生物化学课件：绪论和蛋白质

1、生物化学,Biochemistry,绪 论 Introduction to biochemistry,什么是生物化学?,化学分子 化学反应,是从分子水平 探讨生物体内的,医学生物化学研究的对象为人体。,研究对象,生物化学发展史,18世纪中到19世纪末 初期发展阶段 主要研究生物体的化学组成 20世纪初到中期 快速发展阶段 多方面研究都取得重大进展，主要在营养生化、代谢生化、酶学、内分泌研究 20世纪50年代到现在分子生物学时期 1953年 Watson 和Crick 提出DNA双螺旋模型 1973年 重组DNA技术的建立（基因工程诞生） 2003年 HGP完成，蛋白组学、代谢组学及它组学研究,

2、于2003完成的人类基因组计划 (HGP) 是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式由美国能源部和国立卫生研究院启动，随后英、日、法、德、中也先后参与进来，共耗时13年、耗资约30亿美元。HGP完成了对构成人类基因组的30多亿个碱基对进行了精确测序。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。,Human Karyotype,中国科学家在生化领域取得的成就,我国生化学界的先驱吴宪教授在20年代初由美回国后，在协和医科大学生化系与汪猷、张昌颖等人完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究。 1965年我国在世界上首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素

3、；1983年又通过大协作完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工合成。 1999年中国获准加入人类基因组计划，承担1的测序任务，成为参与这一计划的唯一发展中国家。此外，我国科学家在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有举世瞩目的研究成果。,奖 励 等 级：一等奖主要完成单位： 上海生物化学研究所 北京大学 上海有机化学研究所主要完成者： 钮经义，龚岳亭，邹承鲁，杜雨苍，季爱雪, 邢其毅，汪猷，徐杰诚,1981年, 我国科学家在世界上首次人工合成酵母 Ala-tRNA.,王德宝院士，1940年毕业于中央大学。1951年获美国西部保留地大学博士学位。19511954年在美国约翰.霍普金斯大学从

4、事博士后研究。首创了从辅酶I直接合成辅酶II的方法，30年来为世界各大药厂采用；在我国最早开展核酸生化研究工作，是我国生产核苷酸类助鲜剂的创始人；参加并领导世界首次人工合成了具有生物活性酵母丙氨酸转移核糖核酸的工作；使我国人工合成生物大分子的水平居于世界领先地位。,杨焕明 （Huan ming Yang）,1999年中国获准加入人类基因组计划，承担1的测序任务，成为参与这一计划的唯一发展中国家。,生化研究内容,生物大分子的结构与功能,蛋白质、核酸、糖类、脂类的结构组成与功能,物质代谢和调节,生物大分子（糖、脂、蛋白质）的代谢及其调控过程,DNA是遗传物质，基因作为DNA的功能片段是如何将其所携

5、带的遗传信息准确无误地传递给后代？是如何指导蛋白质合成的？这些过程又是如何进行精确调控？以及由此衍生出的现代分子生物学技术。,遗传信息的传递及调控,DNA fingerprinting,掌握,熟悉,了解,怎样学习生物化学,一些建议,认真阅读教科书，不懂即问不要犹豫。 不要单纯地死记硬背，要在理解的基础上 加深记忆。 作好准备学习新词汇。 横向、纵向综合所学知识。 通过练习，运用所学知识来解决相关问题。 通过实验，加深理解所学知识。,第一章,蛋白质的结构与功能 Structure and function of protein,蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的

6、理化性质 蛋白质的分离、纯化与结构分析,本 章 内 容,蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein,第 一 节,什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广：所有器官、组织和细胞中都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运

7、动与支持作用 6）参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能,各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。由于食物中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，就可以推算出蛋白质的大致含量：,主要有C、H、O、N和S。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 。,组成蛋白质的元素,蛋白质元素组成的特点,婴儿因长期服食含三聚氰胺的“三鹿”婴幼儿配方奶粉，患有“双肾多发性结石”和“输尿管结石”症。三聚氰胺的致病机理是在尿路结晶形成结石阻塞泌尿系，导致肾衰。 三聚氰胺其分子中含有大量氮元素。用普通的全氮测定法测饲料和食品中的蛋白质数值时

8、，根本不会区分这种伪蛋白氮。添加在食品中，可以提高检测时食品中蛋白质检测数值。,一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位,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（编码氨基酸），且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。 自然界中的D-氨基酸不参与蛋白质的构成，主要分布于较低等的生物中（抗生素、生物碱、细胞壁）。,氨基酸的一般结构通式,-羧基,-氨基,-碳原子,侧链或 R基团,COO l H3N C H l CH3,CHO l HOC H l CH2OH,L-丙氨酸,L-甘油醛,_,+,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二、氨基酸的分类,*

