生命物质-蛋白质

蛋白质,蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，参与了几乎所有的生命活动和生命过程。蛋白质是生命活动的物质基础。,凯氏定氮法,蛋白质主要构成元素有：碳(50%55%)、氢(6%8%)、氧(19%24%)、氮(13%19%)和硫(O%4%)。有的还含少量的磷、铁、碘、硒等元素。不同蛋白质的含氮量十分接近，约为16%。因此，可以通过测其氮含量推算出生物样品中蛋白质的含量。100克样品中蛋白质含量(g%)=每克样品中含氮量(g)x6.25x100,（1）酶：具有催化作用。（2）调节蛋白：调节机体代谢激素。（3）转运蛋白:如血红蛋白、膜转运蛋白。（4）贮存蛋白：如卵清蛋白、铁蛋白。（5）防御和进攻蛋白：如免疫球蛋白。（6）运动蛋白：肌动蛋白和肌球蛋白。（7）受体蛋白：接受和传递信息，如阻遏蛋白。（8）其他作用：视觉蛋白，味觉蛋白，结构蛋白。,1蛋白质的主要种类和功能,2.蛋白质的基本结构单位氨基酸,氨基酸（aminoacid,aa或AA）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。,20种标准氨基酸的英文简写,（1）氨基酸的结构通式,氨基酸是含有氨基的羧酸，不同氨基酸的R基不同，（除脯氨酸、甘氨酸外）都为L-氨基酸。各种氨基酸的区别在侧链基团R的不同。,L丝氨酸和D丝氨酸是一对对映体,据R基团化学结构分类：脂肪族、芳香族和杂环,据R基团极性分类,据酸碱性质分类,中性（一氨基一羧基）,酸性(一氨基二羧基)谷氨酸、天冬氨酸,碱性（二氨基一羧基）赖氨酸、组氨酸、精氨酸,据营养学分类,必需,非必需,人的必需氨基酸MetTrpLysValIleLeuPheThr假设来借一两本书,（2）基本氨基酸的分类,（3）氨基酸的功能作为组建蛋白质的元件；有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）。,氨基酸代谢疾病：苯丙酮酸尿症（phenylketonuria,PKU)常染色体隐形遗传，肝脏合成的苯丙氨酸羟化酶缺乏。苯丙酮酸的堆积对中枢神经系统有毒性，导致患儿智力发育障碍。1950年以来,已成功利用含有各种必需的宏量和微量营养素,但其苯丙氨酸含量较低或无的膳食。,苯丙酮酸尿症（phenylketonuria,PKU)部分苯丙酮酸经乳酸脱氢酶作用转化为苯乳酸，部分氧化脱羟变为苯乙酸。尿以及汗液排出的这些代谢物使患儿体表以及尿液呈特殊的“鼠尿味”。血中大量的苯丙氨酸抑制酪氨酸脱羧酶活性，从而减少黑色素的形成，皮肤、毛发和眼睛颜色变浅。,苯丙酮酸尿症,苯丙酮尿症,苯丙酮尿症型：智力低下，60%患儿有脑电图异常。头发细黄，皮肤色浅和虹膜淡黄色，惊厥，尿有“发霉”臭味或鼠尿味。,早期(出生后7-10天）着手防治，出生后3个月内低苯丙氨酸饮食，如大米、大白菜、菠菜、马铃薯、羊肉等，可促使婴儿正常生长发育。孩子长大时再适当放宽对饮食的限制，能成功防止苯丙酮酸尿症患者智力发育迟缓的进一步发展。未经治疗的苯丙酮酸尿症患者的智商分数在1030，而经过治疗的患者智商分数只比其正常的未患病同胞兄妹稍低几分。,白化病：由于缺乏酪氨酸酶，酪氨酸不能转变为双羟苯丙氨酸，不能形成黑色素。患者全身皮肤、头发、眼缺乏黑色素，皮肤白或粉红，头发呈淡黄色，眼呈浅蓝色，畏光眼球震颤。避免日光照射，防止皮肤癌变。,苯丙酮尿症,白化病,白化病,3.肽键、肽和多肽,肽是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的无分支线形聚合物。氨基酸间缩水形成的共价键酰胺键称肽键（peptidebond）。,+,-HOH,肽键,甘氨酰甘氨酸,如谷胱甘肽（GSH）,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,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)。,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)。,多肽链（polypeptidechain）是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,COOH,N末端：多肽链中有自由氨基的一端；C末端：多肽链中有自由羧基的一端。,多肽链有两端,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,4.蛋白质结构的主要层次,（1）蛋白质一级结构,多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构。这是蛋白质最基本的结构，决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。,牛胰岛素的一级结构,（2）蛋白质的二级结构,螺旋（helix）折叠（-pleatedsheet）转角（-turn）无规则卷曲（nonregularcoil）,蛋白质的二级结构（secondarystructure）指多肽链主链中主链原子在各局部空间进行盘曲、折叠形成的空间结构，但不包括各R侧链的空间位置，维系的化学键是氢键。主要有以下类型：,螺旋（helix）,折叠（-pleatedsheet）,特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即折叠片。,-折叠有两种类型：平行式：所有肽链的N-端都在同一侧；反平行式：相邻两条肽链的方向相反。,平行式-折叠,反平行式-折叠,转角（-turn）,特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽链回折180。