蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸及其連接方式ppt課件

1、第一章 蛋白質(zhì) (Proteins,什么是蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物,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,蛋白質(zhì)的分類,根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分,根據(jù)蛋白質(zhì)形狀,每克樣品中所含蛋白質(zhì)的克數(shù) = 每克樣品中的含氮量（克） 6.25,蛋白質(zhì)的生物學(xué)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(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。 含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機分子，占人體干重的45，某

2、些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80,1）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(xì)胞間信息傳遞,2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能,3. 氧化供能,一、蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸,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,非極性疏水性氨基酸 極性中性氨基酸 酸性氨基酸 堿性氨基酸,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,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala A 6.00,纈氨酸 valine Val

3、 V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,異亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非極性疏水性氨基酸,目 錄,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,絲氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try 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

4、,蘇氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 極性中性氨基酸,目 錄,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,賴氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,組氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 堿性氨基酸,目 錄,幾種特殊氨基酸,脯氨酸 （亞氨基酸,半胱氨酸,胱氨酸,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(isoelectric point, pI) 在某

5、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,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性離子,陽離子,陰離子,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 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吸光值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便方法,芳香族氨基酸的紫外吸收,3. 茚三酮反應(yīng),氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)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(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法,茚三酮反應(yīng)(ninhydrin reaction,茚

6、三酮 氨基酸 茚三酮(還原型) 醛,茚三酮 藍(lán)色或紫色化合物,2,二、氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式肽鍵,肽鍵(peptide bond)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(xué)鍵,一）肽(peptide,甘氨酰甘氨酸,肽鍵,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,N 末端：多肽鏈中有自由氨基的一端 C 末端：多肽鏈中有

7、自由羧基的一端,多肽鏈有兩端,多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu),N末端,C末端,牛核糖核酸酶,二） 幾種生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH,GSH過氧化物酶,GSH還原酶,NADPH+H,NADP,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,蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括 ： 一級結(jié)構(gòu)(primary structure) 二級結(jié)構(gòu)(secondary structure) 三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure) 四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure,第二節(jié)

8、蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)The Molecular Structure of Protein,定義 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（primary structure）是指蛋白質(zhì)分子中多肽鏈的氨基酸排列順序,一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),主要的化學(xué)鍵 肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵,一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ),目 錄,測序前的準(zhǔn)備 N端分析以確定蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目 斷裂二硫鍵 分離單一多肽鏈 測定多肽鏈的氨基酸組成 多肽鏈氨基末端與羧基末端分析 二硝基氟苯（1-fluoro-2,4-dinitrobenzene）法 丹酰氯 (dansyl chloride)法 多肽鏈的氨基酸序列測定和重疊組合 對多肽鏈進

9、行限制性水解成小片段 Edman降解法進行小片段肽段的序列分析 對各片段序列進行比較疊加，拼出完整的多肽序列,二）多肽鏈的氨基酸序列分析(自學(xué),二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，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(cè)鏈的構(gòu)象,定義,主要的化學(xué)鍵： 氫鍵,一）肽單元,參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元 (peptide unit),蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式,螺旋 ( -helix ) -折疊 ( -pleated sheet ) -轉(zhuǎn)

10、角 ( -turn ) 無規(guī)卷曲 ( random coil,二） -螺旋,目 錄,螺旋的基本要點,1.右手螺旋； 2.每3.6氨基酸上升一個螺旋,螺距為0.54 nm,每個氨基酸上升0.15 nm； 3.螺旋的穩(wěn)定靠氫鍵； 4.甘氨酸和組氨酸不能形成-螺旋,三）-折疊,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(jié)構(gòu),螺旋,轉(zhuǎn)角,HTH模體結(jié)構(gòu)示意圖 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體由2個螺旋和1個轉(zhuǎn)角組成。HTH模體是DNA結(jié)合蛋白三維結(jié)構(gòu)中的一部分，每一DNA結(jié)合蛋白含一個HTH模體，位于分子表面。DNA結(jié)合蛋白常以二聚體形式存在，兩個HTG模體相距3.4nm，與DNA的

