蛋白质的分子组成
大体
元素:C、O、N、H、S;P、金属(铁铜锌锰钴钼)、I;
含氮量:16%;
计算蛋白质含量的公式:每g样品含氮克数×6.25×=g样品中蛋白质含量(g%);
L-α氨基酸
M-是蛋白质
的基本结构单位
20种氨基酸,参与人体内蛋白质合成,除甘氨酸外,为L-α-氨基酸;
Ps.α-碳原子:连在-COO-基上的C,是不对称碳原子;即C上连的4个基团需各不相同,而甘氨酸有2个H,即甘氨酸无手性碳=不对称碳原子;
Ps.左旋:L;右旋:D;
硒代半胱氨酸:除20种基本氨基酸外,还可合成蛋白质的氨基酸;
氨基酸
可根据其
侧链结构和
理化性质
进行分类
必需氨基酸:8;缬、异、亮、苯、蛋、色、苏、赖;写一两本淡色书来;
含硫氨基酸:3;半胱、胱、蛋;
支链氨基酸:缬、异、亮;
生糖+生酮氨基酸:异、苯、酪、色、苏;一本落色书;
生酮氨基酸:亮、赖;同样来;
生糖氨基酸:除生酮氨基酸外的;
生成一碳单位的氨基酸:丝、色、组、甘;施舍竹竿;
不参与转氨基的氨基酸:脯、羟脯、苏、赖;甘;不抢书来;
含2个羧基的氨基酸:酸性氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸);
含2个氨基的氨基酸:赖氨酸;
碱性氨基酸:精氨酸:胍基;赖氨酸:氨基;组氨酸:咪唑基;
易使肽链形成折角的氨基酸:脯氨酸;
可形成二硫键/含巯基的氨基酸:半胱氨酸;
修饰氨基酸/蛋白质合成修饰加工生成、无相应编码的氨基酸:胱氨酸、羟脯氨酸、羟赖氨酸;
Ps.碱性蛋白质:鱼精蛋白、组蛋白;酸性蛋白质:胃蛋白酶、丝蛋白;
碱性氨基酸:精、赖、组;酸性氨基酸:天冬、谷;
根据侧链的结构、理化性质,分成5类:非极性
脂肪族
氨基酸
甘、丙、缬、亮、异亮、脯、甲硫=蛋;
Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Met;
G、A、V、L、I、P;
极性
中性
氨基酸
丝、苏、半胱、天冬、谷;
Ser、Thr、Cys、Asn、Gln;
S、T、C、N、Q;
芳香族
氨基酸
苯丙、酪、色;
Phe、Tyr、Trp;
F、Y、W;
酸性
氨基酸
天冬、谷;
Asp、Glu;
D、E;
碱性
氨基酸
精、赖、组;
Arg、Lys、His;
R、K、H;
脯氨酸:亚氨基酸;可被羟化呈羟脯氨酸;(同,赖氨酸可被羟化成羟赖氨酸;二者均可存在于天然蛋白质中);
半胱氨酸:极性最强=反应能力最强(∵有巯基;可自己和自己反应)=还原能力最强=最易被氧化;
蛋白质中不少半胱氨酸以胱氨酸的形式存在;
天然蛋白质中可存在:胱氨酸√、羟脯氨酸√;同型半胱氨酸×(甲硫氨酸循环);
氨基酸
具有共同或特异
的理化性质
两性解离
等电点pI:氨基酸成为兼性离子,呈电中性,此时的溶液pH;
pI=(pK1+pK2)/2;
当pH<pI:即相当于处于酸性溶液中→阳离子为主→带正电;
当pH>pI:即相当于处于碱性溶液中→阴离子为主→带负电;
含共轭双键的
氨基酸具有
紫外线吸收性质
色氨酸、酪氨酸:nm;测定溶液nm的光吸收值,是分析溶液中蛋白质含量的快速方法;
苯丙氨酸:nm;注意:苯丙氨酸也含共轭双键,但不是nm;
Ps.核酸:nm;
氨基酸与
茚三酮反应
生成蓝紫色化合物
弱酸性溶液中,茚三酮水合物和氨基酸共同加热→氨基酸氧化脱羧、脱氨,茚三酮水合物被还原→还原物与氨基酸加热分解产生的氨结合→再与另一分子茚三酮缩合,形成蓝紫色化合物→吸收峰在nm,吸收峰值大小与氨基酸释放的氨量成正比,可定量分析氨基酸;
Ps.可用于法医鉴定;
氨基酸通过
肽键连接
而形成
蛋白质或肽
寡肽:2-20个氨基酸相连而形成的肽;
多肽:更多的氨基酸相连而形成的肽;
?10个分寡肽、多肽;氨基酸>50,即为蛋白质;
Ps.肽键:是单键,但有一定程度的双键的性质;∵O、H间存在吸引力,但未形成键;∴肽键(C-N)虽是单键,但平面不可自由旋转;
生物活性肽具有
生物活性、多样性
谷胱甘肽GSH:三肽;由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成;巯基是主要功能基团,具有还原性;被氧化成氧化型谷胱甘肽GSSG;
