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王镜岩生物化学课后习题答案.doc

王镜岩生物化学课后习题答案.doc

上传者: wangli99990104 2010-12-01 评分 5 0 102 14 462 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《王镜岩生物化学课后习题答案doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含生物化学(第三版)课后习题详细解答生物化学(第三版)课后习题详细解答第三章氨基酸提要α氨基酸是蛋白质的构件分子当用酸、碱或蛋白酶水解蛋白质时可获得它符等。

生物化学(第三版)课后习题详细解答生物化学(第三版)课后习题详细解答第三章氨基酸提要α氨基酸是蛋白质的构件分子当用酸、碱或蛋白酶水解蛋白质时可获得它们。蛋白质中的氨基酸都是L型的。但碱水解得到的氨基酸是D型和L型的消旋混合物。参与蛋白质组成的基本氨基酸只有种。此外还有若干种氨基酸在某些蛋白质中存在但它们都是在蛋白质生物合成后由相应是基本氨基酸(残基)经化学修饰而成。除参与蛋白质组成的氨基酸外还有很多种其他氨基酸存在与各种组织和细胞中有的是β、γ或δ氨基酸有些是D型氨基酸。氨基酸是两性电解质。当pH接近时氨基酸的可解离基团全部质子化当pH在左右时则全部去质子化。在这中间的某一pH(因不同氨基酸而异)氨基酸以等电的兼性离子(HNCHRCOO)状态存在。某一氨基酸处于净电荷为零的兼性离子状态时的介质pH称为该氨基酸的等电点用pI表示。所有的α氨基酸都能与茚三酮发生颜色反应。αNH与,二硝基氟苯(DNFB)作用产生相应的DNP氨基酸(Sanger反应)αNH与苯乙硫氰酸酯(PITC)作用形成相应氨基酸的苯胺基硫甲酰衍生物(Edman反应)。胱氨酸中的二硫键可用氧化剂(如过甲酸)或还原剂(如巯基乙醇)断裂。半胱氨酸的SH基在空气中氧化则成二硫键。这几个反应在氨基酸荷蛋白质化学中占有重要地位。除甘氨酸外α氨基酸的α碳是一个手性碳原子因此α氨基酸具有光学活性。比旋是α氨基酸的物理常数之一它是鉴别各种氨基酸的一种根据。参与蛋白质组成的氨基酸中色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸在紫外区有光吸收这是紫外吸收法定量蛋白质的依据。核磁共振(NMR)波谱技术在氨基酸和蛋白质的化学表征方面起重要作用。氨基酸分析分离方法主要是基于氨基酸的酸碱性质和极性大小。常用方法有离子交换柱层析、高效液相层析(HPLC)等。习题写出下列氨基酸的单字母和三字母的缩写符号:精氨酸、天冬氨酸、谷氨酰氨、谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸。见表表氨基酸的简写符号名称三字母符号单字母符号名称三字母符号单字母符号丙氨酸(alanine)AlaA亮氨酸(leucine)LeuL精氨酸(arginine)ArgR赖氨酸(lysine)LysK天冬酰氨(asparagines)AsnN甲硫氨酸(蛋氨酸)(methionine)MetM天冬氨酸(asparticacid)AspD苯丙氨酸(phenylalanine)PheFAsn和或AspAsxB半胱氨酸(cysteine)CysC脯氨酸(praline)ProP谷氨酰氨(glutamine)GlnQ丝氨酸(serine)SerS谷氨酸(glutamicacid)GluE苏氨酸(threonine)ThrTGln和或GluGlsZ甘氨酸(glycine)GlyG色氨酸(tryptophan)TrpW组氨酸(histidine)HisH酪氨酸(tyrosine)TyrY异亮氨酸(isoleucine)IleI缬氨酸(valine)ValV、计算赖氨酸的εαNH被解离时的溶液PH。解:pH=pKalgpKa=(见表P)pH=lg=、计算谷氨酸的γCOOH三分之二被解离时的溶液pH。解:pH=pKalgpKa=pH==、计算下列物质molL溶液的pH:(a)亮氨酸盐酸盐(b)亮氨酸钠盐(c)等电亮氨酸。(a)约,(b)约,(c)约、根据表中氨基酸的pKa值计算下列氨基酸的pI值:丙氨酸、半胱氨酸、谷氨酸和精氨酸。pI:解:pI=(pKapKa)pI(Ala)=()=pI(Cys)=()=pI(Glu)=()=pI(Ala)=()=、向LmolL的处于等电点的甘氨酸溶液加入molHCl问所得溶液的pH是多少?如果加入molNaOH以代替HCl时pH将是多少?pH:、将丙氨酸溶液(ml)调节到pH然后向该溶液中加入过量的甲醛当所得溶液用碱反滴定至Ph时消耗molLNaOH溶液ml。问起始溶液中丙氨酸的含量为多少克?g、计算molL的组氨酸溶液在pH时各种离子形式的浓度(molL)。His为His为His为、说明用含一个结晶水的固体组氨酸盐酸盐(相对分子质量=咪唑基pKa=)和molLKOH配制LpH的molL组氨酸盐缓冲液的方法取组氨酸盐酸盐g(mol)加入mlmolLKOH用水稀释至L、为什么氨基酸的茚三酮反映液能用测压法定量氨基酸?