蛋白质的结构与功能

这是一篇关于蛋白质的结构与功能的思维导图，蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连成形成的高分子含氮化合物。蛋白质是生物中的含量最丰富的生物大分子，是最主要的生命活动载体和功能执行者。

蛋白质的结构与功能

• 1. 蛋白质的分子组成
  • 蛋白质的概念
    • 是由许多氨基酸通过肽键相连成形成的高分子含氮化合物。蛋白质是生物中的含量最丰富的生物大分子，是最主要的生命活动载体和功能执行者。
      • 含量：约占固体成分的近1/2(45%)
      • 种类：一个真核细胞达数千种，每一种均有其特定的结构与功能
  • 组成蛋白质的元素
    • 主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。
  • 蛋白质元素组成的特点
    • 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%，蛋白质是体内主要的含氮物质
    • 100克样品中蛋白质的含量（g%）=每克样品含氮克数×6.25×100
  • 结构通式
  • 种类：20种编码氨基酸
    • 与氨基酸相邻的α-碳原子上有一个氨基，称为α-氨基酸（脯氨酸是亚氨基酸）
    • 不同的α-AA，其R侧链不同。氨基酸R侧链对蛋白质空间结构和理化性质有重要影响。
    • 组成蛋白质的氨基酸通常是L-α-氨基酸（除甘氨酸）。
  • • 除Gly的R侧链为H原子，其AA的α-碳原子都是不对称原子
  • 氨基酸的分类
    • • 非极性脂肪族氨基酸
        • 侧链含烃链的氨基酸（7个）
      • 极性中性氨基酸
        • 侧链有极性但不带电电荷的氨基酸（5个）
      • 芳香族氨基酸
        • 侧链含芳香基团的氨基酸（3个）
      • 酸性氨基酸
        • 侧链含负性解离基团的氨基酸（2个）
      • 碱性氨基酸
        • 侧链含正性解离基团的氨基酸（3个）
  • 氨基酸的理化性质
    • 氨基酸具有两性解离
      • 解离程度取决于所处溶液的酸碱度。
      • 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收的性质
      • 含有共轭双键的芳香族氨基酸Trp，Tyr的最大吸收峰在280nm波长附近 大多数蛋白质含有这两种氨基酸，所以测定蛋白质280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便方法
    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 应用：指纹鉴定（茚三酮反应）
    • 蛋白质的组成
      • 肽与肽键
        • 氨基酸通过肽键连接而成蛋白质或活性肽 肽键是由一个氨基酸的α-羟基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化学键
        • 两分子氨基酸缩合形成二肽，以此类推 由2-20个氨基酸相连而成的肽称为寡肽，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个以下为多肽 因脱水缩合而基团不全，称为氨基酸残基
        • 多肽链是指许多氨基酸之间以肽键相连而成的一种结构 多肽链有两端：N末端，C末端
      • 生物活性肽
        • 谷胱氨酸（GSH）
          • 1.体内重要的还原剂
          • 2.谷胱甘肽的巯基作用
        • 多肽类激素
          • 促甲状腺素释放激素（3肽）
        • 神经肽
          • 脑啡肽（5肽）
• 2. 蛋白质的分子结构
  • 一级结构 （蛋白质最基本的结构）
    • 定义： 从N-端至C-端的氨基酸的排列顺序 主要的化学键（稳定因素）： 肽键 特殊的二硫键
  • 空间结构
    • 肽单元：参与肽键的6个原子——Cα1、C、O、N、H、Cα2处于同一平面 （肽键中只有Cα所形成的单间可以旋转） 肽平面成为肽链盘曲折叠的基本单位
    • 二级结构
      • 骨架原子
        • 主要化学键（稳定因素）：氢键
      • 定义：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，及该段肽链主链骨架原子的局部空间结构并不涉及氨基酸残基侧链的构象 肽链主链骨架原子：Cα（α-碳原子）、C（羰基碳）和C（氨基氮）三个原子依次重复排列）
      • 几种形式
        • α-螺旋
          • 结构特点
            • 1.以a-碳原子为转折点， 以平面为单位，盘曲成右手螺旋状的结构。
            • 2.主链螺旋上升一圈含3.6个氨基酸残基， 螺距0.54nm。 肽平面和螺旋长轴平行。
            • 3.相邻两圈螺旋之间借肽键中羰基氧(C=O)和亚氨基氢(NH)形成许多链内氢键。 即每一个氨基酸残基中的亚氨基氢和前面相隔三个残基的羰基氧之间形成氢键， 氢键是稳定a-螺旋的主要化学键。
            • 4.肽链中氨基酸残基侧链R 基，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷均会影响a-螺旋的形成。
        • β-折叠
          • 1.是由于不同的肽段在互相靠近时通过氢键维系起来，而每条肽段肽平面之间折叠成锯齿状。 2.两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的羰基氧与亚氨基氢形成氢键，使构象稳定。
          • 平行式
          • 反平行式
          • 氨基酸残基的侧链R基的侧链R基分布在片层的上方或下方
        • β-转角
          • 蛋白质分子中，肽链经常会出现180o的回折，在这种回折角处的构象就是转角(3-turn)。 5-转角中，第一个氨基酸残基的羰基氧与第四个残基的亚氨基氢形成氢键，从而使结构稳定。 Pro、Gly容易形成-turn; 脯氨酸是亚氨基酸，无法形成链内氢键。 甘氨酸是因为R基团比较简单，只有一个氢，容易转弯。
        • Ω-环
          • Ω环(Ω loop)是存在于球状蛋白分子的表面的一种二级结构， 形似希腊字母Ω，所以称为Ω环。Ω 环以亲水残基为主，在分子识别中可能起重要的作用。
    • 三级结构