作用:保护体内蛋白质、酶中的巯基免遭氧化;
嗜核特性,可阻断外源的嗜电子毒物与DNA、RNA、蛋白质结合;
多肽类激素、神经肽体:
蛋白质的分子结构
大体
蛋白质分子结构分为4个层次:一级、二级、三级、四级结构;
高级结构=空间构象:二级、三级、四级结构;
仅≥2条肽链形成的蛋白质才有四级结构;
一级结构
高级结构
二级结构
三级结构
四级结构
定义
蛋白质分子中,
从N-端到C-端的
氨基酸排列顺序;
蛋白质分子中,某一段肽链的局部空间结构,即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置,不涉及氨基酸残基侧链的构象;
整条肽链中,全部氨基酸残基的相对空间位置,即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置;
蛋白质分子中,各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用;
表现
形式
肽键;
α-螺旋、β-折叠、β-转角、Ω环;
亚基;
维系键
肽键(主要)、
二硫键(次要);
氢键;
疏水键、盐键(=离子键)、氢键、范德华力;
氢键、离子键;
补充
分子病:p27;
变性:
水解:
疏水键:把疏水残基埋藏在内部;
盐键:=离子键;
氢键:质子周围;
范德华力:分子间作用力;
同二聚体、异二聚体:
2个亚基组成的四级结构的蛋白质中,亚基结构相同时为同二聚体,不同时为异二聚体;
对2个以上亚基构成的蛋白质,单一亚基一般无正常的生物学功能;
单体酶:只有单一肽链的酶;有三级结构,无四级结构;
血红蛋白:有四级结构;
肌红蛋白:只有三级结构,无四级结构;
注意
氨基酸水平;
亚基水平;
氨基酸的
排列顺序决定
蛋白质的
一级结构
多肽链的局部
有规则重叠的
主链构象
是蛋白质的
二级结构
大体
参与肽键形成的
6个原子
在同一平面上
6个原子:Cα1、C、O、N、H、Cα2;
α-螺旋
是常见的
蛋白质二级结构
顺时针,右手螺旋;
氨基酸侧链伸向螺旋外侧;
每3.6个氨基酸残基螺旋上升1圈;
螺距为0.54nm;
氢键方向与螺旋长轴平行;
易形成α-螺旋的氨基酸:丙、谷氨酸、亮、甲硫;
蛋白质表面的α-螺旋,有两亲特点;如:血浆脂蛋白、多肽激素、钙调节蛋白激酶;
举例:角蛋白、肌球蛋白、纤维蛋白,几乎全长卷曲成α-螺旋;
对比α-螺旋、DNA双螺旋:
α-螺旋
DNA双螺旋
右手螺旋,顺时针;
右手螺旋(A、B型);
左手螺旋(Z型);
螺距0.54nm;
一圈有3.6个氨基酸残基;
直径2.37nm;
碱基对平面距高0.34nm;
螺距3.54nm;
一圈10.5对碱基;
外侧:氨基酸侧链;
内侧:肽链;
外侧:核糖、磷酸基团;
内侧:碱基;
β-折叠
使多肽链
形成片层结构
呈折纸状;每个肽单元以Cα为旋转点,依次折叠成锯齿状结构;氨基酸残基侧链交替位于锯齿状结构的上下方;
举例:蚕丝蛋白几乎全是β-折叠;
β-转角和Ω-环
存在于
球状蛋白质中
β-转角
由4个氨基酸残基构成;第2个残基常为脯氨酸;其他常见残基如甘(II型的第3个残基)、天冬2、色;
Ω环
存在于球状蛋白质中;总出现在分子表面;以亲水残基为主;参与分子识别;
氨基酸残基的侧链
影响二级结构的
形成
P16;
多肽链进一步
折叠成
蛋白质的
三级结构
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
结构模体
可由2个
或2个以上
二级结构肽段组成
模体=模序:属于超二级结构(高于二级,但不是三级结构);
举例:钙离子结合蛋白、纤连蛋白受体结合肽、锌指结构、亮氨酸拉链;
形式:αα、βαβ、ββ;
相互作用:主要由非极性氨基酸残基参与;
亮氨酸拉链:出现在DNA结合蛋白、其他蛋白质中的一种结构模体;
常出现在真核生物DNA结合蛋白的C端;与癌基因表达调控功能有关;
锌指结构:含锌指结构的蛋白质可与DNA或RNA结合;
