蛋白质的结和功能Word格式文档下载.docx
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⏹酸性氨基酸:
pI=(pK1+pKR)/2碱性氨基酸:
pI=(pK2+pKR)/2
⏹中性氨基酸的等电点一般在5.0-6.5之间;
酸性氨基酸为2.7-3.2,碱性氨基酸为9.5-10.7
2、紫外吸收
▪芳香族氨基酸在波长约为280nm处有最大光吸收峰吸收强度比较:
Try>
Tyr>
Phe应用:
测定生物样品中蛋白质的含量
3、氨基酸的呈色反应
茚三酮反应原理:
印三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应,最后茚三酮与反应产物—氨和还原茚三酮发生作用,生成Ruhemann’s紫色物质,在570nm有光吸收。
应用:
适应于氨基酸、多肽和蛋白质的定性和定量分析。
氨基酸小结:
⏹蛋白质氨基酸:
20种L-α-氨基酸(gly无手性碳原子,脯氨酸为亚氨基酸)
⏹R-侧:
非极性、极性中性、酸性和碱性
⏹理化特性:
两性电离、紫外吸收、成色反应
二、肽(peptide)★
肽的一些要点:
1、肽、二肽、寡肽(olygopeptide)、多肽(polypeptide)
2、多肽链、氨基末端(N-末端)、羧基末端(C-末端)、氨基酸残基、主链、侧链
3、多肽链书写要求:
N-端(H表示)→C-端(OH表示),如脑啡肽的书写:
H-Tyr.Gly.Gly.Phe.Leu-O或Y.G.G.F.或酪.甘.甘.苯丙.亮
(三)生物活性肽
指生物体内具有调节功能的肽,在调节代谢、生长、发育、繁殖等生命活动中起着重要作用如:
⏹谷胱甘肽
⏹多肽类激素:
催产素(9肽)、加压素(9肽)、粗肾上腺皮质激素(39肽)
⏹神经肽:
脑啡肽(5肽)、β内啡肽
⏹抗菌肽:
短杆菌肽S
GSH氧化还原作用
神经肽(neuropeptide):
第二节蛋白质的分子结构★
⏹一级结构(初级结构)空间结构(高级结构):
二、三、四级结构
一、蛋白质的一级结构
1、定义:
蛋白质多肽链中的氨基酸种类、数目和特定排列顺序,还包括肽链数目和二硫键位置等。
2、一级结构的重要性:
⏹蛋白质高级结构和生物功能的基础。
遗传病研究(分子病)物种进化研究
二、蛋白质的空间结构★
空间结构表示方法空间结构的作用力二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构
⏹空间结构的折叠问题
二硫键(disulfidebridge)
两个半胱氨酸的巯基脱氢氧化可产生二硫键
二硫键可在同一条肽链内或不同肽链之间形成
二硫键属共价键,对于维持蛋白质的三级结构和生物活性起很大作用
氢键(hydrogenbond)
定义:
负电性很强的原子(如氧或氮)和已与氧或氮共价结合的氢原子相互吸引,这种作用称为氢键
氢键作用:
对于二级结构(主链构象)的稳定起主要作用
对于维系蛋白质三、四级结构也起着一定的作用
非极性键/疏水键(hydrophobicinteraction)
⏹定义:
指疏水基团在水溶液中常避开水而聚集在一起的那种力量,或指非极性基团受到水分子的排斥相互聚集在一起的作用力对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起主要作用
离子键/盐键(electrostaticinteractionorsaltbridge)
指正负离子电荷间的静电引力
⏹盐键对蛋白质三、四级结构的形成和稳定起重要作用
凡德华力(Vanderwaalsinteraction)
原子间在一定空间距离上的相互作用力(吸引力和排斥力的总称)
(三)蛋白质的二级结构
1、蛋白质的二级结构概述:
多肽链主链以肽平面为单位折叠形成局部肽段的空间排布方式。
⏹类型:
α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。
⏹肽键和肽键平面的特性
肽键平面或酰胺平面要点:
⏹肽键具有双键性质,不能自由转动,与肽键相关的6个原子-Cα1-CO-NH-Cα2-约束于一个平面,称为肽平面(peptideplane),此平面上的6个原子:
称为肽单元(peptideunit);
⏹肽平面是反式构形,即2个Cα在肽键的异侧
⏹Cα与肽键的N、C原子是单键,可旋转,决定了相邻肽平面的相对空间位置。
3、α-螺旋(α-helix)
