《生化》第9版：1、蛋白质

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蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • 氨基酸
    • 氨基酸是组成蛋白质的基本单位
    • 参与人体蛋白质合成的20种氨基酸
      • 甘氨酸
      • 除甘氨酸外，参与人体蛋白质合成的20种氨基酸均属于L-α-氨基酸，即连接羧基的α-碳原子上有一个氨基
    • 硒代半胱氨酸
      • 近年发现其也可用于蛋白质的合成（密码子UGA，原属终止密码子）
  • 氨基酸分类
    • • 蛋氨酸：甲硫氨酸
      • 非极性脂肪族氨基酸就是疏水氨基酸
      • 极性中性氨基酸：谷雨丝半天先苏
        • 谷：为谷氨酰胺
      • 芳香族氨基酸：芳香落尽本色残
    • 酸碱性
      • 在相对酸/碱环境中，氨基酸带正/负电荷
      • 酸性氨基酸中不含必需氨基酸
  • 常见氨基酸特性归纳
    • • 色氨酸、酪氨酸在280nm处有吸收峰；苯丙氨酸在260nm处有低吸收峰
      • • 含有双氨基、双羧基的氨基酸
      • 蛋白质中不含的氨基酸
        • 同型半胱氨酸（含硫）：是半胱氨酸的异构体，天然蛋白质中不存在（人工蛋白中可存在）
        • 鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸代琥珀酸不参与蛋白质合成（参与鸟苷酸循环）
      • 含硫氨基酸
        • 胱氨酸
          • 含有二硫键
      • 亚氨基酸
        • • 口诀:缴(焦)枪(羟)不(脯)杀，很惊讶(亚)
        • 结构形似杂环族，环结构里只有1个亚氨基（-NH），不含氨基（-NHH）
        • 脯氨酸参与形成β-转角
    • 修饰氨基酸
      • 胱氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸都没有遗传密码子。都是经过修饰的氨基酸。（光抢来福）
      • 硒代半胱氨酸是修饰形成的P229
    • • 9种必需氨基酸：亮异亮、苏缬赖、甲硫苯丙，色氨组
  • 合成
    • 促甲状腺释放激素：是由Nc端焦谷氨酸、C-端脯氨酰胺、组氨酸组成的三肽
    • 去甲肾上腺素合成原料：酪氨酸和苯丙氨酸
    • 谷胱甘肽（GSH）
      • 是由谷氨酸，半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
      • 分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团，具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活化状态
  • 氨基酸英文缩写
  • 氨基酸理化特性
    • 1、两性解离性
      • 氨基酸的α-氨基和α-羧基可在溶液中解离
      • 等电点
        • 氨基酸解离成阳离子和阴离子趋势相等，此时pH为pI
      • 解离
        • 若溶液pH<pI，解离成阳离子
        • 若溶液pH>pI，解离成阴离子
        • 若pH=pI，成为兼性离子，电中性
    • 2、紫外线吸收
      • 含共轭双键的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近
        • 拓展
        • 色氨酸、酪氨酸均为含苯环的芳香族氨基酸
      • 意义
        • 大多数蛋白质都含有色氨酸、酪氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值A280，即可分析蛋白质含量
    • 3、茚三酮反应
      • 茚三酮为强氧化剂，茚三酮水合物与a-氨基酸共加热，最终形成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm波长处
      • 吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，可用此原理行氨基酸定量分析
  • 肽键和肽
    • 肽链
      • 肽或蛋白质多肽链中连接两个氨基酸的酰胺键
      • 氨基酸通过肽键相连成肽
    • 分类
      • 寡肽
        • 由2~20个氨基酸相连而成的肽
          • 9肽激素：ADH
      • 多肽
        • 由20以上、50个以下氨基酸相连而成的肽
          • 促肾上腺皮质激素（39）为多肽
      • 蛋白质
        • 是指含有50个以上氨基酸残基的组成的多肽
          • 胰岛素（51）为蛋白质
• 蛋白质的分子结构
  • 结构分层
    • 一级
      • N-端到C-端的氨基酸排列顺序
    • 二级
    • 三级
    • 四级
    • 高级结构/空间构象
  • 蛋白质分子结构比较
  • 一级
    • 氨基N-端到羧基C-端的氨基酸排列顺序
    • 维系键
      • 肽链（主要）
      • 二硫键（次要）
        • 牛胰岛素链间二硫键
    • 意义
      • 一级结构是蛋白质空间构象、特异生物学功能的基础
        • 但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素
