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生物化学课件(杨洋)1-蛋白质结构与功能.ppt

生物化学课件(杨洋)1-蛋白质结构与功能

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2019-06-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《生物化学课件(杨洋)1-蛋白质结构与功能ppt》,可适用于高中教育领域

杨洋Tel:Email:yangshbjmueducn生物化学Biochemistry课时安排授课教师选用教材:生物化学(第八版)查锡良药立波主编内容时间周第一至三章周第十一至十五章周第六章王卫平周第七至十章李刚周第十六至二十六章张晓伟授课人杨洋绪论Preface什么是生物化学?生物化学是研究生命化学的科学研究生物体内化学分子与化学反应的基础生命科学。它从分子水平探讨生命现象的本质即研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用。刘新文生化绪论细胞的基本构成刘新文生化绪论刘新文生化绪论刘新文生化绪论刘新文生化绪论二、动态生物化学阶段三梭酸循环机制生物能原理“中间代谢”网络酶的化学本质蛋白质体内主要物质的代谢途径尿素合成途径刘新文生化绪论第二节生物化学的主要内容学习内容生物大分子的结构与功能:蛋白质化学、核酸化学、酶物质代谢及其调节糖、脂、氨基酸、核苷酸代谢生物氧化、代谢联系与调节遗传信息的传递DNA复制、RNA转录、蛋白质生物合成、基因表达调控与基因工程专题篇肝胆生化、血液生化学习生化基本方法与要求基本概念要清楚重点内容要掌握章节之间会联系课后复习很重要刘新文生化绪论参考书NelsonDL,CoxMM:LehningerPrinciplesofBiochemistryWorthPublishersNewYorkBergJM,TymoczkoJL,StryerL,ClarkeND:Biochemistry(thed)WHFreemanCoNewYork,LodishH,BaltimoreD,BerkA,ZipurskySLetal:MolecularCellBiology(thed),ScientificAmericaBooks,WHFreemanCo,NewYork,KarpG:CellandMolecularBiologyConceptsandexperiments(rded)JohnWileySons,NewYork刘新文生化绪论童坦君:生物化学。北京:北京大学医学出版社。贾弘禔:生物化学与分子生物学(第版)。北京:人民卫生出版社生命的化学(中国生物化学与分子生物学学会主办上海)国外医学分子生物学分册(武汉)AnnualReviewofBiochemistry(生物化学年鉴,美)TrendsinBiochemicalSciences(简称TIBS美)参考书第一篇生物大分子的结构与功能蛋白质:多种生理功能酶:生物催化剂核酸:传递遗传信息第一章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein本章主要内容蛋白质的分子组成蛋白质的分子结构蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的理化性质广泛存在于生物界人体蛋白质含量占干重的蛋白质具有多种生物学功能基本组成成份、物质代谢、机体防御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信息传递生命活动的物质基础蛋白质(Protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。概述第一节蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成蛋白质分子的基本结构单位氨基酸氨基酸的分类氨基酸的性质一蛋白质的元素组成碳(%)氢(%)氧(%)氮(%)平均硫(%)其他:磷、铁、锰、锌、碘等蛋白质含量测定定氮法蛋白质的平均含氮量为%克蛋白质~~克氮每克氮~~=克蛋白质故:样品中蛋白质的含量=样品的含氮量x测得某一蛋白质样品的氮含量为克此样品约含蛋白质多少克?此样品中蛋白质的含量:X=克÷=÷=克二基本组成单位:氨基酸自然界中氨基酸有多种但组成人体蛋白质的氨基酸只有种(L氨基酸)(一)氨基酸的结构刘新文蛋白质化学刘新文蛋白质化学CCCCCOOHγβαCCCC(NH)COOHα氨基酸CCC(NH)CCOOHβ氨基酸CC(NH)CCCOOHγ氨基酸(二)氨基酸的分类(P表)非极性疏水性氨基酸:具有非极性R侧链呈疏水性包括脂肪族和芳香族氨基酸。(种)不带电荷的极性氨基酸:具有极性R侧链呈亲水性通常含羟基、巯基、酰胺基等。