考研医学—蛋白质的结构和功能

这是一篇关于考研思维导图——蛋白质的结构和功能的思维导图，包含蛋白质的分子结构、蛋白质结构和功能的关系、蛋白质的理化性质V.S氨基酸理化性质等。

蛋白质的结构和功能 医学考研公众号 蛇杖守望者

• 元素组成
  • C、H、O、N（16%）、S...
  • 100g样品中pr含量（g%）=每克样品含N克数/16%x6.25x100
• 蛋白质的基本组成结构：氨基酸（AA）
  • -NH2氨基，-COOH羧基（酸），-R侧链
  • 人体内蛋白质由20种AA组成→第21种AA：硒代半胱AA（天然AA）→是在Pr合成时直接加入而不是合成后再修饰的
    • V.S.羟脯/赖AA（Pr生物合成后修饰形成）：脯氨酸—羟化酶+VitC→羟脯AA→胶质蛋白
  • 20种AA
    • 通常是L-α-AA（但Gly除外：Lx、Rx）
    • 不对称C原子（但Gly除外：对称）
  • 不存在于人体Pr（不参与Pr合成）的AA
    • 鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸代琥珀酸等
    • 同型半胱氨酸（参与甲硫氨酸循环）
  • 氨基酸的分类（20种AA）——按侧链R
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • “携一两副蛋饼干”
      • R基富含C、H（烃基）
      • 缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸——肝性脑病（支链AA）
      • 脯氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、丙氨酸、甘氨酸
    • 极性中性氨基酸
      • R基有极性但不带电荷
      • 谷氨酰胺（谷氨酸X）、苏氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺（天冬氨酸X）
    • 芳香族氨基酸
      • “本色老乡”
      • R基中有苯环
      • 苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸
    • 酸性氨基酸
      • “酸谷天”
      • R基中有-COOH（含两个羧基）
      • 谷氨酸、天冬氨酸
    • 碱性氨基酸
      • “捡来精组”
      • R基中有碱性基团
      • 赖氨酸——含两个氨基
      • 精氨酸——胍基
      • 组氨酸——咪唑基
  • 总结
    • 最简单的氨基酸：Gly（R基是H）
    • 含2个-COOH的氨基酸：谷氨酸、天冬氨酸
    • 脯氨酸：亚氨基酸（多位于Pr空间结构的转角处）
    • 半胱氨酸
      • 官能团——巯基（-SH）
      • -SH+-SH=-S-S-（二硫键）
  • 氨基酸的三字符
    • 甘氨酸Gly：干（甘）“管理员”工作
    • 酪氨酸Tyr：“讨厌人”
      • （TKI）酪氨酸激酶抑制剂：伊马替尼等
    • 丙氨酸Ala：阿拉伯
    • 蛋氨酸Met：meet碰，鸡蛋碰石头
    • 亮氨酸Leu：英文发音
    • 异亮氨酸Ile：英文发音
    • 精氨酸Arg：argue才能出精品
    • 脯氨酸Pro：辅导老师教授professor
    • 赖氨酸Lys：耍赖“留一手”
    • 谷氨酸Glu、谷氨酰胺Gln
    • 缬氨酸Val：V本身是“斜坡”
    • 组氨酸His：histology组织学
    • 色氨酸Trp：“他人品”很色
    • 丝氨酸Ser：丝儿
    • 苯丙氨酸Pheny：英文发音
    • 苏氨酸Thr：through英文发音
    • 半胱氨酸Cys：“超音速”
    • 天冬氨酸Asp、天冬酰胺Asn：天安门n
  • 氨基酸的理化性质
    • 两性解离
      • 定义
        • -NH2：α氨基（碱）+H+→-NH3+（阳离子）
        • -COOH：α羧基（酸）+OH-→-COO-（阴离子）
        • 某一pH值（等电点pI）时，阳离子=阴离子→兼性离子/呈电中性
      • pH=pI→兼性离子/电中性
        • pH＞pI→带负电荷（≈在溶液中加OH-）
        • pH＜pI→带正电荷（≈在溶液中加H+）
      • pH与pI差距
        • pH离pI越远，所带电荷越多
        • pH离pI越近，所带电荷越少
    • 含有共轭双键的氨基酸的紫外线吸收性质
      • 共轭双键：-C=C-C=C-
      • 芳香族氨基酸：色氨酸（最强）、酪氨酸、苯丙氨酸（最弱）
      • 最大吸收峰在280nm波长附近——分析溶液中Pr含量
        • V.S.核酸：260nm
    • 茚三酮反应
      • 检测氨基-NH2
      • 茚三酮（氧化型）+氨基酸—加热→茚三酮（还原型）+RCHO+NH3+CO2