解:茚三酮在弱酸性溶液中与α氨基酸共热引起氨基酸氧化脱氨脱羧反映(其反应化学式见P)其中定量释放的CO可用测压法测量从而计算出参加反应的氨基酸量。、L亮氨酸溶液(gmlmolLHCl)在cm旋光管中测得的旋光度为º。计算L亮氨酸在molLHCl中的比旋(a)。a=º、标出异亮氨酸的个光学异构体的(RS)构型名称。参考图、甘氨酸在溶剂A中的溶解度为在溶剂B中的倍苯丙氨酸在溶剂A中的溶解度为溶剂B中的两倍。利用在溶剂A和B之间的逆流分溶方法将甘氨酸和苯丙氨酸分开。在起始溶液中甘氨酸含量为mg苯丙氨酸为mg试回答下列问题:()利用由个分溶管组成的逆流分溶系统时甘氨酸和苯丙氨酸各在哪一号分溶管中含量最高?()在这样的管中每种氨基酸各为多少毫克?()第管和第管()mgGlymgPhe和mgGlymgPhe解:根据逆流分溶原理可得:对于Gly:Kd=CACB==q(动相)p(静相)pq==()个分溶管分溶次:()=对于Phe:Kd=CACB==q(动相)p(静相)pq==()个分溶管分溶次:()=故利用个分溶管组成的分溶系统中甘氨酸和苯丙氨酸各在管和第管中含量最高其中:第管:Gly:=mgPhe:=mg第管:Gly:=mgPhe:=mg、指出在正丁醇:醋酸:水的系统中进行纸层析时下列混合物中氨基酸的相对迁移率(假定水相的pH为):()Ile,Lys()Phe,Ser()Ala,Val,Leu()Pro,Val()Glu,Asp()Tyr,Ala,Ser,HisIle>lysPhe,>SerLeu>Val>Ala,Val>ProGlu>AspTyr>Ala>SerHis解:根据P图可得结果。.将含有天冬氨酸(pI=)、甘氨酸(pI=)、亮氨酸(pI=)和赖氨酸(pI=)的柠檬酸缓冲液加到预先同样缓冲液平衡过的强阳离交换树脂中随后用爱缓冲液析脱此柱并分别收集洗出液这种氨基酸将按什么次序洗脱下来?Asp,Thr,Gly,Leu,Lys解:在pH左右氨基酸与阳离子交换树脂之间的静电吸引的大小次序是减刑氨基酸(A)>中性氨基酸(A)>酸性氨基酸(A)。因此氨基酸的洗出顺序大体上是酸性氨基酸、中性氨基酸最后是碱性氨基酸由于氨基酸和树脂之间还存在疏水相互作用所以其洗脱顺序为:Asp,Thr,Gly,Leu,Lys。第四章蛋白质的共价结构提要蛋白质分子是由一条或多条肽链构成的生物大分子。多肽链是由氨基酸通过肽键共价连接而成的各种多肽链都有自己特定的氨基酸序列。蛋白质的相对分子质量介于到或更高。蛋白质分为两大类:单纯蛋白质和缀合蛋白质。根据分子形状可分为纤维状蛋白质、球状蛋白质和膜蛋白质。此外还可按蛋白质的生物学功能分类。为了表示蛋白质结构的不同组织层次经常使用一级结构、二级结构、三级结构和四级结构这样一些专门术语。一级结构就是共价主链的氨基酸序列有时也称化学结构。二、三和四级结构又称空间结构(即三维结构)或高级结构。蛋白质的生物功能决定于它的高级结构高级结构是由一级结构即氨基酸序列决定的二氨基酸序列是由遗传物质DNA的核苷酸序列规定的。肽键(CONH)是连接多肽链主链中氨基酸残缺的共价键二硫键是使多肽链之间交联或使多肽链成环的共价键。多肽链或蛋白质当发生部分水解时可形成长短不一的肽段。除部分水解可以产生小肽之外生物界还存在许多游离的小肽如谷胱甘肽等。小肽晶体的熔点都很高这说明短肽的晶体是离子晶格、在水溶液中也是以偶极离子存在的。测定蛋白质一级结构的策略是:()测定蛋白质分子中多肽链数目()拆分蛋白质分子的多肽链()断开多肽链内的二硫桥()分析每一多肽链的氨基酸组成()鉴定多肽链的N末端和C末端残基()断裂多肽链成较小的肽段并将它们分离开来()测定各肽段的氨基酸序列()利用重叠肽重建完整多肽链的一级结构()确定半胱氨酸残基形成的SS交联桥的位置。序列分析中的重要方法和技术有:测定N末端基的苯异硫氰酸酯(PITC)法分析C末端基的羧肽酶法用于多肽链局部断裂的酶裂解和CNBr化学裂解断裂二硫桥的巯基乙醇处理测定肽段氨基酸序列的Edman化学降解和电喷射串联质谱技术重建多肽链一级序列的重叠肽拼凑法以及用于二硫桥定位的对角线电泳等。在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质称同源蛋白质。同源蛋白质具有明显的序列相似性(称序列同源),两个物种的同源蛋白质其序列间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统发生差异是成比例的。并根据同源蛋白质的氨基酸序列资料建立起进化树。同源蛋白质具有共同的进化起源。在生物体内有些蛋白质常以前体形试合成只有按一定方式裂解除去部分肽链之后才出现生物活性这一现象称蛋白质的激活。血液凝固是涉及氨基酸序列断裂的一系列酶原被激活的结果酶促激活的级联放大使血凝块迅速形成成为可能。凝血酶原和血清蛋白原是两个最重要的血凝因子。血纤蛋白蛋白原在凝血酶的作用下转变为血清蛋白凝块(血块的主要成分)。我国在世纪年代首次在世界上人工合成了蛋白质结晶牛胰岛素。近二、三十年发展起来的固相肽合成是控制合成技术上的一个巨大进步它对分子生物学和基因工程也就具有重要影响和意义。