蛋白质的组成与结构

医学生物化学之蛋白质的组成与结构，知识点包括：蛋白质的组成单位、蛋白质的分子结构、蛋白质的理化性质、蛋白质与疾病。

蛋白质的组成与结构

• A. 蛋白质的组成单位
  • 元素组成
    • C 50-55%、O 19%-24%、N 13%-19%、H6%-7%、S 0-4%
    • 部分蛋白质还含有Pi、Fe、Cu、Zn、Mn、Se、I
    • 各种蛋白质中氮含量平均约为16%，1g氮相当于6.25g蛋白质——利用含氮量可推算蛋白质的大致含量。
  • 基本组成单位
    • 氨基酸结构通式
      • 基本单位：氨基酸——天然氨基酸300多种，构成蛋白质的基本氨基酸有20种。
      • 除脯氨酸，均为L-a-氨基酸
      • a-氨基酸（除甘氨酸）均有一个不对称的碳原子，因此具有L和D型两种旋光异构体。
      • 组成天然蛋白质的氨基酸皆为L-a-氨基酸，D型没有营养价值，且大多数D型不能被动物利用或利用率很低。
    • 氨基酸的分类
      • 非极性氨基酸
        • 甘氨酸——Gly——G
        • 丙氨酸——Ala——A
        • 缬氨酸——Val——V
        • 亮氨酸——Leu——L
        • 异亮氨酸——Ile——I
        • 脯氨酸——Pro——P
        • 苯丙氨酸——Phe——F
      • 极性中性氨基酸
        • 丝氨酸——Ser——S
        • 苏氨酸——Thr——T
        • 半胱氨酸——Cys——C
        • 蛋氨酸——Met——M
        • 天冬酰胺——Asn——N
        • 谷氨酰胺——Gln——Q
        • 酪氨酸——Tyr——Y
        • 色氨酸——Trp——W
      • 酸性氨基酸
        • 天冬氨酸——Asp——D
        • 谷氨酸——Glu——E
      • 碱性氨基酸
        • 赖氨酸——Lys——K
        • 精氨酸——Arg——R
        • 组氨酸——His——H
      • 这20种氨基酸都有各自的遗传密码，他们是生物合成蛋白的基本构件，无种属差异，又称为编码氨基酸； 一些是蛋白质生物合成后相应氨基酸残基修饰成，有些是物质代谢过程中产生，这些氨基酸体内无相应的遗产密码，称为非编码氨基酸。
    • 氨基酸的理化性质
      • 氨基酸：无色结晶、熔点高、水中溶解度差别大、易溶于酸碱、一般不溶于有机溶剂（个别氨基酸列外）。特性：两性解离、等电点、紫外吸收、茚三酮反应等。
      • 两性解离
        • 酸性溶液-带正电、碱性溶液-带负电——两性电解质
      • 等电点
        • 当调节氨基酸溶液PH，使氨基酸带上相同的正负电荷数（为兼性离子或两性离子状态），即氨基酸所带电荷数为0，成电中性，这种氨基酸在电场中不向正极或负极移动，此时的PH为等电点PI。
        • 每个氨基酸都有其特有的PI。
        • 意义：氨基酸在PI时溶解度最小，是分离纯化氨基酸的重要手段。
      • 紫外吸收
        • 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收的性质
        • 苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸——芳香族氨基酸
        • 在紫外光区280nm附近有最大吸收峰，以色氨酸吸光能力最强。
        • 大多数蛋白质在280nm处具有最大光吸收值是由于其中含有色氨酸和酪氨酸残基原因——可定量分析蛋白质含量。
      • 茚三酮反应
        • 氨基酸与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm——可利用此性质测定氨基酸含量
  • 肽键和肽
    • 肽键是一个共价键，键长（0.132nm）介于单键（0.149nm）和双键（0.127nm）之间，因此肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
    • 一分子氨基酸的a-羧基与另一分子氨基酸的a-氨基脱水缩合而成的键——肽键
    • 氨基酸之间通过肽键连接的化合物——肽
      • 两个氨基酸-二肽
      • 三个氨基酸-三肽
      • 少于10个氨基酸-寡肽
      • 多于10个氨基酸-多肽
    • 肽中氨基酸分子因脱水缩合而残缺——氨基酸残基
    • 多肽链中有自由氨基一端，称为氨基末端（N-端），一般写在肽链左侧；有自由羧基一端，称为羧基末端（C-端），一般写在肽链右侧。
    • 谷胱甘肽GSH
      • 组成：谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸
      • 半胱氨酸是GSH的主要功能基团，具有还原性，使GSH成为体内重要的还原剂，防止蛋白质和酶分子中的巯基被氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。
