生物化学与分子生物学：第一章 蛋白质的结构与功能.ppt

第一篇生物分子结构与功能,蛋白质 核酸 酶（维生素）,牛奶中有什么营养物质呢？,蛋白质在细胞中含量仅次于水，占细胞干重50%以上我们每天都要摄入一定量的蛋白质蛋白质的结构与功能,第一章,Structure and Function of Protein,蛋白质的组成单位氨基酸,蛋白质的分离、纯化及结构分析,教学大纲,1.蛋白质元素组成及特点 2.组成人体蛋白质的基本单位 3.肽键、多肽链的概念 4.蛋白质一、二、三、四级结构的概念及维系的化学键、维持结构稳定因素 5.蛋白质二级结构的基本形式 6.蛋白质结构与功能的关系 7.蛋白质等电点、两性解离性质、蛋白质变性的概念,掌握,熟悉L-氨基酸的分类、理化性质及通式 熟悉蛋白质沉淀、紫外吸收及呈色反应等性质 了解蛋白质的生理功能，蛋白质的分类，模体、超二级结构、结构域及分子伴侣的概念；了解影响蛋白质二级结构不同形式形成的因素 了解蛋白质变性凝固概念、蛋白质分离和纯化方法蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物一、什么是蛋白质?,蛋白质研究的历史,1833年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。

1864年，血红蛋白被分离并结晶 19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽 20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定20世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展； 1962年，确定了血红蛋白的四级结构 20世纪90年代，功能基因组与蛋白质组研究展开分布广：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 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80 种类多: 人体内蛋白质10万种,1. 蛋白质是生物体重要组成成分,二、蛋白质的生物学重要性,作为生物催化剂（酶） 代谢调节作用（激素） 免疫保护作用（抗体） 物质的转运和存储（血红蛋白、脂蛋白） 运动与支持作用（结构蛋白） 参与细胞间信息传递（受体）,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能（10%-15%）,蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein,第一节,主要有C、H、O、N和S有些蛋白质含有少量P或金属元素（Fe、Mn、Zn、Co、Cu等）组成蛋白质的元素,组成蛋白质的基本元素有哪些？为什么利用含氮量可测量样品中的蛋白质含量？,各种蛋白质的含氮量很接均为16。

100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.25100,1/16%,蛋白质元素组成的特点,一只2.5kg的兔子，测定出每100克中的含氮量为 2g，推算这只兔子的蛋白含量？,三鹿牌婴幼儿配方奶粉受到三聚氰胺污染,三聚氰胺，Melamine 蛋白精 (没了命),性状为纯白色单斜棱晶体，不可燃，无味，低毒,为什么在奶粉中掺入三聚氰胺？, 组成蛋白质的基本单位,一、蛋白质中的氨基酸,1. 氨基酸(amino acid)是蛋白质的基本组成单位,2. 构成人体蛋白质的氨基酸共20种,3. 均为L-氨基酸(甘氨酸除外),缬氨酸,亮氨酸,(1)氨基酸这一名词与其分子结构有对应关系吗?(2)这些氨基酸的结构有什么共同点?(3)这些氨基酸的结构有什么不同点?(4)你能归纳氨基酸的结构特点并写出氨基酸的结构通式吗?,共同部分,侧链,1.氨基酸的结构通式：（熟悉）,20种氨基酸均为-氨基酸,一般结构式,2. 氨基酸的构型：,当碳原子与四个不同基团连接时，可能有两种不同空间构型：D型和L型非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质 进行分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,侧链含有-COOH，易解离出H+而具有酸性。

五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）,非蛋白质氨基酸：鸟氨酸、瓜氨酸、氨基丁酸等,修饰氨基酸： 羟脯氨酸、羟赖氨酸、胱氨酸等,几种特殊氨基酸,半胱氨酸,胱氨酸,1. 两性解离及等电点,等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点用途?,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近芳香族氨基酸的紫外吸收,用途?,2. 紫外吸收,大多数蛋白质含有这几种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法3. 茚三酮显色反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处 由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键肽键(peptide bond),四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,（二肽）,肽键的特点： 键长为0.132nm ,介于单键（键长为0.147nm）与双键（键长为0.128nm）之间,不能自由旋转。

