导图社区 第一章蛋白质的结构和功能1
这是一篇关于第一章蛋白质的结构和功能1的思维导图,包括:第一节蛋白质概论、第二节蛋白质的分子结构 、第三节蛋白质结构与功能的关系、第四节蛋白质的理化性质。
编辑于2021-11-12 09:29:55蛋白质的结构与功能
第一节蛋白 质概论
一。定义 由天然氨基酸按照一定的顺序,通过肽键连接而成的一条或多条肽链构成的生物大分子;其种类繁多,各具有一定的相对分子质量、复杂的分子结构和特定的生物功能;是表达生物遗传性状的一类主要物质。
二。蛋白质的生物学重要性 1. 生物体内的重要组成成分 2.氧化供能 3. 生物学功能
1)催化生物化学反应(酶) 2))结构成分(结缔组织的胶原蛋白、皮肤的弹性蛋白、膜蛋白
3)贮藏(卵清蛋白、种子蛋白) 4)物质运输(血红蛋白、脂蛋白、电子传递体)
5)细胞运动(肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白) 6)激素功能(胰岛素)
7)防御功能(抗体、血凝蛋白) 8)接受传递信息(受体蛋白、味觉蛋白)
9)调节细胞生长、分化和遗传信息的表达(组蛋白)
四 蛋白质的分类
按组成分类
单纯蛋白质
结合蛋白质 简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成,这些非蛋 白成分包括糖、脂、核酸、色素等,又称为辅基或配体。
按外形分类
球状蛋白 溶解性较好,能形成结晶,大多数蛋白质属于这一类。但肌动蛋白属于球状蛋白却不溶于水
纤维状蛋白 不溶性纤维状蛋白质:大多数纤维状蛋白质属此类,如 胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝蛋白等。 可溶性纤维状蛋白质:肌球蛋白和血纤蛋白原可溶于水。
按多肽链条数分类
单体蛋白质 仅含一条多肽链。
多聚蛋白质 含两条或多条多肽链。 牛核糖核酸酶 :一条多肽链 胰岛素 :两条(两种)多肽链 血红蛋白:四条(两种)多肽链
氨基酸是蛋白质水解的最终产物,是组成蛋白质的基本单位(构件分子)。从各种生物体内发现的氨基酸已有180多种,但参与蛋白质组成的常见氨基酸只有20种,这20种氨基酸称为常见氨基酸或基本氨基酸。
组成人体蛋白质的20种L-α-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-α-氨基酸(甘氨酸除外)。
生物体内的氨基酸类别
蛋白质氨基酸:蛋白质中常见的20种氨基酸 21种:硒半胱氨酸 UGA 22种:吡咯赖氨酸 UAG
稀有的蛋白质氨基酸 在蛋白质合成后由相应的基本氨基酸衍生而来的。 非蛋白质氨基酸 存在于生物体内,但不组成蛋白质 的呈游离或结合态的氨基酸,约150种,具有多种生理功能。1.L-α-氨基酸的衍生物 2.D-α-氨基酸 3. β、γ、δ-氨基酸
分布广,含量高:约占人体固体成分45%,在细胞中可达细胞干重的70%以上
氨基酸可根据侧链结 构和理化性质进行分类
据R基团化学结构分类
脂肪族AA(15种)
芳香族AA 苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)
杂环AA (His、Pro)
R基团极性分类
非极性脂肪族氨基酸 R基团是一些非极性的脂肪链
甘氨酸(Gly,G)
丙氨酸(Ala,A)
缬氨酸(Val,V)
亮氨酸(Leu,L)
异亮氨酸(Ile,I)
脯氨酸(亚氨基酸)(Pro,P)
甲硫氨酸(Met,M)
极性中性氨基酸
亲水性,除却本身就有的一个羧基和氨基外,在侧链中含有其他极性基团,且R基不带电
丝氨酸(Ser,S)
苏氨酸(Thr,T)
天冬氨酸(Asn,N)
谷氨酰胺(Gln,Q)
半胱氨酸(Cys,C)
据酸碱性质分类
酸性氨基酸 有极性,亲水性强。两个侧链基团里都含有羧基(-COOH)和一个氨基(-NH2)
天冬氨酸(Asp,A)
谷氨酸(Glu,E)
碱性氨基酸
有极性,亲水性强):除却本身就有的一个羧基和氨基外,在侧链里有更多的碱性基团(氨基、双键)
赖氨酸(Lys,K)
精氨酸(Arg,R)
组氨酸(His,H)
据营养学分类 必需AA和非必需AA Met Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr 假 设 来 借 一 两 本 书
特殊氨基酸
脯氨酸(亚氨基酸)
半胱氨酸
胱氨酸
氨基酸具有共同或特异的理化性质
旋光性
组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸以外都有手性碳原子,在三维空间上就有不同的排列方式,分别为D-型和L-型。其他的氨基酸含有一个手性的α碳原子 自然界中组成蛋白质的氨基酸都是L-型。
紫外吸收性质
含有共轭双键的氨基酸 色氨酸>酪氨酸>苯丙氨酸(吸收能力)分光光度法,测定蛋白质含量的方法
色氨酸和酪氨酸对280nm的紫外线吸收最多
两性解离的性质
解离程度取决于所处溶液的酸碱度
等电点:在某一pH的溶液中,氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等,成为兼性离子,呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点,
