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蛋白质的结构与其功能
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2021-09-25 08:51:19- 蛋白质结构功能
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蛋白质的结构与功能
蛋白质的分子结构
氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构
蛋白质一级结构
在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序
化学键:肽键，二硫键
是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，并不是决定蛋白质构象的唯一因素
牛胰岛素第一个被测定一级结构的蛋白质分子
多肽链的局部有规则重复的主链构象为蛋白质二级结构
蛋白质二级结构
概念
指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该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
主要键：氢键
结构包括：α-螺旋、β-折叠、β-转角和Ω-环
肽链主链骨架原子
N（氨基氮原子）、C（α-碳原子）和C（羧基碳原子）3个原子依次重复排列
参与肽键形成的6个原子（Cα1、C、O、N、H、Cα2）在同一平面上
肽单元
肽键虽为单键，具有部分双键的性质，不能自由旋转，与相邻两个α-C构成一个肽单元，共处一个平面，具有刚性，又称肽平面。两个α-C位于平面对角，呈反式构型。
多肽链就是由多个肽单元组成
α-螺旋是常见的蛋白质二级结构
蛋白质的主要形式
α-螺旋和β-折叠
α-螺旋的特点
多为右手螺旋
维持稳定的因素是氢键，每个肽键的亚氨基氢和第四个肽键的羧基形成氢键，氢键方向与螺旋中心轴基本平行
各氨基酸的R侧链伸向螺旋外侧，主侧链位于外侧
每上升一圈3.6个氨基酸，高度0.54nm，每个氨基酸上升0.15nm
影响因素
Pro、Gly不易形成
R基团较大的aa集中区域不易形成
酸性或碱性aa集中区域不易形成
β-折叠使多肽链形成片层结构
肽链几乎完成伸展，相邻肽单元平面折叠成110度角，形成锯齿状
几个具有β-折叠结构的肽段互相平行，形成β-片层，链间形成氢键
如并行排列的β-折叠结构从N-端到C-端是同方向的为顺式平行，反之为反向平行
侧链R基团交替位于肽单元平面上方或下方
β-转角和Ω-环存在于球状蛋白质中
β-转角的结构特点
连续4个氨基酸残基构成180度回折的发夹状结构
回折的第一个肽平面的O与其后第三个肽平面的H形成氢键
β-转角结构部位常有Gly和Pro存在
氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
蛋白质二级结构是以一级结构为基础的
一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成α-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构
多肽链进一步折叠成蛋白质三级结构
三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
概念:整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
主要化学键:疏水键、离子键、氢键、范德华力、二硫键
结构模体可由两个或两个以上二级结构肽段组成
结构模体
是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
超二级结构
由2个或2个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合
结构域是三级结构层次上具有独立结构与功能的区域
结构域
质量大的蛋白质分子常由两个或数个球状或纤维状的区域组成，每个区域的结构和功能相对独立，称为结构域
区域与区域之间以无规卷曲相连
蛋白质的多肽连须折叠成正确的空间构象
分子伴侣
通过提供一个保护环境而加速蛋白质折叠成天然构象或四级结构
功能
分子伴侣可逆地与未折叠的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠
分子伴侣也可与错误聚集的肽链结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠
分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用
含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
亚基
每一条多肽链中都有完整的三级结构
亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，以非共价键相连
结合力主要是氢键和离子键，其次是疏水作用
蛋白质四级结构
蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用
完整的四级结构是其发挥生物学功能的保证
同二聚体
2个亚基组成的四级结构蛋白质中，若亚基结构相同
异二聚体
亚基分子不同
成人血红蛋白
两种亚基组成的四聚体
每个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中难以释放氧，失去了血红蛋白原有的运输氧的作用
蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
根据蛋白质组成成分
单纯蛋白质
结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分
根据其形状
纤维状蛋白质（长短轴之比＞10，难溶于水）
球状蛋白质（长短轴之比＜10，易溶于水）
膜蛋白
