生物大分子课件：bio-coures-1.ppt

1、生物大分子生物大分子from the point view of material science邵正中邵正中复旦大学高分子科学系复旦大学高分子科学系复旦大学先进材料实验室复旦大学先进材料实验室Room: 跃进楼跃进楼-421先进材料实验楼先进材料实验楼-203（江湾校区）（江湾校区）Tel: 65642866Tel: 51630207生物大分子的种类生物大分子的种类蛋白质蛋白质：由氨基酸通过酰胺键（肽键）连接而成 核酸核酸：一种线型多聚核苷酸，核苷酸由碱基、戊糖与磷酸组成 多糖多糖：由单糖分子缩合、失水形成糖苷键连接而成 脂类脂类：简单脂类（不含结合脂肪酸的脂类）；复合脂类（与脂肪酸结合的脂

2、类） 什么是生物材料？什么是生物材料？生物材料(Biomaterials)通常有两种定义： 1. 天然生物材料天然生物材料(Biological Materials)， 也就是由生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原纤维、丝等）、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和纤维素。 2. 生物医用材料生物医用材料(Biomedical Materials)，用于取代、修复活体组织的天然或人造材料。 可以预见，随着组织工程的发展，生物医用材料的定义将逐渐增大生物过程形成材料的成分，这样，两种定义将会有越来越多的重叠。 蛋白质的分类蛋白质的分类简单蛋白质：简单蛋白质：仅由氨基酸组成的蛋白质（核糖核酸酶，胰岛素等）结

3、合蛋白质：结合蛋白质：由氨基酸和非氨基酸两部分组成，其非氨基酸部分通常是糖类、脂类、核酸及各种辅助因子等（血红蛋白，核蛋白等）化学结构分子外形的对称程度球状蛋白质：球状蛋白质：分子对称性佳，外形接近球状或椭球状，溶解度较好，能结晶纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：分子对称性差，分子类似细棒或纤维；又可再分为可溶性（肌球蛋白、血纤维蛋白原等）和不溶性（胶原、角蛋白、丝素蛋白等）结合蛋白质结合蛋白质糖蛋白：糖蛋白： 由低聚糖（分子量为 5203500 左右）通过共价键与蛋白质连接而成的复合蛋白。 有的蛋白质还与几个带有高电荷的多糖（如硫酸软骨素、肝素和透明质酸）通过共价键或非共价键结合在一起。 脂蛋白：

4、脂蛋白： 脂主要通过非共价键相互作用与蛋白质连接，且脂可大可小。 核蛋白：核蛋白： 蛋白质与核酸（既有 RNA，也有 DNA）紧密相连，其连接在本质上是非共价结合的。 不少蛋白质还需要小分子量的辅助因子来完成其生物功能，这些辅助因子常与蛋白质紧密相连，分离时常常同蛋白质一起被分离出来；它们的连结，既有共价结合，也有非共价结合。 蛋白质的基本结构蛋白质的基本结构蛋白质的基本组成蛋白质的基本组成氨基酸氨基酸组成蛋白质基本结构的有二十种氨基酸（氨基酸） 氨基酸通式 脯氨酸 从 H 向 C方向看过去，氨基、羧基、R 基若沿顺时针方向排列的是 L构型。自然界中存在 D氨基酸，但蛋白质中的所有氨基酸都是

5、L构型。 氨基酸的分类氨基酸的分类H2NCHCCH3OHOH2NCHCCH2OHOCH2CH2NHCNH2NHH2NCHCCH2OHOCNH2OH2NCHCCH2OHOCOHOH2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHONNHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2H2NCHCCH2OHOCH2CNH2OH2NCHCCH2OHOSHH2NCHCCH2OHOCH2SCH3H2NCHCHOHOH2NCHCCHOHOCH3CH3HNCOHOH2NCHCCH2OHOCHCH3CH3H2NCHCCH2OHOH2NCHCCHOHOCH3CH2CH3H2NCHCCH2OHOHNH2

6、NCHCCH2OHOOHH2NCHCCHOHOOHCH3H2NCHCCH2OHOOH侧链性质侧链性质 acidiclargehydrophobicbasicsmallhydrophobicpolar residuesulphurcontainingalcoholicresidues谷氨酸 Glu天冬氨酸Asp甲硫氨酸Met半胱氨酸Cys组氨酸His精氨酸Arg赖氨酸Lys 天冬酰胺Asn谷酰胺Gln苯丙氨酸Phe亮氨酸Leu色氨酸Trp异亮氨酸Ile酪氨酸Tyr丝氨酸Ser苏氨酸Thr甘氨酸Gly丙氨酸Ala脯氨酸Pro缬氨酸Val被修饰的氨基酸被修饰的氨基酸氨基酸序列氨基酸序列蛋白质的一级结

