导图社区 蛋白质的结构与功能
生化第一章蛋白质的结构与功能笔记,包括蛋白质的分子组成、蛋白质的分子结构、蛋白质的分类、蛋白质结构与功能的关系等内容。
编辑于2021-09-16 16:32:32蛋白质的结构与功能
总述
蛋白质(pr)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物
蛋白质的分子组成
概述
蛋白质是生物体重要组成成分
分布广
所有器官、组织中均含有蛋白质
细胞的各个部分都含有蛋白质
含量高
占人体固体成分的45%
蛋白质的功能
生物催化剂
物质代谢调控
免疫保护
物质的转运和储存
运动与支持
细胞间的信息传递
组成蛋白质的元素
主要有C、H、O、N、S
各种蛋白质中的含氮量很接近,平均为16%
100g样品中蛋白质的含量=每克样品含氮克数×6.25(÷16%)×100%
L-α-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
用于组成人体蛋白质的氨基酸只有20种
注
除脯氨酸外,与羧基相邻的碳原子上都有一个氨基,称为α-氨基酸
除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的α-碳原子都为不对称碳原子
氨基酸的分类
非极性脂肪族氨基酸
甘氨酸Gly
丙氨酸Ala
缬氨酸Val
亮氨酸Leu
异亮氨酸Ile
脯氨酸Pro
注意区别蛋白质简写pr
甲硫氨酸Met
又称蛋氨酸
极性中性氨基酸
丝氨酸Ser
半胱氨酸Cys
天冬酰胺Asn
谷氨酰胺Gln
苏氨酸Thr
含芳香环的氨基酸
苯丙氨酸Phe
酪氨酸Tyr
色氨酸Trp
酸性氨基酸
天冬氨酸Asp
谷氨酸Glu
碱性氨基酸
精氨酸Arg
赖氨酸Lys
组氨酸His
氨基酸的理化性质
氨基酸具有两性解离的性质
两性解离
氨基酸是两性电解质,其解离方式取决于其所处溶液的酸碱度
等电点pI
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(可用于判断在某pH值下氨基酸所带电荷)
此时在电场中不泳动,且溶解度最小
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附近
氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
吸收峰大小与氨基酸释放氨量成正比,可作为氨基酸定量分析方法
氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽
肽键是由一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化学键
肽
肽是由氨基酸通过肽键缩合而成的化合物
2-20个氨基酸相连为寡肽
更多氨基酸相连为多肽
氨基酸残基
肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全
一般蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上,50个氨基酸残基一下则仍称为多肽
多肽链有两端
游离α-氨基一端称氨基末端或N-端
游离α-羧基一端称羧基末端或C-端
蛋白质
蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽
生物活性肽
谷胱甘肽GSH
多肽类激素及神经肽
蛋白质的分离、纯化与结构分析
丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质浓缩方法
丙酮沉淀
须在0-4℃低温下进行,丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积
蛋白质被丙酮沉淀后,应立即分离
也可用乙醇代替丙酮
盐析
将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液,使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏,导致蛋白质沉淀
免疫沉淀法
将某一纯化蛋白质免疫,动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白,并形成抗原抗体复合物的性质,可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白
透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物
透析
利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法
超滤法
应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜,达到浓缩蛋白质溶液的目的
利用荷电性质可电泳分离蛋白质
蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带点的颗粒,在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为电泳
根据支撑物的不同,分
薄膜电泳
凝胶电泳
几种重要的蛋白质电泳
SDS⁻聚丙烯酰胺凝胶电泳
用于蛋白质分子量的测定
等电聚焦电泳
通过蛋白质等电点的差异分离蛋白的电泳方法
双向凝胶电泳
是蛋白质组学研究的重要技术
应用相分配或亲和原理可将蛋白质进行层析分离
层析分离蛋白质的原理
待分离蛋白质溶液(流动相)经过一个固态状态(固定相)时,根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等,使待分离的蛋白质组分在两相中单独分配,并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的
概念
流动相
固定相
分配系数Kd
Rf值
在一定条件下,某种物质的Rf值是常数,因此可以作为定性依据
分类
纸层析
固定相
吸附在滤纸上的水
流动相
有机溶剂,eg.酚
薄膜层析
凝胶层析(分子筛层析)
利用各蛋白质分子大小不同分离
离子交换层析
利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离
利用蛋白质颗粒沉降行为不同可进行超速离心分离
超速离心法既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量
蛋白质在离心场中的行为用沉降系数表示,沉降系数与蛋白质的密度和形状相关
蛋白质的理化性质
蛋白质具有两性电离的性质
蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外,氨基酸残基侧链中某些基团,在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团
蛋白质的等电点
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
溶液pH大于某一蛋白质的等电点 时,该蛋白质颗粒带负电,反之则带正电荷
蛋白质具有胶体性质
直径1-100nm
蛋白质胶体稳定的因素
颗粒表面电荷
水化膜
蛋白质颗粒表面大多为亲水基团,可吸引水分子,使颗粒表面形成一层水化膜,从而阻断蛋白质颗粒的相互聚集,防止溶液中蛋白质沉淀析出
蛋白质空间结构破坏而引起变性
蛋白质的变性
在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被破坏,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改变和生物活性的丧失
变性的本质
破坏非共价键和二硫键,不改变蛋白质的一级结构
造成变性的因素
加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂
蛋白质的复性
若蛋白质变形程度较轻,去除变性因素后,蛋白质仍可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,蛋白疏水侧链暴露在外,肽链相互缠绕而聚集,因而从溶液中析出会
变性的蛋白质易于沉淀,有时蛋白质发生沉淀,但并不变性
子主题
