四川大學生物化學 第1章蛋白質0906課件

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

2、差異第一節(jié). 蛋白質的分子組成Section 1. Molecular compose of protein(一)、結構組成蛋白質的20種氨基酸均為- 氨基酸通常處于電離狀態(tài)構型均為L-型組成蛋白質的元素主要有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 %蛋白質的基本組成單位是氨基酸一、氨 基 酸(amino acid)100g樣品中蛋白質含量(g%) =每克樣品含氮克數(shù)1006.25 根據(jù)側鏈 R 在水溶液中的性質可分為： 1. 非極性疏水性氨基酸: 側鏈為鏈烴 2. 極性的中性氨基酸：側鏈含有O、

3、N或S原子組成的非電離極性基團，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. 茚三酮反應是鑒定氨基酸(蛋白質)的特殊顏色反應可用于氨基酸(蛋白質)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)、生物活性肽結構特點功能特性: -SH的還原性和嗜核性, 主要作為體內的氧化保護劑和解毒劑2. 多肽類激素與神經肽下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸的多種激素神經肽1. 根據(jù)組成成分單純蛋白結合蛋白: 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, 為結構蛋白球狀蛋白: 長軸/短軸 10, 多聚體 亞基有自己獨

5、立的一、二、三級結構，但無完整的功能 亞基可以相同均一四級結構 亞基亦可不相同非均一四級結構四、蛋白質的四級結構(quaternary structure) 3. 主要維系力：疏水作用Summary第三節(jié). 蛋白質結構與功能的關系Section 3. Relationships between structure and functions of protein一、蛋白質一級結構與功能的關系(primary structure & function) 一級結構一旦確定，就決定了其空間結構的排布 但一級結構并不是決定空間結構的唯一因素(一). 一級結構是空間結構的基礎(二). 一級結構與功能的關

6、系 1.不同的一級結構決定不同的生理功能2. 一級結構中只有少數(shù)氨基酸殘基與功能直接相關, 即功能基團, 或稱關鍵部位(key - part) 3. 非功能基團對維持功能基團的構象有重要作用 關鍵部位相同，則功能可能相同或相似。如Insulin,Cyt c關鍵部位不同，即便是一個氨基酸殘基的改變，也可導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。在氧張力低的毛細血管區(qū)，HbS形成管狀凝膠結構(如棒狀結構)，導致紅細胞扭曲成鐮刀狀(即鐮變)。這種僵硬的鐮狀紅細胞不能通過毛細血管，加上H

7、bS的凝膠化使血液的黏滯度增大，阻塞毛細血管,引起局部組織器官缺血缺氧，產生脾腫大、胸腹疼痛(又叫做“鐮形細胞痛性危象”)等臨床表現(xiàn)。往往會阻塞毛細血管，進一步導致疼痛、中風、心臟病發(fā)作、腎功能喪失、甚至早夭。鐮刀形紅細胞貧血（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、蛋白質空間結構與功能的關系(conformation & function)(一). 肌紅蛋白與血紅蛋白的結構,Mb儲存氧氣Hb運輸氧氣蛋白質的空間結構與生理功能密切相關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)輔基空間結構上主要為8段-螺旋折疊為球狀, heme位于分子內部的袋形空穴中1. 肌紅蛋白(myoglobin, Mb)由4個亞基組成，分別為2個-亞基和2個-亞基每個亞基的結構與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). 血紅蛋白的構象變化與結合氧1. 結合氧特性(解離曲線)Hb與O2的結合曲線呈S型, 與Mb不同(直角雙曲線)4個亞基與4個O2結合時難易程度不同,先難后易(平衡常數(shù)K1K2,K3K4), 具有正協(xié)同效應(positive cooperativity)2. 協(xié)同效應機理變構效應(allosteric effect) (1). 變構效應的概念 蛋白質與效應劑結合后引起蛋白質的構象改變(進而引起生物活性改變)的現(xiàn)象，稱為變構效應。 (2). Hb的變構效應 未結合時處于緊張態(tài)(T態(tài))第一個O2結合血紅素后

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

11、s, separation and purification of protein一、蛋白質的理化性質(physicochemical properties) 氨基酸兩性電離的結果 蛋白質的兩性電離還受側鏈酸、堿性基團電離的影響(一). 蛋白質的兩性電離(二). 蛋白質的膠體性質 分子量大，在水溶液中分子顆粒達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分子的空間構象發(fā)生改變或破壞，導致其理化性質的改變和生物活性的喪失。本質為次級鍵的破壞，不涉及一級結構的改變應用:消毒滅菌(三). 蛋白質的變性、 1. 變性(denaturation) 變性因素: 加熱

12、 強酸、強堿 有機溶劑：乙醇 重金屬離子： Hg2+, Pb2+ 變性劑：SDS, 尿素 還原劑：-巰基乙醇 蛋白質的變性與復性(四). 蛋白質的紫外吸收蛋白質的特征吸收光為280nm的紫外光, 且其吸收值(O.D) 與蛋白質濃度呈正比，可用于蛋白質的定量(五). 蛋白質的呈色反應 1. 茚三酮反應(ninhydrin reaction) 2. 雙縮脲反應(biuret reaction)二、蛋白質的分離純化(separation & purification)三、氨基酸序列分析(sequencing of polypeptide)四、蛋白質空間結構測定(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，帶負電，交換陽離子 陰離子：堿性基團，帶正電，交換陰離子 原理：蛋白質所帶電荷的性質和數(shù)量 凝膠過濾(gel filtration) 固定相：凝膠顆粒多孔性的網絡結構