7、构蛋白质的一级结构蛋蛋白白质质的的一一级级结结构构就是氨基酸残基的排列顺序以及二硫键（如果存在）的位置。理论上，每种蛋白质具有唯一而确切的氨基酸顺序。 多肽链组成的蛋白质是有方向的，惯例认为氨基端为多肽链的头，简称N端；相应地，羧基端为尾，简称C端卵清溶菌酶的一级结构蛋白质一级结构的重要性蛋白质一级结构的重要性测定蛋白质中氨基酸顺序的意义：测定蛋白质中氨基酸顺序的意义：氨基酸顺序是决定蛋白质生物活性的分子基础（氨基酸顺序是决定蛋白质生物活性的分子基础（i.e. 酶酶的活性部位及其作用机理的阐明）的活性部位及其作用机理的阐明）从某种意义上，氨基酸顺序将决定蛋白质的二级结构从某种意义上，氨基酸顺序

8、将决定蛋白质的二级结构构象和三级结构；而其与三级结构之间的相互关系构象和三级结构；而其与三级结构之间的相互关系的分析，更揭露了控制多肽链折叠的一些规律的分析，更揭露了控制多肽链折叠的一些规律如果蛋白质具有生理活性的话，氨基酸顺序的异常可如果蛋白质具有生理活性的话，氨基酸顺序的异常可能导致其功能异常和疾病（能导致其功能异常和疾病（i.e.镰刀形贫血症）镰刀形贫血症）氨基酸顺序指明该蛋白质的进化史（进化中的分子事氨基酸顺序指明该蛋白质的进化史（进化中的分子事件）件）蛋白质一级结构的测定方法蛋白质一级结构的测定方法蛋白质均一性的确定：蛋白质均一性的确定：分子量、荷电性、氨基酸组成、氨端分子量、荷电性

9、、氨基酸组成、氨端和羧端残基、生物活性、结晶性等和羧端残基、生物活性、结晶性等氨基酸顺序测定程序：氨基酸顺序测定程序： 蛋白质或肽链的氨基酸定量分析（有时也包括其他化蛋白质或肽链的氨基酸定量分析（有时也包括其他化学组成，如糖、核酸等的分析）学组成，如糖、核酸等的分析） 肽链末端残基，包括肽链末端残基，包括N端基与端基与C端基残基的测定端基残基的测定 肽链的专一性降解与碎片的分离纯化肽链的专一性降解与碎片的分离纯化 分别测定肽链与碎片的氨基酸顺序分别测定肽链与碎片的氨基酸顺序从已知肽的顺序，根据有交盖重叠顺序的碎片相联的从已知肽的顺序，根据有交盖重叠顺序的碎片相联的原则，复现肽链或蛋白质的一级结

10、构原则，复现肽链或蛋白质的一级结构 确定分子中二硫键的位置确定分子中二硫键的位置肽链的降解肽链的降解降降解解方方式式 降降解解专专一一 化化学学降降解解 溴溴化化氢氢 甲甲硫硫氨氨酸酸的的羧羧基基端端（但但对对 Met-Thr 和和 Met-Ser 的的产产率率较较低低，而而对对甲甲硫硫氨氨酸酸的的砜砜和和亚亚砜砜则则完完全全不不降降解解） BNPS甲甲基基吲吲哚哚 色色氨氨酸酸的的羧羧基基端端 稀稀酸酸 天天冬冬氨氨酸酸的的两两侧侧，极极少少作作用用于于天天冬冬酰酰胺胺、谷谷氨氨酸酸、谷谷氨氨酰酰胺胺 甲甲酸酸(70) 最最适适于于天天冬冬氨氨酸酸脯脯氨氨酸酸键键 羟羟胺胺 天天冬冬酰酰胺胺

11、甘甘氨氨酸酸键键 酶酶法法降降解解 胰胰蛋蛋白白酶酶 赖赖氨氨酸酸、精精氨氨酸酸的的羧羧基基端端(赖赖氨氨酸酸脯脯氨氨酸酸，精精氨氨酸酸脯脯氨氨酸酸例例外外，酶酶解解较较少少) 内内肽肽酶酶 Lys-C 赖赖氨氨酸酸(和和 S氨氨乙乙基基半半胱胱氨氨酸酸)的的羧羧端端 内内肽肽酶酶 Arg-C 精精氨氨酸酸的的羧羧基基端端 内内肽肽酶酶 Glu-C 谷谷氨氨酸酸的的羧羧基基端端 内内肽肽酶酶 Asp-N 天天冬冬氨氨酸酸和和氧氧化化蛋蛋白白中中的的氨氨基基末末端端 胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶 最最适适位位点点是是苯苯丙丙氨氨酸酸、色色氨氨酸酸、酪酪氨氨酸酸和和亮亮氨氨酸酸的的羧羧基基端端 嗜嗜热

