動物生物化學(xué)第三章蛋白質(zhì) 王鏡巖 鄒思湘.ppt

1、第3章 蛋白質(zhì)Proteins,本章主要內(nèi)容,蛋白質(zhì)在生命活動中的重要作用 蛋白質(zhì)的組成單位氨基酸 蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu) 多肽、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和分離與鑒定,1.蛋白質(zhì)在生命活動中的重要作用,生物催化作用： 酶 運輸作用：如血紅蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白 調(diào)節(jié)作用：如胰島素、生長激素 運動作用：如肌動蛋白和肌球蛋白 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子 營養(yǎng)功能：如卵清蛋白、酪蛋白 結(jié)構(gòu)蛋白：如膠原蛋白、角蛋白 能量轉(zhuǎn)換蛋白：如細胞色素 基因調(diào)節(jié)蛋白：如阻遏蛋白,1.1 蛋白質(zhì)在機體內(nèi)的生物學(xué)功能,按形狀可將蛋白質(zhì)分為： 纖維狀蛋白質(zhì)：多為結(jié)構(gòu)蛋白。 球狀蛋白質(zhì)： 具有廣泛的生物

2、學(xué)功能。如酶、蛋白類激素等。 按結(jié)構(gòu)和功能可將蛋白質(zhì)分為： 簡單蛋白（simple protein）：僅有蛋白質(zhì)組成的、結(jié)構(gòu)簡單的蛋白質(zhì)。 結(jié)合蛋白（conjugated protein）：在蛋白質(zhì)分子中除了含有氨基酸成 分外，還要有其他的成分的存在，才能保證其正常生物活性的蛋白質(zhì)。 分子中包含蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)兩部分。,1.2 蛋白質(zhì)的分類,2.蛋白質(zhì)的化學(xué)組成,2.1 蛋白質(zhì)的元素組成,所有蛋白質(zhì)均含有 ： C 50%-55% H 6%-8% O 20%-23% N 15%-17% 某些蛋白質(zhì)含有： S 0.3%-2.5% 以及P 少數(shù)蛋白質(zhì)含有：Fe, Cu，Zn，Mo和I等元素,蛋白質(zhì)中

3、N的平均含量約16%，因此食物與飼料中蛋白質(zhì)的含量可以通過凱氏定N（Kjeldahl法）進行大致估計。,2.2 蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位氨基酸,2.2.1 氨基酸的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型 存在于自然界的氨基酸有300種。動物機體的蛋白質(zhì)經(jīng)強酸水解之后可以得到20種氨基酸，并且均為L-氨基酸（除了甘氨酸），含不對稱的-碳原子。它們之間的差別在于有不同的側(cè)鏈基團 R。,氨基酸的結(jié)構(gòu)通式,氨基酸與甘油醛的構(gòu)型,2.2.2 組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸,2.2.3 氨基酸的分類,在中性pH條件下 按其R側(cè)鏈極性和所帶電荷的不同，分為四大類, 不帶電荷極性氨基酸 ：Gly, Ser, Thr, Cys,Thr,Asn,

4、Gln 帶負電荷極性氨基酸 ： Asp, Glu 帶正電荷極性氨基酸 ： His, Arg, Lys 非極性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Trp, Met,含非極性側(cè)鏈基團,含極性側(cè)鏈基團,Ser, S Thr, T Cys, C Pro, P Asn, N Gln, Q,Gly, G Ala, A Val, V Leu, L Met, M Ile, I,含芳香基團,含堿性側(cè)鏈基團（帶正電荷）,Phe, F; Tyr, Y; Trp, W,Lys, K; Arg, R; His, H,含酸性側(cè)鏈基團（帶負電荷）,Asp, D; Glu, E,2.2.4 氨

5、基酸的主要理化性質(zhì),各種氨基酸在可見區(qū)都沒有光吸收。 在紫外光區(qū)芳香族氨基酸在280nm處有最大吸收峰（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收波長分別為279、278、259nm ）,光吸收特性,氨基酸的兩性解離,氨基酸分子在水溶液中呈兩性離子狀態(tài)，在其等電點時，氨基酸所帶的正、負電荷相等，凈電荷為零。,氨基酸的等電點,對某一種氨基酸而言，當(dāng)溶液在某一個特定的pH，氨基酸以兩性離子的形式存在，并且其所帶的正電荷數(shù)與負電荷數(shù)相等，即凈電荷為零。在直流電場中，它既不向正極，也不向負極移動。此時溶液的pH稱為這種氨基酸的等電點（pI）。 例如，甘氨酸的羧基的pK1為2.34，氨基的pK2為9.60，其p

6、I為5.97。,3.蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu),3.1 肽鍵（peptide bond）和肽（peptide ）,肽鍵：指蛋白質(zhì)分子中，由一個氨基酸的-COOH和另一個氨基酸的-NH2之間脫水縮合而成的酰胺鍵，它是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要共價鍵。,肽：由肽鍵形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）,多肽（polypeptide）和多肽鏈（polypeptide chain）,在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為 氨基酸序列，多肽鏈上不完整的氨基酸，稱為氨基酸殘基(amino acid residue) 上圖為： 絲氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-異亮氨酸,（N-端）,（C-端）,3.

