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@guoxs 2015-06-22T14:43:07.000000Z 字数 5519 阅读 1675

蛋白质下

化学生物学


蛋白质的分类

按外形:
球状蛋白质
外形接近球形或椭圆形,溶解性较好,能形成结晶,大多数蛋白质属于这一类。
纤维状蛋白质
分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。

按组成:
简单蛋白质
单纯蛋白质;只含由α-氨基酸组成的肽链,不含其它成分。

清蛋白和球蛋白:广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水,球蛋白微溶于水,易溶于稀酸中。

谷蛋白和醇溶谷蛋白:植物蛋白,不溶于水,易溶于稀酸、稀碱中,后者可溶于70-80%乙醇中。

精蛋白和组蛋白:碱性蛋白质,存在与细胞核中。

硬蛋白:存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中,分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。

结合蛋白质
由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成,

色蛋白:由简单蛋白与色素物质结合而成。
     如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。

糖蛋白:由简单蛋白与糖类物质组成。
      如细胞膜中的糖蛋白等。

脂蛋白:由简单蛋白与脂类结合而成。
      如血清α、β-脂蛋白等。

核蛋白:由简单蛋白与核酸结合而成。
      如细胞核中的核糖核蛋白等。

按功能:
1. 酶

所有生物体内化学反应几乎都能被称为酶的蛋白质所催化。

2. 运输蛋白

血红蛋白是了解得最清楚的一种蛋白质分子载体,它的主要功能是将氧从氧气充裕的肺内运出并输送到组织中去。

3. 贮藏蛋白

贮藏蛋白与某些特定的物质结合后能将这些物质贮存起来。

其他一些贮藏蛋白构成氨基酸的贮存库使氨基酸能在生长、发育期间作为**营养物质**释放出来。

4. 收缩蛋白

骨骼肌收缩系统的两种主要的蛋白质成分是肌球蛋白和肌动蛋白。

肌肉收缩就是由这些互相联系的平行丝状蛋白质依靠能量进行滑动来完成的。

具有双股螺旋结构的肌球蛋白分子集合成一束粗丝,它来回驱动主要成分是肌动蛋白的细丝。 

5. 毒蛋白

6. 抗体

抗体就是免疫球蛋白,免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白,糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。

7. 激素

激素是一类由内分泌腺上皮细胞直接分泌的、 具有重要生理功能的化学信使物质。许多激素是蛋白质。 

8. 结构蛋白
α-角蛋白

广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物,如毛发、甲、角、鳞和羽等。

主要由α-螺旋构象的多肽链组成。左手螺旋的二聚体。

胶原蛋白

胶原蛋白是结缔组织中主要的细胞外蛋白质。

胶原蛋白的基本单位是原胶原蛋白的三股螺旋。三股链中每一股的内部是一条延伸的螺旋,长的原胶原蛋白分子以并排方式集合成结缔组织中的胶原纤维。 

丝心蛋白

构成蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质,丝心蛋白具有抗张强度高,质地柔软的特性,但不能拉伸。

丝心蛋白是典型的反平行式β折叠片,多肽链取锯齿状折叠构象,酰胺基的取向使相邻的C为侧链腾出空间,从而避免任何空间位阻。

侧链交替地分布在折叠片的两侧。

丝蛋白

丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。

结构蛋白与以前所讲的致密的球状蛋白两者之间主要差别在于结构蛋白一般是由重复单位组成,这些重复单位能使纤维状结构蛋白不断增大从而变成一个巨大的结构集合体

化学物质与蛋白质的相互作用

等电点:蛋白质所带正负电荷相等时溶液的pH(pI)值即该蛋白质的等电点,此时蛋白质溶解度最低。

一、蛋白质的胶体性质

可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基,对水有很高的亲和性,通过水合作用在蛋白质颗粒外形成一层水化层,同时这些颗粒带有电荷,因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体

稳定因素:蛋白质分子表面的水化膜表面电荷是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。

二、蛋白质的变性

破坏非共价键和二硫键,不改变蛋白质的一级结构

变性蛋白质的性质变化

物理性质:旋光性改变,溶解度下降,沉降率升高,粘度升高,光吸收度增加等

化学性质:官能团反应性增加,易被蛋白酶水解

生物学性质:原有生物学活性丧失,抗原性改变 

三、化学物质对蛋白质的沉淀作用

沉淀法具有部分纯化、浓缩特点。

定义:蛋白质分子相互聚集从溶液中析出的现象
原理:破坏同种电荷和水化膜

沉淀作用类型

蛋白质的沉淀方法

1. 无机物沉淀法:
    盐析沉淀法
    金属离子沉淀法
2. 等电点沉淀法:
3. 有机物沉淀法:
    有机试剂沉淀法
    酚类化合物及有机酸沉淀法
4. 聚合物沉淀法:
    非离子型聚合物沉淀法
    聚电解质沉淀法