  • 二级（氢键）
    • 二级结构
      • 某段肽链的局部空间结构（主链骨架原子C、N的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链构象）
      • 包括
        • α螺旋、β-折叠、β转角（前三者维系键为氢键）、Ω环等
      • 意义
        • 空间上相邻的两个以上的二级结构可协同完成特定功能
    • 肽单元
      • 参与肽键组成的6个原子(Cα1、C、O、N、H、Cα2)位于同一平面，构成肽单元
      • 肽键
        • 键长为0.132nm，介于单键和双键之间，有一定程度双键性能，不能自由旋转
      • 特点
        • Cα1和Cα2在平面上所处的位置为反式构型（肽链有双键性，两碳原子居对角位）
        • 肽单元交界处的Cα原子与N（氨基氮）、C（羧基碳）相连的键均为单键，可以自由旋转， 决定两个相邻肽单元平面的相对空间位置
    • 1、α-螺旋
      • 主链围绕中心轴有规律地螺旋式上升，螺旋走向为顺时针方向，即右手螺旋
      • 特点
        • 氨基酸侧链位于螺旋外侧，肽键位于内侧
        • 蛋白质表面存在的α-螺旋常具有两亲特点：亲/疏氨基酸残基分别排列在对称轴两侧
        • 每3.6个AA残基螺旋上升1圈，螺距0.54nm。
        • a-螺旋中肽键N-H和第4个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴平行
        • 所有氨基酸均可参与组成a-螺旋，以Ala、Glu、Leu、Met常见
          • 丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸
      • 常见举例
        • 毛发的角蛋白、肌球蛋白、纤维蛋白均卷曲形成a-螺旋。
    • 2、β-折叠
      • β-折叠呈折纸状。在β-折叠结构中，多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构
      • 特点
        • ①氨基酸侧链交替位于锯齿状结构的上下方，锯齿状结构一般较短，只含5~8个氨基酸残基
        • ②一条肽链内的锯齿状结构可平行排列：同分子内相距较远的两个肽段 可通过折叠走向相同；也可通过回折而走向相反
      • 维系
        • 靠肽链间的肽键羰基氧和亚氨基形成的氢键
          • 蚕丝蛋白几乎均为β折叠
    • 3、β-转角
      • β转角常发生于肽链进行180°回折时的转角上
      • 结构
        • B转角通常由+个氨基酸残基组成，第2个残基常为脯氨酸（亚氨基酸）
        • 其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、色氨酸
      • 维持
        • 第一个氨基酸残基的胶基氧（O）与第四个残基的氨基氢（H）可形成氢键
    • 4、Ω环
      • Ω环是指肽段形状像希腊字母Ω
      • 特点
        • 常存在于球状蛋白质中，总是出现在蛋白质分子的表面，且以亲水残基为主
      • 意义
        • 在分子识别中可能起重要作用
    • 二级结构以一级结构为基础
      • 氨基酸侧链影响二级结构形成
  • 三级
    • 三级结构
      • 是指整条肽链中全部氨基酸残基（即肽链所有原子）的相对空间位置
      • 举例：肌红蛋白
        • Mb是由153个氨基酸残基构成的单一肽链，含1个血红素辅基。
        • Mb分子中α-螺旋占75%，构成8个螺旋区。两螺旋区之间有一段蛋白柔性连接肽，脯氨酸位于转角处。
        • 球状分子表面为亲水侧链，疏水侧链位于分子内部，形成一个疏水的口袋。血红素位于其中
      • 维系键
        • 主要依靠次级键：氢键、盐键、疏水键、范德华力
      • 表现形式
        • 结构域
    • 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，称为结构域
      • 结构
        • 大多数结构域含有序列上连续的100~200个氨基酸残基
        • 用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域，其构象可基本不改变，并保持其功能
          • 超二级结构不具备该特点
      • 可看作是球形蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构
    • 分子伴侣
      • 是帮助蛋白质折叠的辅助蛋白质
      • 意义
        • 蛋白质只有折叠成正确的空间结构的才有生理学功能
      • 分类
        • 热休克蛋白70（Hsp70）、伴侣蛋白、核质蛋白
    • 超二级结构（属三级结构）
      • 在许多蛋白质分子中，可见2个或2个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成有规则的二级结构组合
      • 二级结构的组合形式
        • αα、βαβ、ββ等
      • 维系
        • a-螺旋之间、β-折叠之间、a-螺旋与β-折叠之间的相互作用，主要是由非极性氨基酸残基参与的