7、2 肽單位平面與二面角,肽平面（peptide plane）：肽鏈主鏈的肽鍵C-N具有雙鍵的性質(zhì)， 因而不能自由的旋轉(zhuǎn)，使連接在肽鍵上的六個原子共處于一個平面上，此平面稱為肽單位平面，又稱酰胺平面。通常是反式的。,二面角（dihedral angle）：肽平面的連接處為碳原子。它與相鄰的兩個參與肽鍵形成的C和N原子之間的單鍵可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，C-N之間稱角，在C-C之間稱角，這就是-碳原子上的一對二面角。這對二面角決定了相鄰肽平面的相對位置。,相鄰二個肽平面上的二面角,3.3 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),一級結(jié)構(gòu)（primary structure）：即蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指多肽鏈 上各種氨基酸殘基

8、的種類和排列順序，也包括二硫鍵的數(shù)目。,牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)： 51個氨基酸，A（21肽）、B（30肽）兩條肽鏈，A鏈內(nèi)一對S-S，A和B鏈間2對S-S,3.4 蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu),指一條或數(shù)條多肽鏈上所有原子和基團在三維空間上的排布，即構(gòu)象（conformation）或空間結(jié)構(gòu)。 構(gòu)象由單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的各種立體結(jié)構(gòu)，而構(gòu)型（configuration ）是通過改變共價鍵形成的結(jié)構(gòu)。 蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)由明顯的結(jié)構(gòu)層次。 一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。,（1）非共價鍵 氫鍵 離子鍵 范德瓦爾力 疏水作用 （2） S-S鍵,維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中重要的化學(xué)鍵,3.4.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但

9、具有明顯的結(jié)構(gòu)層次 一級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上的氨基酸排列順序） 二級結(jié)構(gòu)（多肽鏈主鏈骨架的局部空間結(jié)構(gòu)） 超二級結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)單位的集合體） 結(jié)構(gòu)域（多肽鏈上可以明顯區(qū)分的球狀區(qū)域） 三級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上所有原子和基團的空間排布） 四級結(jié)構(gòu)（由球狀亞基或分子締合而成的集合體）,蛋白質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)層次,3.4.2 二級結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu)（secondary structure）：指多肽鏈主鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步的盤旋或折疊，形成的周期性構(gòu)象，維系二級結(jié)構(gòu)的力是氫鍵。,二級結(jié)構(gòu)主要形式有： -螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲,-螺旋（ -helix）,是在角蛋白中最常見的構(gòu)象，為右手螺旋。每圈螺旋3.6個氨基

10、酸殘基。側(cè)鏈基團R在螺旋外側(cè)。主鏈內(nèi)部形成H-鍵，不涉及側(cè)鏈R。 典型的-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6個氨基酸，跨越13個原子。,-折疊（ -sheet）,平 行 結(jié) 構(gòu),反 平 行 結(jié) 構(gòu),存在于絲心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比較伸展的構(gòu)象。主鏈之間形成H鍵，側(cè)鏈基團R交替地位于片層的上、下。,-轉(zhuǎn)角（ -turn）,肽鏈1800的回折,無規(guī)卷曲（random coil）,兩種主要類型的-轉(zhuǎn)角,指蛋白質(zhì)的肽鏈中沒有確定規(guī)律性的那部分肽段構(gòu)象。,3.4.3 超二級結(jié)構(gòu),超二級結(jié)構(gòu)（super secondary structure）：在蛋白質(zhì)中經(jīng)常存在由若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元按一

11、定規(guī)律組合在一起，形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)集合體，超二級結(jié)構(gòu)又稱基序或模體（motif）,四種類型的超二級結(jié)構(gòu),3.4.4 結(jié)構(gòu)域,結(jié)構(gòu)域（domain）：在較大的蛋白質(zhì)分子里，多肽鏈的空間折疊常常形成兩個或多個近似球狀的三維實體,它們之間連接松散。,由-折疊、 -螺旋形成的結(jié)構(gòu)域,丙酮酸激酶的一個結(jié)構(gòu)域,免疫球蛋白的一個結(jié)構(gòu)域,3.4.5 三級結(jié)構(gòu),三級結(jié)構(gòu)（tertiary structure）：指一條多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)（超二級結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域）的基礎(chǔ)上，進一步盤繞、折疊而成的具有特定肽鏈走向的緊密球狀結(jié)構(gòu), 或者說三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子和基團在三維空間的排布。,肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)及其結(jié)合的血

