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第5期第1课5组王玉娟,最新钻探有助解开乙酰胆

日期:2019-11-02编辑作者:科技之门

广西科学院 最新研究有助解开蛋白质折叠之谜

  氨基酸和蛋白质

    蛋白质的结构与功能


本报讯 广西科学院研究员杜奇石发现,一种认识尚不充分的作用力——极性氢-p键,在蛋白质无规则廻路结构中起重要作用。相关成果日前发表于《生物分子结构和动力学》杂志。

  一、组成蛋白质的20种氨基酸的分类

    蛋白质的分子组成

据介绍,在蛋白质三维结构中,廻路结构是与a-螺旋、b-折叠并列的二级结构片段,平均有47%的氨基酸残基在loop结构中。1951年,美国化学家鲍林根据氢键的概念,从理论上预测了a-螺旋和b-折叠这两种结构单元的存在,并在6年后被X-衍射实验证实。不过,是什么力量支撑着千姿百态的loop结构?该问题并未从理论上得到合理的解释。

  1、非极性氨基酸

    蛋白质不仅是生物体的重要结构物质(结缔组织和骨的基质,形成组织形态),而且承担着各种生物学功能(催化反应,免广疫反应,血液凝固,物质代谢调控,基因表达,肌肉收缩等),还可做为能源物质供能(次要作用)。    蛋白质的元素组成主要是碳,氢,氧,氮,硫。其中氮的含量约为16%,因蛋白质是体内主要的含氮物,所以测定了生物样品含氮量就可以推算出样品的蛋白质含量。

  组成人体的蛋白质的原料:20+1种氨基酸(以肽键,二硫键(两个半胱氨酸间)相联),当然体内也有不参与合成蛋白质的氨基酸,但它们具有重要的生理作用(合成尿素的鸟,瓜,精氨酸代琥珀酸)

    *氨基酸通式:氨基,羧基,碳,结构各异的侧链*

    *氨基酸有两性解离的性质:等电点*

  20种氨基酸根据侧链和理化性质分为5类:非极性脂肪族,极性中性,芳香族,酸性,碱性氨基酸

  氨基酸--寡肽(I0个以下氨基酸残基)--多肽(50个以下)--蛋白质(多于了50)


          蛋白质的分子结构

    一级结构+高级结构或空间构象(二级,三级,四级)

    *只有2条及以上肽链的蛋白质才有四级结构*

    一级结构是从N端(氨基)到C端(羧基)的氨基酸(肽键,二硫键连接)排到顺序。

    *一级结构是空间构象基础

    *一级结构相似具有相似的高级结构与功能

    *氨基酸序列提供重要的生物进化信息

    *重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病,如分子病镰状红细胞贫血

    二级结构是主链原子的空间位置:螺旋,折叠,转角,无规卷曲,氨基酸残基侧链影响二级结构形成。

    三级结构的形成和稳定主要依靠疏水键,盐键,氢键,范德华力

    四级结构中亚基间以氢键和离子键结合

    *蛋白质空间结构破坏可引起变性


          氨基酸代谢即蛋白质代谢

    体内蛋白质代谢可用氮平衡描述

    氮平衡:总平衡(健康成人),正平衡(儿童,孕妇,恢复期病人),负平衡(肌饿,疾病)

    *营养学会推荐成人每日蛋白质需要量:男65克,女55克

    人体内有8种氨基酸不能合成,必须由食物提供(假(甲硫)设(色)来(赖)写(缬)一(异亮)两(亮)本(苯丙)书(苏))

    食物蛋白质营养价值的高低取决于其中必须氨基酸的种类和比例,种类和比例接近人体的营养价值高。

    *动物蛋白营养价值高

    *营养价值低的蛋白质混合食用可提高营养价值,即食物蛋白质互补作用


        蛋白质消化吸收腐败           

    食物中蛋白质…(胃)…多肽+氨基酸…(小肠)…寡肽+氨基酸…(小肠黏膜细胞膜载体蛋白)…细胞

    食物中未被消化的蛋白质和未被吸收的氨基酸在大肠被大肠杆菌分解腐败,产生一些有益的维生素和脂肪酸及更多的有害物质如胺(脱羧基),氨(脱氨基),酚,吲哚,硫化氢,其中大部分有害物随粪便排出,少部分被吸收经肝脏解毒(肝脏病人应低蛋白饮食)