11、螺距相當(dāng)，分別結(jié)合于DNA分子中相鄰的兩個深溝中。HTH模體約由20個氨基酸殘基組成，第1個螺旋含7個氨基酸殘基， 轉(zhuǎn)角含4個氨基酸殘基，第2個螺旋含9個氨基酸殘基。第2個螺旋是DNA識別部位，結(jié)合于DNA分子的深溝中,螺旋,螺旋,轉(zhuǎn)角,N,C,模體：在許多蛋白質(zhì)的分 子中，常發(fā)現(xiàn)幾個（多為 23個）具有二級結(jié)構(gòu)的 肽段相互靠近，形成具有 特定功能的空間構(gòu)象；或 者僅是一個具有特定功能 的很短的肽段,模體（motif,三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等,主要的化學(xué)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,定義,目

12、 錄,肌紅蛋白 (Mb,三）蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),含有兩條以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈的蛋白質(zhì)，其多肽鏈通過非共價鍵相互連接形成的多聚體結(jié)構(gòu)。每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈程為亞基。蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子中各亞基之間的空間排布。 穩(wěn)定蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵是氫鍵、離子鍵、疏水作用和Van der Waals力等次級鍵,三、膠原蛋白的分子結(jié)構(gòu),膠原蛋白(collagen) 簡稱膠原，是纖維狀蛋白質(zhì)，主要存在于細(xì)胞外基質(zhì)。膠原分子又稱原膠原 （tropocollagen），是富含甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨 酸的三股螺旋結(jié)構(gòu)。 膠原分子一級結(jié)構(gòu)特點：富含甘氨酸和脯氨酸 和羥脯氨酸，存在長段的由三個氨基酸組

13、成 的重復(fù) 順序： 甘-脯-Y或甘-X-脯（X和Y代表任何氨基酸,某些組織中膠原蛋白的含量,組 織 含 量,骨（礦物質(zhì)除外） 88.0 跟腱 86.0 皮膚 71.9 角膜 68.1 軟骨 4663 韌帶 17.0 主動脈 12 24 肝 3.9,膠原蛋白簡稱膠原，主要存在于細(xì)胞外基質(zhì)，是體內(nèi)含量最多的蛋白 質(zhì)，約占人體蛋白總量的2530%。膠原具有柔韌性和抗張力作用，在組織 中構(gòu)成框架，增強組織的強度和韌性。膠原是結(jié)締組織的主要蛋白成分， 在一些組織中含量非常高,膠原分子結(jié)構(gòu)示意圖 膠原分子是由三條多肽鏈組成的三股右手螺旋。第一條多肽鏈均為左手螺旋，每3個氨基酸殘基螺旋上升一周。多肽鏈中富含

14、甘氨酸和脯氨酸（羥脯氨酸），形成 甘-脯-Y或甘-X-羥脯重復(fù)序列。三股螺旋中，甘氨酸的R基團位于分子內(nèi)部，并與鄰近的肽鏈形成鏈間氫鍵。此外，膠原分子內(nèi)部鏈間與膠原分子之間還有賴氨酸殘基之間形成的共價鍵，以維系膠原蛋白的穩(wěn)定性,二）膠原分子的空間結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 The Relation of Structure and Function of Protein,第 三 節(jié),一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ),一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、 -巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,二）一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血,這種由蛋白質(zhì)分子

15、發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病,一）肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu),二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,目 錄,Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合， Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變,二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu) 肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)含有8個-螺旋，分別取名為A、B、C、D、E、F、G、H。血紅素位于E和F之間，F(xiàn)8組93(綠色)與Fe形成第5個配位鍵,A,B,C,D,E,F,G,H,93,64,肌紅蛋白與血紅蛋白的帶氧曲線 肌紅蛋白的氧飽和曲線為距形雙曲線,血氧飽和度為20%