公式
与茚三酮反应 生成蓝紫色化合物
与HNO2的反应
肽键和肽
肽
由一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的无分支线形聚合物。其中的氨基酸单位称氨基酸残基。
肽键
氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用,肽 键中的C-N键具有部分双键性质,不能自由旋转。两相邻的肽键平面可以作相对旋转。
肽的性质
1)旋光性 2)两性解离及等电点 3)化学反应 双缩脲反应:含有两个或两个以上肽键的化合物与碱性硫酸铜作用,生成蓝紫色的复合物,肽键越多颜色越深,受蛋白质特异性影响小,可用于肽和蛋白质定量测定及测定蛋白质水解程度。
多肽
最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位
N末端
有自由氨基的一端
C末端
有自由羧基的一端
有些有活性,叫做生物活性肽
谷胱甘肽 在体内参与氧化还原过程,作为某些氧化还原酶的辅因子,作用是保护巯基酶,或防止过氧化物积累。(部位:-SH
神经肽
激素类多肽
抗生素类多肽
第二节 蛋白质 的分子结构
蛋白质的分子结构包括:
一级结构
二级结构( secondary structure )
三级结构( tertiary structure )
四级结构( quaternary structure )
高级结构
一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸残基的排列顺序。即氨基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中,这种序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的。
主要的化学键:
肽键,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功能的基础,但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。
蛋白质一级结构测定的意义
①是推测蛋白质高级结构的分子依据 ②是理解蛋白质生理功能的分子基础 ③是阐明遗传疾病发生机理的分子手段 ④是研究生物进化的分子佐证
二、多肽链的局部主链 构象为蛋白质二级结构
概念: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,并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。
主要的化学键:氢键
所谓肽链主链骨架原子即N(氨基氮)、 Cα(α-碳原子)和Co(羰基碳)3个原子依次重复排列。
蛋白质二级结构种类
a-螺旋
影响因素
1.静电排斥作用
2.甘氨酸位阻小,可以连续存在,不能形成α螺旋
3.形成 a螺旋无脯氨酸
R不能过大
常见蛋白质的二级结构
1.绝大多数天然蛋白质都是右手螺旋。
2.每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈;每圈间距0.54nm,即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm,旋转100°
3.氢键:每个氨基酸残基的N-H都与前面(C端)第四个残基C=O形成氢键。
4.螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧;链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;
b-折叠
由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而形成片层结构
氢键是维持二级结构的主要的化学键
有多条完全伸展平行排列通过链间氢键交联 或者一条中不同肽段靠链内氢键
平行式
反平行式
多由四个氨基酸残基构成,第二个是脯氨酸,还是第一个羰基养和第四个氨基氢
b-转角
定义:出现180℃回折的结构
由一条多肽链回折形成的,一般由4个氨基酸残基,第二个常为脯氨酸 存在于球状蛋白中
β-转角都在蛋白质分子的表面,多数为亲水氨基酸组成
无规卷曲 又称自由卷曲,是指没有一定规律的松散肽链结构,但是其结构是明确而稳定的,常常构成酶的功能部位。
常出现在a-螺旋与a-螺旋、a-螺旋与β-折叠、 β-折叠与β-折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。
超二级结构
两个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个有规则的二级结构组合,被称为超二级结构 在结构层次上高于二级结构,但没有聚集成具有功能的结构域。
膜体
是具有特殊功能的超二级结构
肽单元
肽键不能旋转,有顺反
组成肽键的4个原子和与之相连的两个α碳原子位于同一个刚性平面叫做肽单元
氨基酸残基的侧链影 响二级结构的形成
蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠,它就会出现相应的二级结构。