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（血红蛋白）
催化作用（酶）
信息交流（受体）
免疫功能（抗体）
氧化供能（蛋白质）
维持机体酸碱平衡
维持正常的血浆渗透压
蛋白质一级结构与功能的关系
一级结构是空间构象的基础
用牛核糖核酸酶的一级结构 Anfinsen实验说明
一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似（关键位置残基不变，守恒残基）
重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
镰状细胞贫血（分子病）
谷氨酸→缬氨酸
一个氨基酸之差，原是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生贫血
蛋白质功能的特异性取决于空间结构
蛋白质的功能依赖特定空间结构
血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
血红蛋白的构象变化与结合氧
Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。
别构效应
蛋白质与配体结合后，构象发生改变，从而导致蛋白质的性质和功能发生改变的现象，称为别构效应或变构效应
具有变构效应的蛋白称为别构蛋白
引起蛋白质发生别构效应的物质称为别构剂
蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化
协同效应
一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应
如果是促进作用称为正协同效应
如果是抑制作用称为负协同效应
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的病理改变
人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默病、亨廷顿病、疯牛病
疯牛病
蛋白质构象病
由朊病毒蛋白引起
特点:传染性、遗传性或散在发病
蛋白质的理化性质
蛋白质具有两性电离性质
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
蛋白质具有胶体性质
蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子直径可达1～100nm，为胶体范围之内 （可用透析法纯化蛋白质，即可用半透膜来透过水溶性物质）
蛋白质胶体稳定的因素
颗粒表面所带同种电荷
水化膜
蛋白质的变性、沉淀和凝固
蛋白质变性
定义
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的改变和生物活性的丧失
本质
次级键和二硫键被破坏，不改变蛋白质的一级结构
变性因素
物理因素
高温、高压、超声波、电离辐射、强烈震荡、紫外线、X-ray
化学因素
强酸、强碱、尿素、重金属盐、有机溶剂（表面活性剂）等
变性蛋白的特征
生物活性丧失
空间结构破坏，易被蛋白酶降解
亲水基团被掩盖，溶解度降低，易沉淀
蛋白质的不对称性增强，溶液粘度增加
应用
消毒、灭菌
复性
若蛋白质变性程度较轻，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和功能，称为复性
蛋白质沉淀
在一定条件下，蛋白质疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕而聚集，因而从溶液中析出
变性的蛋白易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但不变性
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，此凝块不易再溶于强酸和强碱中
蛋白质在紫外线谱区有特征性光吸收
280nm波长处有特征性吸收峰
蛋白质的呈色反应
茚三酮反应
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
双缩脲反应
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，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度
Folin-酚试剂反应
蛋白质碱性条件下，与酚试剂，生成蓝色化合物，此反应称为Folin-酚试剂反应，可用来测定蛋白质含量。溶液颜色与吸光度成正比，又与浓度成正比
蛋白质的分离与纯化
生物组织
无细胞提取液
粗分离
沉淀：盐析 等电点沉淀 有机溶液沉淀 透析
细分离
电泳 层析 超速离心
纯度鉴定
蛋白质的分子组成
蛋白质
定义
蛋白质是许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物
蛋白质的生物学重要性
蛋白质是生物体重要组成部分
分布广
含量高
种类多
生物学功能
作为生物催化剂（酶）
代谢调节作用（激素、调节蛋白）
免疫保护作用（免疫球蛋白）
物质的转运和储存（血红蛋白）
肌肉收缩与运动（肌动蛋白和肌球蛋白）
支持和保护作用（胶原纤维和弹性蛋白）
参与细胞间信息传递（生物膜蛋白）
生长繁殖、遗传和变异（核蛋白）
生物学功能
动态功能
化学催化反应、免疫反应、血液凝固、物质代谢调控、基因表达调控和肌收缩等
结构功能
提供结缔组织和骨的基质、形成组织形态
意义
生物体重要结构物质之一
普遍存在于生物界的蛋白质是生物体的重要组成成分和生命活动的基本物质基础
生物体中含量最丰富的生物大分子
元素组成
主要有: 碳（50-55%）、氢（6-7%）、氧（19-24%）、氮（13-19%，平均占16％）、硫（0-4%）
有些蛋白质还含有少量的磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴等
凯式定氮法
每克样品中含氮克数×6.25×100＝100g样品中蛋白质含量（g%）