9、20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,非极性脂肪族氨基酸,甘氨酸 (Gly, G),丙氨酸 (Ala, A),缬氨酸 (Val, V),脯氨酸 (Pro, P),亮氨酸 (Leu, L),异亮氨酸 (Ile, I),2. 极性中性氨基酸,半胱氨酸 (Cys, C),甲硫氨酸 (Met, M),丝氨酸 (Ser, S),苏氨酸 (Thr, T),天冬酰胺 (Asn, N),谷氨酰胺 (Gln, Q),苯丙氨酸 (Phe, F),3.芳香族氨基酸,5. 碱性氨基酸,赖氨酸 (Lys, K),精氨酸 (Arg, R),组氨酸 (His, H),脯氨酸（亚氨基酸）,几种特殊氨基酸:,在生理pH

10、条件下，组氨酸的咪唑环既可作为质子受体也可作为质子供体。因此，组氨酸经常会存在酶的活性中心部位。, 组氨酸,三、氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,R CH COOH COO-+H+ l NH2+H+ NH3+,氨基酸即可作酸也可作碱,非离子状态,两性离子状态,等电点(isoelectric point, pI) 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。,氨基酸的滴定曲线,-COOH 首先被解离，随后-NH3 被解离，解离常数分别为pK1和pK2。

11、 等电点 (pI) pI1/2*（pK1 pK2） 3. pH低于pI 氨基酸带正电荷 4. pH高于 pI 氨基酸带负电荷,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 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280nm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,3. 茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。 脯氨酸与茚三酮反应后生成黄色化合物。,上次课重点内容复习,蛋白质元素组成特点及应用 组成蛋白质的基本单

12、位-L- -氨基酸 氨基酸结构特点 氨基酸分类：酸性氨基酸，碱性氨基酸 氨基酸理化性质 两性电离及等电点 紫外吸收 茚三酮反应,四、肽（peptide）与多肽（polypeptide),* 肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键，具有部分双键性能，不能自由旋转。,（一）肽键（peptide bond）,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。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,几个概念：,由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由10个以上但不足50个氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide), 50个以上氨基

13、酸构成的肽称为蛋白质。,肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。,多肽链, N端,C端, 多肽链书写及命名；主链及侧链的概念,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,肽链有两端：,N 末端,C末端,（二）几种生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),Thyrotropin-releasing hormone,Tropic hormones,蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein,第 二 节,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

14、构,主要的化学键 肽键，也包括二硫键,（一）肽单元,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,phi,psi,（二）-螺旋,-螺旋的主要特征,是蛋白质二级结构的主要形式，螺旋走向为右手螺旋；螺旋每上升一圈含有3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基上升的距离为0.15nm，螺距为0.54nm； 氨基酸侧链伸向螺旋外侧，侧链性质会影响螺旋的形成。 -螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽键的羰基O形成氢键，氢键是稳定螺旋的最重要化学键；,（三）-折叠,-折叠呈锯齿状排列，氨基酸侧链交替位于锯齿面的上下侧；-折叠是充分

15、伸展的二级结构；氢键是维持-折叠稳定的主要作用力；-折叠结构中肽链走向可平行排列，也可反向排列 。,平行-折叠,反平行-折叠,反平行-折叠比平行折叠更稳定。,（四）-转角和无规卷曲,-转角,无规卷曲是用来阐述没有特定规律性的肽链结构。,氢键,（五）模体（motif）,在许多蛋白质分子中，二个或二个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个具有一定功能的特殊空间构象，被称为模体。,超二级结构示意图,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,Zinc finger motif consists of an helix and an antiparallel sheet. The zinc io

16、n (green) is coordinated by two histidine residues and two cysteine residues.,Protein Zif268 (blue) (transcription factor) contains three zinc fingers in complex with DNA (orange).,影响二级结构的因素,氨基酸侧链的大小 氨基酸所带电荷的性质 脯氨酸不利于-螺旋的形成,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。,（一） 定义,His64,His93,血红素是4个吡咯

17、环相连形成的平板状铁卟啉化合物，Fe2居于卟啉环的中央，铁离子有6个配位键，其中4个与吡咯环的N原子相连，1个与多肽链的组氨酸残基结合，氧分子则与第6个配位键相结合。,（二）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域。,3-磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构域示意图,3-磷酸甘油醛脱氢酶有四个相同的亚基，每个亚基由两个结构域组成，N端（形成的第一个结构域能与NAD+结合，第二个结构域（147-333氨基酸）能与底物3-磷酸甘油醛结合。,（三）分子伴侣,分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四

