蛋白质

蛋白质（protein）是组成人体一切细胞、组织的重要成分，是生命的物质基础，是有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。介绍了蛋白质的空间结构、组成元素、基本组成单位、结构与功能的关系。

蛋白质

• 组要组成元素：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S） 有些蛋白质还含有少量磷（P）、铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）等元素
• 样品中蛋白质的含量=样品中的含氮量 x 6.25
• 基本组成单位——氨基酸
  • 结构通式
  • 除甘氨酸外，其余氨基酸的α-碳原子均为手性碳原子，存在L-型和D-型两种旋光异构体
  • 组成人体蛋白质的氨基酸均为L-型，因此人体内的氨基酸均为L-α-氨基酸，而D-α-氨基酸主要存在于某些抗生素及个别植物的生物碱中
  • 分类
    • 根据氨基酸侧链R基团的结构和理化性质的不同分类：非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基酸、极性酸性氨基酸和极性碱性氨基酸4类
    • 根据氨基酸在体内营养价值的不同，组成人体蛋白质的20种氨基酸可分为必需氨基酸和非必需氨基酸两类
      • 必需氨基酸（8种）：人体不能合成或合成速率远不能适应机体需要，且需要从食物中摄取的一类氨基酸。这类氨基酸包括缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和赖氨酸
      • 非必需氨基酸（12种）：人体必需，且体内可以自行合成或通过其他氨基酸转化而来的一类氨基酸。除上述8种必需氨基酸外，其余12种均为非必需氨基酸
  • 连接方式：在蛋白质分子中，氨基酸之间是通过肽键相连
    • 肽键是蛋白质分子结构中的基本化学键，由一个氨基酸的α-羧基（—COOH）和另一个氨基酸的α-氨基（—NH2）脱水缩合而成
• 空间结构
  • 蛋白质的一级结构：蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序，由基因上遗传密码的排列顺序决定，是蛋白质最基本的结构
    • 维持蛋白质一级结构稳定的主要化学键是肽键，有些蛋白质还含有二硫键
    • 由于蛋白质多肽链所含氨基酸的数量、各种氨基酸所占的比例、氨基酸在肽链中的排列顺序等不同，因此组成人体蛋白质的20种氨基酸就形成了结构多样、功能各异的蛋白质
    • 蛋白质的一级结构是其空间结构和特异生物学功能的基础
  • 蛋白质的二级结构：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不包括氨基酸残基侧链部分的构象。在肽链主链上，N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和CO（羰基碳）3个原子依次重复排列
    • 以肽平面为单位
      • 肽单元是由参与肽键组成的C、O、N、H四个原子和与它们相邻的两个α-碳原子（Cα1、Cα2）共同构成的刚性平面
    • 结构类型
      • α-螺旋：多肽链中肽单元通过α-碳原子的相对旋转，围绕中心 轴做有规律盘绕而形成的一种紧密螺旋结构
        • α-螺旋结构的特点： ① 多个肽单元以α-碳原子为转折点，形成右手螺旋结构 ② α-螺旋结构的主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升 一圈相当于上升0.54 nm（螺距） ③ 每个肽键的亚氨基氢（N—H）和第4个肽键的羰基氧（C＝O）形成氢键，氢键的主要作用是稳定α-螺旋结构 ④ 各氨基酸残基的R基团分布在螺旋外侧，其大小、形状、性质及所带电荷的状态会影响α-螺旋结构的形成与稳定，如天冬酰胺、亮氨酸的侧链较大，会影响α-螺旋结构的形成
      • β-折叠：是多肽链主链中一种比较伸展、呈锯齿状的二级结构形式
        • β-折叠结构的特点： ① 多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，两平面间夹角为110°，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方 ② 若干肽链之间或一条肽链内的若干肽段所形成的β-折叠在相邻主链骨架上的羰基氧（C＝O）与亚氨基氢（N—H）之间形成氢键，以维持构象的稳定 ③ 两条肽链可以是平行的，也可以是反向平行的。从能量角度来看，反向平行的两条肽链更为稳定