至今利用Merrifield固相肽合成仪已成功地合成了许多肽和蛋白质。习题如果一个相对分子质量为的蛋白质含种氨基酸并假设每种氨基酸在该蛋白质分子中的数目相等问这种蛋白质有多少种可能的排列顺序?解:=、有一个A肽经酸解分析得知为Lys、His、Asp、Glu、Ala以及Val、Tyr忽然两个NH分子组成。当A肽与FDNB试剂反应后得DNPAsp当用羧肽酶处理后得游离缬氨酸。如果我们在实验中将A肽用胰蛋白酶降解时得到两种肽其中一种(Lys、Asp、Glu、Ala、Tyr)在pH时净电荷为零另一种(His、Glu以及Val)可给除DNPHis在pH时带正电荷。此外A肽用糜蛋白酶降解时也得到两种肽其中一种(Asp、Ala、Tyr)在pH时全中性另一种(Lys、His、Glu以及Val)在pH时带正电荷。问A肽的氨基酸序列如何?AsnAlaTyrGluLysHisGlnVal解:、N末端分析:FDNB法得:Asp、C末端分析:羧肽酶法得:Val、胰蛋白酶只断裂赖氨酸或精氨酸残基的羧基形成的肽键得到的是以Arg和Lys为C末端残基的肽断。酸水解使AsnAspNH由已知条件(Lys、Asp、Glu、Ala、Tyr)可得:Asn()()()Lys()()Val、FDNB法分析N末端得DNPHis酸水解使GlnGluNH由已知条件(His、Glu、Val)可得:Asn()()()LysHisGlnVal、糜蛋白酶断裂Phe、Trp和Tyr等疏水氨基酸残基的羧基端肽键。由题得到的一条肽(Asp、Ala、Tyr)结合()、()可得该肽的氨基酸序列为:AsnAlaTyrGluLysHisGlnVal、某多肽的氨基酸序列如下:GluValLysAsnCysPheArgTrpAspLeuGlySerLeuGluAlaThrCysArgHisMetAspGlnCysTyrProGlyGluGluLys。()如用胰蛋白酶处理此多肽将产生几个肽?并解释原因(假设没有二硫键存在)()在pH时此多肽的净电荷是多少单位?说明理由(假设pKa值:αCOOHαNHGlu和Asp侧链基Lys和Arg侧链基His侧链基Cys侧链基Tyr侧链基)()如何判断此多肽是否含有二硫键?假如有二硫键存在请设计实验确定和位上的Cys哪两个参与形成?()个肽()单位()如果多肽中无二硫键存在经胰蛋白酶水解后应得个肽段如果存在一个二硫键应得个肽段并且个肽段所带电荷不同因此可用离子交换层析、电泳等方法将肽段分开鉴定出含二硫键的肽段测定其氨基酸顺序便可确定二硫键的位置、今有一个七肽经分析它的氨基酸组成是:Lys、Pro、Arg、Phe、Ala、Tyr和Ser。此肽未经糜蛋白酶处理时与FDNB反应不产生αDNP氨基酸。经糜蛋白酶作用后此肽断裂城两个肽段其氨基酸组成分别为Ala、Tyr、Ser和Pro、Phe、Lys、Arg。这两个肽段分别与FDNB反应可分别产生DNPSer和DNPLys。此肽与胰蛋白酶反应能生成两个肽段它们的氨基酸组成分别是Arg、Pro和Phe、Tyr、Lys、Ser、Ala。试问此七肽的一级结构怎样?它是一个环肽序列为:PheSerAlaTyrLysProArg解:()此肽未经糜蛋白酶处理时与FDNB反应不产生αDNP氨基酸说明此肽不含游离末端NH即此肽为一环肽()糜蛋白酶断裂Phe、Trp和Tyr等疏水氨基酸残基的羧基端肽键由已知两肽段氨基酸组成(Ala、Tyr、Ser和Pro、Phe、Lys、Arg)可得:()()Tyr和()()()Phe()由()得的两肽段分别与FDNB反应分别产生DNPSer和DNPLys可知该两肽段的N末端分别为Ser和Lys结合()可得:SerAlaTyr和Lys()()Phe()胰蛋白酶专一断裂Arg或Lys残基的羧基参与形成的肽键由题生成的两肽段氨基酸组成(Arg、Pro和Phe、Tyr、Lys、Ser、Ala)可得:ProArg和()()()()Lys综合()、()、()可得此肽一级结构为:LysProArgPheSerAlaTyr、三肽LysLysLys的pI值必定大于它的任何一个个别基团的pKa值这种说法是否正确?为什么?正确因为此三肽处于等电点时七解离集团所处的状态是C末端COO(pKa=)N末端NH(pKa)个侧链(εNH)(pKa=)(pKa=),因此pI>最大的pKa值()、一个多肽可还原为两个肽段它们的序列如下:链为AlaCysPheProLysArgTrpCysArgArgValCys链为CysTyrCysPheCys。当用嗜热菌蛋白酶消化原多肽(具有完整的二硫键)时可用下列各肽:()(Ala、Cys、Val)()(Arg、Lys、Phe、Pro)()(Arg、Cys、Trp、Tyr)()(Cys、Phe)。试指出在该天然多肽中二硫键的位置。