蛋白质化学

金国琴生物化学第三版蛋白质化学思维导图，包括分子组成、分子结构、理化性质与分离纯化、蛋白质分类等。

蛋白质化学

• 蛋白质的分子组成
  • 蛋白质的元素组成：C、H、O、N
    • 不同蛋白质含氮量大约都为16%
    • 生物样本中的蛋白质含量（g）=6.25*样品中含氮量
  • 蛋白质的基本组成单位：氨基酸
    • 氨基酸的结构
      • 目前发现的氨基酸有300余种
      • 构成天然蛋白质的氨基酸有20种（标准氨基酸）
        • 除脯氨酸是α-亚氨基酸，其他都为α-氨基酸
        • 除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子均为手性碳原子
        • 除脯氨酸和甘氨酸外，存在于天然蛋白质中的氨基酸均为L-α-氨基酸
    • 氨基酸的分类
      • 非极性中性氨基酸：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）、苯丙氨酸（Phe）
      • 极性中性氨基酸：色氨酸（Trp）、丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Asn）、酪氨酸（Tyr）、半胱氨酸（Cys）、甲硫氨酸（Met）
      • 酸性氨基酸：天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）
      • 碱性氨基酸：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、组氨酸（His）
    • 氨基酸的理化性质
      • 氨基酸的两性电离和等电点
        • 等电点（pI）：氨基酸呈电中性，此时溶液的ph
          • pH<pI 蛋白质带正电荷
          • pH=pI 蛋白质中性
          • pH>pI 蛋白质带负电荷
      • 茚三酮反应：生成蓝紫色化合物，用于氨基酸的定量或定性分析
      • 氨基酸的紫外吸收性质（芳香族氨基酸）
        • 酪氨酸、色氨酸吸收峰：280nm
        • 苯丙氨酸吸收峰：260nm
  • 肽键与肽
    • 肽键
      • 氨基酸通过肽键相连
      • 与肽键相连的六个原子始终处在同一个平面上，构成刚性的“肽键平面”，或称肽单元
    • 肽
      • 2个氨基酸相连：二肽 2-10个氨基酸相连：寡肽 10个以上氨基酸：多肽
      • 多肽和蛋白质的主要区别在于多肽不具有稳定的空间构象
      • 多肽链羧基端（C端）、多肽链氨基端（N端）
    • 生物活性肽
      • 谷胱甘肽
        • 2分子还原型谷胱甘肽（GSH）可以脱氢转变成氧化型谷胱甘肽（GSSG）
          • GSH具有重要的抗氧化作用和解毒作用
• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 多肽链中氨基酸的组成与排列顺序，包括氨基酸所有的共价连接，尤其是肽键和二硫键
  • 二级结构：蛋白质分子中由于肽键平面的相对旋转构成的局部空间构象（主链）
    • α-螺旋 ：α-碳原子旋转，主链原子盘绕成右手螺旋 氢键维持稳定
    • β-折叠：主链通过肽键平面折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110°角
    • β-转角：肽链形成180°回折
    • 无规卷曲：走向无规律可寻，形成较为松散的二级空间结构
  • 超二级结构
    • 模体：αα（亮氨酸拉链）、βαβ（锌指结构）等
    • 结构域：超二级结构进一步组合、折叠，形成紧密、稳定而且在蛋白质分子构象上明显可区分的、相对独立的区域性结构（与功能直接相关）
  • 三级结构
    • 包括了主链和侧链中所有原子的空间排布
    • 化学键：氢键、疏水键、离子键以及少量的二硫键
    • 分子表面亲水基团的数目、种类和排布方式决定了蛋白质的功能
  • 四级结构
    • 具备四级结构才具有活性
    • 每一条具有三级结构的多肽链称为一个亚基
    • 多个亚基通过非共价键聚合在一起，形成具有特定空间构象和生物学功能的蛋白质，称为蛋白质的四级结构
  • 维持蛋白质分子空间结构的主要化学键