18、级结构。,* 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。,* 分子伴侣可与错误聚集的肽段结合，使之解聚并诱导其正确折叠。,* 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。,四、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)。 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。 亚基之间的结合力主要是次级键，包括氢键、离子键。,血红蛋白的四级结构,血红蛋白是红细胞运输O2和CO2 的功能蛋白，含四个亚基：2 2，每

19、个亚基都含有一个血红素辅基，亚基和亚基相间排列，亚基间通过8个离子键相连。,Christian Boehmer Anfinsen (19161995),1972 Nobel Prize in Chemistry,for work on ribonuclease, especially concerning the connection between the amino acid sequence and the biologically active conformation,（二）一级结构相似的蛋白具有相似的结构和功能,1、同源蛋白 由同一基因进化而来，在不同生物种行使相同或相似功能的蛋白

20、质。对不同生物种同源蛋白质一级结构的研究，可用于预测蛋白质之间结构与功能的相似性。,2、氨基酸序列提供生物进化信息,细胞色素C是广泛存在于生物体内的蛋白,比较不同物种的细胞色素C结构，可以帮助了解物种间的进化关系。物种越接近，则细胞色素C的一级结构越相似，其空间构象和功能也相似。 例如：猕猴与人的细胞色素C一级结构只相差一个氨基酸残基；人类和黑猩猩的细胞色素C一级结构完全相同。,不同生物细胞色素C的进化树,3、一级结构重要序列改变会引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血,HbS,HbA,HbA (): NVal - His - Leu Thr Pro Glu Glu Lys C,HbS (): NVa

21、l His Leu Thr Pro Val Glu Lys C,“ Uniform, Cup-shaped, Normal Erythrocyte”,“The Variably Shaped Erythrocytes seen in Sickle Cell Anemia”,146aa,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构,二、蛋白质空间结构与功能的关系,肌红蛋白结构,血红蛋白亚基结构,肌红蛋白、 血红蛋白 -亚基及亚基,肌红蛋白,亚基,亚基,Hb与Mb一样能可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度

22、）随O2浓度变化而改变。 Hb与O2的结合呈现协同效应：第一个亚基与O2结合后能促进以后其它亚基与O2结合的效应称为协同效应。这种效应是促进作用的所以又称为正协同效应。反之称为负协同效应。 协同效应曲线呈S型。,（二）血红蛋白的构象变化与结合氧,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线,组织,肺部,脱氧 Hb亚基间和亚基内的盐键,Hb与O2结合前为紧张态（T态），当Hb的第一个亚基与O2结合，造成4个亚基羧基端盐键断裂，造成Hb空间结构变的松弛，称为松弛态（R态），有利于O2与其它亚基的进一步结合。,紧张态,松弛态,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位

23、置的变动。,血红素与O2结合,* 变构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。（变构效应剂、变构蛋白、变构激活、变构抑制）,* 协同效应(cooperativity),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。 如果是促进作用则称为正协同效应 如果是抑制作用则称为负协同效应,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

24、为-折叠的PrPsc，从而致病。,第四节,蛋白质的理化性质与分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白质的两性电离,一、理化性质,* 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其分子的直径可达1100nm，属于胶体颗粒范围。,蛋白质胶体稳定的因素: 颗粒表面电荷 水化膜

25、,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固,* 蛋白质的变性(denaturation) 在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象遭到破坏，使其理化性质发生改变并丧失生物活性。,变性的本质,破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。,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 。,变性造成蛋白的溶解度下降，黏度升高，结晶能力消失，生物活性丧失，容易被蛋白酶水解。,应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 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。,（四）蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中含有共轭双键

26、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 (optical density)或A280 (absorbance)与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,（五）蛋白质的呈色反应,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，双缩脲反应可用于蛋白质的定量测定及检测蛋白质水解程度。,（一）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 （一个压力驱动的膜分离过程 ） 应用压力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，

27、达到浓缩蛋白质溶液的目的。,透析法浓缩蛋白质,超滤法浓缩蛋白质,（二）丙酮沉淀、盐析,*有机溶剂可降低蛋白质溶液中的介电常数及脱水作用而使蛋白质沉淀。使用丙酮沉淀时，必须在04低温下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。,*盐析(salt out)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。,不同的蛋白质分子，由于其分子表面的极性基团的种类、数目以及排布的不同，其水化层厚度不同，故盐析所需要的盐浓度也不一样，因此调节蛋白质溶液中盐的浓度，可以使不同的蛋白质分别沉淀（分步盐析）。,血清,球蛋白,清蛋白,(NH4)2SO4,50%饱和度,饱和,析出,析出,电泳槽装置,核酸的琼脂糖凝胶电泳,PAGE分离蛋白质,（四）层析,层析(chromatography)分离蛋白质的原理 待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在