(结构如下图)SSAlaCysPheProLysArgTrpCysArgArgValCysSSCysTyrCysPheCys解:嗜热菌蛋白酶作用专一性较差根据题中已知条件:()消化原多肽得到(Ala、Cys、Val)说明链在位Cys后及位Val前发生断裂位Cys与位Cys之间有二硫键()由链序列可得该肽段序列为:PheProLysArg()由()()可知该肽段(Arg、Cys、Trp、Tyr)中必有一Cys来自链另一Cys为链中位Cys即链中位Cys与链中的一个Cys有二硫键()嗜热菌蛋白酶能水解Tyr、Phe等疏水氨基酸残基故此肽(Cys、Phe)来自链结合()中含Tyr可知()中形成的二硫键为链位Cys与链中位Cys与链中位Cys之间()中(Cys、Phe)说明链中位Cys与位Cys中有二硫键。综合()、()、()、()可得结果。、一个十肽的氨基酸分析表明其水解液中存在下列产物:NHAspGluTyrArgMetProLysSerPhe并观察下列事实:()用羧肽酶A和B处理该十肽无效()胰蛋白酶处理产生两各四肽和游离的Lys()梭菌蛋白酶处理产生一个四肽和一个六肽()溴化氢处理产生一个八肽和一个二肽用单字母符号表示其序列位NP()胰凝乳蛋白酶处理产生两个三肽和一个四肽N末端的胰凝乳蛋白酶水解肽段在中性pH时携带净电荷在pH时携带净电荷()一轮Edman降解给出下面的PTH衍生物:(图略)写出该十肽的氨基酸序列。SerGluTyrArgLysLysPheMetAsnPro解:()用羧肽酶A和B处理十肽无效说明该十肽C末端残基为Pro()胰蛋白酶专一断裂Lys或Arg残基的羧基参与形成的肽键该十肽在胰蛋白酶处理后产生了两个四肽和有利的Lys说明十肽中含Lys…或Arg…LysLys…或ArgLys…Lys…ArgLys…四种可能的肽段且水解位置在与、与或与、与、与之间()梭菌蛋白酶专一裂解Arg残基的羧基端肽键处理该十肽后产生一个四肽和一个六肽则可知该十肽第四位为Arg()溴化氰只断裂由Met残基的羧基参加形成的肽键处理该十肽后产生一个八肽和一个二肽说明该十肽第八位或第二位为Met用单字母表示二肽为NP即AsnPro故该十肽第八位为Met()胰凝乳蛋白酶断裂Phe、Trp和Tyr等疏水氨基酸残基的羧基端肽键处理该十肽后产生两个三肽和一个四肽说明该十肽第三位、第六位或第七位为Trp或Phe()一轮Edman降解分析N末端根据其反应规律可得N末端氨基酸残疾结构式为:NHCH(CHOH)C(=O)还原为NHCH(CHOH)COOH可知此为Ser结合()、()、()、()、()、()可知该十肽的氨基酸序列为:SerGluTyrArgLysLysPheMetAsnPro、一个四肽经胰蛋白酶水解得两个片段一个片段在nm附近有强的光吸收并且Pauly反应和坂口反应(检测胍基的)呈阳性。另一片段用溴化氰处理释放出一个与茚三酮反应呈黄色的氨基酸。写出此四肽的氨基酸序列。YRMP解:胰蛋白酶酶专一水解Lys和Arg残基的羧基参与形成的肽键故该四肽中含Lys或Arg一肽段在nm附近有强光吸收且Pauly反应和坂口反应(检测胍基的)呈阳性说明该肽段含Tyr和Arg溴化氰专一断裂Met残基的羧基参加形成的肽键又因生成了与茚三酮反应呈黄色的氨基酸故该肽段为MetPro所以该四肽的氨基酸组成为TyrArgMetPro即YRMP。蜂毒明肽(apamin)是存在蜜蜂毒液中的一个十八肽其序列为CNVRAPETALCARRCOOH已知蜂毒明肽形成二硫键不与碘乙酸发生反应()问此肽中存在多少个二硫键?()请设计确定这些(个)二硫键位置的策略。()两个()二硫键的位置可能是和或和或和第一种情况用胰蛋白酶断裂将产生两个肽加Arg第二种情况和第三种将产生一个肽加Arg通过二硫键部分氧化可以把后两种情况区别开来。、叙述用Mernfield固相化学方法合成二肽LysAla。如果你打算向LysAla加入一个亮氨酸残基使成三肽可能会掉进什么样的“陷坑”?第五章蛋白质的三维结构提要每一种蛋白质至少都有一种构像在生理条件下是稳定的并具有生物活性这种构像称为蛋白质的天然构像。研究蛋白质构像的主要方法是X射线晶体结构分析。此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核磁共振和重氢交换等被用于研究溶液中的蛋白质构像。稳定蛋白质构像的作用有氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键。此外二硫键在稳定某些蛋白质的构像种也起重要作用。多肽链折叠成特定的构像受到空间上的许多限制。就其主链而言由于肽链是由多个相邻的肽平面构成的主链上只有α碳的二平面角Φ和Ψ能自由旋转但也受到很大限制。某些Φ和Ψ值是立体化学所允许的其他值则不被允许。并因此提出了拉氏构像它表明蛋白质主链构象在图上所占的位置是很有限的()。蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复性结构称为二级结构。最常见的二级结构元件有α螺旋、β转角等。α螺旋是蛋白质中最典型、含量最丰富的二级结构。α螺旋结构中每个肽平面上的羰氧和酰氨氢都参与氢键的形成因此这种构象是相当稳定的。氢键大体上与螺旋轴平行每圈螺旋占个氨基酸残基每个残基绕轴旋转螺距为nm。α角蛋白是毛、发、甲、蹄中的纤维状蛋白质它几乎完全由α螺旋构成的多肽链构成。