生物化学课件.ppt
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1、蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and Function of Protein第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构第一第一节蛋白蛋白质的分子的分子组成成第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质第五节第五节 蛋白质的分离纯化与结构分析蛋白质的分离纯化与结构分析本章内容本章内容n什么是蛋白质什么是蛋白质?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。蛋白质的分类蛋白质的分类n根据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分:单纯蛋白
2、质单纯蛋白质结合蛋白质结合蛋白质 =蛋白质部分蛋白质部分 +非蛋白质部分非蛋白质部分n根据蛋白质形状根据蛋白质形状:纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质n蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性分分布布广广:所所有有器器官官、组组织织都都含含有有蛋蛋白白质质;细细胞胞的各个部分都含有蛋白质。的各个部分都含有蛋白质。含含量量高高:蛋蛋白白质质是是细细胞胞内内最最丰丰富富的的有有机机分分子子,占占人人体体干干重重的的4545,某某些些组组织织含含量量更更高高,例例如如脾、肺及横纹肌等高达脾、肺及横纹肌等高达8080。1.蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分作为生物催化剂(酶
3、)作为生物催化剂(酶)代谢调节作用代谢调节作用免疫保护作用免疫保护作用物质的转运和存储物质的转运和存储运动与支持作用运动与支持作用参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能氧化供能蛋白蛋白质的分子的分子组成成The Molecular Component of Protein第一第一节n组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有C、H、O、N和 S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼,个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近,平均为各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16。由于体内的含氮物质以蛋白质为主,因此,只要测定
4、生物样品中的含氮量,就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量:100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%n蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点一、组成人体蛋白质的一、组成人体蛋白质的20种氨基酸种氨基酸均属于均属于L-氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种,且均属 L-氨基酸(甘氨酸除外)。除Pro外均为氨基酸H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H非极性脂肪族氨基酸非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族
5、氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质可根据侧链结构和理化性质进行分类进行分类(一一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸氨基酸(二二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸中性氨基酸(三三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸(四四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸(五五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸氨基酸Alanine丙氨酸Aminoac
6、ids氨基酸Arginine精氨酸Asparagine天冬酰胺Asparticacid天冬氨酸Cysteine半胱氨酸Glutamicacid谷氨酸Glutamine谷氨酰胺Glutathione谷胱甘肽Glycine甘氨酸Hemoglobin血红蛋白Histidine组氨酸Isoleucine异亮氨酸Leucine亮氨酸Lysine赖氨酸Methionine蛋氨酸Myoglobin肌红蛋白Peptide肽Phenylalanine苯丙氨酸Primarystructure一级结构Proline脯氨酸Proteome蛋白质组Proteomics蛋白质组学Quaternarystructure四级
7、结构Secondarystructure二级结构Serine丝氨酸Tertiarystructure三级结构Threonine苏氨酸Tryptophan色氨酸Tyrosine酪氨酸Valine缬氨酸n几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸(亚氨基酸)(亚氨基酸)CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH
8、3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3三、三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质种氨基酸具有共同或特异的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性电解质,其解离程度取决于所氨基酸是两性电解质,其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point,pI)在在某某一一pH的的溶溶液液中中,氨氨基基酸酸解解离离成成阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的趋趋势势及及程程度度相相等等,成成为为兼兼性性离离子子,呈呈电电中性。此时溶液的中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。(一)氨基酸具有
9、两性解离的性质(一)氨基酸具有两性解离的性质pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性离子氨基酸的兼性离子 阳离子阳离子阴离子阴离子(二)含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质(二)含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大大多多数数蛋蛋白白质质含含有有这这两两种种氨氨基基酸酸残残基基,所所以以 测测 定定 蛋蛋 白白 质质 溶溶 液液280nm的的光光吸吸收收值值是是分分析析溶溶液液中中蛋蛋白白质质含含量量的的快速简便的方法。快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收(三)氨基酸
10、与茚三酮反应生成蓝紫色化合物(三)氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨氨基基酸酸与与茚茚三三酮酮水水合合物物共共热热,可可生生成成蓝蓝紫色紫色化合物,其最大吸收峰在化合物,其最大吸收峰在570nm处。处。由由于于此此吸吸收收峰峰值值与与氨氨基基酸酸的的含含量量存存在在正正比关系,因此可作为氨基酸定量分析方法。比关系,因此可作为氨基酸定量分析方法。四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链的多肽链肽肽键键(peptide bond)是是由由一一个个氨氨基基酸酸的的-羧羧基基与与另另一一个个氨氨基基酸酸的的-氨氨基基脱脱水水缩缩合合而而形形成成的的化学键。化学键。(一
11、)(一)氨基酸通过肽键连接而形成肽氨基酸通过肽键连接而形成肽(peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键肽肽是是由由氨氨基基酸酸通通过过肽肽键键缩缩合合而而形形成成的的化化合物。合物。两两分分子子氨氨基基酸酸缩缩合合形形成成二二肽肽,三三分分子子氨氨基基酸缩合则形成三肽酸缩合则形成三肽肽肽链链中中的的氨氨基基酸酸分分子子因因为为脱脱水水缩缩合合而而基基团团不全,被称为氨基酸残基不全,被称为氨基酸残基(residue)。由由十十个个以以内内氨氨基基酸酸相相连连而而成成的的肽肽称称为为寡寡肽肽(oligopeptide),由由更更多多的的氨氨基基酸酸相相连连形形成成的的肽肽称多肽称多肽
12、(polypeptide)。N 末端:多肽链中有末端:多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端C 末端:多肽链中有末端:多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端n多肽链有两端:多肽链有两端:多多肽肽链链(polypeptide chain)是是指指许许多多氨氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶(二)(二)体内存在多种重要的生物活性肽体内存在多种重要的生物活性肽 1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH过氧过氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶NADPH+H+NADP+n