      • 2茚三酮（还原型）+NH3→蓝紫色化合物（最大吸收峰在570nm处——定量分析氨基酸）
• 氨基酸、肽、蛋白质的形成
  • 肽键
    • 形成：AA1+AA2—脱水→AA1-CO-NH-AA2
      • 酸→酰
    • 本质：酰胺键
  • N端（氨基末端）→氨基酸残基→C端（羧基末端）
  • 寡肽：2~20个AA相连而形成
  • 多肽：（＞20）20~50个AA相连而形成
  • 蛋白质：＞50个AA相连而形成
• 生物活性肽——谷胱甘肽（GSH）
  • 三肽：谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸
  • 1st肽键：γ肽键
  • 主要的功能基团：-SH（巯基）（Cys-SH）
  • GSH（还原性）+H2O2（氧化剂）→GSSG（氧化型谷胱甘肽）+H2
    • GSSG—NADPH→2GSH
    • 磷酸戊糖旁路（主要）—G6PD→NADPH
    • 蚕豆病→G6PD↓，导致NADPH↓
  • 功能：避免体内含有-SH的蛋白质/酶遭氧化破坏
• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构（平面结构）
    • “一条线”
    • =从N端到C端的氨基酸排列顺序
      • -AA1-AA2-AA3...AAn-
      • -AAa-AAb-AAc...AAn-
    • 主要维持键：肽键（主要）、二硫键
    • 一级结构是空间构象（二三四级结构）和特异生物学功能的基础
    • 但并非唯一决定因素，决定空间构象的其他因素：分子伴侣（eg.伴侣蛋白、热休克蛋白）
  • 高级结构（空间构象）
    • 决定因素
      • 一级结构（主要、基础）
      • 分子伴侣（次要）：帮助Pr折叠成正确的空间构象
    • 原子在空间的位置
      • 二级结构
        • “局部链”
        • 某段肽链的局部主链骨架原子的空间位置
        • ...-N（氨基氮）-Cα-C（羰基碳）-...
        • 表现形式
          • α螺旋（最常见）
            • 顺时针方向，右手螺旋
            • 每3.6个氨基酸残疾上升一圈（360°），螺距0.54nm
            • 维持键：氢键（其方向与螺旋长轴方向平行）
              • V.S. DNA双螺旋
            • R基/侧链（疏水）在外侧，主链在内侧
          • β折叠
          • β转角
          • 无规卷曲/Ω环
      • 超二级结构
        • “混搭”
        • 介于二、三级之间的结构
        • =模体（序）=≥2个二级结构的组合形式
        • 举例：α螺旋-β转角-α螺旋...
        • 常考形式
          • 结构模体
            • =存在于DNA结合蛋白（转录因子）中
              • 转录因子
                • DNA→RNA
                • 结构域（三级结构）
                  • DNA结合结构域
                  • 转录激活结构域
            • 亮氨酸拉链
            • 锌指结构
            • α螺旋-环（结合Ca2+）-α螺旋
            • 相加=DNA结合结构域
      • 三级结构
        • “整条链”
        • =整条链所有原子的空间排布位置
        • 单肽链蛋白质（如肌丝蛋白）的最高级结构
        • 表现形式：结构域
          • -AA1-AA2-AA3-（结构域1）......-AAa-AAb-AAc-（结构域2）→具有特定功能
        • 维持键：次级键
          • 疏水键
          • 盐键/离子键
          • 氢键
          • 范德华力
      • 四级结构
        • =多条链（≥2条链）可具有四级结构，并非一定有
        • A链-非共价键-B链
          • V.S. A链-共价键-B链（eg.牛胰岛素-二硫键）无四级结构，最高只有三级
          • Hb可形成四级结构
    • 维持键均有氢键！
• 蛋白质结构和功能的关系
  • 一级结构
    • 是高级结构的基础，决定空间构象，但不是唯一因素
    • 相似/不同（一级结构）的蛋白质有着相似/不同的高级结构
    • 举例：尿素/β-巯基乙醇对核糖核酸酶A结构的影响
    • 疾病：分子病
      • 一级结构改变影响蛋白质功能导致的疾病
      • 举例：镰状细胞贫血
        • Hb
          • 2α
          • 2β：正常6thAA：glu→val 即酸性、水溶性Hb、双凹圆盘状RBC→聚集性Hb、镰刀形RBC
            • 密码子1—点突变（碱基错配）→密码子2
