可使ACE失活，使AngⅠ不能形成AngⅡ，从而降血压，研究AngⅠ活性部位，作用机理，进而设计并合成ACEI，已开发出二十多种降压药物，如巯甲丙脯酸（Captopril）、依那普利（Enalapril）、赖诺普利（Lisonopril）等。幻灯片38第第二二节节蛋蛋白白质质的的分分子子结结构构TheMolecularStructureofProtein幻灯片39蛋白质的分子结构包括P160一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。幻灯片40一一、、蛋蛋白白质质分分子子中中的的非非共共价价键键((次次级级键键))PP2200111.氢键：氢键(hydrogenbond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。氢键的键能较低(~12kJ/mol)，因而易被破坏。幻灯片41蛋白质分子中氢键的形成幻灯片422.疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。幻灯片433.离子键（盐键）：离子键(saltbond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。幻灯片44蛋白质分子中离子键的形成幻灯片454．范德华氏（vanderWaals)引力：原子之间存在的相互作用力。幻灯片46二二、、蛋蛋白白质质的的一一级级结结构构定义：蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的线状结构。主要化学键:肽键，二硫键幻灯片47胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。幻灯片48一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础：一级结构是研究高级结构的基础。可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。可以为生物进化理论提供依据。可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。幻灯片49在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白β-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。幻灯片50细胞色素c的一级结构与生物进化的关系P182幻灯片51三三、、蛋蛋白白质质的的二二级级结结构构定义：蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。或肽链主链依靠氢键维系的有规则的空间走向（折叠和盘绕方式）。主要化学键：氢键幻灯片52（（二二））蛋蛋白白质质二二级级结结构构的的类类型型：：α-螺旋(-helix)β-折叠(-pleatedsheet)β-转角(-turn)无规卷曲(randomcoil)幻灯片53（二）-螺旋：肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构。P2071.螺旋一周含3.6个氨基酸残基，沿轴上升0.54nm；每个氨基酸残基上升距离为0.15nm，每个残基绕轴旋转100°。2.侧链R基伸向外侧。3.肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行。4.--螺旋几乎都是右手螺旋。幻灯片54影响α-螺旋稳定的因素有：⑴极大的侧链基团（存在空间位阻）；PolyIle⑵连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；如PolyLys在PH7时，R基带正电荷，静电排斥，不易形成α-螺旋，但若PH=12，消除R基正电荷可形成α-螺旋。⑶有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。Pro由于无酰胺H，不能形成链内氢键，所以当Pro和羟脯氨酸存在时，α-螺旋中断，产生一个结节。幻灯片55永永久久性性卷卷发发((烫烫发发))——构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。—角蛋白的侧链R基一般都比——角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(—螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。幻灯片5622..ββ--折折叠叠：：β