硕蛋白质化学.pptx
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1、一、蛋白质化学蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的,具有特定分子结构的高分子化合物。通常将氨基酸残基数目在50个以上(分子量在6000道尔顿以上),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。蛋白质在生物体内分布广、含量高,具有重要的生物学功能。第1页/共108页7)氧化供能第2页/共108页蛋白质的元素组成1 1、一切蛋白质均含有、一切蛋白质均含有C C、H H、O O和和N N四种元素,部四种元素,部分蛋白质含分蛋白质含S S,某些蛋白质还含有少量金属元,某些蛋白质还含有少量金属元素。素。2 2、蛋白质是体内含量最多的含氮化合物,平均、蛋白
2、质是体内含量最多的含氮化合物,平均含氮含氮16%16%。只要测出生物样品中的含氮量,再。只要测出生物样品中的含氮量,再乘以乘以6.256.25,即可换算出蛋白质的含量(样品含,即可换算出蛋白质的含量(样品含氮量氮量 6.25=6.25=样品中蛋白质含量)。样品中蛋白质含量)。第3页/共108页(一)氨基酸(一)氨基酸(amino acids)(amino acids)(amino acids)(amino acids)组成蛋白质的基本单位是氨基酸。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-L-氨基酸。这2020种氨基酸都有各自的遗传密码。第4页
3、/共108页在体内,一些特殊蛋白质分子中还含有其它氨基酸,如胱氨酸、胶原蛋白中的羟脯氨酸及羟赖氨酸等,它们都是在蛋白质生物合成之后,相应的氨基酸残基被修饰形成的。第5页/共108页氨 基 酸 的 分 类氨基酸按侧链的理化性质(极性)分为4组,分别是:非极性、疏水性氨基酸:Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro极性、中性氨基酸:Trp、Ser、Tyr、Cys、Met、Asn、Gln、Thr酸性氨基酸:Asp、Glu碱性氨基酸:His、Lys、Arg第6页/共108页甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 v
4、aline Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸第7页/共108页色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺
5、天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602.极性中性氨基酸极性中性氨基酸第8页/共108页天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593.酸性氨基酸酸性氨基酸4.碱性氨基酸碱性氨基酸第9页/共108页根据R的化学结构:(1)含巯基的氨
6、基酸:Met、Cys(2)芳香族氨基酸:Phe、Tyr、Trp(3)含羟基的氨基酸:Ser、Thr(4)杂环亚氨基酸:Pro第10页/共108页(二)氨基酸的理化性质:(二)氨基酸的理化性质:1 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pHpH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pHpH值称为该氨基酸的等电点(pIpI)。2 2紫外吸收性质:组成天然蛋白质分子的2020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280nm280nm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。3 3茚三
7、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570nm570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。第11页/共108页蛋白质的颜色反应PH57茚三酮蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质第12页/共108页(二)肽(peptides)肽键(peptide bond):(peptide bond):就是一个氨基酸的就是一个氨基酸的-羧基与另一个氨基羧基与另一个氨基酸的酸的-氨基脱水缩合形成的键。氨基脱水缩合形成的键。氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽肽。第13页/共108页多肽链具有方向性,头端为N N端,尾端为C C端。N N端 C C端有自
8、由氨基的一端称氨基末端(aminoterminal)或N端,有自由羧基的一端称为羧基末端(carboxylterminal)或C端。氨基酸残基(reside):主链、侧链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。第14页/共108页(三)蛋白质的结构层次蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外,蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构,即构象(conformation)。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。蛋白质的一级结构就是指多肽链中氨基酸残基的排列顺序,即氨基酸序列。l一级结构
9、是蛋白质最基本的结构,它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的第15页/共108页 胰岛素(InsulinInsulin)由5151个氨基酸残基组成,分为A A、B B两条链。A A链2121个氨基酸残基,B B链3030个氨基酸残基。第16页/共108页分子病(moleculardiseases):蛋白质一级结构变异导致功能异常,引起的疾病。镰刀状红细胞贫血:由于基因突变导致血红蛋白-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。第17页/共108页镰状细胞贫血(sick-cellanemia)从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。
10、-链1234567Hb-AVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-LysHb-SVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-LysVal取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑点含氧HbS脱氧HbS疏水位点血红蛋白分子凝集第18页/共108页蛋白质的二级结构指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象,不涉及侧链部分的构象。肽单元(peptide unite):由参与肽键的6个原子Cl,C,O,N,H,C2构成的结构单位,它们位于同一平面上,是蛋白质二级结构的基本单位。又称为肽键平面。第19页/共108页 肽键(C-N)(C-N)有一定程度双键性能,不能自由旋转。C C分别与N N和C
