生化—蛋白质化学

动物生物化学，章节—蛋白质化学 导图从概述、化学组成、分子结构、结构与功能的关系、理化性质几个方面作了阐述。

蛋白质化学

• 概述
  • 分类
    • 按化学组分
      • 简单蛋白质
      • 结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分（辅基）
    • 按物理特性和功能
      • 纤维蛋白质
      • 球蛋白质
  • 基本结构
    • 基本组成单位：氨基酸
    • 基本化学键：肽键
  • 分布特点
    • 分布广，含量高：约占细胞干重50%
  • 生物学功能
    • 作为生物催化酶 代谢调节作用
    • 免疫保护作用 物质的转运和存储
    • 运动与支持作用 参与细胞间信息传递
    • 氧化供能 结构成分
• 化学组成
  • 基本组成
    • 元素：都有C H O N 少数有S，某些有微量的磷、铁、铜、银、确、锌等元素。
    • 基本单位：20种L-α-氨基酸 甘氨酸除外
  • 氨基酸的分类
    • 1、按营养学分类
      • 必需氨基酸：缬、异亮、亮、苯丙、蛋、色、苏、赖
      • 非必需氨基酸：甘、丙、丝、谷、天酰、酪、天、半、精、组、谷酰、脯
    • 2、根据R基团的性质分类
      • 非极性疏水氨基酸:丙、缬、亮、异亮、苯、色、蛋
      • 极性中性氨基酸:甘、丝、苏、半胱、酪、天酰、谷酰
      • 极性酸性氨基酸：天冬、谷
      • 极性碱性氨基酸:赖、精、组
    • 3、根据氨基酸结构分类
      • 非极性氨基酸：丙，缬，亮，异亮，蛋，苯丙，脯，色
      • 极性中性氨基酸：丝，苏，酪，天胺，谷胺，半胱，甘
      • 酸性氨基酸：谷，天冬
      • 碱性氨基酸：精，赖，组
  • 特殊氨基酸
    • 脯氨酸（亚氨基酸）
    • 半胱氨酸
  • 氨基酸的理化性质
    • 两性解离的性质
      • 解离程度取决于所处溶液的酸碱度
        • 若溶液 PH < Pl ,解离成阳离子
        • 若溶液 PH > Pl ,解离成阴离子
        • 若溶液 PH = Pl ,解离成兼性离子,电中性,此时氨基酸稳定性最差
      • 氨基酸分子既含有酸性的羧基（-COOH），又含有碱性的氨基（-NH2）。前者能提供质子变成-COO-；后者能接受质子变。成-NH+3。因此，氨基酸是两性电解质
      • 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值称为该氨基酸的等电点，
    • 紫外吸收性质
      • 含有共轭双键的氨基酸 色氨酸>酪氨酸>苯丙氨酸（吸收能力）分光光度法，测定蛋白质含量的方法
      • 凯氏法：各种蛋白质的氮含量比较恒定，平均值约为16%。可通过测定氮的含量，计算生物样品中蛋白质的含量（换算系数为6.25）
    • 与茚三酮反应
      • 生成蓝紫色化合物
• 分子结构
  • 肽和肽平面
    • 肽键:一个氨基酸的α羧基与另一个氨基酸脱水缩合形成的共价键
    • 肽键平面:肽键相连四个原子及相邻C原子形成的平面
    • 肽:由氨基酸通过肽键连接而成的化合物，根据所含氨基酸残基数目分别称几肽。一般含氨基酸残基少于十个称寡肽,多于十个称多肽。
  • 一级结构（牛胰岛素）
    • 定义
      • 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸种类和排列顺序。
    • 化学键
      • 肽键，二硫键（肽键以氨基为头，羧基为尾）
  • 二级结构
    • 定义
      • 蛋白质分子中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
    • 四种构象
      • α-螺旋
        • 相邻两圈螺旋之间借肽键中的N上的氢和它后面第四个氨基酸残基的C=O键上的氧原子形成许多链内氢键。
        • 主链呈螺旋上升，每圈包含3.6个氨基酸残基（1个羰基、3个N-Cα-C单位、1个N），螺距为0.54nm，因此，每个氨基酸残基围绕螺旋中心轴旋转100º，上升0.15nm。
        • 蛋白质中的α-螺旋几乎全部是右手螺旋。有些氨基酸残基（通常为Gly）可形成左手螺旋，但长度不超过4个氨基酸
        • 氨基酸的所有侧链指向α-螺旋的外侧，以减少空间位阻效应，但α-螺旋的稳定性仍受R侧 链大小、形状等的影响，因此，不同氨基酸存在于α-螺旋中的倾向性不同。如Ala易存在于α-螺旋中，Pro和Gly则破坏α-螺旋。
      • β-折叠
        • 反向
        • 同向