蛋白质分子中局部肽链的肽平面通过α碳原子旋转,使碳链主链沿中心轴盘曲成稳定的右手螺旋构象
⏹α螺旋式重主要的二级结构形式,存在于大多数的蛋白质中,如α角蛋白(皮肤、毛发、指甲、和角)全部是α螺旋
α-螺旋的要点:
⏹一般为右手螺旋(ϕ=-57o,ψ=-47o);
⏹每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基,螺距为0.54nm;
又称133.6螺旋
⏹螺旋圈之间通过氢键(aa1的C=O和aa4的-NH之间)维持结构稳定;
⏹R侧链位于螺旋外侧,其大小、形状及电荷等是影响此结构形成的主要因素。
R侧链对α—螺旋的影响
⏹多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys,或Asp,或Glu),不能形成稳定的α—螺旋。
如多聚Lys、多聚Glu。
⏹Gly在肽中连续存在时,不易形成α—螺旋。
⏹R基大(如Ile)不易形成α—螺旋
⏹Pro、脯氨酸中止α—螺旋。
⏹R基较小,且不带电荷的氨基酸利于α—螺旋的形成。
如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成α—螺旋。
4、β-片层(β-pleatedsheet)
多肽链的局部肽段,以肽键平面为单位折叠成锯齿状的一种较伸展结构。
β-片层要点:
⏹多肽链较伸展,遇Cα发生折叠,R侧链交错位于锯齿状结构上下方;
⏹两条或多条肽链片段平行排列,靠链间氢键稳定构象;
⏹两条肽链的走向可以是顺向平行或反向平行或混合排列。
5、β-转角(β-turn)
β-转角:
多肽链中的某局部出现180度回折处形成的特定构象。
一般由四个氨基酸组成,常见氨基酸:
Pro,Gly,Asp,Asn,Trp。
以氢键维持稳定,第1个氨基酸残基的C=O与第4个残基的N-H之间形成氢键。
赋予蛋白质较大的构象柔性,常位于三维结构的表面,有些具有特定功能。
6、无规则卷曲(randomcoil)
不规则卷曲:
没有明确规律性的那部分肽段的结构。
但这些“无规则卷曲”也象其他二级结构那样是由明确而稳定的结构。
作用:
赋予蛋白质较大的构象柔性,常构成蛋白质的特定功能部位。
如许多钙结合蛋白中结合钙离子的EF手结构的中央环
(四)蛋白质的超二级结构:
模体(motif)
⏹概念:
多肽链中一些临近的二级结构单元,相互作用,形成有规则的二级结构组合。
1973年RossmanMG首先提出的。
⏹作用:
属于二级结构与三级结构之间的结构层次,是结构域和三级结构的“建筑模块(module)”;
有些有特定功能。
⏹常见类型:
αα、ββ、βαβ
(五)结构域(domain)
多肽链上二级结构单元和超二级结构模体以特定方式作用组合,在蛋白质分子中形成一个或多个可明显区分的局部空间结构区域,常具有特定的功能。
有时也称功能域(functionaldomain)。
⏹一般说,功能域是蛋白质分子中独立存在的功能单位。
功能域可以是一个结构域,也可以是由两个或两个以上结构域组成。
结构域的特征:
⏹结构域50-350个氨基酸残基构成,与整个蛋白质分子是共价相连,蛋白质分子可以有多个相同或不同结构域的组合;
⏹多结构域蛋白质的结构域常有它对应的基因外显子编码;
⏹是多肽链的独立折叠单位,结构域之间常有一段柔性的肽链连接(铰链区,hinge),是结构域容易发生相对运动;
⏹结构域承担一定的生物学功能,几个结构域协同作用,可体现出蛋白质的总体功能。
例如,脱氢酶类的多肽主链有两个结构域,一个为NAD+结合结构域,一个是起催化作用的结构域,两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。
⏹结构域之间有一裂沟(cleft)或口袋状,常常是活性部位。
(六)蛋白质的三级结构tertiarystructure
指整条多肽链所有原子(主链和侧链)三维空间排列,也即在二级结构基础上进一步盘曲或折叠所形成的立体结构。
⏹作用力:
疏水键、离子键、氢键、凡德华力和二硫键等。
⏹意义:
多肽链的三级结构与蛋白质功能和性质密切相关。
球状蛋白三级结构特征:
⏹多层次模块化装配:
多种二级结构元件→超二级结构(模体)→结构域→三级结构;
⏹密度不均:
大部分紧密球状或椭球状实体中有低密度松散区(β-转角、无规则卷曲、loop等),这是蛋白质构象易发生变化的部位;
⏹疏内亲外:
大部分球状蛋白疏水侧链埋藏在分子内部,亲水侧链暴露在分子表面是最稳定结构(膜内蛋白例外),隐藏疏水残基避免与水接触是安排二级结构单元形成特定三级结构的主要动力;
⏹球状蛋白表面常有一个空穴(裂沟、凹槽或口袋),空穴周围分布着许多疏水侧链,为底物等发生化学反应营造一个疏水环境(低介电区)。
空穴大小约能容纳1~2各小分子配体或大分子的一部分。
(七)蛋白质的四级结构quaternarystructure
有两条或两条以上独立三级结构的多肽链彼此通过次级键结合而形成的空间结构。
⏹亚基(subunit):
四级结构蛋白中,具有独立三级结构的多肽链。
故四级结构实际是亚基的立体排列和相互作用。
疏水键、离子键、氢键
四级缔合在结构和功能上的优越性
(八)蛋白质的折叠问题
⏹一级结构蛋白质的空间结构基础,蛋白质趋向形成一种能量最低,结构最稳定的三级结构,这是蛋白质能折叠的动力;
⏹细胞内高稠密介质,以及狭窄空间使得伸展的和部分折叠的蛋白质在高浓度时倾向于聚集;
无法自我迅速完成正确折叠
⏹两大类蛋白质参与蛋白质折叠:
⏹蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI):
加速蛋白质折叠过程中形成正确配对二硫键;
⏹分子伴侣(molecularchaperone):
为蛋白质折叠提供一个有利的折叠环境,与未折叠肽段的疏水部分可逆结合,防止聚集和错误折叠,诱导正确折叠。
如热休克蛋白(heatshockprotein)等
三、蛋白质的分类
1、组成分类:
⏹单纯蛋白:
清蛋白、球蛋白、组蛋白、精蛋白、硬蛋白和植物谷蛋白等。
⏹结合蛋白:
单纯蛋白+非蛋白(辅基)
核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、色蛋白和金属蛋白等
2、溶解度分类:
可溶性蛋白、醇溶蛋白和不溶性蛋白
3、分子形状分类:
球状蛋白和纤维蛋白
第三节蛋白质结构与功能的关系
一、一级结构与功能关系
(一)一级结构是空间结构的基础
上世纪60年代,C.Anfinsen对核糖核酸酶(RNase)空间构象拆分和复原实验:
(二)一级结构与功能关系:
一级结构不同,功能不同;
一级结构相似,空间构象和功能也相似
(三)一级结构的种属差异与分子进化
⏹同源蛋白质:
在不同的生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。
如:
血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能,细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。
⏹通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化。
亲源关系越远,同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大;
反之,就越小。
1.胰岛素(insulin)
⏹胰岛素51个氨基酸残基,A.B链由二硫键相连,胰岛素由前体分子胰岛素原加工而来;
⏹有24个氨基酸残基位置始终不变:
A.B链上6个Cys不变,其余18个氨基酸多数为非极性侧链,对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。
⏹其它可变氨基酸对稳定蛋白质的空间结构作用不大,但对免疫反应起作用。
⏹猪与人接近,而狗则与人不同,因此可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。
(四)蛋白质一级结构的突变--分子病
⏹基因突变引起的某个功能蛋白的某一个或几个氨基酸残基发生了遗传性替代从而导致整个分子的三维结构发生改变,功能部分或全部丧失。
⏹镰刀形红细胞贫血现是由于血红蛋白发生了遗传突变引起的β链第6位的aa线基由正常的Glu变成了疏水性的Val
HbAβH2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…-COOH
HbSβH2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…-COOH
二、蛋白质空间结构与功能的关系
⏹蛋白质空间结构决定蛋白质功能;
⏹蛋白质空间结构相似其功能也相似;