      • 生理功能
        • 参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应
        • 解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用
        • 保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态
        • 维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用
        • 保护DNA，RNA等与致癌剂或药物结合
• B. 蛋白质的分子结构
  • 一级结构+高级结构（二、三、四级结构——空间构象） 四级结构并不存在于所有蛋白质中，它只存在于由两条或两条以上肽链形成的蛋白质中，而由一条肽链形成的蛋白质中只有一、二、三级结构。
  • 分子结构
    • 蛋白质的一级结构
      • 指蛋白质分子从N-末端到C-末端的氨基酸的排列顺序，是蛋白质最基本的结构。
      • 它是由基因上遗传密码的顺序所决定的。
      • 各种氨基酸按遗传密码的排列顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，故肽键是蛋白质结构中的主键。
      • 二硫键——两个半胱氨酸巯基（-SH）氧化成-S-S-形式的键。
      • 蛋白质结构的主键是肽键，次要键为二硫键
      • 不同蛋白质的一级结构是不同的，而它们之间的差别是由氨基酸组成、数目以及排列顺序共同决定。 蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二、三等高级结构，众多的天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，而决定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点，首先在于其肽链中氨基酸序列，由于组成20种氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当他们按照不同的序列关系组合时，就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。
      • 蛋白质的一级结构决定高级结构的重要因素，是蛋白质特异空间结构和生物学活性的基础。一级结构的改变会导致一些遗传性疾病的发生。
    • 蛋白质的二级结构
      • 指蛋白质分子中多肽链主链的局部空间结构（周期性、重复有序的空间结构），不涉及氨基酸残基侧链的构象。
      • 氢键是稳定二级结构的主要因素。
      • 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
      • 肽键平面（肽单元）：构成肽键的4个原子（C、H、O、N）和它相邻的2个a-碳原子（Ca1、Ca2）处于同一酰胺平面
        • 肽键平面中Ca-N键和Ca-Co键都是可以自由旋转的单键。
        • Ca-N键和Ca-Co键这两个单键的自由旋转角度决定了相邻两个酰胺平面的空间相对位置。
      • 主要包括：a-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲、Ω环
        • a-螺旋
          • 是蛋白质中最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。
            • 在毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白以及血凝块中的纤维蛋白中含量最高。
          • 结构特点
            • 以肽单元为单位，多肽链以顺时针方向形成紧密的右手螺旋，R基伸展向外，外观形似棒状。
            • 每一圈螺旋由3.6个氨基酸构成，螺距为0.54nm。
            • 螺圈之间通过链内氢键稳定，氢键的取向几乎与轴平行，第一个肽键上的-NH的氢与第四个氨基酸的-CO的氧形成氢键，以此类推。螺旋内所有肽键都可以参与形成氢键，这是稳定a-螺旋的主要因素。
            • a-螺旋的形成以及稳定受到肽链中氨基酸侧链R基团的形状、大小及电荷影响。
              • 酸/碱性氨基酸（多聚赖氨酸）集中的区域，由于同种电荷相斥，不利于a-螺旋的形成。
              • R基团较大的氨基酸（Phe、Tyr、Ile）集中的区域，也妨碍a-螺旋的形成。
              • 脯氨酸因其a-碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成a-螺旋。
              • 甘氨酸的R为H，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。
        • β-折叠—β-片层