寡肽(oligopeptide): 10个氨基酸残基 多肽(polypeptide): 10个氨基酸残基,肽(peptide) ： 氨基酸通过肽键相连而形成的化合物称为肽蛋白质和多肽的界限：（习惯，并非绝对） 多 肽： 50氨基酸 如胰岛素（51）,形成三肽时产生几分子水？形成几个肽键？,R1O R2 O R3 O Rn H2N -C-C-N-C-C-N-C-C- -N-C-COO-H H H H H H H,肽 链,N末端,C末端,多肽链(polypeptide chain) 是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构,肽链的书写方向：N端C端,侧链基团（R基团）,不同R基团使多肽链折叠为独特的空间结构，赋予其不同的理化性质和功能,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH与GSSG间的转换,还原型谷胱甘肽具有保护作用体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide)：脑啡肽、神经肽Y、P物质、内啡肽等2. 多肽类激素及神经肽,其他：某些抗生素（短杆菌肽S等）、蕈毒素等,名词解释： 氨基酸的两性解离、等电点、肽键、 问答题： 1.组成蛋白质的基本元素有哪些？有何特点？ 2.组成人体蛋白质的氨基酸有多少种？可分为哪几类？各包含哪些氨基酸？,复习题,1.组成蛋白质的基本元素及特点（掌握） C、H、O、N、S（含氮量16%） 2.蛋白质的组成单位氨基酸（熟悉） 20种、L-氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸 3.氨基酸的理化性质 两性解离及等电点概念（掌握） 4.氨基酸的连接方式： 肽键（概念、特点） （掌握）,小 结,氨基酸,蛋白质,由组成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序和蛋白质空间结构的不同，决定了蛋白质结构功能的多样性。

从而决定了生物的多样性组成蛋白质的氨基酸约有20种，但是由氨基酸构成的蛋白质却多种多样，蛋白质分子结构有无多样性呢？,蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein,第二节,53,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,蛋白质的分子结构包括:,定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质 的一级结构,主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 二级结构,主要的化学键：氢键,侧链基团（R基团）,不同R基团使多肽链折叠为独特的空间结构，赋予其不同的理化性质和功能,NH,CO,肽键不能自由旋转,（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上,肽单元,肽单元平面,123.5,120.5,116,122,119.5,118.5,参与肽键形成的6个原子在同一平面上,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 肽单元是蛋白质二级结构的基本结构单位。

螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil),（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构,蛋白质二级结构的形式,1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时，提出了-螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在-螺旋1. -螺旋,结构要点：多肽链主链围绕中心轴螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm多为稳定的右手螺旋相邻螺旋圈之间可形成氢键，与螺旋长轴基本平行侧链基团位于螺旋外侧,-螺旋,影响-螺旋形成的因素：,各氨基酸残基的侧链影响-螺旋的形成及稳定,具有较大侧链氨基酸残基集中的区域,酸性或碱性氨基酸残基集中的肽段,如：苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、组氨酸集中的肽段 多聚脯氨酸,头发主要成分是蛋白质，主要由-角蛋白构成 头发的性能取决于-角蛋白 头发在湿润或牵拉时可增加30%的长度 角蛋白-螺旋氢键,（三） -折叠使多肽链形成片层结构,多肽链形成片层结构,结构特征： 多肽链中每个肽单元折叠成锯齿状（含5-8个AA残基）； 所有肽键的C=O和N=H形成链间氢键,与主链垂直； 氨基酸残基侧链位于锯齿状结构的上、下方； 两条或两条以上肽段的锯齿状结构（ -折叠片层结构）方向可相同也可相反。

俯 视 图,侧 视 图, -折叠（ -pleated sheet)模型图,-转角,多肽链中出现的180o回折的肽段，又称发夹结构或U型回折，通常由4个氨基酸残基组成，其中第二个氨基酸最常见为脯氨酸四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构RNase的分子结构,-螺旋,-折迭,-转角,无规卷曲,（五）模体是具有特殊功能的超二级结构,在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构二级结构组合形式有3种：， 具有特殊功能的超二级结构称为模体(motif) 或：指构成任意一种特征序列或结构的基本单位称为模体(motif) 钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,-螺旋-转角（或环）-螺旋模体 链-转角-链模体 链-转角-螺旋-转角-链模体,模体常见的形式,氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响,蛋白质二级结构是以一级结构为基础的一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或-折叠，它就会出现相应的二级结构三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。

即肽链中所有原子在三维空间的排布位置定义:,（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,非共价键 的键能小， 但数量多， 足以发挥 稳定作用,（二）结构域是三级结构层次上的独立功能区,分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域 (domain) 或：在一条肽链内折叠成的局部结构紧密的区域或：蛋白质或核酸分子中含有的、与特定功能相关的 一些连续的或不连续的氨基酸或核苷酸残基肌红蛋白 (M。