⏹蛋白质空间结构改变导致蛋白质功能改变,严重时导致疾病---蛋白质构象病:
⏹肌红蛋白(myoglobin,Mb)
153个氨基酸残基和一个血红素辅基;
8个α螺旋结构:
A、B、C、D、E、F、G、H
⏹血红蛋白(homoglubin,Hb)
四个亚基构成(2α、2β),α链含141个氨基酸残基、β146个氨基酸残基;
亚基间通过8个离子键连接
(二)Mb和Hb的氧解离曲线:
蛋白构象与氧合关系
Mb:
矩形双曲线,表示易于氧结合;
Hb:
S型曲线,表示在低氧分压时结合较难,亚基与O2结合呈现正协同效应(positivecooperativity),表明Hb的四个亚基与O2结合的亲和力不同,第一个结合较难,但一旦结合后,促进第二、第三亚基与O2结合,而后者又大大促进第四个亚基与O2结合。
氧分子(配体)与Hb亚基结合后引起亚基构象变化,称为变构效应(allostericeffect)
(三)构象病
⏹构象病:
蛋白质一级结构没有改变,而由蛋白质的构象发生改变而影响其功能,严重时导致疾病。
如疯牛病、hentington舞蹈病等
⏹疯牛病:
由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性疾病,具有传染性、遗传性和散发的特点。
⏹机理:
一、蛋白质的理化性质
(一)蛋白质的两性解离和等点电
⏹蛋白质的两性电离(amphipathicionization):
电离基团、溶液pH值
(二)蛋白质的胶体性
1、胶体性:
分子颗粒1-100nm,布朗运动、光散射现象、不能透过半透膜等;
2、亲水胶体的稳定因素:
水化层、同性电荷
3、亲水胶体的生理意义:
细胞原生质体、细胞形状、弹性、粘度等
(三)蛋白质的变性、沉淀和凝固
1、蛋白质的变性(denaturation)
◆吴宪的蛋白质变性学说:
天然蛋白质分子是由多肽链所组成,分子的规则性紧密结构是由分子中的次级键维持,它很容易被物理和化学力量所破坏。
变性作用是天然蛋白质分子结构的松解,即由原来有规则、紧密结构变为开链的无规则、松散结构。
这种变性学说可以解释有关蛋白质变性的事实,至今仍为人们所承认。
◆定义:
某些物理或化学因素使蛋白质分子特定的空间构象改变或破坏,导致其生物活性丧失和理化性质改变(溶解度降低、粘度增加、易被降解)。
◆类型:
可逆变性和不可逆变性机理:
破坏二硫键和次级键
2、蛋白质的沉淀(preciptation)
在某些因素作用,蛋白质聚集并从溶液中析出的现象。
◆蛋白质沉淀的条件:
除去稳定蛋白质胶体的两个因素:
水化膜和同种电荷。
◆蛋白质沉淀方法:
(1)盐析saltingout
◆盐析:
在蛋白质溶液中加入大量的中性盐(硫酸铵、硫酸钠)以破坏蛋白质胶体稳定性而使其析出。
◆分段盐析:
不同蛋白质溶解度不同,盐析时需要的盐溶度不同,故可用不断提高盐浓度的方法使不同的蛋白质从混合物溶液中分别沉淀出来。
如:
半饱和硫酸铵-------沉淀血清中的球蛋白
饱和硫酸铵---------沉淀血清中的白蛋白
盐析沉淀的蛋白质通常不变性、
(2)有机溶剂沉淀蛋白质
◆破坏蛋白质颗粒水化膜,等点电时蛋白沉淀
◆常温下易变性
(3)重金属沉淀蛋白质
◆pH>
pI时,生成重金属盐沉淀,常变性
(4)生物碱试剂(单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、磷钨酸、磷钼酸和三氯乙酸)沉淀蛋白质
◆pH<
pI时,生成不溶性盐沉淀;
◆制备无蛋白滤液
(5)加热凝固
变性→松散不规则→聚集凝块
少量盐可促进蛋白质加热凝固,如制豆腐。
(四)蛋白质的呈色反应
1、茚三酮反应:
蛋白质与茚三酮加热可产生蓝紫色,多肽、氨基酸和伯胺类有同样反应。
2、双缩脲反应:
蛋白质在碱性溶液中与硫酸铜反应呈紫红色。
是肽键反应。
用于蛋白定量
3、与酚试剂反应:
碱性溶液中蛋白质的色氨酸和酪氨酸残基与酚试剂(磷钨酸-磷钼酸)反应呈兰色。
灵敏度高,用于微量蛋白定量
(五)蛋白质紫外吸收
⏹大部分蛋白质均含带苯核的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸,苯核在紫外280nm显示最大光吸收。
利用它可测定溶液中蛋白质含量。
二、蛋白质的分离纯化
(一)蛋白质分离纯化一般程序:
⏹前处理(pretreatment):
对生物材料的处理,把蛋白质从原来的组织或细胞中以溶解的状态释放出来,并保持原来的天然状态和生物活性。
