蛋白质的结构与功能

生物化学第一章思维导图，内容包含蛋白质的分子组成、蛋白质的分子结构、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质的理化性质，结构清晰且内容完整，有助于思维记忆！

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 定义：在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序
    • 主要化学键：肽键（二硫键的位置也属于一级结构范畴）
    • 地位：是蛋白质空间构象和特异生物学功能功能的基础
  • 二级结构
    • 定义：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，并不涉及氨基酸残基侧链的构象
    • 主要化学键：氢键
    • 分类
      • α-螺旋
        • 多肽链的主链围绕中心轴作有规律的螺旋上升，螺旋的走向为顺时针方向，即右手螺旋
        • 每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，α-螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽键的羰基形成氢键
        • 影响因素
          • 相邻氨基酸所带电荷
          • 相邻氨基酸的分子量大小
          • 脯氨酸不能形成α-螺旋
      • β-折叠
        • 肽键平面折叠成锯齿状，处于最伸展的构象，氢键主要在股间而不是股内
        • 氢键：相邻肽链主链的N-H和C=O之间形成有规则的氢键
        • 特点
          • 平行或反平行
          • 主链呈锯齿状
          • 氢键维系稳定
      • β-转角
        • 常发生于肽链进行180°回折时的转角上，通常由四个氨基酸残基组成
        • 氢键：第一个残基的羰基氧与第四个残基的氨基氢形成
      • Ω环
        • 存在于球状蛋白，一亲水残基为主，与分子识别有关
  • 三级结构
    • 定义：指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
    • 化学作用力：次级键（疏水键、盐键、氢键、范德华力等）
    • 结构模体：蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
    • 结构域：分子量较大的蛋白质通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
  • 四级结构
    • 定义：蛋白质分子中各个亚基（每一条多肽链都有其完整的三级结构）的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用
    • 化学作用力：氢键、离子键
    • 对于两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
• 蛋白质的理化性质
  • 蛋白质具有两性电离性质
    • 由于蛋白分子中氨基酸残基的侧链上存在游离的氨基和羧基，因此具有两性电离
    • 等电点pI：蛋白质解离成正负离子的趋势相等。pH>pI负电荷，pH<pI正电荷
  • 蛋白质具有胶体性质
    • 蛋白质具有亲水溶胶的特点
    • 水化膜和表面电荷为稳定蛋白亲水溶胶的两个因素
    • 脱水作用可以出去水化膜
  • 蛋白质的变性与复性
    • 变性
      • 定义：在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质的改变和生物学活性的丧失
      • 因素
        • 物理：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等
        • 化学：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等
      • 性质改变
        • 物理：旋光性改变、溶解度下降、沉降率升高、粘度升高、光吸收度增加等
        • 化学：官能团反应性增加、易被蛋白酶水解
        • 生物学：原有生物学活性丧失、抗原性改变
    • 沉淀
      • 变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定变性
    • 凝固
      • 加热是蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固，凝固的蛋白质一定变性
    • 复性
      • 若蛋白质变性程度较低，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有构象和功能
  • 蛋白质在紫外光谱区有特征光吸收
  • 应用蛋白质呈色反应可以测定溶液中蛋白质含量
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质的主要功能
    • 构成细胞和生物体结构
    • 物质运输
    • 催化功能
    • 信息交流
    • 免疫功能
    • 氧化供能
    • 维持机体的酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
  • 蛋白质的一级结构是高级结构与功能的基础
    • 一级结构是空间构象的基础
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
      • 进化树，如细胞色素c，物种间越接近，则一级结构越相似，其空间构象和功能也相似
    • 分子病
      • 镰状细胞贫血症：人体血红蛋白的β亚基的第六位氨基酸谷氨酸变成了缬氨酸，血红蛋白聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎
      • 地中海贫血：海洋性贫血/珠蛋白生成障碍性贫血（遗传性贫血）
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 血红蛋白鱼肌红蛋白结构相似
      • 都含有血红素辅基
      • 2，3-BPG是调节血红蛋白运氧的重要因素，可降低Hb与氧的亲和力
    • 别构效应
      • 别构效应又称为变构效应，是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
    • 蛋白质构象改变可引起疾病
      • 蛋白质错误折叠→构象改变→功能改变、病变
      • 蛋白质构象疾病
        • 蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病
        • 如：人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默病、亨廷顿病
        • 疯牛病：由朊病毒蛋白（PrP）引起的一组人和动物神经退行性病变，有传染性、遗传性、散在发病的特点
• 蛋白质的分子组成
  • 元素组成
    • 主要由C、H、O、N、S元素组成，某些蛋白质含有少量磷或金属元素，个别蛋白质还含有碘
  • 基本结构单位
    • L-α-氨基酸（甘氨酸为α-氨基酸，脯氨酸为L-α-亚氨基酸）
  • 根据侧链结构和理化性质分类
    • 非极性脂肪族氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Met
    • 极性中性氨基酸：Ser、Cys、Asn、Gln、Thr
    • 含芳香环的氨基酸：Phe、Tyr、Trp
    • 酸性氨基酸：Asp、Glu
    • 碱性氨基酸：Arg、Lys、His
  • 氨基酸具有或特异的理化性质
    • 两性解离性质
      • 分子基础:所有氨基酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基
      • 等电点pI：pH=pI电中性/pH>pI阴离子/pH<pI阳离子
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质
      • 色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近，可用于分析溶液中蛋白质含量
    • 与茚三酮反应
      • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物，吸收峰在570nm波长处
  • 肽键链接
    • α-羧基和α-氨基脱去一分子水形成，2~20个氨基酸为寡肽，多于20个为多肽
    • 游离α-氨基的一端称氨基末端或N-端；游离α-羧基的一端称羧基末端或C-端；N-端为头端
    • 蛋白质为稳定的空间结构；多肽为不稳定的空间结构
  • 生物活性肽
    • 谷胱甘肽GSH
      • 组成
        • 谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸
      • 作用
        • 解毒作用
        • 巯基有还原性，参与氧化还原反应
        • 保护巯基酶的活性
        • 维持红细胞膜的结构特点
    • 多肽类激素及神经肽
      • 多肽类激素：催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）
      • 神经肽：脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）、孤啡肽（17肽）。其中孤啡肽的一级结构与脑啡肽相似，与痛觉抑制有关，用于镇痛