      • β-转角：在蛋白质分子中，肽链形成180°回折，在回折角处的构象即为β-转角。β-转角通常由4个连续的氨基酸残基构成。其中，第1个氨基酸残基的羰基氧（C＝O）与第4个氨基酸残基的亚氨基氢（N—H）形成氢键，以维持构象的稳定；第二个氨基酸残基通常为脯氨酸，其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸
      • 无规卷曲：除上述比较规律的构象外，肽链其余部分还没有确定规律性的局部空间构象称为无规卷曲。该结构本身具有一定的稳定性，可构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位
  • 蛋白质的超二级结构和结构域（二级结构与三级结构中间的过渡态）
  • 蛋白质的三级结构：在二级结构的基础上，多肽链进一步盘曲、折叠而形成的三维空间结构，包括主链和侧链中所有原子的空间排布
    • 由一条多肽链构成的蛋白质只有具有三级结构时才能发挥其生物活性。
    • 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠多肽链R基团之间相互作用而形成的次级键来维持，如氢键、疏水键、离子键和范德华力
  • 蛋白质的四级结构：蛋白质分子中各个亚基之间的空间排布及相互作用
    • 生物体内，许多蛋白质分子含有两条或两条以上多肽链，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基
    • 维持蛋白质四级结构的作用力主要是亚基之间形成的次级键，包括氢键、疏水作用力、离子键、范德华力等
    • 一种蛋白质的亚基可以是相同的，也可以是不同的
    • 含有四级结构的蛋白质，其亚基单独存在时一般没有生物学功能，只有聚合成完整的四级结构时才有生物学功能
• 结构与功能的关系
  • 蛋白质的一级结构是空间结构与功能的基础
    • 只要一级结构（氨基酸序列）未被破坏，蛋白质就可能恢复到原来的三级结构和功能
    • 一级结构相似的蛋白质，其空间结构与功能也相似
  • 重要蛋白质的氨基酸序列改变，可能会引起疾病
• 理化性质
  • 蛋白质的两性解离性质
    • 等电点：当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相同，所带净电荷为零，呈电中性，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点（pI）
      • 当蛋白质溶液的pH<pI时，蛋白质解离成阳离子；当蛋白质溶液的pH>pI时，蛋白质解离成阴离子
      • 在等电点时，蛋白质的溶解度最小，最容易沉淀析出。因此，可以用此种方法沉淀蛋白质，达到混合蛋白质溶液分离与提纯的目的，并且，该状态下蛋白质的导电性、黏度、渗透压及膨胀性均为最小
  • 蛋白质的高分子性
    • 蛋白质是高分子化合物，颗粒直径达到了胶体颗粒范围（1～100 nm），因此蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布朗运动等
    • 蛋白质颗粒表面有大量的亲水基团，如—NH2、—COOH、—OH等。这些亲水基团与周围的水分子产生水合作用，使蛋白质分子表面被多层水分子包围，从而形成比较稳定的水化膜
    • 水化膜的存在可将蛋白质颗粒相互隔开。同时，蛋白质分子在一定pH溶液中往往带有同种电荷而相互排斥，阻止了蛋白质颗粒聚集沉淀
    • 蛋白质表面的水化膜和表面电荷是维持蛋白质溶液稳定性的两个很重要的因素
  • 蛋白质的变性：在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质的空间结构被破坏，从而导致其理化性质改变和生理活性丧失的现象，称为蛋白质变性
    • 蛋白质变性主要是二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变
    • 蛋白质变性后，其溶解度降低，黏度增加，结晶能力消失，生物活性丧失，易被蛋白酶水解
    • 造成蛋白质变性的因素有很多，常见的物理因素有高温、高压、紫外线、超声波、X射线等，常见的化学因素有强酸、强碱、重金属离子、生物碱试剂等
  • 蛋白质的复性
  • 蛋白质的凝固
  • 蛋白质的紫外吸收性
    • 大多数蛋白质分子中含酪氨酸和色氨酸残基，这些氨基酸侧链基团中含有共轭双键，对波长为280 nm的紫外光有最大吸收能力，且在此波长范围内，蛋白质的光吸收值与其浓度呈正比关系
  • 蛋白质的呈色反应
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应