          • 多肽链充分伸展，每个肽单元Ca为旋转点，折叠成锯齿状的结构，是蛋白质常见的二级结构。
          • 结构特点
            • β-折叠是由同一肽链的不同肽段或多条肽链之间几乎完全伸展的平行排列，肽段主链是锯齿状的折叠构象，外观为一片状物。氨基酸残基的R基团位于锯齿结构的上下方。
            • 氢键是稳定β-折叠的主要非共价键，包括链间氢键（两条链）和链内氢键（一条链的两段肽段间）。氢键几乎垂直于伸展的肽段。
            • β-折叠分为平行式和反平行式
              • 平行式即所有肽链走向相同（N-端都在同侧）
              • 反平行式较平行式结构更为稳定
            • 肽链中氨基酸侧链R基团位于平面的上方或下方，R基团的大小会对β-折叠的形成以及稳定性有影响。
              • 当氨基酸残基的R基团较小时，两条肽链的空间占位较小，才能彼此靠近。
                • 蚕丝蛋白中含有大量的甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸等R基团较小的氨基酸—蚕丝蛋白中有大量的β-折叠结构。
          • β-折叠广泛存在于纤维蛋白质以及球状蛋白质中，特别是蚕丝蛋白、β-角蛋白中含量最丰富。溶菌酶等球状蛋白也存在β-折叠。
        • β-转角
          • 由肽链出现180°的回折而形成，是多肽链中常见的二级结构。
          • β-转角由四个连续的氨基酸残基构成，第一个氨基酸残基的C=O与第四个残基的NH形成氢键以稳定构象。
          • β-转角常见的氨基酸有：脯氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、甘氨酸、色氨酸
            • 其中脯氨酸常常出现在β-转角结构中的第二位上，这是由于脯氨酸环形侧链有利于形成β-转角。
          • 常位于蛋白质分子表面，为蛋白质活性的重要空间结构。
        • 无规卷曲
          • 指除a-螺旋、β-折叠、β-转角这些二级结构外的，没有确定规律的那部分肽链结构。
          • 球状蛋白中含量较高。
          • 常常构成酶的活性中心以及蛋白质的特异功能部位。
        • Ω环
          • 存在分子表面，亲水，与分子识别相关。
    • 超二级结构（现归于三级结构）
      • 相互邻近的二级结构，在空间上彼此靠近且相互作用，形成有规则的二级结构组合
      • 三种基本模式：αα、ββ、βαβ
      • 超二级结构在多种蛋白质中作为三级结构的构件，是二级结构和三级结构之间的一个过度层次。
      • 模体（基元、基序）
        • 具有特殊功能的超二级结构
          • 一个模体总有其特异的氨基酸序列，发挥其特殊的功能。
        • 锌指结构
          • 是由一个α-螺旋和两个反向平行的β-折叠三个肽段组成。
          • 此模体的N-端有一对半胱氨酸残基，C-端有一对组氨酸残基，这四个残基在空间上相互接近，形成一个能容纳Zn离子的洞穴。
          • Zn离子具有稳定模体中α-螺旋的功能，能够使α-螺旋与DNA链稳定结合。
          • 锌指的这种结构有利于生物大分子之间的相互结合，常见于DNA结合蛋白质中。
            • 如：各种转录因子、类固醇类激素受体
        • 结构域
          • 一些分子量大的蛋白质的三级结构，常常由2个或多个球状或纤维状的区域组成，每个区域的结构和功能相对独立—结构域
          • 一般每个结构域约100—200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能，
          • 对于较大的球状蛋白质或亚基，其三级结构由两个或多个结构域组成，为多结构域
            • 免疫球蛋白
          • 对于较小的球状蛋白分子或亚基，结构域和三级结构是一个意思，即这些蛋白质或亚基是单结构域
            • 核糖核酸酶、肌红蛋白
    • 蛋白质的三级结构
      • 指多肽链上所有原子在三维空间的排布位置。
      • 在二级结构的基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质的三级结构。
      • 球状蛋白质的三级结构共同点
        • 具有多种二级结构元件，并具有明显的二级结构折叠层次。
        • 多肽链折叠成球状或椭球状。
        • 具有水溶性，亲水R基团位于蛋白质分子便面，形成亲水区；而疏水R基团位于分子内部，形成疏水区。
        • 疏水区常形成一些“洞穴”“裂沟”，是某些辅基结合并发挥生物学功能的部位。
      • 三级结构的稳定因素主要是次级键（非共价键）
        • 氢键
          • 形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子上，如>C=O······H-N<