        • C=O,C-N,ON连接形成氢键
        • 蛋白质分子中两条平行或反平行的主链中伸展的、周期性折叠 的构象，很像α-螺旋适当伸展形成的锯齿状肽链结构
        • 与α-螺旋的区别
          • 主链几乎完全伸展，相邻两个氨基酸残基的垂直距离为0.32~0.34nm（α-螺旋中为0.15nm）。
          • 相邻两条肽链或同一条肽链内的肽段平行排列，借助肽键中的羰基O原子与亚胺基H原子形成氢键，氢键与伸展的肽链接近垂直，每条肽链称为一个β-折叠股（β-strand）。
          • 几乎所有肽键均参与形成氢键，因此，β-折叠构象相当稳定。
      • β-转角
        • 第一个氨基酸残基的-C=O与第四个氨基酸残基的-NH之间形成氢键
        • 不稳定
      • 无规则卷曲
    • 总
      • • 蛋白质主链的折叠产生的有规则的构象
        • 氨基酸残基侧链沿蛋白质二级结构的分布有规律
        • 主要作用力是氢键，存在于肽链主链之间而不是氨基酸侧链基团之间
        • 不同的氨基酸对形成某种二级结构有一定的偏好，同时对形成某种二级结构有一定的排斥
  • 超二级结构（基序）
    • 蛋白质中由若干相邻的二级结构单元按一定规律组合在一起，形成有规则的二级结构集合体
    • 结构域
      • 三级结构层次上的独立功能区
      • 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
  • 三级结构
    • 定义
      • 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
    • 相关的作用力
      • 分子中各氨基酸残基的侧链相互作用维持
      • 主要有氢键、疏水作用、离子键和范德华力等，尤其疏水作用，在蛋白质三级结构中起着重要作用
      • 二硫键是维持三级结构唯一共价键，能把肽链的不同区段牢固地连接在一起
      • 疏水性较强的氨基酸借助疏水作用和范德华力聚合成紧密疏水核，有极性的残基以氢键和盐键相结合
      • 水溶性蛋白中，极性基团分布在外侧，与水形成氢键，使蛋白溶于水
      • 非共价键微弱但数目庞大，是维持三级结构的主要力量
    • 肌红蛋白Mb
      • 具有典型三级结结构的球状蛋白质
      • 存在于人及哺乳动物的心肌、骨骼肌等组织主要功能:为肌肉组织摄取和储存氧气
      • 肌红蛋白具有亲水区和疏水区,疏水区形成“洞穴”是血红素的结合部位
      • 肌红蛋白富含α-螺旋,多肽链折叠形成八个螺旋区,两个螺旋区之间的拐角为非螺旋区（螺旋间区）,由无规卷曲链接
  • 四级结构
    • 定义
      • 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构
      • 含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构
    • 化学键
      • 离子键，疏水键，氢键
    • 亚基
      • 许多功能性蛋白质分子含有2条或2条以上多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基
      • 形成多个亚基的原因：缺陷容易修复；对酶而言，多个亚基比一条链更有效
      • 亚基之间通过非共价键相连
    • 不是所有蛋白质都有四级结构，比如肌红蛋白就没有
    • 蛋白质具有一定的对称性
    • 血红蛋白Hb
      • 含有两种不同亚基的四聚体:两个α亚基+ 两个β亚基
      • 每个亚基都可结合一个血红素,具有结合和运输氧的功能
      • 当血红蛋白的亚基单独存在时就失去运输氧的功能，只有当它以四聚体的形式存在时，才能有效执行运氧功能
• 结构与功能的关系
  • 一级结构与功能
    • 一级结构不同、生物学功能不同
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
    • 一级结构关键部分变化，其生物活性也改变
    • 由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为分子病。镰刀状红细胞性贫血：由于β–链第六位氨基酸改变，导致红细胞在氧分压较低时呈镰刀状，并极易聚集破裂形成溶血
    • 分子伴侣
      • 为帮助新生多肽链折叠成天然空间构象的一类保守蛋白质,在原核生物及真核生物普遍存在。
      • 可识别肽链的非天然构象,促进各种功能域和整体蛋白质的正确折叠以及蛋白质的组装、转运及降解等过程起协助作用。