β折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折(锯齿)形式肽链之间或一条肽链的肽段之间借助氢键彼此连接成片状结构故称为β折叠片每条肽链或肽段称为β折叠股或β股。肽链的走向可以有平行和反平行两种形式。平行折叠片构象的伸展程度略小于反平行折叠片它们的重复周期分别为nm和nm。大多数β折叠股和β折叠片都有右手扭曲的倾向以缓解侧链之间的空间应力(stericstrain)。蚕丝心蛋白几乎完全由扭曲的反平行β折叠片构成。胶原蛋白是动物结缔组织中最丰富的结构蛋白有若干原胶原分子组成。原胶原是一种右手超螺旋结构称三股螺旋。弹性蛋白是结缔组织中另一主要的结构蛋白质。蛋白质按其外形和溶解度可分为纤维状蛋白质、球状蛋白质和膜蛋白。α角蛋白、丝心蛋白(β角蛋白)、教员蛋白和弹性蛋白是不溶性纤维状蛋白质肌球蛋白和原肌球蛋白是可溶性纤维状蛋白质是肌纤维中最丰富的蛋白质。球状蛋白质是一类可溶性的功能蛋白如酶、抗体、转运蛋白、蛋白质激素等膜蛋白是一类与膜结构和功能紧密相关的蛋白质它们又可分为膜内在蛋白质、脂锚定蛋白质以及膜周边蛋白质。蛋白质结构一般被分为个组织层次(折叠层次)一级、二级、三级和四级结构。细分时可在二、三级和四级结构。细分时可在二、三级之间增加超二级结构和结构域两个层次。超二级结构是指在一级序列上相邻的二级结构在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成的组合体。超二级结构有中基本形式:αα(螺旋束)、βαβ(如Rossman折叠)、ββ(β曲折和希腊钥匙拓扑结构)。结构域是在二级结构和超二级结构的基础上形成并相对独立的三级结构局部折叠区。结构域常常也就是功能域。结构域的基本类型有:全平行α螺旋结构域、平行或混合型β折叠片结构域、反平行β折叠片结构域和富含金属或二硫键结构域等类。球状蛋白质可根据它们的结构分为全α结构蛋白质、α、β结构蛋白质、全β结构蛋白质和富含金属或二硫键蛋白质等。球状蛋白质有些是单亚基的称单体蛋白质有些是多亚基的称寡聚或多聚蛋白质。亚基一般是一条多胎链。亚基(包括单体蛋白质)的总三维结构称三级结构。球状蛋白质种类很多结构也很复杂各有自己独特的三维结构。但球状蛋白质分子仍有某些共同的结构特征:一种分子可含多种二级结构元件具有明显的折叠层次紧密折叠成球状或椭球状结构疏水测链埋藏在分子内部亲水基团暴露在分子表面分子表面往往有一个空穴(活性部位)。蛋白质受到某些物理或化学因素作用时引起生物活性丢失溶解度降低以及其他的物理化学常数的改变这种现象称为蛋白质变性。变性实质是非共价键破裂天然构象解体但共价键未遭破裂。有些变性是可逆的。蛋白质变性和复性实验表明一级结构规定它的三维结构。蛋白质的生物学功能是蛋白质天然构象所具有的性质。天然构象是在生理条件下热力学上最稳定的即自由能最低的三维结构。蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低构象的。折叠动力学研究表明多肽链折叠过程中存在熔球态的中间体并有异构酶和伴侣蛋白质等参加。寡聚蛋白是由两个或多个亚基通过非共价相互作用缔合而成的聚集体。缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构它涉及亚级在聚集体中的空间排列(对称性)以及亚基之间的接触位点(结构互补)和作用力(非共价相互作用的类型)。习题()计算一个含有个氨基酸的α螺旋的轴长。()此多肽的α螺旋完全伸展时多长?nmnm解:()α螺旋中每个残基绕轴旋转沿轴上升nm故该α螺旋的轴长为:nm=nm()α螺旋每圈螺旋占个氨基酸残基故该α螺旋圈数为:圈α螺旋的直径约为nm故每圈轴长为πnm。完全伸展的α螺旋长度约为:π()nm。某一蛋白质的多肽链除一些区段为α螺旋构想外其他区段均为β折叠片构象。该蛋白质相对分子质量为多肽链外姓的长度为cm。试计算:α螺旋占该多肽链的百分数。(假设β折叠构象中每氨基酸残疾的长度为nm)解:一般来讲氨基酸的平均分子量为Da此蛋白质的分子量为Da所以氨基酸残基数为=个。设有X个氨基酸残基呈α螺旋结构则:X(X)==nm解之得X=α螺旋的长度为=故α螺旋占该蛋白质分子的百分比为:=虽然在真空中氢键键能约为kjmol但在折叠的蛋白质中它对蛋白质的桅顶焓贡献却要小得多(<kjmol)。试解释这种差别的原因。在伸展的蛋白质中大多数氢键的共体和接纳体都与水形成氢键。折旧时氢键能量对稳定焓贡献小的原因。多聚甘氨酸是一个简单的多肽能形成一个具有φ=ψ=的螺旋根据拉氏构象图(图)描述该螺旋的(a)手性(b)每圈的碱基数。(a)左手(b)解:据P图拉氏构象图=φψ=时可知该螺旋为左手性每圈残基数为。α螺旋的稳定性不仅取决于肽链间的氢键形成而且还取决于肽链的氨基酸侧链的性质。试预测在室温下的溶液中下列多聚氨基酸那些种将形成α螺旋那些种形成其他的有规则的结构那些种不能形成有规则的结构?并说明理由。()多聚亮氨酸pH=()多聚异亮氨酸pH=()多聚精氨酸pH=()多聚精氨酸pH=()多聚谷氨酸pH=()多聚苏氨酸pH=()多聚脯氨酸pH=()()和()能形成α螺旋()()和()不能形成有规则的结构()有规则但不是α螺旋多聚甘氨酸的右手或左手α螺旋中哪一个比较稳定?