(种)酸性氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸(含羧基)(种)碱性氨基酸:精氨酸、赖氨酸、组氨酸(种)(二)氨基酸的分类(P表)非极性疏水性氨基酸:具有非极性R侧链呈疏水性包括脂肪族和芳香族氨基酸。(种)不带电荷的极性氨基酸:具有极性R侧链呈亲水性通常含羟基、巯基、酰胺基等。(种)酸性氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸(含羧基)(种)碱性氨基酸:精氨酸、赖氨酸、组氨酸(种)非极性疏水性氨基酸√√√刘新文蛋白质化学极性中性氨基酸刘新文蛋白质化学酸性氨基酸碱性氨基酸(三)氨基酸的理化性质两性解离及等电点氨基酸是两性电解质即含有碱性的氨基又含有酸性的羧基(既可解离成阳离子也可解离成阴离子)。解离方式取决于溶液的酸碱度当溶液浓度为某一pH值时氨基酸解离成阴,阳离子的趋势及程度相同,既分子中所含的NH和COO数目正好相等净电荷为。这一pH值即为该氨基酸的等电点简称pI。不同氨基酸等电点不同。氨基酸在酸性溶液中能解离成正(阳)离子在碱性溶液中能解离成阴(负)离子这种性质叫两性电离或两性解离。两性电离等电点紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在nm附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基所以测定蛋白质溶液nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收氨基酸的化学反应(茚三酮反应)氨基酸茚三酮蓝紫色化合物nm吸收氨基酸定量分析(A)第二节蛋白质的分子结构高级结构或空间构象二级结构三级结构四级结构一级结构一基本概念肽键:一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱去一分子水形成的键。肽:氨基酸之间通过肽键连接而成的化合物称为~由两个氨基酸组成的肽称为二肽。由三个氨基酸组成的肽称为三肽。十肽以下的统称为寡肽。多肽:由多个氨基酸组成的肽则称为~。(多寡无严格之分)氨基酸残基:组成多肽的氨基酸分子因脱水缩合而残缺不全称为~。多肽链:由数十个到数百个氨基酸分别借肽键相互连接即成~。蛋白质:由一条或多条多肽链以特殊方式结合而成的生物大分子。蛋白质与多肽并无严格的界线通常是将分子量在道尔顿以上的多肽称为蛋白质。蛋白质分子量变化范围很大,从大约到,,道尔顿甚至更大体内存在多种重要的生物活性肽:谷胱甘肽、神经肽氨基酸顺序:在多肽链中氨基酸残基按一定的顺序排列这种排列顺序称为~。氨基末端:通常在多肽链的一端含有一个游离的氨基称为~或N端羧基末端:在另一端含有一个游离的羧基称为~或C端。氨基酸的顺序是从N端的氨基酸残基开始以C端氨基酸残基为终点的排列顺序即NC方向。如下述五肽可表示为:SerValTyrAspGln丝-缬-酪-天-谷肽键平面参与形成肽键的个原子(CONH)位于同一平面构成肽键平面。肽键的CN键在一定程度上具有双键性质不能自由旋转它们所相连的四个原子基本处于同一平面。二蛋白质的一级结构概念:是指氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序。一级结构是蛋白质空间结构的基础对生物功能起决定作用。肽键是蛋白质一级结构的基本结构键。有些含有二硫键。不同蛋白质中氨基酸的种类、数量和排列顺序各不相同即不同蛋白质具有不同的一级结构。牛胰岛素一级结构:A链(aa)、B链(aa)HN甘异缬谷谷胺半半苏丝异半丝亮酪谷胺亮谷天胺酪半天胺COOHHN苯缬天胺谷胺丝亮半甘丝组亮缬谷丙亮酪亮缬半甘谷精甘苯苯酪苏脯赖苏COOHSSAB三蛋白质分子的空间构象空间构象、空间结构、立体结构、高级结构维持蛋白质构象的化学键蛋白质分子中原子和基团在空间上的排列和分布氢键疏水键离子键二硫键范德华力多肽链本身折叠或盘曲所形成的局部空间构象(一)蛋白质分子的二级结构α螺旋(αhelix)β折叠(βpleatedsheet)β转角(βturn)无规则卷曲(randomcoil)螺旋(Helix)(Pauling,Corey,)蛋白质二级结构的主要形式:螺旋折叠存在于纤维状蛋白质(α角蛋白:皮肤、毛发、指甲)和球状蛋白质。()多肽链主链围绕中心轴螺旋式上升个氨基酸圈螺距为nm()第一个肽平面羰基上的氧与第四个肽平面亚氨基上的氢形成氢键方向与螺旋长轴平行()一般为右手螺旋。()肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧,其形状,大小及电荷影响螺旋的形成螺旋特点片层(折叠pleatedsheets)(Pauling,)折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列通过链间的氢键交联而成。