        • 疏水键（疏水作用力）
          • 疏水键是最主要的稳定力量。
          • 非极性基团因避水相而聚集在一起的作用力。
          • 这种力导致蛋白质疏水氨基酸藏于分子内部。
        • 盐碱（离子键）
          • 由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。
          • 在近中性环境中，蛋白质中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电，而在碱性氨基酸残基侧链电离后带正电，二者之间可形成离子键。
        • 范德华力
          • 原子之间存在的相互作用力。
        • 由于次级键为非共价键，其作用力易受环境中PH、温度、离子强度等因素的影响而发生改变。
        • 补充
          • 配位键
            • 蛋白质与金属离子结合
          • 二硫键
            • 两分子Cys脱氢形成
              • 在某些蛋白质中二硫键在维系三级结构的稳定上也起着重要作用。
      • 肌红蛋白Mb
        • 具有典型三级结构的球状蛋白质。
        • 存在于人及哺乳动物的心肌、骨骼肌等组织
        • 主要功能：为肌肉组织摄取和储存氧气
        • 肌红蛋白具有亲水区和疏水区，疏水区形成“洞穴”是血红素的结合部位
        • 肌红蛋白富含α-螺旋，多肽链折叠形成8个螺旋区，两个螺旋区之间的拐角为非螺旋区（螺旋间区），由无规卷曲链接
    • 蛋白质的四级结构
      • 由两个或两个以上具有三级结构的多肽链通过非共价键按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。
      • 一种蛋白质中，亚基的种类可以相同可以不同。
      • 在四级结构的蛋白质中，缺少一个亚基或亚基单独存在都不具有活性。只有当亚基相互聚集成特定构象的多聚体时才具有生物学功能。
      • 维系蛋白质四级结构的非共价键：氢键、盐碱、疏水键、范德华力
      • 血红蛋白
        • 含有两种不同亚基的四聚体：两个α亚基+两个β亚基
        • 每个亚基都可结合一个血红素，具有结合和运输氧的功能
        • 当血红蛋白的亚基单独存在时就失去运输氧的功能，只有当它以四聚体的形式存在时，才能有效执行运氧功能。
  • 蛋白质结构与功能的关系
    • 蛋白质一级结构是空间结构的基础
      • 特定的空间构象主要由蛋白质分子中肽链和侧链R基团的形成的次级键来维持，在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成，即可根据一级结构的特点折叠和盘曲，形成一定的空间构象。
      • 牛胰岛素
        • 牛胰核糖核酸酶的空间结构被破坏，但只要一级结构不变，仍然能够恢复其原有的空间结构以及生物学功能。
          • 牛胰核糖核酸酶
        • 人工合成的牛胰岛素具有与天然胰岛素相同的氨基酸序列，所以能形成与天然胰岛素相同的空间构象，并具有生物学活性。
      • 分子伴侣
        • 为帮助新生多肽链折叠成天然空间构象的一类保守蛋白质，在原核生物及真核生物普遍存在。
        • 可识别肽链的非天然构象，促进各种功能域和整体蛋白质的正确折叠以及蛋白质的组装、转运及降解等过程起协助作用。
        • 能够识别易发生错误折叠的蛋白质，并帮助其恢复正确构象。
      • 一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。不同种属的生物体分离出来的统一功能的蛋白质，其一级结构只有极少差别，而且在系统上进化位置越近差异越小。
    • 蛋白质的空间结构决定其功能
      • 蛋白质的功能与一级结构有关，与空间构象有关。
      • 蛋白质的变构效应
        • 配体与蛋白质变构部位结合，引起蛋白质空间构象改变，从而导致功能改变的现象。
        • 肌红蛋白Mb与血红蛋白Hb：Hb与Mb都可氧可逆的结合。
          • 肌红蛋白Mb
            • 只有一条肽链，只含有一个血红素，是只有三级结构的单链蛋白质。
          • 血红蛋白Hb
            • 由四个亚基α2β2组成，每个亚基含有一个血红素，血红素能与氧可逆的结合，故Hb能与4个氧结合，是四级结构的球状蛋白质。
          • 氧解离曲线
            • Hb为S形曲线
              • Hb的第一个亚基与氧结合后，促进了Hb的第二、三、四亚基与氧结合——正协同效应
            • Mb为直角双曲线图
              • Mb易与氧结合，和氧亲和力大于Hb。
          • 协同效应
            • 一个亚基与配体结合后能影响该寡聚体中其他亚基与配体的结合能力。