,无规则卷曲示意图,无规则卷曲,细胞色素C的三级结构,无规则卷曲,（3）蛋白质的三级结构,多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、折叠片、转角等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的整条肽链中所有原子在三维空间的相对位置。维持的化学键是疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等次级键。以疏水键为主。,肌红蛋白三级结构,核糖核酸酶三级结构示意图,结构域（structuredomain）,在分子量较大的蛋白质的三级结构中常可形成多个结构较为紧密且稳定的区域称为结构域。是发挥生物学功能的特定区域。,卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域,-螺旋,-转角,-折叠,二硫键,结构域1,结构域2,（5）蛋白质的四级结构,四级结构是指由相同或不同的称作亚基（subunit）的亚单位按照一定排布方式聚合而成的蛋白质结构。亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键等非共价键。,蛋白质四级结构的特点,有多个亚基；稳定性主要靠亚基间的疏水作用维持；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；亚基间具有协同性和别构效应。,血红蛋白四级结构,蛋白质的空间结构,二级结构,超二级结构,结构域,三级结构,四级结构,蛋白质的各级结构,盐键(离子键）,氢键,二硫键,疏水键,氢键,氢键,疏水键,蛋白质的空间作用力,5.蛋白质的分子结构与功能的关系,蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。,一级结构决定高级结构，也决定蛋白质的功能。,蛋白质一级结构的变异与分子病由于蛋白质分子发生变异所导致的疾病叫分子病。血红蛋白质异常病变镰刀型贫血病,-链N端氨基酸排列顺序12345678Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys,分子病镰刀型贫血病,分子病：由于遗传基因的突变导致蛋白质分子结构的改变或某种蛋白质缺乏引起的疾病。,高级构象决定蛋白质的功能,蛋白质高级构象破坏，功能丧失实例：核糖核酸酶的变性与复性,核糖核酸酶变性与复性作用,高级构象决定蛋白质的功能,蛋白质在表现生物功能时，构象发生一定变化（变构效应）由蛋白质空间结构改变导致的疾病称为构象病。实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能,疯牛病,蛋白质的分类,完全蛋白质不完全蛋白质半完全蛋白质,完全蛋白质,是指含有人体生长所必需的各种氨基酸，且氨基酸比例接近人体需要，当这类蛋白质为唯一蛋白质来源时，能促进机体健康生长。动物来源的蛋白质大多为完全蛋白质。如酪蛋白、乳白蛋白、卵白蛋白、卵黄蛋白、肉中的白蛋白、肌蛋白和大豆蛋白。,不完全蛋白质,是指缺少一种或几种人体必需的氨基酸，当仅用这种蛋白质为唯一蛋白质来源时，它不能促进机体生长，甚至不能维持生命的一类蛋白质。如玉米胶蛋白、动物结缔组织、蹄筋胶质及由动物皮等制得的白明胶。,半完全蛋白质,介于上述两种蛋白质之间，含有人体所必需的各种氨基酸，但氨基酸组成比例不平衡，依其作为唯一蛋白质来源时，能维持机体生命，但不能促进机体生长发育的一类蛋白质如小麦、大麦中的麦胶蛋白,1.蛋白质具有两性电离的性质,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。,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，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI),六、蛋白质的理化性质,人体大部分蛋白的等电点在pH5.0左右，故在生理条件下（pH7.357.45）下，蛋白质以负离子形式存在。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2.蛋白质具有胶体性质,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。,颗粒表面电荷水化膜,蛋白质胶体稳定的因素:,水化膜,带负电荷的蛋白质,溶液中蛋白质的聚沉,利用半透膜可将混杂于蛋白质溶液中的小分子化合物去除，这种方法称为透析。,3.蛋白质空间结构破坏而引起变性,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏（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。,蛋白质的变性(denaturation),造成变性的因素:如加热、高压、X射线、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。,应用举例:临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。（碘伏、高压杀菌）此外,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。（低温）,临床应用,案例：书上17页思考：1.试用蛋白质变性的原理解释护士这样做的临床意义？2.你认为护士如何做可以减轻病人在打针和输液时的精神压力？,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(renaturation)。,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基