L-α-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
自然界中:氨基酸有300余种
参与人体蛋白质合成的氨基酸有20种（有遗传编码）
均属于L-氨基酸和α-氨基酸
甘氨酸无手性C不属于L-氨基酸
脯氨酸无α氨基不属于α-氨基酸
体内也存在不参与蛋白质但具有重要生理功能的L-α-氨基酸（合成尿素的鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸代琥珀酸）
所有的氨基酸都含有α-氨基和α-羧基（脯氨酸除外，pro为环状亚氨酸），即所有氨基酸都是α-氨基酸（脯氨酸除外）
当R不是H时，所有的氨基酸都含有不对称碳原子，所以都具有旋光性。天然氨基酸都是L-氨基酸，GIy除外。少数微生物中含有D-aa
由于相同部分中都具有氨基和羧基，所以组成蛋白质的20种氨基酸都具有相同的化学性质。如两性解离和氨基和羧基所具有的性质
氨基酸可根据其侧链结构和理化性质进行分类
非极性脂肪族氨基酸
极性中性氨基酸
芳香族氨基酸
酸性氨基酸
侧链含有羧基
碱性氨基酸
侧链含有氨基、胍基、咪挫基
分类
分支aa
Val、Leu、Ile
芳香族
Phe、Tyr、Trp
杂环
Pro、Trp
含-OH
Ser、Thr、Tyr
含S
Cys、Met
酸性aa
Asp、Glu
碱性aa
Arg、Lys、His
概要
氨基酸分类
根据R基团的结构分
脂肪族
芳香族
芳香族氨基酸中苯基的疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下可解离
杂环氨基酸
含硫氨基酸
羟基氨基酸
支链氨基酸
根据极性分
非极性氨基酸
非极性脂肪族氨基酸在水溶液中溶解度小于极性中性氨基酸
极性中性
极性带正电荷
极性带负电荷
根据酸碱性分
酸性（Glu/Asp）
酸性氨基酸的侧链都含有羧基
碱性（Arg/Lys/His）
碱性氨基酸侧链分别含有氨基、胍基或咪唑基
中性氨基酸
根据营养分
必需氨基酸
机体所需，自身不能合成，必须从食物中提取的氨基酸
Phe、Lys、Thr、Leu、Ile、Met、Val（笨蛋来宿舍晾一晾鞋）
Arg、His体内合成较少，有些教材也归纳为必需氨基酸
非必需氨基酸
氨基酸具有共同或特异的理化性质
无色晶体、熔点高，离子晶格物质
氨基酸具有两性解离的性质 解离度取决于所处溶液的酸碱度
等电点: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称为氨基酸的等电点
pI=1/2（pk1+pk2）
中性
pk1=α-COOH解离常数 pk2=α-NH3+解离常数
酸性
pk1和pk2两个羧基的解离常数
碱性
pk1和pk2指两个氨基的解离常数
选择题选择两个最接近的值除以二
含共轭双键的氨基酸（苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸）具有紫外线吸收功能
由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值
氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽
肽
氨基酸相互结合形成
肽键
一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α氨基脱水缩合形成的化学键，又称酰胺键
（-CO-NH-）肽键为主要化学键
两端
游离α-氨基的一端称氨基末端N-端
游离α-羧基的一端称羧基末端C-端
寡肽
由2～20个氨基酸相连而成的肽
多肽
20～50个氨基酸相连而生成的肽
氨基酸残基
肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全
蛋白质
由许多氨基酸残基（50以上）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
生物活性肽具有生理活性及多样性
谷胱甘肽（GSH）
由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
第一个肽键非α-肽键
巯基主要功能基团
GSH的巯基具有还原性，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性状态
GSH的巯基还具有嗜核性，能与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害
多肽类激素及神经肽体
与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系
下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）
促甲状腺释放激素
特殊结构的三肽
N-端谷氨酸环化成为焦谷氨酸，C端脯氨酸残基酰化成脯氨酰胺
下丘脑分泌
促进腺垂体分泌促甲状腺素
在神经传导过程中起信号转导作用的肽类称为神经肽
镰刀型贫血症是Glu被Val代替
总结
在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸
蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化等
这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性质等，体现了蛋白质多样性的一方面
特殊氨基酸
脯氨酸
应属于亚氨基酸
N在杂环中移动自由度受限，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽键
在蛋白质合成加工时被修饰成羟脯氨酸
半胱氨酸
硫基易失去电子倾向比其他氨基酸大
极性最强
2个半胱氨酸通过脱氢后以二硫键相连接，形成胱氨酸
蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
用尿素（或盐酸胍）和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