【醫(yī)學(xué)課件】生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸和酶）的結(jié)構(gòu)與功能

1、第 一 篇Structure and Function of Biomacromolecule生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能 蛋白質(zhì) 核酸 酶蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第 一 章Structure and Function of Protein本章主要內(nèi)容組成元素、平均含氮量氨基酸的分類、三字符縮寫氨基酸的理化性質(zhì)肽、肽鍵、多肽的概念及GSH的功能一級結(jié)構(gòu)的概念二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)及其研究技術(shù)平臺蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及別離純化一、蛋白質(zhì)概念蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。蛋白質(zhì)(

2、protein)是源自希臘字proteios，意思就是primary。二、蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性1. 蛋白質(zhì)是生物 體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細胞的各個局部都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細胞內(nèi)最豐富的有機分子，占人體干重的45，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80。1作為生物催化劑酶2代謝調(diào)節(jié)作用3免疫保護作用4物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和存儲5運動與支持作用6參與細胞間信息傳遞2. 蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3. 氧化供能其他生物學(xué)功能：營養(yǎng)蛋白，結(jié)構(gòu)，毒蛋白蛋 白 質(zhì) 的 分 子 組 成The Molecular Component of Protein第 一 節(jié) 組成蛋白

3、質(zhì)的元素主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質(zhì)還含有碘 。 各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16。 體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，故測定生物樣品中的含氮量，可根據(jù)以下公式推算蛋白質(zhì)的大致含量： 每克樣品中蛋白質(zhì)的含量 = 每克樣品含氮量克總氮量的測定凱氏定氮法 1/16% 蛋白質(zhì)元素組成的特點一、氨基酸 組成蛋白質(zhì)的根本單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸甘氨酸除外。共同特點： 除脯氨酸外，在a-C上皆有一個氨基，故稱a-氨基酸； 均為L-氨基酸。氨基酸的D型和L型是與甘油醛相比較而得。

4、通常把含C基團放在縱軸上，看H的位置，左邊為D型，右邊為L型。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R為側(cè)鏈RC+NH3COO-H1.根據(jù)氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)分為脂肪族，芳香族和雜環(huán)族三類。2.根據(jù)氨基酸的R基極性分為： 非極性R基氨基酸，不帶電荷極性氨基酸，帶電荷極性氨基酸3.根據(jù)氨基酸分子中所含氨基和羧基數(shù)目的不同分：中性、堿性、酸性氨基酸4.根據(jù)氨基酸的R基物理性質(zhì)，與水的相互作用分為： 疏水氨基酸，親水氨基酸 一氨基酸的分類非極性疏水性氨基酸 7極性中性氨基酸 8酸性氨基酸 2堿性氨基酸 3根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)氨基酸的分類：* 20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:甘氨酸 glyci

5、ne Gly G 丙氨酸 alanine Ala A 纈氨酸 valine Val V 亮氨酸 leucine Leu L 異亮氨酸 isoleucine Ile I 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 脯氨酸 proline Pro P 非極性疏水性氨基酸目 錄色氨酸 tryptophan Trp W 絲氨酸 serine Ser S 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 半胱氨酸 cysteine Cys C 蛋氨酸 methionine Met M 天冬酰胺 asparagine Asn N 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 蘇氨酸 threonine Thr T

6、2. 極性中性氨基酸目 錄天冬氨酸 aspartic acid Asp D 谷氨酸 glutamic acid Glu E 賴氨酸 lysine Lys K 精氨酸 arginine Arg R 組氨酸 histidine His H 3. 酸性氨基酸4. 堿性氨基酸目 錄幾種特殊氨基酸 脯氨酸亞氨基酸 半胱氨酸 +胱氨酸二硫鍵-HH胱氨酸二氨基酸的理化性質(zhì)1. 兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該

