蛋白质的结构与功能

生化第一章：蛋白质的结构与功能知识总结。内容包括：组成蛋白质的基本单位、蛋白质的分子结构、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质理化性质。

蛋白质

• 分子组成
  • L-α氨基酸是蛋白质的基本结构单位
  • 氨基酸的分类(根据侧链结构和理化性质)
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • 甘氨酸Gly
      • 丙氨酸Ala
      • 缬氨酸Val
      • 亮氨酸Leu
      • 异亮氨酸lle
      • 脯氨酸Pro
      • 甲硫氨酸Met
    • 极性中性氨基酸
      • 丝氨酸SeR
      • 半胱氨酸Cys
      • 天冬酰胺Asn
      • 谷氨酰胺Gln
      • 苏氨酸Tnr
    • 芳香族氨基酸
      • 苯丙氨酸Phe
      • 酪氨酸Tyr
      • 色氨酸Trp
    • 酸性氨基酸
      • 天冬氨酸Asp
      • 谷氨酸Glu
    • 碱性氨基酸
      • 精氨酸Arg
      • 赖氨酸Lys
      • 组氨酸His
  • 氨基酸具有共同或特异的理化性质
    • 氨基酸具有两性解离的性质
      • 等电点：在某一pH溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，此时的pH值为等电点
      • 氨基酸的pI是由α-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK①和pK②决定的。pI=½(pK①＋pK②)
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收的性质
      • 色氨酸和酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近
    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 氨基酸与茚三酮水合物在弱酸性溶液中共热
  • 氨基酸通过肽键连接形成蛋白质或肽
    • 由2~20个氨基酸相连而成的肽称为寡肽
    • 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基因不全，被称为氨基酸残基
    • 蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍称为多肽
  • 生物活性肽具有生理活性及多样性
    • 谷胱甘肽：是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
    • 多肽类激素及神经肽体
• 理化性质
  • 两性电离
    • 大多数蛋白质接近pH5.0，人体pH7.4，所以体内解离成阴离子
    • 等电点偏于碱性，称为碱性蛋白质，如鱼精蛋白，组蛋白 等电点偏于酸性，被称为酸性蛋白质，如胃蛋白酶和丝蛋白
  • 胶体性质
    • 蛋白质颗粒表面形成一层水化膜，表面可带有电荷维持蛋白质稳定
  • 蛋白质的变形和复性
    • 有序的空间结构变成无序的空间结构，导致理化性质的改变和生物活性的丧失，称为蛋白质变性
    • 主要发生在二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变
    • 蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复原有的构象和功能称为复性
    • 加热蛋白质变成不溶于强酸强碱的凝块称为凝固作用，不可逆
  • 蛋白质在紫外光谱区有特征性光吸收
    • 蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，在280nm波长处有特征性吸收峰
  • 应用蛋白质呈色反应可测定溶液中蛋白质含量
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应：蛋白质和多肽分子中的肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色
• 分子结构
  • 氨基酸的排例顺序决定蛋白质的一级结构
    • 主要化学键包括肽键和二硫键
  • 多肽链的局部有规则重复的主链构象为二级结构
    • 肽单元：参与肽键形成的6个原子在同一平面上
    • α-螺旋是常见的蛋白质二级结构，多肽链的主链围绕中心轴做有规律的螺旋式上升，走向为顺时针方向，即右手螺旋
    • β-折叠使多肽链形成片层结构，呈折纸状。
    • β-转角和Ω-环存在于球状蛋白中
    • 氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
  • 多肽链进一步折叠成蛋白质的三级结构
    • 三级结构是整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
      • 行成和稳定主要靠次级键疏水键，盐键，氢键和范德华力
    • 结构模体可由2个或2个以上二级结构肽段形成
      • 结构模体：蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
      • 常见形式：α-螺旋-β-转角-α-螺旋模体，链-β-转角-链，链-β-转角-α-螺旋-β-转角链模体
    • 结构域(分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能)是三级结构层次上具有独立结构和功能的区域
    • 蛋白质的多肽链需折叠成正确的空间构象
  • 含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
    • 每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基，亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质四级结构
    • 各亚基间的结合力主要是氢键和离子键
    • 2个亚基组成的四级结构蛋白质中，若亚基结构相同，称为同二聚体，若亚基分子不同，则称为异二聚体
  • 蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
    • 根据蛋白质组成成分：单纯蛋白质和结合蛋白质
    • 根据形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质
• 结构与功能的关系
  • 蛋白质的主要功能
    • 构成细胞和生物体结构
    • 物质运输
    • 催化功能
    • 信息交流
    • 免疫功能
    • 氧化供能
    • 维持机体的酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
  • 蛋白质执行功能的主要方式
    • 蛋白质和小分子的相互作用(如酶的催化作用，物质转运，信息传递)
    • 蛋白质与核酸的相互作用
    • 蛋白质相互作用是蛋白质执行功能的主要方式
      • 主要组织相容性复合物参与的分子识别
      • 抗原与抗体的特异性结合
  • 蛋白质的一级结构是高级结构与功能的基础
    • 一级结构是空间构象的基础
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
    • 氨基酸序列与生物进化信息
    • 重要的蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
      • 血红蛋白是由四个亚基组成的四级结构蛋白质，亚基结构中有一个疏水局部，结合1个血红素，并携带1分子氧，一分子Hb共结合4分子氧，Hb亚基之间通过8对盐键
    • 血红蛋白亚基构想变化可影响亚基与氧结合
      • 协同效应(指一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中一亚基与配体的结合能力，促进即正协同效应，反之负协同效应)
      • 一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化，称为别构效应
    • 蛋白质构象变化可引起疾病
      • (如人纹状体脊髓变性病，阿尔茨海默病，亨廷顿病，疯牛病等)