为什么?因为甘氨酸是在α碳原子上呈对称的特殊氨基酸因此可以预料多聚甘氨酸的左右手α螺旋(他们是对映体)在能量上是相当的因而也是同等稳定的。考虑一个小的含残基的蛋白质。该蛋白质将有个可旋转的键。并假设对每个键φ和ψ有亮个定向。问:(a)这个蛋白质可能有多种随机构象(W)?(b)根据(a)的答案计算在当使mol该蛋白质折叠成只有一种构想的结构时构想熵的变化(ΔS折叠)(c)如果蛋白质完全折叠成由H键作为稳定焓的唯一来源的α螺旋并且每molH键对焓的贡献为kjmol试计算ΔH折叠(d)根据逆的(b)和(c)的答案计算时蛋白质的ΔG折叠。该蛋白质的折叠形式在时是否稳定?(a)W==(b)ΔS折叠=kj(Kmol)(c)ΔH折叠(kjmol)=kjmol注意这里我们没有考虑在螺旋末端处某些氢键不能形成这一事实但考虑与否差别很小。(d)ΔG折叠=kjmol由于在时ΔG折叠<因此折叠的蛋白质是稳定的。两个多肽链A和B有着相似的三级结构。但是在正常情况下A是以单体相识存在的而B是以四聚体(B)形式存在的问A和B的氨基酸组成可能有什么差别。在亚基亚基相互作用中疏水相互作用经常起主要作用参与四聚体B的亚基亚基相互作用的表面可能比单体A的对应表面具有较多的疏水残基。下面的序列是一个球状蛋白质的一部分。利用表中的数据和ChouFaman的经验规则预测此区域的二级结构。RRPVVLMAACLRPVVFITYGDGGTYYHWYH残基是一个α螺旋残基和是β折叠片。残基很可能形成β转角从热力学考虑完全暴露在水环境中和完全埋藏在蛋白质分子非极性内部的两种多肽片段哪一种更容易形成α螺旋?为什么?埋藏在蛋白质的非极性内部时更容易形成α螺旋。因为在水环境中多肽对稳定焓(ΔH折叠)的贡献要小些。一种酶相对分子质量为在酸性环境中可解理成两个不同组分其中一个组分的相对分子质量为另一个为。大的组分占总蛋白质的三分之二具有催化活性。用β巯基乙醇(能还原二硫桥)处理时大的失去催化能力并且它的沉降速度减小但沉降图案上只呈现一个峰(参见第章)。关于该酶的结构作出什么结论?此酶含个亚基两个无活性亚基的相对分子质量为两个催化亚基的相对分子质量为每个催化亚基是由两条无活性的多肽链(相对分子质量为)组成。彼此间由二硫键交联在一起。今有一种植物的毒素蛋白直接用SDS凝胶电泳分析(见第章)时它的区带位于肌红蛋白(相对分子质量为)和β乳球蛋白(相对分子质量)良种蛋白之间当这个毒素蛋白用β巯基乙醇和碘乙酸处理后在SDS凝胶电泳中仍得到一条区带但其位置靠近标记蛋白细胞素(相对分子质量为)进一步实验表明该毒素蛋白与FDNB反应并酸水解后释放出游离的DNPGly和DNPTyr。关于此蛋白的结构你能做出什么结论?该毒素蛋白由两条不同的多肽链通过链间二硫键交联而成每条多肽链的相对分子质量各在左右。一种蛋白质是由相同亚基组成的四聚体。(a)对该分子说出来年各种可能的对称性。稳定缔合的是哪种类型的相互作用(同种或异种)?(b)假设四聚体如血红蛋白是由两个相同的单位(每个单位含α和β两种链)组成的。问它的最高对称性是什么?(a)C和DC是通过异种相互作用缔合在一起D是通过同种相互作用缔合在一起(b)C因为每个αβ二聚体是一个不对称的原聚体证明一个多阶段装配过程比一个单阶段装配过程更容易控制蛋白质的质量。考虑一个多聚体酶复合物的合成此复合物含个相同的二聚体每个二聚体由一个多肽A和一个B组成多肽A和B的长度分别为个和个氨基酸残基。假设从氨基酸合成多肽链多肽链组成二聚体再从二聚体聚集成多聚体酶在这一建造过程中每次操作的错误频率为假设氨基酸序列没有错误的话多肽的折叠总是正确的并假设在每一装配阶段剔除有缺陷的亚结构效率为试比较在下列情况下有缺陷复合物的频率:()该复合物以一条个氨基酸连续的多肽链一步合成链内含有个多肽A和个多肽B。()该复合物分个阶段形成:第一阶段多肽A和B的合成第二阶段AB二聚体的形成第三阶段个AB二聚体装配成复合物。()有缺陷复合物的平均频率是=()由于有缺陷的二聚体可被剔除因此有缺陷复合物的平均率只是最后阶段的操作次数(此操作装配个亚基)乘以错误频率即:。因此它比一步合成所产生的缺陷频率约低倍。第六章蛋白质结构与功能的关系提要肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)是脊椎动物中的载氧蛋白质。肌红蛋白便于氧在肌肉中转运并作为氧的可逆性贮库。而血红蛋白是血液中的氧载体。这些蛋白质含有一个结合得很紧的血红素辅基。它是一个取代的卟啉在其中央有一个铁原子。亚铁(Fe)态的血红素能结合氧但高铁()态的不能结合氧。红血素中的铁原子还能结合其他小分子如CO、NO等。肌红蛋白是一个单一的多肽链含个残基外形紧凑。Mb内部几乎都是非极性残基。多肽链中约是α螺旋共分八个螺旋段。一个亚铁血红素即位于疏水的空穴内它可以保护铁不被氧化成高铁。血红素铁离子直接与一个His侧链的氮原子结合。此近侧His(H)占据个配位位置。第个配位位置是O的结合部位。在此附近的远侧His(E)降低在氧结合部位上CO的结合并抑制血红素氧化或高铁态。