剔除结缔组织和脂肪等、脱脂、破碎组织细胞
⏹粗分离(roughfractionation):
获得蛋白提取液后,选用一套适当方法,将所要蛋白质与其他杂分子分离开来和浓缩体积。
选用方法要简便、处理量大,既能去除杂蛋白又能浓缩蛋白溶液。
如盐析、有机溶剂分级分离等,体积过大可选用超滤、凝胶过滤、冷冻真空干燥等
⏹细分离(finefractionation):
样品的进一步纯化。
一般使用层析方法:
凝胶过滤、离子交换层析吸附层细、亲和层析等,这些方法一般规模小,但分辨率高。
(二)蛋白质的分离纯化方法
1、根据溶解度:
◆等电点沉淀和pH控制
◆盐析
◆有机溶剂沉淀
2、根据分子大小:
◆透析和超滤:
◆离心法(超速离心和密度梯度离心)
◆分子筛层析(凝胶过滤)
3、根据电荷不同
◆电泳
按支持物分:
簿膜电泳、凝胶电泳;
按目的分:
制备电泳、分析电泳
◆离子交换层析
阴离子交换层析和阳离子交换层析
4、根据吸附特性:
吸附层析
5、根据配体特异性亲和性:
亲和层析
三、多肽链中氨基酸顺序分析
◆氨基酸组成分析:
完全水解、离子交换层析分离;
◆肽链二个末端氨基酸分析(DNP法、丹酰氯法);
◆大片段分解成小片段:
选择性酶解、离子交换层析分离
◆小片段测序:
Edman降解法
◆完整的肽链氨基酸顺序:
根据肽段重叠部分将小肽段拼接出完整的序列
第二章核酸的结构与功能
StructureandFunctionofNucleicAcid
一核酸的化学组成及一级结构
核酸
单核苷酸(B-R-P)
磷酸(P)
核苷(B-R)
戊糖(R)
碱基(B)
D-核糖
D-2-脱氧核糖
嘌呤(purine)
嘧啶(pyrimidine)
腺嘌呤(adenine,A)
鸟嘌呤(guanine,G)
胞嘧啶(cytosine,C)
胸腺嘧啶(thymine,T)
尿嘧啶(uracil,U)
*碱基的性质:
⏹酮式↔烯醇式;
氨基↔亚氨基共轭双键,260nm的紫外吸收较强
二
RNA
DNA
组成
磷酸
戊糖
嘌呤碱
腺(A)鸟(G)
嘧啶碱
胞(C)尿(U)
胞(C)胸腺(T)
分布
细胞质中
细胞核中
功能
参与遗传信息的表达
遗传信息的储存和携带者
核苷(nucleoside)
核苷酸(nucleotide)
碱基+核糖
核苷+磷酸
连接方式
糖苷键(glycosidicbond)
[嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1'
以糖苷键相连。
]
磷酸酯键
[糖环上所有游离羟基(核糖的C-2'
、C-3'
、C-5'
及脱氧核糖的C-3'
)均能与磷酸发生酯化结合。
生物体内多数核苷酸是5'
-核苷酸,即糖环上的C-5'
与磷酸酯化]
三
DNA的空间结构与功能
RNA的空间结构与功能
mRNA
tRNA
rRNA
一级结构
DNA分子中核苷酸的排列顺序及连接方式
5'
帽子结构5'
非翻译区编码区3'
非翻译区3'
多聚A尾
稀有碱基:
DHU、T、ψ、mG和mA等
二级结构
双螺旋模型:
反向平行、双链互补
右手螺旋,并有大沟和小沟
双螺旋结构稳定力:
横向是碱基对氢键;
纵向是碱基平面间的疏水堆积力
三叶草形:
DHU环、反密码环(有反密码子)、Tψ环和3'
端氨基酸臂
三级结构
超螺旋结构
倒“L”型
以基因的形式荷载遗传信息,并作为基因复制和转录的模板
转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序,并携带至细胞质,指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序
活化,搬运氨基酸到核糖体,参与蛋白质的翻译
参与组成核蛋白体,作为蛋白质合成的场所
四核酸一般的理化性质
⏹核酸的高分子特性
⏹260nm特征吸收峰
⏹核酸的两性性质及等电点:
DNA的等电点为4~4.5,RNA的等电点为2~2.5
*关于DNA
1DNA变性:
在某些理化因素作用下,核酸分子互补双链之间氢键断裂,使双螺旋结构松散变成单链的过程
影响因素:
温度、酸碱、有机溶剂、尿素等。
2增色效应(hyperchromiceffect):
核酸在加热变性过程中260nm波长吸收值(A260)增加。
它反映了核酸双链的解链程度。
3解链曲线(meilting
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