    • 氢键
    • 离子键
    • 疏水键
    • 范德瓦尔斯力
    • 二硫键
  • 蛋白质结构与功能的关系
    • 一级结构与功能的关系
      • 在生物进化过程中，一级结构、空间结构和生物学功能相似的蛋白质家族，称为同源蛋白质，关键部位相对保守
      • 利用细胞色素c的种属差异，可以绘制系统树或称进化树
      • 分子病：由于蛋白质分子的变异或缺失而产生的疾病
    • 空间结构与功能的关系
      • 血红蛋白构象变化与运氧功能
        • 别构效应：由于蛋白质分子构象的改变而导致蛋白质功能也随之改变的现象
        • 协同效应：当一个亚基与其配体结合后，能影响分子中另一亚基与配体的结合能力
          • 正协同效应：促进作用
          • 负协同效应：阻碍作用
      • 由多亚基构成的寡聚酶往往也是通过改变分子的空间构想来改变其催化活性
• 蛋白质的理化性质与分离纯化
  • 蛋白质的理化性质
    • 蛋白质的一般性质
      • 蛋白质的紫外吸收特征：蛋白质分子中含有芳香族氨基酸残基 ，具有吸收80nm波长的紫外吸收性质
      • 蛋白质的两性电离和等电点
      • 蛋白质的呈色反应（定量分析）
        • 双缩脲反应
        • 酚试剂反应
        • 米伦试剂反应
    • 蛋白质的高分子性质
      • 胶体性质
        • 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
      • 扩散与沉降
        • 溶液粘度大，扩散速度慢
        • 离心力作用下发生沉降
        • 蛋白质的沉降速度与蛋白质的分子质量有关，沉降系数可以粗略地反应蛋白质分子的大小
      • 变性与复性
        • 变性：空间结构丧失，导致理化性质改变和生物学活性丧失
        • 理化因素：高温、超声波、X射线、强酸、强碱、一些重金属离子
        • 复性：除去使其变性的因素，能恢复或部分恢复原来的空间构象，进而恢复其生物学活性
        • 蛋白质凝固：某些蛋白质在发生热变性后，松散的多肽链相互缠绕在一起，变成固体状态
  • 蛋白质的分离纯化鉴定技术
    • 离心：蛋白质分子颗粒大小和密度不同，以不同速度沉降
      • 普通离心（3-10kr/min）
      • 高速离心（10-25kr/min）
      • 超速离心（>25kr/min）
    • 透析：装入蛋白质分子无法透过的半透膜内，以除去小分子杂质
    • 沉淀
      • 盐析法：中和蛋白质所带电荷，破坏水化膜
        • 分段盐析法：蛋白质分子越大，所需中性盐的浓度越小
      • 有机溶剂沉淀蛋白质：强亲水性破坏水化膜
        • 低温下变性缓慢
      • 重金属盐沉淀蛋白质：中和负电荷 沉淀时需ph>pI
      • 生物碱试剂与某些酸类沉淀蛋白质:中和正电荷
    • 层析：根据蛋白质理化性质差异加以分离，又称色谱法
      • 离子交换层析
        • 蛋白质所带电荷与固相基质之间相互作用达到分离
      • 凝胶过滤层析
        • 不同大小和形状的分子流经多孔固相载体，所受到的排阻力不等
      • 亲和层析
        • 固相载体中的配体只能与某一种分子特异性结合
    • 电泳：带电颗粒在电场中向与自身所带电荷电性相反的电极移动
      • 琼脂糖凝胶电泳
        • 一般蛋白质颗粒越小，所用琼脂糖浓度越大
      • 聚丙烯酰胺凝胶电泳
      • SDS-PAGE
        • 常用于蛋白质分子质量测定
      • 等电聚焦电泳
        • 利用两性电解质载体形成一个连续而稳定的线性ph梯度
      • 双向电泳
        • 先通过第一向聚焦电泳，在直角方向再进行一次电泳
      • 毛细管电泳
• 蛋白质的分类
  • 根据分子形状分类
    • 球状蛋白质： 长轴：短轴<10:1
    • 纤维状蛋白质： 长轴：短轴>10:1
  • 根据分子组成分类
    • 单纯蛋白质：蛋白质水解以后得到的产物全部是氨基酸
    • 结合蛋白质：蛋白质水解后的产物，除了氨基酸以外，还有一些其他的物质