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。存在于纤维状蛋白质(角蛋白:蚕丝、蜘蛛丝中丝心蛋白)和球蛋白中。特点多肽链充分伸展各肽键平面之间折叠成锯齿状侧链R基团位于锯齿状结构的上下方两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列其结构靠氢键维系(羰基上的氧和亚氨基上的氢)顺平行折叠:两条肽链走向相同反平行折叠:走向相反。反平行折叠顺平行折叠反平行折叠顺平行折叠刘新文蛋白质化学、转角一般由四个氨基酸组成常见氨基酸:Pro(脯),Gly(甘)以主链间氢键维持稳定。多肽链中度回折处形成的特定构象。无规卷曲无规卷曲:指没有确定性规律的肽链结构。模体motif个或个具有二级结构的肽段在空间上相互接近形成的具有特殊功能的空间结构。钙结合蛋白NC(二)模体锌指结构(三)蛋白质分子的三级结构在二级结构基础上肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的特定格式的三维结构。指一条多肽链的整体构象。NC主要化学键:疏水键、离子键、氢键、范德华力三级结构的特点:、进一步盘曲、折叠的多肽链分子长度大大缩短呈棒状、纤维状或球状、三级结构的稳定性主要靠次级键维持尤其是疏水键、疏水基团多位于分子内部亲水基团多位于分子表面、分子表面或某些部位形成了发挥生物学功能的特定区域。刘新文蛋白质化学(四)蛋白质的四级结构二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链彼此借次级键相连成为一定的空间结构称为四级结构。具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基或亚单位单独亚基多无生物学功能二个以上亚基聚合成为有完整四级结构的蛋白质才有生物学功能。维持亚基之间的化学键主要是疏水键Hb一级结构二级结构三级结构四级结构(五)蛋白质分类根据分子形状分类球状蛋白质(易溶于水多为功能蛋白)纤维状蛋白质(水溶性差多为结构蛋白)根据组成分类单纯蛋白质(只含氨基酸)结合蛋白质(除氨基酸外还有辅基:糖、脂、磷酸、金属离子等)根据生物学分类(类)催化:酶收缩:肌动蛋白、肌球蛋白基因调节:组蛋白、阻遏蛋白激素作用:胰岛素保护作用:免疫球蛋白、血纤维蛋白调节作用:钙调蛋白结构作用:胶原蛋白、弹性蛋白运输:清蛋白、血红蛋白、载脂蛋白根据溶解度分类可溶性蛋白:可溶于水、稀中性盐和稀酸溶液的蛋白质清蛋白、球蛋白、组蛋白醇溶性蛋白:不溶于水、可溶于~的乙醇溶液醇溶谷蛋白不溶性蛋白:不溶于水、中性盐、稀酸、碱或一般有机溶剂等胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白第三节蛋白质结构与功能的关系各种蛋白质均有其特定功能蛋白质功能由其空间结构决定空间结构由一级结构决定蛋白质的一级结构和空间结构均与蛋白质的功能有关一蛋白质一级结构与功能的关系(一)一级结构是空间构象的基础RNase是由aa残基组成的单肽链分子中个半胱氨酸Cys的SH构成对二硫键形成具有一定空间构象的蛋白质。(二)一级结构与功能的关系催产素收缩子宫平滑肌具有催产功能加压素主要收缩血管平滑肌同时具有升压和抗利尿作用。有部分相同或类似的功能。例如加压素也具有一定收缩子宫平滑肌的功能。催产素(oxytocin)加压素(vasopressin)一级结构是生物功能的基础:结构不同功能不同结构相似功能相似分子病:由于遗传物质(DNA)的突变导致其编码的蛋白质分子的氨基酸序列异常而引起其功能改变的遗传性疾病。镰刀型红细胞贫血年正常:NValHisLeuThrProGluGluLys(谷)病人:NValHisLeuThrProValGluLys(缬)Hbβ链(三)蛋白质的一级结构与分子病氧分压低时血中红细胞呈镰刀状极易溶血并丧失了带氧能力。结构改变功能改变二蛋白质的空间结构与功能的关系蛋白质空间结构是其生物学活性的基础构象发生改变其功能活性也随之改变。例:核糖核酸酶尿素β巯基乙醇有活性无活性例:血红蛋白与肌红蛋白空间结构体现生物活性:结构相似功能相似血红蛋白Hb:αβ血红素为辅基携带O亚基之间及内部有对离子键形成亲水的球状蛋白。刘新文蛋白质化学Hb的个亚基与个O结合的平衡常数不同通常第一个亚基结合O后亚基的构象会发生改变可促进其它亚基与O的结合。正协同作用变构作用变构剂变构蛋白凡蛋白质分子因与某种小分子物质相互作用发生构象改变因而改变了这种蛋白质与其它分子进行反应的能力这一现象称为变构作用。刘新文蛋白质化学疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α螺旋称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β折叠的PrPsc从而致病(蛋白质构象改变)。