16、時仍能帶氧,肌肉 缺氧時(氧飽和度為5%)大量釋放氧,以供肌肉收縮需要;血紅蛋白的氧飽和曲線 為S形曲線,表明血紅蛋白四個亞基對氧的結(jié)合具有正協(xié)同效應(yīng),血紅素與氧結(jié)合模示圖,三）朊病毒與蛋白質(zhì)構(gòu)象病,朊病毒蛋白（prion protein, PrP）是正常存在于人體神經(jīng)原、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞的細(xì)胞膜上的糖蛋白。朊病毒（prion,PrPsc）是正常朊病毒蛋白（PrPc）的空間構(gòu)象由螺旋變成折疊所致。 朊病毒本身不能自我復(fù)制，但可以攻擊大腦的正常朊病毒蛋白，使之構(gòu)象改變并與其結(jié)合，形成朊病毒二聚體。此二聚體現(xiàn)再攻擊正常朊病毒蛋白，形成朊病毒四聚體。周而復(fù)始，腦組織中朊病毒不斷積蓄，造成腦組織

17、發(fā)生退行性病變,正常朊病毒蛋白與朊病毒空間結(jié)構(gòu)的差異 朊病毒（PrPsc）是蛋白質(zhì)，不含核酸。它是正常朊病毒蛋白（PrPc）的空間 構(gòu)象由-螺旋變成-片層結(jié)構(gòu)所致。因此，這類疾病又稱蛋白質(zhì)構(gòu)象病。朊病毒 本身不能復(fù)制，但它卻可以攻擊大腦的正常朊病毒蛋白，使其發(fā)生構(gòu)象改變， 并與其結(jié)合，成為致病的朊病毒二聚體。此二聚體再攻擊正常的朊病毒蛋白。這 樣，腦組織中的朊病毒不斷積蓄，造成腦組織發(fā)生退行性變,正常朊病毒蛋白結(jié)構(gòu) （顯示-螺旋,朊病毒結(jié)構(gòu) （顯示-片層結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)所帶電荷和其周圍包繞的水化膜是維持蛋白質(zhì)在水溶液中穩(wěn) 定的兩大因素。脫水和中和電荷可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)的沉淀,水化膜,正電荷,H,OH,

18、OH,H,蛋白質(zhì),在等電點時的親水膠體,帶負(fù)電荷的親水膠體,蛋白質(zhì),蛋白質(zhì),帶正電荷的親水膠體,負(fù)電荷,第四節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及其提取、純化原理,1. 蛋白質(zhì)的兩性解離,一、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì),2、蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性,變性是指蛋白質(zhì)在一些理化因素的作用下，其正常的空間構(gòu)象遭到破壞，主要是次級鍵或二硫鍵發(fā)生破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)的改變（如溶解度下降、粘度增加）和生物學(xué)活性的喪失。蛋白質(zhì)的變性不影響其一級結(jié)構(gòu),雙縮脲反應(yīng)（biuret test）：堿性條件下，Cu2+ 與蛋白質(zhì)分子中的肽鍵形成紫紅色絡(luò)合物酚試劑呈色反應(yīng)（Lowry test）：除蛋白質(zhì)分子中肽鍵與堿性Cu2+發(fā)生二縮脲反應(yīng)外，

19、蛋 白質(zhì)分子中的色氨酸與酪氨酸殘基還將試劑中的磷鎢酸和磷鉬酸鹽還原生成藍(lán)色化合物（鉬藍(lán),3. 蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì) 親水膠體, 分子直徑1100nm 4. 蛋白質(zhì)的光譜吸收 色氨酸與酪氨酸殘基含共軛雙鍵，280 nm紫外 光下有吸收峰 5. 蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng),二、蛋白質(zhì)的提取與純化原理,一）改變蛋白質(zhì)的溶解度,鹽析： 高濃度中性鹽使蛋白質(zhì)從溶液中析出,有機溶劑沉淀： 降低溶液的介電常數(shù)，使蛋白質(zhì)分子間 相互吸引而沉淀,二）根據(jù)蛋白質(zhì)分子大小分離方法,離心(centrifugation)： 利用機械的快速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，將不同密 度的物質(zhì)進行分離 根據(jù)轉(zhuǎn)速分類： 常用離心機 50 000 rpm