氧与Mb结合是可逆的。对单体蛋白质如Mb来说被配体(如)O占据的结合部位的分数是配体浓度的双曲线函数如Mb的氧集合曲线。血红蛋白由个亚基(多肽链)组成每个亚基都有一个血红素基。HbA是成人中主要的血红蛋白具有αβ的亚基结构。四聚体血红蛋白中出现了单体血红蛋白所不具有的新性质Hb除运载氧外还能转运H和CO。血红蛋白以两种可以相互转化的构象态存在称T(紧张)和R(松弛)态。T态是通过几个盐桥稳定的。无氧结合时达到最稳定。氧的结合促进T态转变为R态。氧与血红蛋白的结合是别构结合行为的一个典型例证。T态和R态之间的构象变化是由亚基亚基相互作用所介导的它导致血红蛋白出现别构现象。Hb呈现种别构效应。第一血红蛋白的氧结合曲线是S形的这以为着氧的结合是协同性的。氧与一个血红素结合有助于氧与同一分子中的其他血红素结合。第二H和CO促进O从血红蛋白中释放这是生理上的一个重要效应它提高O在代谢活跃的组织如肌肉的释放。相反的O促进H和CO在肺泡毛细血管中的释放。H、CO和O的结合之间的别构联系称为Bohr效应。第三血红蛋白对O的亲和力还受、二磷酸甘油酸(BPG)调节BPG是一个负电荷密度很高的小分子。BPG能与去氧血红蛋白结合但不能与氧合血红蛋白结合。因此BPG是降低血红蛋白对氧的亲和力的。胎儿血红蛋白(αβ)比成年人的血红蛋白(αβ)有较高的氧亲和力就是因为它结合BPG较少。导致一个蛋白质中氨基酸改变的基因突变能产生所谓分子病这是一种遗传病。了解最清楚的分子病是镰刀状细胞贫血病。这种病人的步正常血红蛋白称为HbS它只是在两条β链第六位置上的Glu倍置换乘Val。这一改变在血红蛋白表面上产生一个疏水小区因而导致血红蛋白聚集成不溶性的纤维束并引起红细胞镰刀状化和输氧能力降低。纯合子的病人出现慢性贫血而死亡。地中海贫血是由于缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因造成的。棉衣反映是由特化的白细胞淋巴细胞和巨噬细胞及其相关的蛋白质之间的相互作用介导的。T淋巴细胞产生T细胞受体B淋巴细胞产生免疫球蛋白即抗体。所有的细胞都能产生MHC蛋白它们在细胞表面展示宿主(自我)肽或抗原(非自我)肽。助T细胞诱导那些产生免疫球蛋白的B细胞和产生T细胞受体的胞毒T细胞增殖。免疫球蛋白或T细胞受体能与特异的抗原结合。一个特定的祖先细胞通过刺激繁殖产生一个具有同样免疫能力的细胞群的过程称为克隆选择。人类具有个类别的免疫球蛋白每一类别的生物学功能都是不同的。最丰富的是IgG类它由条多肽链组成两条重链两条轻链通过二硫键连接成Y形结构的分子。靠近Y的两“臂”顶端的结构域是多变区形成来年各个抗原结合部位。一个给顶的免疫球蛋白一般只结合一个大抗原分子的一部分称为表位。结合经常涉及IgG的构象变化以便域抗原诱导契合。由于抗体容易制取并具有高度特异性它成为许多分析和制备生化方法的核心如酶联免疫吸附测定(ELISA)、Western印迹和单克隆抗体技术等都得到广泛应用。在发动机蛋白质中蛋白质配体相互作用上空间和时间的组织达到相当完善的程度。肌肉收缩是由于肌球蛋白和肌动蛋白“精心安排”的相互作用的结果。肌球蛋白是由纤维状的尾和球状的头组成的棒状分子在肌肉中倍组织成粗丝。G肌动蛋白是一种单体由它聚集成纤维状的F肌动蛋白后者是细丝的主体。由粗丝和细丝构成肌肉收缩单位肌节。肌球蛋白上的ATP水解与肌球蛋白头片的系列构象变化相偶联引起肌球蛋白头从F肌动蛋白亚基上解离并与细丝前方的另一F肌动蛋白亚基再结合。因此肌球蛋白沿肌动蛋白细丝滑动。肌肉收缩受从肌质网释放的Ga刺激。Ga与肌钙蛋白结合导致肌钙蛋白原肌球蛋白复合体的构象变化引发肌动蛋白肌球蛋白相互作用的循环发生。习题蛋白质A和B各有一个配体X的结合部位前者的解离常数Kd为molL。(a)哪个蛋白质对配体X的亲和力更高?(b)将这两个蛋白质的Kd转换为结合常数Ka。(a)蛋白质B(b)蛋白质A的Ka=(molL)蛋白质B的Ka=(molL)下列变化对肌红蛋白和血红蛋白的O亲和力有什么影响?(a)血浆的pH从降到(b)肺中CO分压从torr(屏息)降到torr(正常)(c)BPG水平从mmolL(海平面)增至mmol(高空)。对肌红蛋白:(a)无(b)无(c)无。对血红蛋白:(a)降低(b)增加(c)降低在pHCO分压torr和BPG正常胜利水平(mmolL血)条件下人全血的氧结合测定给出下列数据:p(O)饱和度(=Y)(a)​ 根据这些数据绘制氧结合曲线估算在()torrp(O)(肺中)和()torrp(O)(静脉血中)下血的氧百分饱和度。(b)​ 肺中torrp(O)结合的氧有百分之多少输送给组织torrp(O)?(c)​ 如果在毛细血管中pH降到利用图数据重新估算(b)部分。(a)()()(b)约(c)约解:(a)图略从图中克知分别为和(b)=故约(c)当pH降到时据图可知:=。如果已知P和n可利用方程()Y(Y)=p(O)Pn计算Y(血红蛋白氧分数饱和度)。设P=torrn=计算肺(这里p(O)=torr)中的Y和毛细血管(这里p(O)=torr)中的Y。在这些条件下输氧效率(Y肺Y毛细血管=ΔY)是多少?除n=外重复上面计算。