              • 促进作用——正协同效应
              • 抑制作用——负协同效应
          • 血红蛋白
            • 紧张态T
              • 血红蛋白未与氧结合时，其亚基间结合紧密—T—与氧的亲和力小。
                • 在组织中，血红蛋白呈T态，使血红蛋白释放出氧共组织利用。
            • 松弛态R
              • 血红蛋白与氧结合时，其亚基间结合松弛—R—与氧的亲和力增大。
                • 当血红蛋白第一个亚基与氧结合后，可导致4个亚基间盐碱断裂，使亚基间的空间结构和四级构象发生改变，T变成R，与氧结合亲和力增大。
                • 第一个亚基与氧结合，Hb转为R，与氧结合亲和力增大，就会促进第二、三亚基与氧结合，前三个亚基与氧结合促进第四个亚基与氧结合，这样有利于血红蛋白在氧分压较高的肺中与氧快速充分结合。
                • 血红蛋白通过变构效应改变分子构象，呈现出与肌红蛋白不同的S形氧解离曲线。
• C. 蛋白质的理化性质
  • 两性解离及等电点
    • 两性解离
    • 等电点
      • 在某一PH溶液中，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，净电荷为零，成为兼性离子，该蛋白质在电场中即不向正极也不向负极移动，此时溶液的PH称为蛋白质的等电点PI
    • 生物体内大多数蛋白质的等电点在5-7左右，在人体体液PH7.4环境下，大多数蛋白质解离成负离子。
  • 蛋白质的胶体性质
    • 蛋白质的分子量大，介于一万到百万之间，分子大小已达到胶粒（1—100nm）范围之内。
    • 球状蛋白质的表面多亲水基团，具有强烈的吸引水分子作用，是蛋白质分子表面常为多层水分子包围，称为水化膜，从而阻止蛋白质颗粒的相互聚集。
    • 除水化膜外，蛋白质颗粒还带有相同的表面电荷，蛋白质颗粒之间相互排斥也是维持胶体稳定的因素。
    • 水化膜和表面电荷是维持蛋白质胶体稳定的两大因素。 若这两大因素破坏，蛋白质极易发生沉淀。 在蛋白质溶液中加入一定浓度的中性盐，能破坏这两大因素，能发生沉淀。
  • 蛋白质的变性
    • 在某些理化因素的作用下，维系蛋白质空间结构的次级键断裂，使其空间结构被破坏，从而导致理化性质的改变和生物活性的丧失—蛋白质变性
    • 变形蛋白质和天然蛋白质区别：溶解度降低最为明显，同时蛋白质的黏度增加、结晶性破坏、生物学活性丧失、易被蛋白酶分解
    • 导致的蛋白质理化因素
      • 物理因素：高温、紫外线、超声波、X射线
      • 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂
    • 应用
      • 医用消毒及灭菌：酒精、紫外线、加热、高压
      • 某些酶蛋白、疫苗低温保存
      • 热凝固止血
      • 体液检测，利用蛋白质变形原理除去血、尿中蛋白质
    • 复性：变形程度较轻时，去除变形因素，有的蛋白质仍能恢复或部分恢复其原有构象及功能，变形的可逆变化称为复性。 大多数蛋白质在变性后，其空间结构破坏严重，不能发生复性。
    • 凝固作用：蛋白质被强酸或强碱变形后，仍能溶于强酸或强碱溶液中。若将PH调至PI，则变形蛋白质可形成能溶于强酸或强碱中的絮状物。如在加热，絮状物进一步变为比较坚固的，不溶于强酸或强碱的凝块，这种现象称为蛋白质的凝固作用。
      • 鸡蛋煮熟后蛋清变为固体
      • 豆浆中加入少量氯化镁变为豆腐
  • 蛋白质的紫外线吸收与呈色反应
    • 紫外吸收
      • 蛋白质在280nm波长的紫外光下有最大吸收峰。因为大多数蛋白质中含有色氨酸和酪氨酸残基。（色氨酸和酪氨酸残基内的共轭双击键在280nm波长有特征性的吸收峰）——测定溶液中蛋白质含量
    • 呈色反应
      • 蛋白质中的许多侧链基团和肽键可与多种化学试剂发生呈色反应。（呈色反应可用于蛋白质定性定量分析。）
      • 双缩尿反应是蛋白质肽键所特有的反应。
        • 原理：在稀碱溶液中，蛋白质分子中肽键与CU2+可形成紫红色络合物。有两个以上肽键的蛋白质和多肽可发生这一反应，而氨基酸无此反应。
        • 呈色反应可用于检测蛋白质的水解程度：水解越完全，生成的氨基酸越多，则双缩尿呈色越浅。
• D. 蛋白质与疾病
  • 分子病
    • 由于基因突变引起蛋白质分子一级结构发生改变，从而导致蛋白质功能改变所引起的疾病。
      • 大多数由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。如：镰状细胞贫血、血友病、家族性高胆固醇血症
  • 构象病
    • 蛋白质的一级结构并没有改变，只是其空间结构发生改变，从而导致疾病的发生。
      • 疯牛病、牛脑海绵状病、人类变异性克雅病、库鲁病、格斯特曼综合征
  • 镰刀状红细胞贫血
    • 正常血红蛋白的β链上的第6位谷氨酸被缬氨酸代替，造成疏水氨基酸取代了酸性氨基酸
  • 疯牛病与人类变异性克雅病
    • 朊病毒引起疯牛病与人类变异性克雅病