20、,超濾（ultrafiltration）: 在一定的壓力下，使蛋白質(zhì)溶液在通過一定孔徑的 超濾膜時，小分子量物質(zhì)濾過，而大分子量的蛋白質(zhì)被 截留，從而達(dá)到分離純化的目的。這種方法既可以純化 蛋白質(zhì)，又可達(dá)到濃縮蛋白質(zhì)溶液的目的,磁力攪拌器,待超濾的蛋白質(zhì)溶液,加壓的氮氣,超濾膜,凝膠過濾（gel filtration）： 凝膠過濾又稱分子篩層析，在層析柱內(nèi)填充惰性的 微孔膠粒（如交聯(lián)葡聚糖），將蛋白質(zhì)溶液加入柱上部 后，小分子物質(zhì)通過膠粒的微孔進入膠粒，向下流動的 路徑加長，移動緩慢；大分子物質(zhì)不能或很難進入膠粒 內(nèi)部，通過膠粒間的空隙向下流動，其流動的路徑短， 移動速度較快，從而達(dá)到按不同分

21、子量將溶液中各組分 分開的目的,根據(jù)各種蛋白質(zhì)在一定的pH環(huán)境下所帶電荷種類與數(shù)量不同的特點，將不同蛋白質(zhì)予以分離。 常用的方法有： 離子交換層析 電泳 等電聚焦,三）根據(jù)蛋白質(zhì)電荷性質(zhì)的分離方法,第五節(jié)蛋白質(zhì)組(proteome) 與 蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics,蛋白質(zhì)組：一個組織或一個細(xì)胞中基因組所表達(dá)的全部 蛋白質(zhì)，或在特定條件下，一個細(xì)胞內(nèi)所存 在的所有蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)組與基因組的差別： 基因組：代表一個生物細(xì)胞內(nèi)的全部基因和染色體的核 苷酸組成。同一個體的所有體細(xì)胞均具有均一 的基因組，不受機體狀態(tài)的影響,蛋白質(zhì)組： 不能從基因組簡單地推導(dǎo)出一個細(xì)胞的蛋白質(zhì)組組成，這是 因為：細(xì)

22、胞不是對所有的基因同時表達(dá)；表達(dá)的基因因為表達(dá)的 mRNA不同，可以翻譯出不同的蛋白質(zhì)；同一蛋白質(zhì)前體經(jīng)不同的剪接表現(xiàn)出不同的蛋白質(zhì)；同一種蛋白質(zhì)在不同的代謝調(diào)節(jié)條件下可以表現(xiàn)出不同的構(gòu)象和不同的修飾。 同一個體的不同發(fā)育期中因基因的開關(guān)，同一組織或細(xì)胞中的蛋白質(zhì)組組成不同；同一生長時期的不同組織器官的細(xì)胞中基因表達(dá)不同，產(chǎn)生具有不同的蛋白質(zhì)組；不同的生理狀況（飽食、禁食、應(yīng)激等）不同的基因表達(dá)出不同的蛋白質(zhì)組組成；不同的病理（腫瘤、炎癥等）條件下不同的基因開放而表達(dá)出不同的蛋白質(zhì)組；環(huán)境因素（藥物等）均可影響細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組的組成。 所以，組織器官的蛋白質(zhì)組具有多樣性、多變性和可調(diào)節(jié)性，具有不同時、空的差異和深受機體內(nèi)、外條件的影響,蛋白質(zhì)組學(xué) 研究和闡述在不同條件下，蛋白質(zhì)組中全部蛋白質(zhì)的結(jié)