生物化学韩菊.pptx
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1、生物化学,蛋白质的结构与功能,第 一 节,Structure and Function of Protein,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。,一、蛋白质的化学组成,(一)蛋白质的基本单位,主要有碳、氢、氧、氮和硫。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16。,蛋白质元素组成的特点,由于体内的含氮物质以蛋白质为主,因此,只要测定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(g%)=每克样品含氮克数 6.25100
2、,1/16%,1.氨基酸的结构,(1)非极性疏水性氨基酸(2)极性中性氨基酸(3)酸性氨基酸(4)碱性氨基酸,2.氨基酸的分类,*肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,(二)肽(peptide),1.肽和氨基酸残基,甘氨酰甘氨酸,肽键,+,*两分子氨基酸缩合形成二肽,三分子氨基酸缩合则形成三肽。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide),由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。,*肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全,被称为氨基酸残基(residue)。,2.体内存在多种重要的生物活性
3、肽,(1)谷胱甘肽 由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成,是一种含-酰胺键和巯基的三肽。谷胱甘肽有还原型(G-SH)和氧化型(GSSG)两种形式,在生理条件下以还原型谷胱甘肽占绝大多数,能帮助保持正常的免疫功能,并具有抗氧化作用和整合解毒作用,半胱氨酸上的巯基为其活性基团(故常简写为G-SH)。,人工研制开发出了谷胱甘肽药物,广泛应用于临床,(2)多肽类激素及神经肽,体内有多种激素属于寡肽或多肽,例如由下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴产生的催产素(9肽)、加压素(9肽)、促肾上腺皮质激素(39肽)、促甲状腺素释放激素(3肽)等。,神经肽(neuropeptide)是在神经传导过程中起信号转导作用的一类肽。
4、例如与中枢神经产生痛觉抑制密切相关的神经肽(临床用于镇痛)有脑啡肽(5肽)、-内啡肽(31肽)、强啡肽(17肽)、孤啡肽(17肽)(一级结构类似于强啡肽)。,一级结构(primary structure)二级结构(secondary structure)三级结构(tertiary structure)四级结构(quaternary structure),二、蛋白质的分子结构,定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,(一)蛋白质的一级结构,主要的化学键肽键,有些蛋白质还包括二硫键。,牛胰岛素一级结构,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,(二)蛋白质的二级结构,主要的化学键
5、:氢键,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋,-折叠,-转角,无规卷曲,没有规律的那部分肽段构象。其结构比较松散,与-螺旋、-折叠、-转角比较起来没有确定规律,,(三)蛋白质的三级结构,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。,定义,肌红蛋白(Mb),亚基之间的结合力主要是疏水作用,其次是氢键和离子键。,(四)蛋白质的四级结构,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,称为蛋白质的四级结构。,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,称为蛋白质的亚基(subunit)。,血红蛋白的四级结构,英文缩写为HGB或Hb,为
6、四聚体蛋白,三、蛋白质结构与功能的关系,1.一级结构是空间构象的基础,(一)蛋白质一级结构与功能的关系,124aa,次级键,二硫键,天然状态,有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态,无活性,一级结构未被破坏,蛋白质的功能决定于构象,三级结构决定于一级结构,2.一级结构与功能的关系,例:镰刀形红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病,称为“分子病”。,缬氨酸,(二)蛋白质空间结构与功能的关系,蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关。其构象发生改变,功能活性也随之改变。,蛋白质构象疾病:若蛋白质的折叠发生错误,尽管其一级结构不变,但蛋白质的构象发生改
7、变,仍可影响其功能,严重时可导致疾病发生。,蛋白质构象改变导致疾病的机理: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,表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。,这类疾病包括:人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,举例:疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含-螺旋,称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc,从而致病。,案例解析,某患者,实验室检查血红蛋白80g/L,血细胞比容9.5%,红细胞总数为31014/L,
8、白细胞总数为6109/L,网红细胞总数为0.12,血清铁20M,次亚硫酸实验阳性;Hb电泳一条带,与HbS同一条带。红细胞形态为镰刀状。患者呈现明显的贫血症状、严重感染以及器官损伤。分析:镰刀状细胞贫血患者的细胞特征;HbS与HbA一级结构的区别;HbS结构与功能的关系。,四、蛋白质的理化性质,(一)蛋白质的两性电离,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外,氨基酸残基侧链中某些基团,在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,*蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)当蛋白质溶液处于某一pH时,蛋白质解离成正、负离子的趋势相等,即成为兼性离子,净电荷为零,此时溶液
9、的pH称为蛋白质的等电点。,(二)蛋白质的胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一,分子量可自1万至100万之巨,其分子的直径可达1100nm,为胶粒范围之内。,*蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜,(三)蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸,因此,在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系,因此可作蛋白质定量测定。,(四)蛋白质的变性及复性,*蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下,其特定的空间构象被破坏,也即有序的空间结构变成无序的空间结构,从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,若蛋白质变性程度较轻,去除变