7、氨基酸的等電點。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性離子 陽離子陰離子當(dāng)氨基酸僅有2個可解離基團時:當(dāng)氨基酸僅有3個可解離基團時,可寫出其電離式后取兼性離子兩邊的pK值的平均值:等電點計算側(cè)鏈為非極性基團或雖為極性基團但不解離的氨基酸：pI=(pK1+pK2) 酸性氨基酸(Glu、Asp)及Cys：pI=(pK1+pKR)堿性氨基酸(Lys、Arg、His)：pI=(pK2+pKR)帶電狀態(tài)判定 pI-pH0 帶正電 pI-pH0 不帶電2. 紫外吸收 Trp、Tyr的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的

8、光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3. 茚三酮反響(定量分析) 氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，故可作為氨基酸定量分析方法。例外：Pro黃色440nm；Gln, Asn棕色茚三酮反應(yīng)二、肽* 肽鍵(peptide bond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。概念：一肽 (peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵* 肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。* 兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合那么形成三肽* 肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合

9、而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。* 由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。N 末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C 末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端* 多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。N末端C末端牛核糖核酸酶二 幾種生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)GSH過氧化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH復(fù)原酶NADPH+H+ NADP+ 功能(1)巰基為體內(nèi)重要的復(fù)原劑，保護蛋白質(zhì)或酶中的巰基免

10、受氧化。(2)分解H2O2。(3)解毒功能：巰基的親核性可與外源性親電子毒物如致癌劑或藥物結(jié)合。 體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽 神經(jīng)肽(neuropeptide)2. 多肽類激素及神經(jīng)肽三、蛋白質(zhì)的分類 * 根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分 單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì) = 蛋白質(zhì)部分 + 非蛋白質(zhì)部分* 根據(jù)蛋白質(zhì)形狀 纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)蛋 白 質(zhì) 的 分 子 結(jié) 構(gòu)The Molecular Structure of Protein 第 二 節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括 一級結(jié)構(gòu)(primary structure)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)四級

11、結(jié)構(gòu)(quaternary structure)高級結(jié)構(gòu)定義蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primary structure)是指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。 一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的根底。目 錄二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)是指蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象 。定義 主要的化學(xué)鍵： 氫鍵 一肽單元(peptide unit) 肽單元又稱為肽 單位，是多肽鏈中從 一個碳原子到相鄰 碳原子之間的結(jié)構(gòu), 由Lin

12、us Pauling和 Ro- bert Corey于20 世紀(jì) 30年代末確定。1.肽單位是一個剛性平面: 肽鍵中的CN鍵長介于C-N的單鍵長和雙鍵長之間，故具有局部雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)肽單位的6個原子處于1個平面上肽平面。參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元 (peptide unit) 。2.肽鍵的原子排列呈反式構(gòu)型。3.相鄰肽平面構(gòu)成二面角： 一個碳原子相連的兩個肽平面，由于N1C 和C C2兩個鍵為單鍵，肽平面可別圍繞這兩個鍵旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成不同的構(gòu)象。 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)

13、的主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折疊 ( -pleated sheet ) -轉(zhuǎn)角 ( -turn ) 無規(guī)卷曲 ( random coil ) 二 -螺旋-螺旋-helix): Pauling和Corey建立了多種分子模型， 仔細觀察了氨基酸和小肽的鍵角和鍵長，于1951年提出了-螺旋和-折疊結(jié)構(gòu)模型。螺旋是一個類似棒狀的結(jié)構(gòu) 多肽鏈中各個肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn),形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一圈含個氨基酸殘基，螺距nm。2.肽鏈內(nèi)形成氫鍵： 第一個肽鍵的N-H與第四個肽鍵的CO形成氫鍵。目 錄1.-折疊-pleated sheet):為由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交