11、C相连的键都是典型的单键,可以自由旋转。第20页/共108页多肽链可以看成是由C串联起来的无数个酰胺平面组成的。多肽链主链在空间沿一定方向可形成-螺旋、片层、转角或无规卷曲等特定空间构象,二级结构形式由氢键维系。第21页/共108页(1)-螺旋(-helix)Pauling和Corey于1965年提出。右手螺旋第22页/共108页右手螺旋左手螺旋第23页/共108页3)R侧链基团伸向螺旋的外侧。RRRRRRRRR螺旋的横截面4)Pro的N上缺少H,不能形成氢键,经常出现在-螺旋的端头,它改变多肽链的方向并终止螺旋。l极大的R R侧链基团(存在空间位阻)l连续存在的R R侧链带有相同电荷的R R
12、侧链(同种电荷的互斥效应)结构要点:1)螺旋的每圈有3.6个氨基酸。2)维持螺旋稳定的作用力是氢键(hydrogenbond)。第24页/共108页(2)-折叠结构(-pleatedsheet)-折迭是由若干肽段或肽链排列起来所形成的相当伸展的片层构象。CCCCCCRRRRRRNNCNNCCC平行反平行-折叠片中,相邻多肽链平行或反平行(较稳定)。第25页/共108页第26页/共108页第27页/共108页(3)-转角(-turn)为了紧紧折叠成紧密的球蛋白,多肽链常常反转方向,成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。N1CHCC2CHNHO=C3CHNC4CH
13、NRRHOHRROHO-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。第28页/共108页(4)无规卷曲没有一定规律的松散肽链结构。酶的活性部位。模体(motif)或超二级结构第29页/共108页第30页/共108页结构域(domain)是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构,具有部分生物功能。第31页/共108页蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键,包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力(VanderWasls力)等。肌红蛋白血红蛋白蛋白质的三级结构指多肽链上的所有原子(包括主链和侧链)在三维空间的分布。即多肽链在二级结构基础上折叠、盘旋所形成的棒状、球形或
14、椭球形等构象。第32页/共108页第33页/共108页l维系三级结构的化学键主要是非共价键(次级键),如疏水键、氢键、盐键、范德华氏(van der Waals)van der Waals)引力等,但也有共价键,如二硫键等。第34页/共108页蛋白质的四级结构l是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式;各个亚基在这些蛋白非共价键连接起来的结构形式;各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。l这种蛋白质分子中,最小的单位通常称为亚基或亚这种蛋白质分子中,最小的
15、单位通常称为亚基或亚单位单位Subunit,它一般由一条肽链构成,无生理活性;,它一般由一条肽链构成,无生理活性;l由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白;由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白;l并非所有蛋白质分子均具有四级结构形式,三级结构是含单一肽链的蛋白质最高结构形式。第35页/共108页图血红蛋白亚基结合模式图第36页/共108页第37页/共108页第38页/共108页第39页/共108页共价键次级键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键盐键范德华力三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键第40页/共108页分子伴侣分子伴侣(chaperon)概念概念概念概念:帮
16、助新生多肽链正确折叠的一:帮助新生多肽链正确折叠的一 类蛋白质。类蛋白质。作用:作用:1.可逆地与未折叠肽段的疏水部分可逆地与未折叠肽段的疏水部分 结合,防止错误折叠。结合,防止错误折叠。2.与错误折叠的肽段结合,诱导其与错误折叠的肽段结合,诱导其 正确折叠。正确折叠。3.对蛋白质分子中二硫键的正确形对蛋白质分子中二硫键的正确形 成起重要作用。成起重要作用。第41页/共108页蛋白质的高级结构表现生物学功能。随蛋白质的变性或复性,蛋白质的生物学活性丧失或恢复,这一事实不仅证明一级结构决定高级结构,同时也说明高级结构表现生物学功能;蛋白质的别构效应(如血红蛋白结合氧、变构酶的调节机制)也是证明高
17、级结构与生物学功能密切相关的典型示例。第42页/共108页HbHb和和MbMb的氧解离曲线不同,前者为的氧解离曲线不同,前者为S S状曲线状曲线,后者为,后者为直角双曲线直角双曲线。HbHb与与0 02 2结合存在结合存在协同效应协同效应和和变构效应变构效应。第43页/共108页协同效应:Hb分子中一条链结合O2后,可以导致其构象的变化,使其它链结合O2的能力突然增强(正协同效应)。第44页/共108页别构效应:是某些寡聚蛋白质特有的现象。是指蛋白质与效应物结合改变蛋白质的构象,进而改变蛋白质的生物活性。在没有结合氧气时,Hb的四条链之间结合紧密,这种构象称为T态,由于屏蔽了分子表面疏水的空穴
18、,使Hb分子结合O2的能力降低。当一条链结合了氧气之后,Hb的四级结构随之改变,亚基间盐键断裂,这种构象称为R态,此时链表面疏水的空穴暴露在外,结合氧气的能力得以增强。Hb的另一个别构效应是波尔效应:H+和CO2对Hb与氧气结合的影响。表现为H+和CO2促进Hb释放O2,氧合曲线右移。另外,DPG降低Hb与O2的结合能力。第45页/共108页第46页/共108页第47页/共108页第48页/共108页第49页/共108页(五)蛋白质的理化性质1蛋白质的两性解离性质在酸性溶液中,蛋白质分子解离为阳离子;在碱性溶液中解离为阴离子。在某一特定pH的环境中,蛋白质分子不解离,或解离为阳离子和阴离子的趋
19、势相等,即成兼性离子。使蛋白质分子呈兼性离子的pH称为蛋白质的等电点(pI)。各种电泳法、离子交换层析法分离蛋白质,测定相对分子质量及酸、碱、盐沉淀蛋白质即是这一性质的应用。第50页/共108页两性电离阳离子PHPI兼性离子PH=PI2蛋白质的高分子特性 蛋白质分子是高分子化合物(分子量在1万到数十万之间),呈球状或纤维状。第51页/共108页3.亲水胶体特性:影响蛋白质溶液胶体稳定的因素有两个,一为电荷状态,二为蛋白质颗粒外层的水化膜。+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白
20、质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用第52页/共108页4.蛋白质的变性与复性在某些物理和化学因素作用下,蛋白质特定的空间构象被破坏,从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失,称为蛋白质的变性(denaturation)。蛋白质的变性主要发生二硫键和非共价键的破坏,不涉及级结构的改变。在医学上,变性因素常被应用来消毒及灭菌。防止蛋白质变性是有效保存蛋白质制剂(如疫苗等)的必要条件。第53页/共108页l变性蛋白质的性质改变:物理性质:旋光性改变,溶解度下降,沉降率升高,粘度升高,光吸收度增加等。化学性质:
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