一、蛋白质的结构与功能

下图为《生物化学与分子生物学》第一章：蛋白质的结构与功能思维导图笔记。 内容包括：蛋白质的分子组成、蛋白质的分子结构、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质的理化性质。可用作期末复习或考研复习笔记，希望能帮助到大家呀。

蛋白质的结构与功能

• 组成
  • 蛋白质定义：许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物
  • 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。因此推算出蛋白质大致含量：每克样品含氮克数×6.25×100＝100g样品中蛋白质含量（g%）
  • L-α-氨基酸是蛋白质的基本结构单位。 人体内蛋白质是以20种氨基酸为原料合成的多聚体，通常是L-α-氨基酸（甘氨酸除外）
  • 氨基酸可根据其侧链结构和理化性质进行分类
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • 其中脯氨酸是唯一的亚氨基酸，羟脯氨酸也是
    • 极性中性氨基酸
    • 芳香族氨基酸
      • 苯丙氨酸
      • 酪氨酸
      • 色氨酸
    • 酸性氨基酸
      • 天冬氨酸
      • 谷氨酸
    • 碱性氨基酸
      • 精氨酸
      • 赖氨酸
      • 组氨酸
  • 氨基酸性质
    • 两性解离
      • 氨基酸是一种两性电解质，氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度。在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势相等，成为兼性解离子，呈中性，此时溶液的pH成为该氨基酸的等电点pI pI＝（pK1＋pK2）÷2
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质，在280nm处 酪氨酸和色氨酸残基
    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 此化合物最大吸收峰在570nm处，由于此吸收峰的大小与氨基酸释放处的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法
  • 肽键特点
    • 半双键
    • 不能自由旋转
    • α—C原子可以折叠，从而使多肽可以折叠
  • 生物活性肽
    • 谷胱甘肽
      • 谷氨酸的γ—羧基与半胱氨酸的氨基组成，有巯基，巯基具有还原性
• 结构
  • 氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构
    • 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，蛋白质的一级结构并不是决定蛋白质空间构想的唯一因素
    • 二硫键属于一级结构的范畴
  • 蛋白质二级结构
    • 定义：蛋白质分子中某一肽链的局部空间结构，也就是该肽链主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
    • 主要化学键：氢键
    • 参与肽键形成的6个原子在同一平面上，称为肽单元
    • 常见的二级结构
      • α—螺旋
        • 特点：1.右手螺旋（顺时针） 2.侧链在外侧 3.每3.6个Aa残基螺旋上升一周，螺距为0.54nm 4.每个氨基氢和第四个羰基氧形成氢键 5.肽链中全部肽键均可形成氢键
      • β—折叠
        • 特点：1.锯齿状，氨基酸交替位于锯齿结构的上下方 2.亚氨基氢与羰基氧形成氢键 3.两个反向平行的肽段间距为0.7nm
      • β—转角
        • 有脯氨酸的地方往往存在β—转角
      • Ω—环
        • 存在于球状蛋白中的一种二级结构，总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，在分子识别中可能起重要作用
    • 结构模体
      • 由2个或2个以上二级结构肽段组成，是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
  • 蛋白质三级结构
    • 整条肽链的全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
    • 化学键：疏水键、离子键、氢键、范德华力
    • 结构域
      • 三级结构层次上具有独立结构与功能的区域 分子量较大的蛋白质常可以折叠成多个结构比较紧密且稳定的区域，并各行使其功能，成为结构域
    • 蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象
      • 分子伴侣
        • 本质：蛋白质
        • 定义：通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构
  • 蛋白质四级结构
    • 含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
    • 每一条肽链都具有其完整的三级结构，称为亚基。 蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触的部位和相互作用，成为蛋白质四级结构
    • 化学键：氢键和离子键
    • 同二聚体：在2个亚基组成的四级结构蛋白质中，若亚基结构相同，则称为同二聚体 若亚基分子不同，则称之为异二聚体
  • 蛋白质家族
    • 随着蛋白质结构与功能的不断深入，发现体内氨基酸序列相似而且空间结构与功能也十分相似的蛋白质若干，即产生了蛋白质家族这一概念
  • 蛋白质一级结构与功能
    • 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
      • 然而，有些蛋白质的氨基酸序列与不是决对固定不变的，而是有一定的可塑性。 据估算，人类有20%~30%的蛋白质具有多态性，即在人类群体中的不同个体之间，这些蛋白质存在着氨基酸序列的多样性，但几乎不影响蛋白质的功能
    • 氨基酸序列提供生物进化信息
    • 重要的蛋白质氨基酸序列改变可引起疾病
      • 蛋白质分子发生变异所导致的疾病，被称为“分子病”，其病因为基因突变所致
  • 蛋白质功能依赖特定空间结构
    • 血红蛋白亚基与肌红蛋白亚基结构相似
    • 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
      • 协同效应
        • 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与其配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应；如果是抑制作用则成为负协同效应。
      • 别构效应
        • 蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应。e.g.血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动
    • 蛋白质构象改变可引起疾病
      • 蛋白质折叠错误，仍可引起疾病
• 理化性质
  • 蛋白质的等电点
    • 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点
  • 胶体性质
    • 蛋白质胶体稳定因素：1.颗粒表面电荷 2.水化膜
  • 蛋白质变性
    • 空间构想被改变，导致其理化性质改变和生物活性的丧失
    • 本质：破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构
    • 造成变性的因素：加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子、生物碱试剂
    • 若蛋白质变性程度较轻，去除变形因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性
    • 蛋白质沉淀
      • 变形的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性
    • 蛋白质凝固
      • 蛋白质变形后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易溶于强酸和强碱中
  • 蛋白质在紫外光谱区有特殊吸收峰，在280nm处
    • 可用于蛋白质定量分析
  • 显色反应
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应
      • 检验肽键
    • 可用于蛋白质的定量分析
• 蛋白质变性、蛋白质沉淀、蛋白质凝固作用的区别
  • 蛋白质变性：在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构想被破坏，即有序的空间构想变成无序的空间构想，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，称为蛋白质变性 蛋白质变性后，疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕而聚集，因而从溶液中析出，这一现象被称为蛋白质沉淀。 蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍能溶解于强酸或强碱溶液中，若将PH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶物，此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。如再加热絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不再易溶于强酸、强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用。实际上凝固是蛋白质变形后进一步发展的不可逆结果 凝固→一定变性，变性不一定凝固，沉淀不一定变性，变性也不一定沉淀
• 结构模体、超二级结构、结构域的区别
  • 结构模体：是蛋白质分子中具有特定空间构想和特定功能的结构成分。结构模体可由2个或2个以上二级结构肽段组成。 超二级结构：在许多蛋白质分子中，可由2个或2个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构。e.g. αα、ββ、βαβ等 结构域：分子量较大的蛋白质通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，称为结构域