12、热菌菌蛋蛋白白酶酶 最最适适位位点点是是疏疏水水残残基基(亮亮氨氨酸酸、异异亮亮氨氨酸酸、苯苯丙丙氨氨酸酸、颉颉氨氨酸酸、甲甲硫硫氨氨酸酸、色色氨氨酸酸)的的羧羧基基端端 肽键和二面角肽键和二面角两个氨基酸连接成的二肽。图中表示了和的定义：代表绕CC单键的转动；代表绕CN单键的转动 肽键具有部分双键性质（0.132nm），不能自由旋转 肽单位是刚性平面结构 在肽单位上，CO 与NH或两个C呈反式排布构象构象蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构蛋白质二级结构：蛋白质二级结构： 多肽链主链骨架中的若干肽段， 各自延着某多肽链主链骨架中的若干肽段， 各自延着某个轴盘旋或折叠， 并主要以氢键维系。个轴盘旋

13、或折叠， 并主要以氢键维系。 其涉及按主链相互接近其涉及按主链相互接近的氨基酸残基的空间关系，而不涉及氨基酸残基的侧链构象的氨基酸残基的空间关系，而不涉及氨基酸残基的侧链构象 螺旋螺旋 ( -helix)：棒状结构。蛋白质中发现的均为右手型螺棒状结构。蛋白质中发现的均为右手型螺旋旋 折叠折叠 ( -sheet)： 片状物。 相邻的两条链可以是走向相同 （平片状物。 相邻的两条链可以是走向相同 （平行），也可相反（反平行）行），也可相反（反平行） 转折转折 ( -turn)：可使多肽链扭转走向可使多肽链扭转走向 无规线团无规线团 (random coil)：没有规则的那部分肽链构象没有规则的那部

14、分肽链构象 螺旋螺旋helix 的具体参数的具体参数 折叠折叠平行和反平行平行和反平行 折叠折叠Hydrogen bond patterns in beta sheets. Here a four-stranded sheet is drawn schematically which contains three anti-parallel and one parallel strand. Hydrogen bonds are indicated with red lines (anti-parallel strands) and green lines (parallel strands)

15、connecting the hydrogen and receptor oxygen. 转折（转折（I型和型和II型）型）Turns are classified into Types according to the (, ) angles of the two central residues (residue 2 and 3). The main types are Type I and Type II which have mirror images in Types I and II (because the mirror image types require positive

16、(, ) angles the most common residue in these turns is Gly). The Pro residue is very common in -turns, as it always has the correct angle (-60) and it has one less unsaturated hydrogen donor. Since a -turn has several unsaturated back-bone hydrogen bond donors and acceptors, it is polar, and is usual

17、ly found near the surface of the protein.A -turn is a short secondary structure, only 4 residues in length, which enables the overall structure to have 180 degree turns. Turns are characterized by a hydrogen bond between the CO group of residue n and the NH group of residue n+3. 维持蛋白质分子构象的化学键维持蛋白质分子

18、构象的化学键1. 氢键：氢键：XH Y，XH 为质子供体，Y 为质子受体 2. 疏水键：疏水键：两个非极性基团（疏水基团）为避开水相而群集在一起的作用力 3. 范德华引力（键）：范德华引力（键）：一类静电引力（取向力、诱导力、色散力），与距离六次方成反比，相互吸引，但不碰撞。氢键是一种特殊的范德华引力 4. 离子键：离子键：由于正负离子之间的静电吸引所形成的化学键 5. 配位键：配位键：两个原子之间，由单方面提供共用电子对所形成的共价键 6. 二硫键（桥）：二硫键（桥）：两个硫原子之间的化学键，键能很大（30100 千卡/克分子） 维持构象化学键的形式维持构象化学键的形式蛋白质的三级结构蛋白质

19、的三级结构蛋白质三级结构：蛋白质三级结构：一条多肽链在二级结构的基础上，由于其顺序上相隔较远的氨基酸残基侧链的相互作用，而进行广泛的盘旋和折叠，从而产生特定的很不规则的球状构象。其不涉及一条多肽链上的原子与另一条多肽链的关系。此定义仅适用于球状蛋白维持蛋白质分子三级结构的化学键主要也是次级键，但二硫键和疏水键的作用大大提高硫氧还蛋白的二、三级结构硫氧还蛋白的二、三级结构The protein thioredoxin (2TRX) contains a five-stranded -sheet comprised of three parallel strands and three antip

20、arallel strands. The entire protein is shown as a cartoon with the -strands (three parallel strands and three antiparallel strands) colored red and -helices colored yellow.蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋白质四级结构：蛋白质四级结构：各亚单位在寡聚蛋白中的空间排布及亚单位之间的相互作用。不考虑亚单位本身的构象。由相同亚单位构成的四级结构均一四级结构；由不同亚单位构成的四级结构非均一四级结构亚单位（亚单位（Subunit）：）：有些球蛋白含有两条或更多条多肽链，并彼此以非共价键相连，每条肽链有自己的三级结构，此多肽链即为蛋白质分子的亚单位（亚基）寡聚蛋白（寡聚蛋白（Multimeric protein）：）：由亚单位聚集而成的蛋白质分子谷氨酸脱氢酶的四级结构谷氨酸脱氢酶的四级结构分子量为313 , 000的六聚体（相同的亚单位）蛋白质的变性和复性蛋白质的变性和复性牛胰核糖核酸酶(Rnase)的复性，活性恢复95以上