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。

三、蛋白质化学

• 1.蛋白质的元素组成—C、H、O、S、N
  • 其中氮含量较恒定，平均为16%，即100g蛋白质含16g氮，1g氮相当于100/16=6.25g蛋白质。
  • 蛋白质的含量=样品中含氮量x6.25
• 2.蛋白质的基本组成单位—氨基酸
  • 氨基酸的结构特点
    • 含有α-氨基的羧酸
    • R 代表氨基酸之间相异的部分，R基 ，又称为侧链。R基的结构和性质决定了氨基酸的理化性质各异，也是氨基酸分类的依据。
    • 组成蛋白质的氨基酸有20种，除甘氨酸外，均为L-α-氨基酸。
  • 氨基酸分类
    • 20种氨基酸，根据R基的结构和理化性质分为四类
      • 非极性R基氨基酸
      • 不带电荷的极性R基氨基酸
      • 酸性氨基酸 ： 天冬氨酸、谷氨酸
      • 碱性氨基酸 ： 赖氨酸、精氨酸、组氨酸
  • 氨基酸的性质
    • 氨基酸的两性解离
      • 等电点：使氨基酸所带的净电荷为零时的溶液的pH值，称为该氨基酸的等电点。
    • 氨基酸的紫外吸收和呈色反应
      • 茚三酮反应：氨基酸与茚三酮共热，生成蓝紫色化合物(570nm有最大光吸收)，可用于氨基酸的定量分析或定性鉴定。
      • 紫外吸收特征：芳香族氨基酸都能吸收紫外线，特别是色氨酸在280nm波长附近存在吸收峰。由于大多数蛋白质都含有芳香族氨基酸，所以紫外分光光度法进行蛋白质定量分析。
  • 氨基酸间的肽键
    • 肽键
      • 是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的酰胺键。
      • 肽键结构中的六个原子构成一个肽单位，肽单位的六个原子共面——在同一个平面上，该平面被称为肽平面(Ca1、C、O、N、H、Ca2)
    • 肽
      • 氨基酸通过肽键连接起来的化合物。
      • 少于10个氨基酸组成的肽，称为寡肽。多于10个氨基酸形成的肽叫多肽，呈链状故又称多肽链。
      • 重要的生物活性肽——谷胱甘肽(GSH):是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的酸性三肽，具有还原性，是重要的抗氧化剂。
• 3.蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 蛋白质的基本结构，是高级结构的基础。
    • 是指多肽链的氨基酸排列顺序（氨基酸序列），它是蛋白质生物功能的基础。
    • 主要化学键是肽键。
  • 空间结构
    • 蛋白质的二级结构
      • 是指肽链的主链骨架原子的局部空间排列。不涉及侧链R的构象。
      • 蛋白质二级结构的主要形式有五种
        • α-螺旋
          • 大多数蛋白质中的α-螺旋为右手螺旋。
          • 多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，含3.6个氨基酸残基；螺距为0.54nm, 两个氨基酸之间的距离为0.15nm;相邻螺旋间形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个肽键的-NH基与第四个肽键的-C=O基形成氢键。氢键是维持α-螺旋稳定的主要次级键。
          • α-螺旋中氨基酸残基的R基伸向外侧。
        • β-折叠
          • β-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。
          • 相邻肽链间形成氢键，方向与主链方向垂直。氢键是维持β-折叠结构的主要次级键。
          • 侧链基团（R基）较小，交替分布在片层的上下。
          • 有平行和反平行两种类型。
        • β-转角
          • 在β-转角部分，由四个氨基酸残基组成。第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。
          • 第二个残基常为脯氨酸，还有甘、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸
          • 氢键是维持该结构的主要次级键。
        • 环
          • 一般由6~16个氨基酸残基构成的转角结构。肽段形状像希腊字母Ω，故称Ω环。
          • Ω环存在于球状蛋白质的表面，以亲水残基为主，与分子识别有关。
        • 无规卷曲
          • 指蛋白质分子中没有明确构象特征的肽段，统称为无规卷曲。
    • 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：整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。是蛋白质具有活性的最基本的空间结构。
      • 维系这种特定结构的力为次级键，主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。
      • 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的区域，并各行其功能，称为结构域。
      • 超二级结构
        • 基序，又称Motif(模体)：在蛋白质分子中，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，形成一个特殊的空间构象，并具有相应的功能，这种结构被称为motif。
          • 螺旋-环-螺旋
          • 锌指
            • 是锌指蛋白中一种螯合有锌离子的基序结构。能与DNA或RNA结合，与真核生物基因转录调节有关。
    • 蛋白质的四级结构
      • 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为亚基。蛋白质分子中各亚基间以非共价键相互作用而形成的特定构象，称为蛋白质的四级结构。亚基之间的作用力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。
• 4.蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质一级结构与功能的关系：一级结构决定蛋白质空间构象和特异生物学功能。
    • 一级结构是空间构象和功能的基础
    • 一级结构相似，构象与功能相似。
    • 一级结构关键部位改变，可引起蛋白质功能改变。
    • 一级结构中氨基酸序列提供重要的生物进化信息。
  • 蛋白质空间结构与功能的关系：蛋白质构象决定其生物学功能，构象改变，其功能、活性随之改变。
    • 空间结构决定蛋白质的功能
    • 空间结构改变，蛋白质功能改变
• 5.蛋白质的理化性质
  • 蛋白质的紫外吸收
    • 大多数蛋白质中含有酪氨酸和色氨酸，在280nm处有特征性吸收峰。利用此性质可测定蛋白质的含量。
  • 蛋白质的呈色反应
    • 茚三酮反应
      • 氨基酸、多肽或蛋白质都可发生茚三酮反应，产生蓝紫色化合物。（除脯氨酸和羟脯氨酸外）
      • 可以定性、定量测定。但肽、蛋白质分子量大，反应灵敏度下降。
    • 双缩脲反应
      • 含有两个以上肽键的化合物在稀碱液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应。氨基酸无此反应，此反应可用来检测蛋白质的水解程度。
    • Folin酚试剂反应
      • 碱性条件下，酪氨酸及含酪氨酸的蛋白质和福林试剂（主要成分为磷钼酸和磷钨酸）反应，生成蓝色化合物，可用比色法测定酪氨酸或蛋白质的含量。
  • 蛋白质的两性解离
    • 蛋白质的等电点(pI)：使蛋白质分子净电荷为零时溶液的pH称为蛋白质的等电点。
  • 蛋白质的胶体性质
    • 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可达1万~100万，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。
      • 蛋白质胶体稳定的因素
        • 电荷层
        • 水化膜
  • 蛋白质的变性、复性和凝固
    • 变性： 在理化因素作用下，蛋白质的空间构象遭到破坏，导致其理化性质和生物活性丧失，称为变性；本质是：二硫键和非共价键被破坏，即：空间构象被破坏，而一级结构未改变（肽键完好）。
    • 变性蛋白质特征：溶解度降低，易于沉淀；粘度增加；结晶能力消失；生物活性丧失；易被蛋白酶水解。
    • 复性：大多数蛋白质的变性是不可逆的，若变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质可恢复或部分恢复其构象和功能。
    • 蛋白质的凝固：蛋白质在外因（加热煮沸等）作用下，变成坚固的凝块，称为蛋白质的凝固作用。