  • 高级结构
    • 血红蛋白与氧结合的正协同效应
      • 解释了氧解离曲线为何是S形
      • Hb（4个亚基）
        • α+血红素（辅基）Fe2+O2
          • V.S. 辅基是血红素的物质：“两红两过一色素” ——血红Pr、肌红Pr、过氧化物酶、过氧化氢酶、细胞色素
        • α+血红素
        • β+血红素
        • β+血红素
    • 肌红蛋白与血红素的结合
    • 蛋白质构象改变可引起疾病（蛋白质构象疾病）
      • 人纹状体脊髓变性病
      • 阿尔茨海默病
      • 亨廷顿病
      • 疯牛病
        • PrPc（多个α螺旋，水溶性强，对Pr酶敏感）—转变为→PrPsc（多个β折叠，水溶性差，对蛋白酶不敏感）相互聚集→淀粉样沉淀（变性）致病
      • α螺旋→β折叠（一级结构未变）人体内缺少针对β折叠的酶）
• 蛋白质的理化性质V.S.氨基酸理化性质
  • 共同特性=与大分子无关
    • 两性解离（等电点）
    • 紫外吸收性质
    • 茚三酮反应
  • 蛋白质特有的理化性质=与大分子有关
    • 胶体性质：维持胶粒稳定的两大因素
      • 水化膜
      • 表面电荷
    • 肽键：双缩脲反应
      • -CO-NH-+Cu(OH)2→紫红色化合物
      • 检测Pr的水解程度
    • 变性与复性
      • 变性
        • 本质：Pr特定空间构象（二、三、四级结构）的破坏导致理化性质改变和生物学活性的丧失
        • 破坏的键：非共价键和二硫键（一级结构变化）
        • 没有破坏的键：肽键（一级结构中AA序列不变）
          • 蛋白质变性只留下肽键未被破坏
          • V.S. DNA破坏
        • 性质改变
          • “水煮蛋”
          • 溶解度↓
          • 黏度（分子间的摩擦力）↑
          • 结晶能力消失（空间结构不一致）
          • 生物学活性丧失
          • 易被蛋白酶水解
          • 280nm波长处吸光度↑（共轭双键暴露在外）
      • 复性
        • 天然蛋白质→变性蛋白质
          • 变性因素：加热、乙醇（消毒）、强酸碱、重金属离子、生物碱等
          • 若轻度变性，则去掉变性因素可复性重新变为天然蛋白质
          • 举例：核糖核酸酶A—尿素/β-巯基乙醇→变性，去掉变性因素后可复性
          • 变性蛋白质
            • 易从溶液中析出发生沉淀，但沉淀不一定发生变性（eg盐析）
            • 加热→凝固蛋白质（不可逆的变性）
              • V.S.不可逆损伤（坏死）：凝固性坏死
    • 蛋白质的分离、纯化
      • 蛋白质沉淀
        • 破坏空间结构（变性）x
        • 从蛋白质溶液中析出→原理：破坏水化膜和表面电荷
        • 方法
          • 有机溶剂：丙酮、乙醇
          • 盐析：硫酸铵、硫酸钠、氯化钠
          • 免疫沉淀：抗原（Pr）+抗体→复合物
      • 透析和超滤法
        • 透析
          • 大小分子蛋白质分开
          • 透析袋
        • 超滤
          • 浓缩蛋白质溶液
          • 超滤膜：加正压/离心力
      • 电泳
        • 电泳槽通电，带电多少以及分子小大使Pr分开
        • ①十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）
          • SDS带（-）→消除Pr表面电荷差异
          • Pr分子大小决定Pr在电场中的泳动速率（分子筛效应）
        • ②等电聚焦电泳
          • 电泳槽：聚丙烯酰胺凝胶→线性pH梯度
          • 蛋白质泳动至与其自身pI值相等的pH区域
        • 双向凝胶电泳=①+②
      • 层析
        • 固态物质（固定相）+Pr溶液（流动相）
          • ≈灌流
        • 离子交换层析
          • 原理：Pr颗粒带电荷多少
          • eg.阴离子交换层析
            • 首先Pr+掉落
            • 后洗脱Pr-
              • 电荷（负）少的首先被洗脱下来
              • 电荷（负）多的后被洗脱下来
        • 凝胶过滤（分子筛层析）
          • 原理：Pr颗粒大小
          • 大分子Pr首先被洗脱下来（不能进入孔内）
          • 小分子Pr后被洗脱下来
        • 亲和层析：亲和力大小
      • 超速离心法
        • 原理：分子量大小——沉降系数（S）不同