三蛋白质构象改变引起疾病第四节蛋白质的理化性质一两性游离和等电点体内多数蛋白质pI为pH体液pH,阴离子?阳离子等电点(pI):在某一pH溶液中某一蛋白质解离成阴、阳离子的趋势相等即所带正、负电荷正好相等此pH值称为该蛋白质的等电点。pH<pIpH=pIpH>pI二胶体性质高分子化合物在水溶液中呈胶体溶液具胶体溶液的各种性质(分子扩散、布朗运动)粘度较大蛋白质胶体的颗粒较大不能透过半透膜(透析)三蛋白质的沉淀分散在溶液中的蛋白质分子发生凝聚、并从溶液中析出的现象。维持蛋白质溶液稳定的要素:水化膜表面电荷蛋白质表面的亲水基团与水分子形成水化膜使蛋白质分子相互隔开不易沉淀在一定的pH溶液中蛋白质分子表面带有同种电荷使蛋白质分子相互排斥防止聚集。常用的蛋白质沉淀法:盐析法高浓度的中性盐可以沉淀水溶液中的蛋白质。硫酸铵、硫酸钠、亚硫酸钠、氯化钠原理:破坏水化膜、中和电荷不同种类的蛋白质盐析时所需盐浓度不同蛋白质的分离纯化饱和硫酸铵:清蛋白半饱和硫酸铵:球蛋白、纤维蛋白原饱和氯化钠:纤维蛋白原例:分离血浆蛋白质有机溶剂沉淀乙醇、甲醇、丙酮原理:破坏水化膜酸类物质沉淀苦味酸、钨酸、鞣酸、三氯乙酸原理:中和正电荷(pH<pI)应用:临床制备无蛋白血滤液重金属盐沉淀铅、汞、银、铜原理:中和负电荷(pH>pI)应用:给重金属中毒病人口服大量乳品或鸡蛋清加热凝固加热使蛋白质变性疏水基团暴露发生沉淀四蛋白质的变性概念:在某些物理和化学因素作用下蛋白质的空间构象被破坏从而导致其理化性质和生物活性的丧失但一级结构未发生改变。变性因素:加热、有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子等应用:消毒、灭菌低温保存疫苗、酶等变性与沉淀是两个不同的概念变性不一定发生沉淀沉淀也不一定发生变性五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nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD与其浓度呈正比关系因此可作蛋白质定量测定。六蛋白质的颜色反应:蛋白质的定性与定量茚三酮反应蛋白质溶液在pH~之间与茚三酮溶液作用呈蓝紫色。蛋白质肽键OHCuSO紫红色混合物肽键类似于双缩脲结构双缩脲反应酚试剂反应碱性条件下蛋白质分子中的酪氨酸、色氨酸可与酚试剂反应生成蓝色化合物。第五节蛋白质分离、纯化与结构分析刘新文蛋白质化学一蛋白质的分离纯化、透析及超滤法*透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。*超滤法(ultrafiltration)应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜达到浓缩蛋白质溶液的目的。刘新文蛋白质化学刘新文蛋白质化学刘新文蛋白质化学刘新文蛋白质化学几种重要的蛋白质电泳*SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳常用于蛋白质分子量的测定。*等电聚焦电泳通过蛋白质等电点的差异而分离蛋白质的电泳方法。*双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重要技术。刘新文蛋白质化学、层析(chromatography)或色谱法待分离蛋白质溶液(流动相)经过一个固态物质(固定相)时根据待分离蛋白质的颗粒大小、电荷多少及亲和力等使蛋白质组分在两相中反复分配并以不同速度流经固定相而分离蛋白质。刘新文蛋白质化学凝胶过滤(分子筛gelfiltration排阻色谱):利用各蛋白质分子大小不同分离。离子交换:蛋白质的电荷量及性质不同。阳离子交换剂:CM纤维素阴离子交换剂:DEAE纤维素亲和层析:抗原抗体配体受体金属离子生物素等高效液相(HPLC):反相HPLC离子HPLC凝胶过滤HPLC刘新文蛋白质化学刘新文蛋白质化学、超速离心*超速离心法(ultracentrifugation):根据蛋白质的分子量与形状分离。*蛋白质在离心场中的行为用沉降系数(sedimentationcoefficient,S)表示,沉降系数与蛋白质的密度和形状相关。因为沉降系数S大体上和分子量成正比关系故可应用超速离心法测定蛋白质分子量但对分子形状的高度不对称的大多数纤维状蛋白质不适用。本章主要内容蛋白质的分子组成元素组成(N:)氨基酸(结构、种类、性质)蛋白质的分子结构一级、二级、三级、四级(基本概念、主要形式)蛋白质结构与功能的关系一级结构、高级结构与功能的关系(举例)蛋白质的理化性质基本概念、应用

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