12、紅素亞基,三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠非共價相互作用 氨基酸親水的基團傾向于分布在分子的表面，疏水的基團在分子的內(nèi)部。,3.4.6 四級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu)（quaternary structure）：多個具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈（稱亞基，Subunit）的聚合?；蛘哒f四級結(jié)構(gòu)指亞基的種類、數(shù)目及各個亞基在寡聚蛋白中的空間排布和亞基之間的相互作用。,血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠是疏水作用力，另外還有離子鍵、氫鍵、范德華引力等 。 血紅蛋白由4個亞基組成（22）， 每個亞基都與肌紅蛋白非常相似。,4.多肽、蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,4.1 一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,氨基酸組成變化改變其功能,一級結(jié)構(gòu)改變引起分

13、子病,基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的下降或喪失，就會產(chǎn)生疾病，這種病稱為分子病（molecular disease）。,最早從分子水平證 明的先天性遺傳病 鐮刀形紅細胞貧血癥 (sickle-cell anemia)。,鐮刀形紅細胞,正常血細胞,hemoglobin 6: GAA(Glu) - GTA(Val),分子進化,細胞色素c 是由 104個氨基酸組 成的蛋白質(zhì)。 比較50種不同的 生物，發(fā)現(xiàn)由35 個是保守的。 凡與人類親緣關(guān) 系越遠的生物， 其氨基酸順序與 人類的差異越大。,從細胞色素c的一級結(jié)構(gòu)看生物進化,蛋白質(zhì)前體的激活,一些蛋白質(zhì)或酶在細胞中首先合成(翻

14、譯)的是其前體,在成為有功能的蛋白質(zhì)或酶之前需要激活. 例如,胰島素(insulin ).的前體是胰島素原(proinsulin),要在切除C肽之后才轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘囊葝u素,胰島素原的一級結(jié)構(gòu),4.2 高級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性,變性（denaturation）是指一些理化因素，如熱、光、機械力、酸堿、有機溶劑、重金屬離子、變性劑（如尿素等），破壞了維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的非共價作用力，使其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)果導(dǎo)致其生物活性的喪失。變性一般并不引起肽鍵的斷裂，但蛋白質(zhì)的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。 變性有時是可逆的。消除變性的因素，有些蛋白質(zhì)的生物活性可能得以恢復(fù)，稱為復(fù)性（ren

15、aturation）。,核糖核酸酶RNase的變性與復(fù)性,蛋白質(zhì)的正確折疊與分子伴侶,多肽鏈的特定空間結(jié)構(gòu)是其功能的保證。 肽鏈的正確折疊或者亞基的裝配常常需要由一些蛋白質(zhì)，例如熱激蛋白（Heat shock protein , Hsp）和某些酶的幫助，并且消耗ATP。但是，這樣的蛋白質(zhì)與酶并不加入到最終的折疊產(chǎn)物或裝配復(fù)合物中。它們被稱為分子伴侶（molecular chaperone）。,瘋牛病病牛的海綿樣腦組織,瘋牛病(BSE)可能是由于朊蛋白（Pron protein，PrP）的錯誤折疊引起的,蛋白質(zhì)的變構(gòu)與血紅蛋白的輸氧功能,變構(gòu)作用（Allosteric effect ）是指效應(yīng)劑

16、（變構(gòu)劑）作用于多亞基的蛋白質(zhì)或酶的某個亞基后，導(dǎo)致其構(gòu)象改變，繼而引起其他亞基構(gòu)象的改變，結(jié)果是蛋白質(zhì)或酶的生物活性的變化。可能是變構(gòu)激活，也可能是變構(gòu)抑制。 血紅蛋白中的4個亞基與氧分子的親和性不同。氧分子與血紅蛋白的一個亞基結(jié)合后，引起其構(gòu)象發(fā)生改變，這種變化在亞基之間傳遞，從而改變了其他亞基與氧的結(jié)合能力。（郵票模型）,氧合可以引發(fā)維系血紅蛋白4個亞基的8對離子鍵相繼斷開，從比較緊湊的T構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^松弛的R構(gòu)象。,血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線,與肌紅蛋白相比，血紅蛋白的多個亞基之間的相互作用使其與氧的結(jié)合 能力總體上削弱了（氧合曲線右移,由雙曲線轉(zhuǎn)變成S形曲線），但是賦予了 其新的能力 可以容易地將其結(jié)合的氧從氧分壓高的組織（肺泡）向氧 分壓低的組織（肌肉）輸送和轉(zhuǎn)移。,5.蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化,5.1 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì),（1）形態(tài)與分子量 球狀、桿狀、纖維狀，分子量5000以上至數(shù)百萬 （2）等電點 等電點時，蛋白質(zhì)通常有低的溶解度 （3）膠體特性 中性鹽、有機溶劑可