杜奇石发现,在loop结构中存在的极性氢-p键,可能是廻路结构的支撑力。在蛋白质肽链骨架中,当两个肽键单元的p-平面处于同一平面时可形成氢键;而当两个肽键单元的p-平面相互垂直时则可能形成极性氢-p键。高级量子力学扫描计算发现了二肽的四种基本loop构型和其中的四种极性氢-p键类型。由此出发,有可能推导出更复杂的loop结构。

  包括:甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸

自然界各种生命体的生物功能由蛋白质在执行。蛋白质的一级结构是由几十至数百个氨基酸组成的肽链。肽链经巧妙折叠,构成各种蛋白质独特的三维结构,执行着千差万别的生物功能。肽链的折叠虽复杂却有规律。是什么力量引导肽链的折叠?该问题被称为“蛋白质折叠之谜”。最新研究有助于解开蛋白质折叠之谜,可在蛋白质工程、酶分子理性改造和生命科学其他领域发挥作用。

  2、极性氨基酸

《中国科学报》 (2015-03-03 第4版 综合)

  极性中性氨基酸:色氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸

  酸性氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸

  碱性氨基酸:赖氨酸、精氨酸、组氨酸

  其中:属于芳香族氨基酸的是:色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸

  属于亚氨基酸的是:脯氨酸

  含硫氨基酸包括:半胱氨酸、蛋氨酸

  注意:在识记时可以只记第一个字,如碱性氨基酸包括:赖精组

  二、氨基酸的理化性质

  1、两性解离及等电点:

  氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基,能与酸或碱类物质结合成盐,故它是一种两性电解质。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称为该氨基酸的等电点。

  2、氨基酸的紫外吸收性质:

  芳香族氨基酸在280nm波长附近有最大的紫外吸收峰,由于大多数蛋白质含有这些氨基酸残基,氨基酸残基数与蛋白质含量成正比,故通过对280nm波长的紫外吸光度的测量可对蛋白质溶液进行定量分析。

  3、茚三酮反应

  氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物,此化合物最大吸收峰在570nm波长处。由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比,因此可作为氨基酸定量分析方法。

  三、肽

  两分子氨基酸可借一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去1分子水缩合成最简单的二肽。二肽中游离的氨基和羧基继续借脱水作用缩合连成多肽。10个以内氨基酸连接而成多肽称为寡肽;39个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽;51个氨基酸残基组成的胰岛素归为蛋白质。多肽连中的自由氨基末端称为N端,自由羧基末端称为C端,命名从N端指向C端。人体内存在许多具有生物活性的肽,重要的有:

  谷胱甘肽(GSH):是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性,可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免被氧化,使蛋白质或酶处于活性状态。

  四、蛋白质的分子结构

  1、蛋白质的一级结构:即蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。

  主要化学键:肽键,有些蛋白质还包含二硫键。

  2、蛋白质的高级结构:包括二级、三级、四级结构。

  1)蛋白质的二级结构:指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,也就是该段肽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。二级结构以一级结构为基础,多为短距离效应。可分为:

  α-螺旋:多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升,顺时钟走向,即右手螺旋,每隔3.6个氨基酸残基上升一圈,螺距为0.540nm。α-螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽键的羧基氧形成氢键,氢键的方向与螺旋长轴基本平形。

  β-折叠:多肽链充分伸展,各肽键平面折叠成锯齿状结构,侧链R基团交错位于锯齿状结构上下方;它们之间靠链间肽键羧基上的氧和亚氨基上的氢形成氢键维系构象稳定。

  β-转角:常发生于肽链进行180度回折时的转角上,常有4个氨基酸残基组成,第二个残基常为脯氨酸。

  无规卷曲:无确定规律性的那段肽链。

  主要化学键:氢键。

  2)蛋白质的三级结构:指整条肽链中全部氨基酸残基相对空间位置,显示为长距离效应。

  主要化学键:疏水键(最主要)、盐键、二硫键、氢键、范德华力。

  3)蛋白质的四级结构:对蛋白质分子的二、三级结构而言,只涉及一条多肽链卷曲而成的蛋白质。在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条肽链,每一条多肽链都有其完整的三级结构,称为蛋白质的亚基,亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布,并以非共价键相连接。这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,为四级结构。由一条肽链形成的蛋白质没有四级结构。