      • 定义：即整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。 即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 蛋白质的三级结构是一条多肽链的最高级结构，包括侧链的构象。
        • 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键，包括氢键、 盐键、疏水键以及范德华力等。此外，某些蛋白质中二硫键也起着重要的作用。
      • 肌红蛋白
        • 肌红蛋白( Mb) 一条长为153个氨基酸的多肽链和一个血红素辅基组成。共有8段α-螺旋结构(A-H) 功能:储存O2
      • 结构域
        • 分子量较大的蛋白质 多个结构紧密的区域 每个区域具有特定的功能·是三级结构层次上的独立功能区
    • 四级结构
      • ·至少应该有两条多肽链构成。 ·每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基。 ·主要稳定因素:亚基之间的作用力:氢键、离子键
      • 血红蛋白（Hb）
        • 由2个a亚基和2个3亚基组成的四聚体，4个亚基通过8个离子键相连，具有运输氧和二氧化碳的功能，每个亚基单独存在时虽可与氧结合，但在组织中难于释放氧。
  • 主要层次
• 3. 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质的一级结构与功能的关系
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
      • 一级结构(即氨基酸排列顺序)相似的多肽或蛋白质，其空间结构和生物学功能也相似。
      • 空间结构破坏，其生物活性丧失，但只要 一级结构不被破坏，去除破坏空间结构的因素，其空间构象和活性就可能恢复。
    • 蛋白质一级结构是空间结构的基础
      • 蛋白质的一级结构决定蛋白质空间结构， 进而决定蛋白质的生物学功能。
    • 一级结构关键部位的改变影响其生物学活性
      • 案例：镰刀状红细胞性贫血
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • Mb与Hb对氧气结合状态的差异主要取决于三级结构和四级结构； 说明蛋白质的功能依赖于特定的空间结构。
      • 案例：疯牛病
  • 蛋白质构象改变可引起疾病
    • 若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。
      • 案例：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症(阿尔兹海默病)、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。
• 4. 蛋白质的理化性质
  • 蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物
    • 一部分与氨基酸相似，如两性电离及等电点、紫外吸收、 呈色反应等
    • 也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶体性质、沉淀、变性和凝固等。
  • （一）蛋白质的两性电离与等电点
    • 蛋白质的等电点(pl) 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
  • （二）蛋白质的高分子性质
    • 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1~100nm,具有胶体溶液的特征。 蛋白质胶体稳定的因素:颗粒表面电荷、水化膜
  • （三）蛋白质的变性
    • 天然蛋白质在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失， 称为蛋白质的变性作用 变性主要是二硫键及非共价键的粘滞度增高、不的断裂，并不涉及一级结构氨容易结晶、易被酶基酸序列的改变。
    • 应用：临床医学上，高温、高压灭菌。低温保存酶、疫苗等，防止蛋白质变性。
    • 复性：变性并非是不可逆的变化，当变性程度较轻时， 如去除变性因素，有的蛋白质仍能恢复或部分恢复其原来的构象及功能，变性的可逆变化称为复性
  • （四）蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰
    • 由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。
  • （五）应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量
    • 1.茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应，生成蓝紫色化合物。 2.双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脉反应。 双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。 3.Folin-酚试剂反应 蛋白质分子中的Tyr在碱性条件下与酚试剂生成蓝色化合物
• 5. 蛋白质的分离、纯化与结构分析
• 小结： 1.蛋白质的等电点. 2.蛋白质胶体稳定的因素:颗粒表面电荷、水化膜3.蛋白质的变性、复性、沉淀，蛋白质变性的应用。 4.蛋白质紫外吸收峰，呈色反应。
• 变形因素：加热、 有机溶剂、强酸、 强碱、重金属等
• 吴宪提出
• 水化膜：蛋白质颗粒表面大多为亲水集团，可吸引水分子形成一层水化膜
• 小结
  • 1.蛋白质的一级结构是空间结构的基础，空间结构 决定其功能。 (核糖核酸酶的变性与复性) 2.一级结构相似的，具有相同或相似的生物学功能。 (不同哺乳动物的胰岛素) 3.一级结构关键部位的改变影响其生物学活性。 (镰刀状红细胞性贫血) 4.蛋白质的功能依赖于特定的空间结构。 (肌红蛋白与血红蛋白结合氧气的状差异主要取决于三级结构和四级结构) 5.蛋白质构象改变可引起疾病。 (疯牛病中的朊病毒蛋白构象改变)
• 注意：不是所有蛋白质都有四级结构
  • 条件 1.两条肽链以上 2.肽链之间没有二硫键
• 超二级结构
  • 定义：在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个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，被称为超二级结构。 二级结构组合形式有3种：αα、 βαβ、ββ