结构域
是三级结构层次上
具有独立结构、
功能的区域
结构域vs超二级结构:
结构域:用限制性蛋白酶水解,含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域,而各结构域的构象可基本不变;
超二级结构:无此特点;
蛋白质的多肽链
须折叠成
正确的空间构象
分子伴侣:一种蛋白质;可提供保护环境,加速蛋白质折叠成天然结构;
举例:热休克蛋白70Hsp70、伴侣蛋白、核质蛋白;
作用:让未折叠的正确折叠;让错误折叠的正确折叠;诱导二硫键的正确形成;
含有2条以上
多肽链
的蛋白质可具有
四级结构
蛋白质可依其
组成、结构、
功能
进行分类
P20;
蛋白质结构与功能的关系
主要功能
构成细胞和生物体结构;
物质运输;
催化功能;
信息交流;
免疫功能;
氧化供能;
维持机体的酸碱平衡;
维持正常的血浆渗透压;
执行功能的
主要方式
P21
蛋白质与
小分子相互作用
如:各种代谢路径的酶催化底物、抑制剂、代谢中间物和产物、副产物等;
蛋白质与
核酸的相互作用
蛋白质是基因表达的产物,基因的表达离不开蛋白质的作用;
蛋白质与核酸的相互作用,存在于生物体内基因表达的各个水平之中;
蛋白质有几种模体,如锌指模体、亮氨酸拉链、螺旋-转角-螺旋等,专门结合DNA、并发挥生物学效应;
RNA存在于细胞质和细胞核中;
少部分RNA可以核酶的形式,单独发挥功能;
绝大部分RNA都是与蛋白质形成RNA-蛋白质复合物;
如:核糖体,是细胞内蛋白质合成的场所,核糖体的2个亚基由精确折叠的蛋白质和rRNA组成;
端粒酶是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶,可合成染色体末端的DNA;
剪接体是指进行RNA剪接时形成的多组分复合物,主要是由小分子的核RNA和蛋白质组成;
蛋白质与RNA的相互作用,在蛋白质合成、细胞发育调控等生理过程中起决定性作用;
蛋白质相互作用
是蛋白质执行功能
的主要方式
蛋白质-蛋白质相互作用PPI:≥2个蛋白质分子通过非共价键相互作用,并发挥功能的过程;
可改变细胞内酶的动力学特征,可产生新的的结合位点,改变蛋白质对底物的亲和性;
举例:
主要组织相容性复合物参与的分子识别;
抗原与抗体的特异性结合;
蛋白质
一级结构是
高级结构与功能的基础
一级结构是
空间构象的基础
空间构象遭破坏的核糖核酸酶A,只要其一级结构(氨基酸序列)未被破坏,就有可能回复到原来的三级结构,功能仍然存在;
一级结构相似的
蛋白质
具有相似的
高级结构与功能
蛋白质一级结构的比较,常用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性;
同源性较高的蛋白质之间,可能具有向类似的功能;
在对不同物种中具有相同功能的蛋白质进行结构分析时,发现它们有相似的氨基酸序列;
多态性:在人类群体中的不同个体间,这些蛋白质存在着氨基酸序列的多样性,但几乎不会影响蛋白质的功能;
氨基酸序列与
生物进化信息
通过比较一些广泛存在于生物界不同种系间的蛋白质的一级结构,可帮助了解物种进化间的关系;
重要蛋白质的
氨基酸序列
改变可引起疾病
分子病:蛋白质分子发生变异所导致的疾病;
镰贫:基因点突变;谷氨酸变成了缬氨酸,即酸性氨基酸被中性氨基酸取代;
蛋白质的
功能依赖
特定空间结构
大体
体内蛋白质所具有的特定空间构象,与其发挥特殊的生理功能有密切关系;
如:角蛋白,含大量α-螺旋结构,与富含角蛋白的组织的坚韧性并富有弹性直接相关;
丝心蛋白分子,含大量β-折叠结构,使蚕丝具有伸展、柔软的特性;
血红蛋白亚基与
肌红蛋白
结构相似
肌红蛋白Mb、血红蛋白Hb,均是含有血红素辅基的蛋白质;
血红蛋白是由4个亚基组成的四级结构蛋白质;1分子Hb可携带4分子氧;
血红蛋白亚基
构象变化
可影响
亚基与氧结合
Hb与Mb一样可逆地与O2结合;
Hb的氧解离曲线:S状;提示Hb的4个亚基与4个O2结合时有4个不同的平衡常数;存在正协同效应;
Mb的氧解离曲线:直角双曲线;