结构域
指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区,它是相对独立的紧密球状实体,称为结构域
特点
1.结构域是球状蛋白的折叠单位,一般有100-200氨基酸残基。 2.较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的。 3.结构域之间常有一段柔性的肽段相连,形成所谓的铰链区,使结构域之间可以发生相对移动。 4.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。结构域间的裂缝,常是酶的活性部位,也是反应物的出入口。
三级结构
定义
指的是多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上,主链构象和侧链构象相互作用,进一步盘曲折叠形成球状分子结构。 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
包括侧链
主要化学键
非共价键:疏水作用、离子键、氢键和 范德华力 共价键:二硫键
外亲水,内疏水,三维结构
球状蛋白的三级的结构特征
四级结构
定义
由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称为亚基
实际上是亚基之间的相互作用,和空间排布,不涉及内部原子的相互作用
特点 1)有多个亚基。 2)稳定性主要靠亚基间的疏水作用维持。 3)亚基单独存在时无生物活性或活性很小, 只有通过亚基相互聚合成四级结构后,蛋 白质才具有完整的生物活性。 4)亚基间具有协同效应和变构效应。 5)增强结构的稳定性,通过减少蛋白表面积和体积比。 6)提高遗传的经济性。 7)使催化基团汇集到一起。
化学键
离子键,疏水键,氢键,范德华力。氢键和离子键是最主要的
纤维状蛋白质 1.角蛋白 a-角蛋白 b-角蛋白:以β-折叠结构为主。 片层结构:反平行式β-折叠片以平行的方式堆积。 链间主要以氢键连接,层间主要靠范德华力维系。
2.胶原蛋白
第三节 蛋白质结 构与功能的关系
结构是功能的基础,功能是结构的体现
一级结构与功能的关系
决定高级结构,高级结构决定蛋白质的功能
1. 一级结构是空间构象的基础 2. 同源蛋白质一级结构是生物进化的分子佐证 3. 一级结构与分子病 4. 前体与活性蛋白质一级结构的关系
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
一级结构关键部分变化,其生物活性也改变
功能依赖 特定空间结构
变构效应
因与某小分子物质相互作用发生构象变化,蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化,称为变构效应。
构象病
一级结构不变,由于折叠发生错误,构象变化
疯牛病,阿尔茨海默症
如Hb两种构象的存在和转换
T型
对氧气的亲和力小
R型
对氧气的亲和力大
协同效应
一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后,能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象,称为协同效应
如果是促进作用则是正协同效应
蛋白质构象改变可引起疾病
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变,仍可影响其功能,严重时可导致疾病发生。
人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。
第四节 蛋白质的理化性质
两性电离
等电点PI
电泳:蛋白质在电场中泳动而发生分离各种蛋白质的技术叫做电泳
胶体性质
蛋白质稳定的因素:颗粒表面电荷,水化膜
透析法
变性和复性
天然蛋白质分子受到加热、紫外线照射、高压和表面张力等物理因素或有机溶剂、脲、胍、酸、碱等化学因素的影响时,生物活性丧失,溶解度降低,不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变,这种过程称为蛋白质变性。
降解是指肽键断裂
本质:破坏非共价键和二硫键,不改变蛋白质一级结构
特征
生物活性丧失(主要的)
失去结晶的能力
溶解度降低易沉淀
疏水集团外漏
粘度增加,扩散系数降低
空间结构破坏导致分子不对称增加
易被蛋白酶水解
内部肽段暴露
凝固
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。
沉淀
1.水化膜
肽段的疏水力,因此,有三级结构的蛋白质分子,表面的亲水基团会牢固吸附一层水形成水化膜
2.荷电
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。
若蛋白质变性程度较轻,去除变性因素后,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
光谱吸收
紫外光谱区域有特征性吸收峰
在280nm波长处有特征性吸收峰
A280与浓度形成正比关系,可作蛋白质定量测定
呈色反应
双缩脲反应是蛋白质结构中肽键参与的反应
双缩脲反应常被用于检测蛋白质的水解程度