  主要化学键:疏水键、氢键、离子键

  五、蛋白质结构与功能关系

  1、蛋白质一级结构是空间构象和特定生物学功能的基础。一级结构相似的多肽或蛋白质,其空间构象以及功能也相似。尿素或盐酸胍可破坏次级键。β-巯基乙醇可破坏二硫键

  2、蛋白质空间结构是蛋白质特有性质和功能的结构基础。

  肌红蛋白:只有三级结构的单链蛋白质,易与氧气结合,氧解离曲线呈直角双曲线。

  血红蛋白:具有4个亚基组成的四级结构,可结合4分子氧。成人由两条α-肽链(141个氨基酸残基)和两条β-肽链(146个氨基酸残基)组成。在氧分压较低时,与氧气结合较难,氧解离曲线呈S状曲线。因为:第一个亚基与氧气结合以后,促进第二及第三个亚基与氧气的结合,当前三个亚基与氧气结合后,又大大促进第四个亚基与氧气结合,称正协同效应。结合氧后由紧张态变为松弛态。

  六、蛋白质的理化性质

  1、蛋白质的两性电离:蛋白质两端的氨基和羧基及侧链中的某些基团,在一定的溶液PH条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团。

  2、蛋白质的沉淀:在适当条件下,蛋白质从溶液中析出的现象。包括:

  a。丙酮沉淀,破坏水化层。也可用乙醇。

  b。盐析,将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液,破坏在水溶液中的稳定因素电荷而沉淀。

  3、蛋白质变性:在某些物理和化学因素作用下,其特定的空间构象被破坏,从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失。主要为二硫键和非共价键的破坏,不涉及一级结构的改变。变性后,其溶解度降低,粘度增加,结晶能力消失,生物活性丧失,易被蛋白酶水解。常见的导致变性的因素有:加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂、超声波、紫外线、震荡等。

  4、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280nm处有特征性吸收峰,可用蛋白质定量测定。

  5、蛋白质的呈色反应

  a。茚三酮反应:经水解后产生的氨基酸可发生此反应,详见二、3

  b。双缩脲反应:蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸酮共热,呈现紫色或红色。氨基酸不出现此反应。蛋白质水解加强,氨基酸浓度升高,双缩脲呈色深度下降,可检测蛋白质水解程度。

  七、蛋白质的分离和纯化

  1、沉淀,见六、2

  2、电泳:蛋白质在高于或低于其等电点的溶液中是带电的,在电场中能向电场的正极或负极移动。根据支撑物不同,有薄膜电泳、凝胶电泳等。

  3、透析:利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。

  4、层析:a。离子交换层析,利用蛋白质的两性游离性质,在某一特定PH时,各蛋白质的电荷量及性质不同,故可以通过离子交换层析得以分离。如阴离子交换层析,含负电量小的蛋白质首先被洗脱下来。b。分子筛,又称凝胶过滤。小分子蛋白质进入孔内,滞留时间长,大分子蛋白质不能时入孔内而径直流出。

  5、超速离心:既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。不同蛋白质其密度与形态各不相同而分开。

  八、多肽链中氨基酸序列分析

  a。分析纯化蛋白质的氨基酸残基组成

  (蛋白质水解为个别氨基酸,测各氨基酸的量及在蛋白质中的百分组成),测定肽链头、尾的氨基酸残基二硝基氟苯法(DNP法),头端,尾端羧肽酶A、B、C法等,丹酰氯法

  ↓

  水解肽链,分别分析

  胰凝乳蛋白酶(糜蛋白酶)法:水解芳香族氨基酸的羧基侧肽键

  胰蛋白酶法:水解赖氨酸、精氨酸的羧基侧肽键

  溴化脯法:水解蛋氨酸羧基侧的肽键

  ↓

  Edman降解法测定各肽段的氨基酸顺序

  (氨基末端氨基酸的游离α-氨基与异硫氰酸苯酯反应形成衍生物,用层析法鉴定氨基酸种类)

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