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,比凝块不易再溶于强酸和强碱中
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、色氨酸,因此在280nm波长处有特征性吸收峰
可作蛋白质定量测定
应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量
茚三酮反应
对象
水解后的蛋白质——氨基酸
570nm波长,蓝紫色
双缩脲反应
对象
蛋白质或多肽分子
作用化学键
肽键
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
吸收峰值为540nm,紫红色
可用于蛋白质的定性和定量检测
蛋白质的结构与功能的关系
蛋白质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
氨基酸序列提供重要的生物进化信息
重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
eg.镰刀型红细胞贫血
谷氨酸变成了缬氨酸,即酸性氨基酸被中性氨基酸替代,导致水溶性的血红蛋白,聚集成丝,相互粘着,导致红细胞变形成镰刀状而极易破碎,产生贫血
蛋白质分子发生变异所导致的疾病,被称之为“分子病”,由基因突变导致
蛋白质的功能依赖特定空间结构
血红蛋白亚基和肌红蛋白结构相似
肌红蛋白Mb和血红蛋白Hb都是含有血红素辅基的蛋白质
肌红蛋白Mb
血红蛋白Hb
血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构,每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧→一分子血红蛋白共结合4分子氧
血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
协同效应
概念
一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后,能影响比寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象
Hb中的配体为氧气
寡聚体蛋白质:有两条或两条以上肽链的蛋白质
分类
正协同效应
促进作用
负协同效应
抑制作用
结构形态
紧张态T态
松弛态R态
松弛态更易与配体结合
别构效应
蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化
蛋白质构象改变可引起疾病
蛋白质构象疾病
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
蛋白质构象改变导致疾病的机理
有些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,表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变
eg
老年痴呆症,疯牛病
蛋白质的分子结构
概述
人为规定蛋白质分子结构为4个层次
一级结构
二级结构
三级结构
四级结构
高级结构(空间构象)
一级结构
蛋白质的一级结构指蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序(线性结构)
化学键
肽键、二硫键(均为共价键,共价键作用力较强)
参与维系蛋白质空间结构的共价键是二硫键
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础,但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素
二级结构
蛋白质的二级结构指蛋白质分子中的某一段肽链的局部空间结构,即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
主链骨架原子:N、Cα、C 3个原子依次重复排列
化学键
氢键
肽单元
参与肽键的6个原子Cα1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面,此同一平面上的6个原子构成了肽单元
肽键长位于C-N单键长与双键长之间,不能自由旋转
二级结构
α-螺旋
在α-螺旋结构中,多肽链的主链围绕中心轴作有规律的螺旋式上升,螺旋的走向为顺时针方向
螺距为0.54nm
每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈
氨基酸侧链伸向螺旋外侧
α-螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽链的羰基氧形成氢键,氢键方向与螺旋长轴基本平行
β-折叠
呈折纸状
每个肽单元以Cα为旋转点,依次折叠成锯齿状结构
化学键
氢键
β-转角
常发生于肽键进行180°回折时的转角上
β-转角中,第二个氨基酸为脯氨酸,第三个氨基酸为甘氨酸
Ω-环
存在于球状蛋白质中的一种二级结构
无规卷曲
用来阐述没有规律性的那部分肽链结构
超二级结构
超二级结构是二级结构的组合形式=>只涉及主链骨架原子,不涉及侧链
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
eg.αα、βαβ、ββ
模体(超二级结构)
二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个具有特殊功能的空间构象,称为模体
三级结构
蛋白质的三级结构指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
化学键
离子键(盐键)、氢键、疏水作用力、范德华力
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
结构域是三级结构层次上的独立功能区
所有原子
若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,而各种结构域的构象可以基本不改变,并保持其功能
蛋白质蛋白质粉多肽链须折叠成正确的空间构象
分子伴侣
类似于催化剂
一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质,他们在细胞内帮助其他蛋白质的结构完成正确的装配,到不构成蛋白质组份
eg.热休克蛋白
四级结构(部分蛋白质无需进行四级结构折叠)
亚基指每条多肽链的完整三级结构
蛋白质的四级结构指蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部分的布局和相互作用
化学键
氢键、离子键
在两个亚基组成的四级结构蛋白质中,亚基相同为同二聚体;亚基不同为异二聚体
蛋白质的分类
根据蛋白质组成成分
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
根据蛋白质形状
纤维状蛋白质
球状蛋白质
大部分蛋白质
概念
亚基
在含有两条或两条以上多肽链组成的蛋白质结构中,每一条具有完整的三级结构的多肽链,称为蛋白质的亚基
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
模体
蛋白质分子中两个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近,形成的一个具有特殊功能的特殊空间构象,被称为模体
变性
在某些物理或化学因素的作用下,蛋白质特定的空间构象被破坏,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,称为蛋白质变性
蛋白质的等电点
当蛋白质溶液处于某一pH值时,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值称为蛋白质的等电点
亚基&结构域
一个蛋白质可能是一条肽键,也有可能是两条或多条肽链以极性键的形式连接的
若一个蛋白只有一条肽链组成,则结构域就是亚基(这条肽链)的一部分;如果这个蛋白是多个肽链组成,则结构域可能包含了多个亚基
三级结构的多肽链不全有活性
天然蛋白质分子必须具有三级或四级结构才能有活性
体内存在不参与蛋白质合成但有重要生理作用的L-α-氨基酸,eg.鸟氨酸、瓜氨酸