13、GSH与与GSSG间的转换间的转换 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 第二节第二节n蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括:高级高级结构结构一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)n定义定义:蛋白质的一级结构指在
14、蛋白质分子从蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至端至C-端的端的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。一、一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构的一级结构n主要的化学键主要的化学键:肽键肽键,有些蛋白质还包括二硫键。,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一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能功能的基础的基础,但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素。二、二、多肽链的局部主链构象为蛋白质多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链的的局局部部空空间间结结构构,即即该该段段肽肽
15、链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间间位位置置,并并不不涉涉及及氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链的的构构象象。n定义定义:n主要的化学键主要的化学键:氢键氢键 (一)参与肽键形成的(一)参与肽键形成的6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参参与与肽肽键键的的6个个原原子子C 1、C、O、N、H、C 2位位于于同同一一平平面面,C 1和和C 2在在平平面面上上所所处处的的位位置置为为反反式式(trans)构构型型,此此同同一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元(peptide unit)。(一)参与肽键形成的(一)参与肽键形成的6个原子在同一平面上个原子在同
16、一平面上参参与与肽肽键键的的6个个原原子子C 1、C、O、N、H、C 2位位于于同同一一平平面面,C 1和和C 2在在平平面面上上所所处处的的位位置置为为反反式式(trans)构构型型,此此同同一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元(peptide unit)。-螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)(二)(二)-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构螺旋结构是常见的蛋白质二级结构n蛋白质二级结构蛋白质二级结构n-螺旋螺旋(三)(三)-折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽
17、链形成片层结构(四)(四)-转角和无规卷曲在蛋白质分子中转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在普遍存在-转角转角无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。分肽链结构。(五)模体(五)模体是具有特殊功能的超二级结构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,形成一有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个个有规则的二级结构组合,被称为有规则的二级结构组合,被称为超二级结构超二级结构。二级结构组合形式有二级结构组合形式有3 3种:种:,。二个或三个具有二级结构
18、的肽段,在空间二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个特殊的空间构象,称为上相互接近,形成一个特殊的空间构象,称为模体模体(motif)。模体是具有特殊功能的超二级结构。模体是具有特殊功能的超二级结构。钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构-螺旋螺旋-转角(或转角(或环)环)-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角-链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角-链模体链模体n模体常见的形式模体常见的形式(六)氨基酸残基的(六)氨基酸残基的侧链对侧链对二二级结级结构形成的影响构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基
19、础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋螺旋或或-折叠,它就会出现相应的二级结构。折叠,它就会出现相应的二级结构。三、三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠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形成蛋白质三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。n主要的化学键主要的化学键:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。n定义定义:(一)三级结构是指整条肽链中全部氨基酸(一)三级结构是指整
20、条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置残基的相对空间位置 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域(二)结构域(二)结构域是三级结构层次上的局部折叠区是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧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,称为结构域密的区域,并各行其功能,称为结构域 (domain)。(三)分子伴侣(三)分子伴侣参与蛋白质折叠参与蛋白质折叠分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。加速蛋白质折叠成天然构象或形成四
21、级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开,如此重复进行可防止错误的聚集发生,后松开,如此重复进行可防止错误的聚集发生,使肽链正确折叠。使肽链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合,使之解聚分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合,使之解聚后,再诱导其正确折叠。后,再诱导其正确折叠。分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用亚基之间的结合主要是氢键和离子键。亚基之间的结合主要是氢键和离子键。四、四、含有二条
22、以上多肽链的蛋白质含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构具有四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,称为触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链,有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链,每一条多肽链都有完整的三级结构,称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构,称为蛋白质的质的亚基亚基 (subunit)。由由2个个亚亚基基组组成成的的蛋蛋白白质质四四级级结结构构中中,若若亚亚基基分分子子结结构构相相同同,称称之之为为同同二二聚聚体体(homodimer),若若亚亚基基分分子子结构不
23、同,则称之为结构不同,则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。血红蛋白的血红蛋白的四级结构四级结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第三节第三节(一)一级结构是空间构象的基础(一)一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构一、蛋白质一级结构是高级结构是高级结构与功能的基础与功能的基础牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态,天然状态,有催化活性有催化活性 尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态,无活性非折叠状
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