    • 结构模体（超二级结构）
      • 是蛋白质分子中具有特定空间构象、特定功能的结构成分，特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能
        • 结构模体由2个或2个以上二级结构肽段组成
        • 模体是具有特殊功能的超二级结构
      • 常见的结构模体
        • 感觉转角有问题？？？？
      • 1、亮氨酸拉链
        • 是出现在DNA结合蛋白和其他蛋白质中的一种结构模体
        • 形式
          • 当来自同一个或不同多肽链的两个两用性的α-螺旋疏水面(常含有亮氨酸残基)相互作用，形成一个圈对圈的二聚体结构，亮氨酸有规律地每隔6个氨基酸就出现一次
        • 作用
          • 常出现在真核DNA结合蛋白的C-端，与癌基因表达调控有关
      • 2、钙离子结合蛋白模体（少考）
        • 在许多钙离子结合蛋白分子中，含有一个结合钙离子的模体
        • 结构
          • 由螺旋-环-螺旋三个肽段组成，在环中，有几个恒定的亲水侧 链，侧链末端的氧原子通过氢键而结合钙离子
      • 3、锌指结构
        • 结构
          • 由1个a-螺旋、2个反平行的β-折叠3个肽段组成，形似手指，具有结合Zn2+功能。
          • 该模体的N-端有1对半胱氨酸残基，C-端有1对组氨酸残基
          • 4个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个Zn2+
        • 意义
          • 由于Zn2+可稳固模体中的α-螺旋结构，使此α-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中， 故含锌指结构的蛋白质能与DNA或RNA结合
            • 结构模体的特征空间构象是特殊功能的基础
  • 四级
    • 蛋白质分子中各个亚基的空间排布，称为蛋白质的四级结构（含有2条或2条以上的多肽链存在）
    • 亚基
      • 每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基
      • 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接
        • 氢键属于分子间作用力，不属于共价键
    • 维系键
      • 各亚基间的结合力主要是氢键、离子键
    • 含2个以上亚基构成的蛋白质，单一亚基一般没有生物学功能，完整的四级结构是其发挥生物学功能的保证
    • 举例
      • 血红蛋白
        • Hb是由2个a亚基、2个β亚基通过8个离子键组成四聚体。
        • 每个亚基可结合1个血红素辅基，每分子Hb可结合4个氧分子，故可运输、释放氧
• 蛋白质结构与功能关系
  • 八大功能
    • 1、组成生物体结构
      • 构成和补充组织细胞的原料
    • 2、物质运输
      • 各种物质大多与血浆蛋白结合后，通过血液运输
      • 举例
        • 血液中的载脂蛋白可运输脂质并调节其代谢
        • 血浆清（白）蛋白能与脂肪酸、Ca2+、胆红素、磺胺等多种物质结合
        • 血浆中还有皮质激素传递蛋白、运铁蛋白（运输Fe3+）、铜蓝蛋白
    • 3、催化功能
      • 绝大多数酶都是蛋白质、核酶具有催化功能的小分子RNA
    • 4、信息交流
      • 膜受体是蛋白质
    • 5、免疫功能
      • 抗体、淋巴因子都是蛋白质
    • 6、氧化供能
      • 饥饿时分解增加，可氧化供能
    • 7、维持酸碱平衡
      • 血液的蛋白质缓冲体系
    • 8、维持血浆渗透压
      • 胶体渗透压主要由清蛋白维持
  • 蛋白质执行功能方式
    • 蛋白质与小分子代谢物相互作用（酶的催化、物质转运、信息传递）
    • 蛋白质与核酸相互作用（基因表达调控）
    • 蛋白质间相互作用（物质代谢，信号转导、蛋白质翻译等调控；细胞增殖、分化、凋亡的调节）
  • 蛋白质结构与功能关系
    • 一级结构与功能关系
      • 一级结构是空间构象的基础
        • 但一级结构并非空间构象的唯一因素，大多数蛋白质分子的正确折叠还需要分子伴侣、折叠酶的帮助
        • 举例：尿素处理核糖核酸酶后，高级结构破坏而一级结构完整，去除影响因素后可恢复至原来水平
      • 一级结构是功能的基础
        • 一级结构相似的蛋白质，其空间构象和功能也相似
        • 举例：催产素、ADH同为9肽激素，第3、8位不同，功能有所相近
      • 蛋白质一级结构的种属差异与分子进化
        • 从多肽链氨基酸序列可以了解到重要的生物进化信息
        • 对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异
      • 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起分子病
        • 举例：镰状细胞贫血：血红蛋白β亚基的第6位氨基酸由谷氨酸转变成缬氨酸（碱基错配：A→T），
          • （镰刀）割谷（谷氨酸）累了歇（缬氨酸）一会
        • 注意：并非一级结构中的每个氨基酸都很重要
    • 鉴别
      • 1、分子病（蛋白质一级结构发生改变）
        • 镰状细胞贫血