1.盐析沉淀法
定义 : 在蛋白质溶液中加入大量中性盐,可破坏蛋白质的胶体性质,使蛋白质从溶液中沉淀析出。
原理 :
高浓度盐离子使蛋白质表面双电层厚度降低,静电排斥减弱
中性盐比蛋白质具更强的亲水性,与蛋白质争夺水分子
特点:蛋白质不变性

阳离子化合物的效果是:NH4+>K+>Na+
阴离子化合物的效果是:PO43->SO42->Cl-

盐析用盐要求

盐析作用强
该盐有足够大的溶解度,适于低温操作
生物惰性
来源丰富

常用的盐析剂是硫酸铵
脱盐常用透析法凝胶过滤层析

2.金属离子沉淀法

优点 : 它们在稀溶液中对蛋白质有效强的沉淀能力。处理后残余的金属离子可用离子交换树脂螯合剂除去。

3.等电点沉淀法

原理 :当溶液pH值为蛋白质的等电点时,分子表面的净电荷为零,导致蛋白质表面双电层和水化膜的削弱或破坏,分子间引力增加,溶解度降低。

优点: 很多蛋白质的等电点都在偏酸性范围内,而无机酸通常价较廉,且磷酸、盐酸和硫酸等的应用能为蛋白质类食品所允许。常可直接进行其他纯化操作,无需将残余的酸除去。
缺点:由于蛋白质对低pH比较敏感,在酸化时易使蛋白质失活

4.有机物沉淀法

定义: 向水溶液中加入一定量亲水性有机溶剂,降低溶质的溶解度,使蛋白质沉淀析出的分离纯化方法。
原理 :

亲水性有机溶剂加入溶液后,降低了水的介电常数,使溶质分子之间的静电引力增加。

水溶性有机溶剂本身的水合作用降低了自由水的浓度,压缩了溶质分子表面原有水化层的厚度,导致溶质分子脱水凝聚。

优点:其分辨率高于盐析,加入的有机溶剂易除去,且有机溶剂密度低,利于沉淀物分离。
缺点:比盐析更易使蛋白变性,需低温操作。

溶剂 :凡能与水以任意比例混合的有机溶剂,如乙醇、甲醇、丙酮等,均可用于沉淀蛋白质

5.非离子型聚合物沉淀

PEG是一种特别有用的沉淀剂,无毒,不可燃性且对大多数蛋白质有保护作用。PEG沉淀法能在室温下进行,得到的沉淀颗粒较大,收集容易。

PEG的分子量需大于4000,最常用的是6000和20 000。浓度通常为20%,浓度再高,会使粘度增大,造成沉淀的回收比较困难。

PEG对后续分离步骤,影响较少,可不必除去。但它的存在会干扰A280紫外吸收和Lowry法测定蛋白质。

6.聚电解质沉淀法

原理: 加入聚电解质的作用和絮凝剂类似,同时还兼有一些盐析和降低水化等作用。

缺点: 是往往会使蛋白质结构改变

它们的作用主要是静电引力。如羧甲基纤维素能在pH低于等电点时使蛋白质沉淀。和其他絮凝剂一样,加入量不能太多,否则会引起胶溶作用而重新溶解。

四、化学物质对蛋白质的稳定作用

蛋白质的变性 : 某些物理或化学因素破坏了维持蛋白质结构的天然状态,引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失

1.强酸和强碱

在强酸碱条件下,肽键也容易被水解断裂,天冬酰胺和谷酰胺侧链的酰胺会发生脱氨基作用,改变了原来蛋白质表面的电荷分布,使蛋白质构象重新排布,导致蛋白质失去活性。

2.氧化剂

在生物体内,蛋白质的氧化失活主要是通过活性氧(羟基自由基、超氧离子、过氧化氢、过氧化物)来完成的。这些氧化剂的杀菌作用主要也是造成蛋白质失活。

3.去污剂和表面活性剂

去污剂分为离子型和非离子型两大类,都具有长链疏水尾和亲水的极性头。如阴离子去污剂(如十二烷基硫酸钠,SDS )可与蛋白质表面的疏水区域结合,导致蛋白质伸展,分子内部的疏水性氨基酸残基暴露,并进一步与去污剂结合,使蛋白质发生不可逆变性。

4.变性剂

(1)脲和盐酸胍(破坏氢键)

(2)有机溶剂
水互溶有机溶剂可以使酶、蛋白质失去活性,是因为有机溶剂取代了蛋白质表面的结合水,并通过疏水作用与蛋白质结合,改变了溶液的介电常数,从而影响维持蛋白质天然构象的非共价力的平衡。

(3)螯合剂
EDTA与金属离子形成配位复合物,使酶失去金属辅助因子

失去金属辅助因子的酶或蛋白质可引起蛋白质构象发生较大改变,导致蛋白质活力不可逆的丧失

螯合剂也可螯合对蛋白质有害的金属离子,使不需要金属离子的蛋白质稳定。

5.重金属离子和巯基试剂

巯基乙醇等通过还原蛋白质分子内的二硫键而使蛋白质失去活性,但这个过程一般是可逆的

低分子量的含二硫键的试剂可与蛋白质中的巯基作用,形成混合二硫键,造成蛋白质结构发生变化,导致其失活。

化学物质对蛋白质的稳定作用方法:

固定化:将酶或蛋白质多点连接于载体上(无机载体、高分子载体)

添加剂:保护蛋白质(酶)不受氧化剂氧化、不受变性剂变性等

化学修饰:共价交联,使蛋白质构象固化。

(1)共溶剂

糖类、醇、氨基酸及其衍生物,无机盐,甘油,多聚物(如聚乙二醇)等一般被称为蛋白质的共溶剂,常常使用(1~4)mol/L高浓度共溶剂来稳定蛋白质和细胞器。

共溶剂的加入可改变溶液的热力学性质,在蛋白质表面完全水化和共溶剂完全结合之间建立了一种平衡,使得天然蛋白质的稳定性增强,理论上称为优先排阻作用

(2)抗氧化剂和还原剂

蛋白质表面的半胱氨酸极容易被空气中的氧缓慢氧化而成为次磺酸或二硫化物,从而使该蛋白质的电荷或形状发生改变而失活,在缓冲液中加入半胱氨酸,2-巯基乙醇,还原谷胱甘肽,二巯基赤藓醇等巯基试剂可防止这种破坏。

植物抗氧化剂如儿茶酚、黄酮等也具有保护蛋白质不被氧化的作用

(3)底物、辅酶

一些酶可被底物、辅酶、竞争性抑制剂及反应产物等所稳定,因此在分离纯化中加入这些物质可增加酶的稳定性。

底物,辅酶,抑制剂使酶稳定的可能原因是降低了活性中心的能量水平,使酶趋于稳定

(4)金属离子

金属离子不仅可以影响酶的活性,还可以影响酶的稳定性,如Ca2+的存在可以稳定枯草杆菌蛋白酶,灰色链丝菌蛋白酶和胰蛋白酶等。Ca2+与这些蛋白质的结合类似于与底物结合。

重金属离子可能引起酶活性的抑制,加入一些螯合剂可减少金属离子对酶的影响。常用的金属螯合剂有乙二铵四乙酸(EDTA)和乙二醇二(β-氨基乙醚)四乙酸(EGTA)

五、化学物质对蛋白质的共价修饰作用

包括两个方面:

(1)侧链基团的改变;
 (2)主链结构的改变,前者属于化学修饰的范畴,而后者则属于基因重组和定点突变的方法。              

意义

(1)生物体内蛋白质加合物的形成

许多化学毒物对细胞产生的损害与其亲电代谢产物同细胞大分子的亲核部位(如蛋白质的巯基)发生不可逆结合具有密切关系。

外源化合物的活性代谢产物与细胞内重要生物大分子,如核酸、蛋白质、脂质等共价结合,发生烷基化或芳基化,即导致DNA损伤、蛋白质正常功能丧失,乃至细胞的损伤或死亡

外源化合物与生物大分子相互作用主要有两种方式:非共价结合共价结合

可与蛋白质发生反应的化合物
除少数烷化剂外,绝大多数外源化合物需经体内代谢活化,转变成亲电子的活性代谢物,再与细胞内生物大分子的亲核部位和基团发生共价结合,如蛋白质分子中的亲核基团、DNA、RNA及一些小分子物质如谷胱甘肽等的亲核部位等。

(2)、特定氨基酸残基侧链基团的修饰

蛋白质侧链基团的修饰是通过选择性的试剂亲核标记试剂与蛋白质分子侧链上特定的功能基团发生化合反应而实现的。其中的一个重要作用是用来探测活性部位的结构

理想情况下,修饰试剂只是有选择性地与某一特定的残基反应,很少或几乎不引起蛋白质分子的构象变化。

从该基团的修饰对蛋白质分子的生物活性所造成的影响,就可以推测出被修饰的残基在该蛋白质分子中的功能。

巯基的化学修饰
巯基的氧化还原反应可以应用于蛋白质结构分析、包涵体的复性、增加蛋白质可溶性等。

氨基的化学修饰

羧基的化学修饰
水溶性的碳化二亚胺类化合物可特定修饰蛋白质分子的羧基基团,目前已成为一种应用最普遍的标准方法,它在比较温和的条件下就可以进行。

咪唑基的化合修饰

蛋白质的PEG修饰
聚乙二醇(PEG)修饰又称分子的PEG化,是目前蛋白质化学修饰最重要的技术之一,是用来解决或缓解蛋白和多肽在药用过程中存在的诸多问题的有效途径。

由于PEG无毒,具有良好生物相容性和血液相容性,使它成为一种被广泛使用的生物修饰材料。

对于各种具有药用潜能的蛋白来说,采用PEG修饰的目的主要有以下三个方面:

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