比较n=和n=时的ΔY值。并说出协同氧结合对血红蛋白输氧效率的影响。n=时Y肺=Y毛细血管=所以ΔY=n=时Y肺=Y毛细血管=所以ΔY=两ΔY之差=差值似乎不大但在代谢活跃的组织中p(O)<torr因此潜在输氧效率不小参见图解:Y肺(Y肺)=Y肺=Y毛(Y毛)=Y毛=ΔY==当n=时同理Y肺=Y毛=ΔY=如果不采取措施贮存相当时间的血BPG的含量会下降。如果这样的血用于输血可能会产生什么后果?贮存过时的红血球经酵解途径代谢BPG。BPG浓度下降Hb对O的亲和力增加致使不能给组织供氧。接受这种BPG浓度低的输血病人可能被窒息。HbA能抑制HbS形成细长纤维和红细胞在脱氧后的镰刀状化。为什么HbA具有这一效应?去氧HbA含有一个互补部位因而它能加到去氧HbS纤维上。这样的纤维不能继续延长因为末端的去氧HbA分子缺少“粘性”区。一个单克隆抗体与G肌动蛋白结合但不与F肌动蛋白结合这对于抗体识别抗原表位能告诉你什么?该表位可能是当G肌动蛋白聚合成F肌动蛋白时被埋藏的那部分结构。.假设一个Fab半抗原复合体的解离常数在和pH时为molL。(a)结合的标准自由能(和pH时)是多少?(b)此Fab的亲和力结合常数是多少?(c)从该复合体中释放半抗原的速度常数为S。结合的速度常数是多少?此说明在结合半抗原时抗体中的结构变化是大还是小?(a)ΔGˊ=kjmol(b)Ka=molL(c)结合速度常数k=molSL此值接近于小分子与蛋白质相遇(结合)的扩散控制限制(至molSL)抗原与抗体的结合方式与血红蛋白的氧结合相似。假设抗原是一价抗体是n价即抗体分子有n个结合部位且各结合部位的结合常数Ka值是相同的则可证明当游离抗原浓度为L时结合到抗体上的抗原浓度Lp与抗体的总浓度Pr之比值N=LpPr=(nKaL)(KaL)N实际上表示被一个抗体分子结合的抗原分子平均数。(a)证明上面的方程可重排为NL=KanKaN此方程式称Scatchard方程方程表明NL对N作图将是一条直线。(b)根据Scatchard方程利用下列数据作图求出抗体抗原反应的n和Ka值。LmolLN(a)第一个方程两边各乘(KaL)然后两边各除以L并重排第个方程(b)根据第二方程NL对N作图的斜率是KaNL=时的截距给出n。利用数据作图得Ka=molLn=。因为结合部位数目只可能是整数所以n=一个典型的松弛肌节中细丝长约μm粗丝长约为μm。(a)​ 估算在松弛和收缩时粗丝和细丝的重叠情况。(b)​ 一次循环中肌球蛋白沿细丝滑行“一步”移动约nm问一次收缩中每个肌动蛋白纤维需要进行多少个步?(a)约nm(b)约步解:(a)根据P图A所示当松弛是重叠总长度为:()()=μm=μm当收缩时重叠总长度为:()()=μm=μm(b)()步第七章蛋白质的分离、纯化和表征提要蛋白质也是一种两性电解质。它的酸碱性质主要决定于肽链上可解离的R基团。对某些蛋白质说在某一pH下它所带的正电荷与负电荷相等即净电荷为零此pH称为蛋白质的等电点。各种蛋白质都有自己特定的等电点。在等电点以上的pH时蛋白质分子带净负电荷在等电点以下的pH时带净正电荷。蛋白质处于等电点时溶解度最小。在无盐类干扰情况下一种蛋白质的质子供体基团解离出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的pH是它的真正等电点称为等离子点它是该蛋白质的特征常数。测定蛋白质相对分子质量(Mr)的最重要的方法是利用超速离心机的沉降速度法和沉降平衡法。沉降系数(s)的定义是单位离心场强度的沉降速度。s也常用来近似地描述生物大分子的大小。凝胶过滤是一种简便的测定蛋白质Mr的方法。SDS聚丙乙酰胺凝胶电泳(PAEG)用于测定单体蛋白质或亚基的Mr。蛋白质溶液是亲水胶体系统。蛋白质分子颗粒(直径~nm)是系统的分散相水是分散介质。蛋白质分子颗粒周围的双电层和水化层是稳定蛋白质胶体系统的主要因素。分离蛋白质混合物的各种方法主要根据蛋白质在溶液中的下列性质:()分子大小()溶解度()电荷()吸附性质()对配体分子特异的生物学亲和力。透析和超过滤是利用蛋白质不能通过半透膜的性质使蛋白质分子和小分子分开常用于浓缩和脱盐。密度梯度离心和凝胶过滤层析都已成功地用于分离蛋白质混合物。等电点沉淀、盐析和有机溶剂分级分离等方法常用于蛋白质分离的头几步。移动界面电泳、各种形式的区带电泳特别是圆盘凝胶电泳、毛细血管电泳以及等电聚焦具有很高的分辨率。纤维素离子交换剂和Sephadex离子交换剂的离子交换柱层析已广泛地用于蛋白质的分离纯化。HPLC和亲和层析法是十分有效的分离纯化方法。蛋白质制品的纯度鉴定通常采用分辨率高的物理化学方法例如PAGE、等电聚焦、毛细血管电泳、沉降分析和HPLC等。如果制品是纯的在这些分析的图谱上只呈现一个峰或一条带。必须指出任何单独鉴定只能认为是蛋白质分子均医性的必要条件而不是充分条件。习题测得一种血红素蛋白质含铁计算最低相对分子质量。一种纯酶按重量计算含亮氨酸和异亮氨酸的分子质量都是问其最低相对分子质量是多少?解:()蛋白质MV==()

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