10、性因素后,蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能,称为复性(renaturation)。,造成变性的因素 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。,1.临床医学上,变性因素常被应用来消毒及灭菌。2.防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂(如疫苗等)的必要条件。,应用举例,(五)蛋白质的呈色反应,茚三酮反应(ninhydrin reaction)茚三酮反应指的是茚三酮水合物在弱碱溶液中与氨基酸共加热时,氨基酸被氧化脱氨、脱羧,而茚三酮水合物被还原,其还原物可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成为蓝紫色的化合物,此化合物在570nm波长处有最大吸收。因此,
11、可作为氨基酸定量分析方法。,双缩脲反应(biuret reaction)蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热,呈现紫色或红色,此反应称为双缩脲反应,双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,*蛋白质沉淀在一定条件下,蛋白疏水侧链暴露在外,肽链融会相互缠绕继而聚集,因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀,有时蛋白质发生沉淀,但并不变性。,*蛋白质的凝固作用(protein coagulation)蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块,此凝块不易再溶于强酸和强碱中。,(六)蛋白质的沉淀和凝固作用,第二节 核酸的结构和功能,一、核酸的种类和化学组成,(二)核酸的组成,核苷酸完全水解产生
12、等摩尔的磷酸、含氮碱基和戊糖,由戊糖和碱基缩合而成的糖苷称为核苷。,核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸脱氧核苷酸)。,*两类核酸的基本化学组成比较,嘌呤碱 腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)鸟嘌呤(G)嘧啶碱 胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U),碱基,戊糖,D-2-脱氧核糖 D-核糖,酸,磷酸 磷酸,二、DNA 的结构与功能,DNA分子中各脱氧核苷酸之间的排列顺序叫做DNA的一级结构,简称为碱基序列。核苷酸之间的连接方式是3,5-磷酸二酯键。DNA的书写顺序是53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序,因此携带有不同的遗传信息。,(一)DNA的一级结构,二、D
13、NA的二级结构-双螺旋结构(double-helical structure),1953年Watson 和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型获1962年诺贝尔生理学与医学奖,DNA双螺旋结构模型要点,DNA分子由两条相互平行,但走向相反的脱氧多核苷酸链组成由脱氧核糖和磷酸基团构成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧,而疏水的碱基位于内侧。DNA双链之间碱基互补 一条链上腺嘌呤与另一条链上胸腺嘧啶形成两个氢键,一条链上鸟嘌呤与另一条链上胞嘧啶形成三个氢键,即互补碱基对碱基对的疏水作用力和氢键共同维持DNA双螺旋,(三)DNA的高级结构,在二级结构的基础上,DNA双螺旋进一步扭曲盘旋,形成更加复杂
14、的结构,即为DNA的三级结构。例如某些病毒、噬菌体和细菌DNA及真核生物线粒体DNA。,三、RNA的结构与功能,RNA的一级结构,RNA分子中各核苷之间的连接方式(3-5磷酸二酯键)和排列顺序叫做RNA的一级结构。,RNA与DNA的差异 DNA RNA糖 脱氧核糖 核糖碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基,(一)信使RNA的结构与功能 种类多,寿命短,含量少,占细胞内总RNA的10%以下。不同的mRNA编码不同的蛋白质;传递DNA的遗传信息并指导蛋白合成。,(二)tRNA的结构与功能 分子量最小的一类核酸,在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体;二级结构为三叶草形。,(三)r
15、RNA的结构与功能 占细胞中全部RNA 80%左右,存在于核蛋白体内,其是蛋白质合成的场所。,四、核酸的理化性质,(一)核酸的一般性质,DNA微溶于水,其钠盐在水中的溶解度较大,溶于偏碱的溶剂中,但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂。容易受机械作用力而断裂。DNA为线性高分子,DNA溶液有高度的黏性。,(二)核酸的紫外吸收,可用于测定DNA或RNA的定量,由于嘌呤和嘧啶都含有共轭双键,核酸溶液在260 nm附近有一个最大吸收峰,在230 nm有一个低谷,RNA的吸收光谱与DNA无显著差别。,(三)核酸的变性(denaturation)与复性,1.变性在某些理化因素作用下,DNA双链解开成两条
16、单链的过程。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,使DNA变性的方法:过量酸,碱,加热,变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,2.复性(renaturation),热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火(annealing)。,在适当条件下,变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象,这一现象称为复性。,在DNA变性后的复性过程中,如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中,只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系,在适宜的条件(温度及离子强度)下,就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。,(四)核酸分子杂交(hybr
17、idization),第三节 酶的作用与辅酶,酶是活细胞合成的具有高度催化效率和高度特异性的一类生物大分子。绝大部分酶是蛋白质,还有一些核糖核酸RNA具有催化作用,称为核酶。,一、酶的基本概念和作用特点,定义,酶促反应的特点,1.酶的主要成分是蛋白质 凡是使蛋白质变性的因素,同样可以使酶发生变性,一旦酶变性即丧失其原有的催化活性2.酶的催化效率高 酶催化反应的反应速度比非催化反应的速度要高107-1012倍 3.酶具有高度的特异性 酶对其作用底物有严格的选择性。酶的专一性实质上是酶分子对底物分子的识别。4.酶活性的可调节性 有些酶的催化活性与辅因子有关。除去辅因子后酶失去活性,二、酶的分子组成
18、与功能,1.酶的分子组成 按其分子组成分为单纯蛋白酶和结合蛋白酶两大类。单纯酶由氨基酸组成,不含其他成分。结合蛋白酶由蛋白质部分和非蛋白部分组成,前者称为酶蛋白,后者称为辅助因子。,根据与酶蛋白的结合程度,辅助因子分为:辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合较松驰,用透析法可能与酶蛋白分离的辅助因子。辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合较紧密,用透析法不能除去的小分子物质称为辅基。,2.酶的活性中心,必需基团:在反应过程中,酶与底物的接触结合时,只局限与酶分子的少数基团与活性有关,其中那些与酶活性密切相关的基团称为必需基团。,酶的活性中心酶分子必需基团在一级结构上可能相距很远
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