14、聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象。三-折疊2.肽鏈走向分平行和反平行兩種。-螺旋結(jié)構(gòu)與-折疊結(jié)構(gòu)的比較-螺旋結(jié)構(gòu)-折疊結(jié)構(gòu)氫鍵鏈內(nèi)氫鍵氫鍵平行于軸鏈間氫鍵氫鍵垂直于軸R基伸向外側(cè)分布在片層的上下四-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)角-turn): -轉(zhuǎn)角常發(fā)生于肽鏈進行180回折時的轉(zhuǎn)角上。通常由4個氨基酸殘基組成，其第一個殘基的-CO與第四個殘基的-N-H形成氫鍵。氫鍵包圍10個原子。第二個殘基常為Pro.-轉(zhuǎn)角2.無規(guī)卷曲( random coil ) :無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那局部肽鏈結(jié)構(gòu)。 五模體在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的

15、空間構(gòu)象，被稱為模體(motif)。鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體 鋅指結(jié)構(gòu) 六氨基酸殘基的側(cè)鏈對二級結(jié)構(gòu)形成的影響蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為根底的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成-螺旋或-折疊，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。 1.多個酸性氨基酸或堿性氨基酸在同一肽 段內(nèi)影響-螺旋的形成。、Leu的側(cè)鏈很大影響-螺旋的形成。使-螺旋中斷。4.氨基酸殘基的側(cè)鏈小的肽段才能互相靠 近，有利于-折疊的形成。三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等。 主要的化學(xué)鍵蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈

16、中所有原子在三維空間的排布位置。一 定義 目 錄 肌紅蛋白 (Mb) 纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域 二結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain) 。三分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象，或形成四級結(jié)構(gòu)。* 可逆地與未折疊肽段的疏水局部結(jié)合，隨后松開，如此重復(fù)進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。 * 也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。 * 在蛋白質(zhì)分子折疊過程中，對二硫鍵的正確形成起了重要的作用。 亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子

17、鍵。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure) 。有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基 (subunit)。同二聚體(homodimer): 兩個亞基相同異二聚體heterodimer: 兩個亞基不同。1221NCNC血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)成人血紅蛋白由2條鏈和2條鏈組成,各亞基分別含一個血紅素.五、蛋白質(zhì)組(proteome)與 蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics) 蛋白質(zhì)組：一個組織或一個細胞中基因組所表達的全部蛋白質(zhì)，或在特定條件下，一個細胞內(nèi)所

18、存在的所有蛋白質(zhì)。基因組：代表一個生物細胞內(nèi)的全部基因和染色體的核苷酸組成。同一個體的所有體細胞均具有均一的基因組，不受機體狀態(tài)的影響。組織器官的蛋白質(zhì)組具有多樣性、多變性和可調(diào)節(jié)性，具有不同時、空的差異和深受機體內(nèi)、外條件的影響。一、概念1、不能從基因組簡單地推導(dǎo)出一個細胞的蛋白質(zhì)組組成。這是因為：細胞不是對所有的基因同時表達；表達的基因因為表達的mRNA不同，可以翻譯出不同的蛋白質(zhì)；同一蛋白質(zhì)前體經(jīng)不同的剪接表現(xiàn)出不同的蛋白質(zhì)；同一種蛋白質(zhì)在不同的代謝調(diào)節(jié)條件下可以表現(xiàn)出不同的構(gòu)象和不同的修飾。2、同一個體的不同發(fā)育期中因基因的開關(guān)，同一組織或細胞中的蛋白質(zhì)組組成不同；3、不同的生理狀況不同的基因表達出不同的蛋白質(zhì)組組成；4、不同的病理條件下不同的基因開放而表達出不同的蛋白質(zhì)組；5、環(huán)境因素均可影響細胞內(nèi)蛋白質(zhì)組的組成。蛋白質(zhì)組學(xué)：研究和闡述在不同條件下，蛋白質(zhì)組中全部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能，影響因素及其相互聯(lián)系。 某種生理功能的蛋白質(zhì)組學(xué)functional proteomics結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)(structural proteomics)亞細胞結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)組學(xué)(subcellular proteomics)各種疾病的蛋白質(zhì)組學(xué)disease proteomics 等等二、蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)平臺 依賴于2D、MS新技術(shù)的創(chuàng)造和蛋白