          • 密码子：GAG→GTG
          • 血红蛋白组成为α2S2
        • 肌营养不良症
          • 大片碱基缺失导致大片段肽链缺失
      • 2、构象病（蛋白质空间构象发生改变）
        • 疯牛病
          • 是朊病毒蛋白（PrP）引起的人/动物神经退行性变
          • 机制：正常a-螺旋形式的PrPC转变成了异常的β-折叠形式的PrPSc，PrPSc对蛋白酶不敏感，水溶性差，对热稳定，可以相互聚集，最终形成淀粉样纤维沉淀而致病
        • 人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默症、亨廷顿亨廷顿亨廷顿病等
    • 高级结构与功能关系
      • 举例
        • 血红蛋白（Hb）亚基与肌红蛋白（Mb）结构相似
          • Mb
            • 由一条肽链组成的蛋白质，只有三级结构，可与氧结合、解离
          • Hb（α2β2）
            • 由4个亚基组成的蛋白质，具有四级结构，可与氧结合、解离
            • 胚胎期2α2ε，胎儿期2α2γ，镰刀状细胞α2S2
        • Hb各亚基构象变化影响亚基与氧结合，其协同作用使氧解离曲线呈S形
          • Hb单亚基无生物学功能
      • 蛋白质构象改变可引起蛋白质构象病
        • 疯牛病
• 蛋白质理化性状
  • 氨基酸、蛋白质理化特性比较
  • 1、两性解离性
    • 类似氨基酸两性解离性
    • 多数蛋白质等电点pI≈5.0，在血浆中解离为阴离子，血浆（7.35～7.45）中多解离为阴离子子
      • 故血浆蛋白不易透过肾滤过膜
    • 分类
      • 碱性蛋白质
        • 少数蛋白质含有碱性氨基酸较多，如：鱼精蛋白、组蛋白等
      • 酸性蛋白质
        • 少数蛋白质含有酸性氨基酸较多，如：胃蛋白酶、丝蛋白等
  • 2、胶体性质
    • 蛋白质分子在胶体颗粒范围（1～100nm），故具有胶体性质
    • 机制
      • 蛋白质颗粒表面有水化膜（亲水基团吸引）、带电荷，可阻止蛋白质颗粒相互聚集，防止沉淀析出
    • 盐析
      • 原理：若去除蛋白质表面电荷、水化膜，则蛋白质极易从溶液析出
      • 向溶液中加入中性盐破坏水化膜，调节pH至pI，将蛋白质沉淀
  • 3、变性和复性
    • 变性
      • 在某些理化因素作用下，蛋白质特定的空间结构被破坏，导致其理化性质改变、生物活性丧失，称蛋白质的变性
      • 变性后性质
        • 溶解度↓、结晶能力↓、黏度↑、生物活性↓、易被蛋白酶水解
          • DNA变性后黏度降低
      • 变性结构特征
        • 发生二硫键、非共价键（包括氢键）破坏
          • 氢键属于分子间作用力，不属于共价键
          • 不涉及一级结构中氨基酸序列改变
      • 变性因素
        • 加热、乙醇、强酸、强碱、重金属离子、生物碱等
          • 防止蛋白质变性可低温保存
      • 沉淀与凝固
        • 沉淀
          • 变性后疏水基团暴露，肽链聚集，蛋白质析出
          • 沉淀的蛋白质不一定变性
        • 凝固
          • 强酸碱作用变性后再加热形成的坚固凝块，是蛋白质变性后进一步发展的不可逆结果
          • 凝固一定变性
    • 复性
      • 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些（并非全部）蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能
      • 举例：核糖核酸酶A
        • 变性
          • 核糖核酸酶A加入尿素、β-巯基乙醇，可导致空间构象破坏，生物学活性丧失。
        • 复性
          • 变性后若经透析方法去除尿素、 β-巯基乙醇，核糖核酸酶A又可恢复原有的构象
      • 不可逆变性
        • 是指蛋白质变性后，空间构象被严重破坏，不能复原
    • 降解
      • 蛋白质一级结构改变
  • 4、紫外线吸收
    • 蛋白质分子中含有色氨酸、酪氨酸（共轭双键），最大吸收峰在280nm
    • A280与浓度成正比，可进行蛋白质含量测定
  • 5、呈色反应
    • 茚三酮反应
      • 氨基酸与茚三酮水合物共加热，最终形成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm
      • 此原理可测定蛋白质含量
    • 双缩脲反应
      • 三→三个字→氨基酸 双→两个字→肽链
      • 肽键在稀碱溶液中与硫酸铜加热，可呈现紫色或红色（氨基酸不反应）
      • 此反应可检测蛋白质的水解程度
  • 凯氏滴定法（A错）是根据蛋白质中氮的含量恒定（约16%）的原理，通过测定样品中氮的含量从而推测蛋白质含量。280nm紫外吸收法（C错）主
  • 量。280nm紫外吸收法（C错）主要用于检测含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸在280nm紫外光下的最大吸收值而间接测定蛋白质的含量。
  • 纳氏试剂法（E错）（Nessler）是一种利用紫外-可见分光光度法原理测定空气中、水体中氮含量的方法。