Mb易与O2结合;
Hb与O2的结合在O2分压较低时较难;
紧张态T:
松弛态R:
别构效应:一个氧分子与Hb亚基结合后,引起其他亚基构象变化;
蛋白质构象改变
可引起疾病
蛋白质构象病:
若蛋白质的折叠发生错误,尽管一级结构不变,但蛋白质的构象发生改变,仍可影响功能,严重时可导致疾病发生;
如:有些蛋白质错误折叠后相互聚集,常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀,产生毒性而致病,如人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病、亨廷顿病、疯牛病;
疯牛病:由朊病毒蛋白PrP,引起的一组人和动物神经退行性病变;
具有传染性、遗传性、散在发病的特点;
在动物间的传播是由PrP组成的传染性蛋白质颗粒(不含核酸)完成的;
PrP是染色体基因编码的蛋白质;
正常人和动物的PrP是PrPc,水溶性强、对蛋白酶敏感、二级结构中有多个α-螺旋;
异常的是PrPsc,分子中大多数是β-折叠,对蛋白酶不敏感、水溶性差、对热稳定、可相互聚集,最终形成淀粉样纤维沉淀而致病;
二者一级结构完全相同,PrPc转变成PrPsc涉及蛋白质分子α-螺旋重新折叠成β-折叠的过程;
蛋白质的理化性质
大体
氨基酸的+特有的;
两性电离
pI等电点;溶液pH>pI:蛋白质颗粒带负电;反之带正电;
体内蛋白质的pI大多接近于pH5.0;故在pH7.4环境下,多解离成阴离子;
碱性蛋白质:鱼精蛋白、组蛋白;含碱性氨基酸较多,等电点偏碱性;
酸性蛋白质:胃蛋白酶、丝蛋白;含酸性氨基酸较多,等电点偏酸性;
胶体性质
分子直径可达1-nm,是胶体范围;
维持蛋白质胶体稳定的2个因素:水化膜、蛋白质胶粒表面的电荷;
变性、复性
变性:有序的空间结构变成无序的空间结构,导致理化性质改变、生物学活性丧失;涉及二硫键、非共价键的破坏;不涉及一级结构中氨基酸序列的改变;
理化生物性质改变:溶解度↓、黏度↑、结晶能力消失、生物学活性丧失、易被蛋白酶水解;nm吸收↑√∵疏水基团双键暴露;
因素:加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子、生物碱;
沉淀:变性后的蛋白质的疏水侧链暴露在外面,肽链融汇缠绕聚集,从溶液中析出;变性的易于沉淀,但可发生沉淀而不变性;
复性:变性程度较轻的,在去除变性因素后,可恢复或部分恢复原有构象、功能;
凝固作用:
在紫外光谱区有
特征性光吸收
∵含有共轭双键的酪、色,∴在nm处有特征性吸收峰;可定量测定;
呈色反应
可用于
测定溶液中
蛋白质含量
茚三酮反应
蛋白质经水解后产生的氨基酸可发生茚三酮反应;
双缩脲反应
蛋白质、多肽中的肽键,在稀碱溶液中,与硫酸铜共热,呈紫色、红色,即双缩脲反应;
氨基酸不发生;
可用于检测蛋白质水解程度;水解程度大→氨基酸浓度上升、肽键少→颜色浅;
补充:蛋白质的分离、纯化
P
透析、超滤
分子量、半透膜、自由扩散;
超滤:加压透析;
沉淀
有机溶剂沉淀
盐析
加入盐,如NaCl,破坏表面电荷、水化膜;
免疫沉淀
利用蛋白质特异抗体识别抗原蛋白质;
电泳
电荷量多、分子量小→泳动速度快;
超速离心
分离蛋白质、测定分子量;
层析
离子交换层析
阴离子结合树脂,带正电荷,填充在层析管内;
含阴离子,如Cl-的溶液,用于洗柱;
蛋白质多带负电,所以电荷量大的→与树脂结合紧密→不易洗脱;
即含负电量小的蛋白质首先被洗脱下来;若增加Cl-浓度,则含负电量多的蛋白质也被洗脱下来;
凝胶过滤
=分子筛层析;
可分离不同大小的蛋白质;分子量大的先被洗脱;
总结
根据分子量大小:透析、超滤、离心、凝胶过滤;
利用沉淀/溶解度不同的性质(破坏水化膜、电荷):丙酮沉淀、盐析、等电点;
根据电荷不同:电泳、离子交换层析;
利用相分配或亲和原理:离子交换层析、凝胶过滤、亲和层析(抗原抗体;酶和底物);
利用蛋白质等电点的差异:等电聚焦电泳;
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