      • 能够识别易发生错误折叠的蛋白质,并帮助其恢复正确构象
  • 功能依赖特定空间结构
    • 别构效应
      • 蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为别构效应。
      • 肌红蛋白Mb与血红蛋白Hb:Mb和Hb都可氧可逆的结合
        • Hb是四聚体分子，可以转运氧；Mb是单体，可以储存氧
        • Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构想，与氧的亲和力小。只要有一个亚基与氧结合，就能使四个亚基间的盐键断裂，变成松弛的构象。两种构象的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。
        • 肌红蛋白Mb
          • 只有一条肽链,只含有一个血红素,是只有三级结构的单链蛋白
        • 血红蛋白Hb
          • 由四个亚基α2β2组成，每个亚机含有一个血红素，血红素能与氧可逆的结合，故Hb能与四个氧结合，是四级结构的球状蛋白质
        • 氧解离曲线
          • Hb为S形曲线
            • Hb的第一个亚基与氧结合后，促进了Hb的第二、三、四亚基与氧结合——正协同效应
          • Mb为直角双曲线图
            • Mb易与氧结合，和氧亲和力大于Hb
        • 血红蛋白
          • 紧张态T
            • 血红蛋白未与氧结合时，其亚基间结合紧密—T—与氧的亲和力小
              • 在组织中，血红蛋白呈T态，使血红蛋白释放出氧供组织利用
          • 松弛态R
            • 血红蛋白与氧结合时，其亚基间结合松弛—R—与氧的亲和力增大
              • 当血红蛋白第一个亚基与氧气结合后，可导致四个亚基间盐碱断裂，使亚基间的空间结构和四级构象发生改变，T变成R，与氧结合亲和力增大
              • 第一个亚基与氧结合后，Hb转为R，与氧结合亲和力增大，就会促进第二、三亚基与氧结合，前三个亚基与氧结合促进第四个亚基与氧结合，这样有利于血红蛋白在氧分压较高的肺中与氧快速充分结合
              • 血红蛋白通过变构效应改变分子构象，呈现出肌红蛋白不同的S形氧解离曲线
    • 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
        • 促进作用——正协同效应
        • 抑制作用——负协同效应
  • 构象改变引起疾病
    • 由于肽链的错误折叠而引起的
    • 朊病毒（疯牛病）
• 理化性质
  • 蛋白质的两性解离与等电点
    • 蛋白质的两性解离：
      • 在酸性溶液中电离的基团：末端氨基及侧链上赖氨酸的氨基、精氨酸的胍基、组氨酸的咪唑基等基团在酸性中浴液中电离成带正电荷的阳离子
      • 在碱性溶液中电离的基团：末端羧基及天冬氨酸残基上的羧基等基团在碱性中溶液中电离成带负电荷的阴离子
    • 等电点：
      • 蛋白质在溶液中处于兼性离子时溶液的pH值。pH＞pI,带正电；pH＜pI,带负电；pH＝pI,不带电。
      • 体内蛋白质等电点各不相同，但多数接近于pH5.0，所以在体液pH7.4的环境中呈阴离子，带负电荷
  • 电泳：
    • 带电粒子在电场中向方向电极方向移动的现象
    • 决定因素：1、所带电荷的数量及性质 2、带电粒子的大小，形状 3、电场强度
    • 意义：分离、纯化、鉴定蛋白质。临床检验，作为疾病的诊断辅助依据
  • 胶体性质：
    • 扩散慢，粘度大，电泳现象，不能透过半透膜
    • 蛋白质溶液稳定的原因：1、表面形成水膜 2、带相同电荷
  • 变性
    • 理化因素的条件下，空间构象被破坏，导致生物学功能丧失
    • 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
    • 本质：破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质一级结构
    • 特征
      • 生物活性丧失（主要的）
      • 失去结晶的能力
      • 溶解度降低易沉淀
      • 粘度增加，扩散系数降低
      • 易被蛋白酶水解
  • 蛋白质沉淀：蛋白质分子从溶液中析出的现象，运用蛋白质理论抢救重金属中毒
  • 紫外线吸收性质及呈色反应：
    • 紫外线吸收性质：蛋白质在280nm波长处有吸收峰，且其吸光度值与溶液浓度成正比关系，可利用其测定溶液中蛋白质含量
    • 蛋白质的呈色反应