蛋白质结构与功能

蛋白质结构与功能 生物化学与分子生物学，蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的一类含氮的生物大分子，是生命活动的主要承担者。

蛋白质结构 与功能

• 蛋白质的分子组成
  • 蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的一类含氮的生物大分子。 生命活动的主要承担者
  • 蛋白质的元素组成
    • 主要C、H、O、N、S
    • 特点：各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％
    • 公式：样品中蛋白质含量＝样品中氮含量×6.25
      • 除以16%
  • 蛋白质的基本结构单位——氨基酸
    • 成人体蛋白质的氨基酸主要有20种，且均属 L-α-氨基酸（甘氨酸除外）
    • 氨基酸的结构与分类
      • 据R基的解离程度
        • 非极性疏水性氨基酸
        • 极性中性氨基酸
        • 芳香族氨基酸
        • 酸性氨基酸
        • 碱性氨基酸
      • 按营养学上分类
        • 必需氨基酸
          • (假设来借一两本书): 人体有8种:甲硫/蛋（Met）、色（ Trp ）、赖（Lys）、缬（Val）、异亮（Ile）、亮（Leu）、苯丙（Phe）、苏（Thr）
        • 非必需氨基酸
    • 氨基酸的理化性质
      • 两性解离
        • 氨基酸是两性电解质，其解离方式及带电状态取决于其所处溶液的酸碱度。
      • 等电点
        • 当氨基酸解离成阳离子和阴离子的数量相等，分子呈电中性时溶液的pH
      • 芳香族氨基酸紫外吸收 ——测定蛋白溶液280nm光吸收值可快速简便分析蛋白含量
      • 茚三酮反应
        • 原理：氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处
        • 应用：此法可以对氨基酸进行定量分析（吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系）。
    • 氨基酸的连接方式——肽键
      • 肽键：一分子氨基酸的α-羧基与另一分子的α-氨基， 脱水缩合形成的酰胺键（-CO-NH-） 肽单元：此同一平面上的6个原子(Cα1、C、O、N、H、Cα2)构成了所谓的肽单元
      • 肽：两分子氨基酸缩合形成二肽 寡肽由十个以内氨基酸相连而成的肽 多肽由十个以上氨基酸相连形成的肽。
      • 多肽链的特点
        • N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端
        • 方向性：N末端→ C末端
    • 生物活性肽：由几个至几十个氨基酸残基组成
• 第二节 蛋白质的分子结构
  • 一级结构 (基本结构）
    • 定义：蛋白质分子中，从N-端到C-端的氨基酸排列顺序
      • 决定蛋白质空间构象的基础。蛋白质的空间构象则是实现其生物学功能的基础。
    • 主要化学键： 肽键，个别还有二硫键
  • 二级结构(高级结构或空间构象)
    • 定义：多肽主链原子局部空间结构
    • 形成基础：肽键平面又称肽单元
    • 蛋白质二级结构的主要形式：
      • α-螺旋
        • 螺旋以氢键保持稳固。 各氨基酸残基的R基团均伸向螺旋外侧。
      • β-折叠
        • 锯齿状，R基团位于锯齿状结构上下方； 肽链羰基上的O与亚氨基上的H形成氢键， 氢键的方向与长轴垂直； 稳定性：反平行＞顺平行
      • β-转角
        • 发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到第四个氨基酸的氨基氢上； β-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头
      • 无规卷曲：没有确定规律性的那部分肽链结构
    • 主要化学键：氢键
  • 三级结构(高级结构或空间构象)
    • 定义：所有原子在三维空间的排布
    • 主要的化学键：疏水键、离子键、氢键、范德华力、二硫键等
    • 结构域：形成三级结构时，肽链中某些局部的二级结构汇集在一起，形成能发挥生物学功能的特定区域
  • 四级结构 (高级结构或空间构象)
    • 定义：蛋白质分子中各亚基之间特定的三维空间排布 (单独亚基，多无生物学功能)
    • 主要的化学键：亚基之间的结合主要是氢键和离子键
• 第三节 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质一级结构与功能的关系
    • 一级结构是高级结构的基础，也是蛋白质行使功能的基础
    • 一级结构相似，功能也相似；一级结构不同，功能也不同
    • 一级结构关键氨基酸改变，功能或活性改变 镰刀型红细胞贫血
  • 蛋白质空间结构与功能的关系
    • 肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）的结构与功能的关系
      • 均为球状水溶性蛋白质
      • 血红蛋白的亚基与肌红蛋白结构相似
      • 肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基
        • 肌红蛋白
      • 均可结合氧
    • 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
      • Hb与O2的亲和能力较低 正协同效应-促进第四亚基与氧气结合
      • 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配体结合能力的现象（促进作用为正协同效应，抑制作用则为负协同效应）
      • 别构效应：寡聚蛋白与配基结合改变蛋白质的构象，导致蛋白质生物活性改变的现象 别构效应剂：小分子eg.O2 别构蛋白:eg.Hb
      • Hb与Mb
    • 蛋白质构象改变与疾病
      • 一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变
      • 蛋白质构象病的机制：蛋白质错误折叠后相互聚集→→→形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀→→→毒性，（表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变） →→→致病。eg.人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等
      • 疯牛病:
• 第四节 蛋白质的理化性质
  • 蛋白质的两性解离 （含有很多可进行酸碱解离的基团）
    • 蛋白质的等电点(pI) 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
    • 电泳：带电的颗粒在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳
  • 蛋白质的高分子性质
    • 蛋白质胶体的特性： 颗粒表面电荷，水化膜
    • 不能透过半透膜 应用：透析——利用半透膜把大分子蛋白质与小分子物质分离的方法
  • 蛋白质的变性、复性与凝固
    • 变性：在某些物理和化学因素作用下，蛋白质空间结构被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失
    • 复性：当蛋白质变性程度较轻，消除变性因素使蛋白质恢复或部分恢复其原有的 构象和功能
    • 蛋白质沉淀 在一定条件下，蛋白质疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出的现象。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。
    • 蛋白质的凝固作用 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。
  • 蛋白质的紫外吸收性质
    • 280nm
    • 色（Trp）>酪（Tyr）>苯丙（Phe）
  • 蛋白质的呈色反应
    • 酚试剂反应：碱性条件与酚试剂(磷钼酸，磷钨酸）生成蓝色化合物（钼蓝）
    • 茚三酮反应：pH5-10 α-氨基与茚三酮生成蓝紫色化合物
    • 双缩脲反应
• 第五节 蛋白质的分类
  • 1．根据蛋白质分子的组成特点 单纯蛋白质（只含氨基酸） 结合蛋白质= 蛋白质部分 + 非蛋白质部分
  • 2．根据分子形状的不同 球状蛋白和纤维状蛋白
  • 3．根据蛋白质的主要功能 功能活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、受体蛋白…...） 和结构蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）