第一章 蛋白质的结构与功能

（如主链上的羰基和酰胺基及极跬侧链基团）。定义：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。肽链中所有原子在三维空间的排布位置

第一章 蛋白质的结构与功能

• 1. 蛋白质分子组成
  • a. 组成蛋白质的元素
    • i. 主要元素：C H O N S
    • ii. 其他元素：磷、铁、铜、锌、、钴、钼、碘
    • iii. 元素组成的特点
      • 1) 含氮量接近16%
      • 2) 公式：100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6·25×100
      • 3) 凯氏定氮法
  • b. 蛋白质的结构与功能
    • i. 蛋白质的生物学重要性
      • 1) 蛋白质是生物体重要组成成分（结构蛋白质）
        • a) 分布广
        • b) 含量高
      • 2) 蛋白质具有重要的生物学功能（功能蛋白质）
        • a) 物质运输
        • b) 催化功能（酶）
        • c) 信息交流
        • d) 免疫功能
        • e) 氧化供能 18%
        • f) 维持机体酸碱平衡
        • g) 维持正常血浆渗透压
  • c. 氨基酸的结构与分类
    • i. 组成人体蛋白质的20种L-α-氨基酸
      • 1) 自然界300余种但组成人体仅20种且均为L-氨基酸（除甘氨酸外均为L型 无旋光性）
      • 2) L,D型和旋光性没有关系，L型物质可以是左旋也可以是右旋。
      • 3) 连在羧基上的碳为α-碳原子=不对称碳原子
      • 4) 其连接的4各不同原子或集团具有空间分布的不对称性D/L型
      • 5) 天然蛋白质的氨基酸均为α型氨基酸通式（包括甘氨酸）
      • 6) 体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的L-α-氨基酸。如参与合成素的鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸代琥珀酸等。
    • ii. 氨基酸根据侧链结构和理化性质进行分类
      • 1) 非极性脂肪族氨基酸
        • a) 侧链含烃链的氨基酸
        • 非极性脂肪族氨基酸在水溶液中的溶解度小于极性中性氨基酸。
        • 甘氨酸 亮氨酸 丙氨酸 异亮氨酸 缬（xie）氨酸 脯氨馥（环状 亚氨基酸） 甲硫氨酸
      • 2) 极性中性氨基酸（酰基 巯基使其形成极性 但不带电荷）
        • a) 侧链有极性但不带电荷的氨基酸
        • b) 丝氨酸 半胱氨酸 甲硫氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺 苏氨酸
      • 3) 芳香族氨基酸
        • a) 侧链含芳香基团
        • b) 苯基疏水性较强
        • c) 酪氨酸的酚基和色氨酸的吲哚基在一定条件下可解离。
        • d) 苯丙氨酸 色氨酸 酪氨酸
      • 4) 酸性氨基酸
        • a) 侧链含负性解离基团
        • b) 天冬氨酸 谷氨酸
      • 5) 碱性氨基酸
        • a) 侧链含正性解离基团（氨基 胍基 咪唑基）
        • b) 精氨酸 组氨酸 赖氨酸
      • 6) 补充：脯氨酸属于亚氨基酸：其亚氨基仍能与另一氨基酸的羧基形成肽键。
      • 脯氨酸在蛋白质合成加工时可被修饰成羟脯氨酸，胶原蛋白中含有较多的羟脯氨酸。半胱氨酸的巯基具有较其他氨基酸大的失去质子的倾向，其极性最强。2个半胱氨酸比较容易通过脱氢后以二硫键相连接，形成胱氨酸。
    • iii. 20种氨基酸具有共同或特异的理化性质
      • 1) 氨基酸是弱酸弱碱两性化合物
      • 2) 既可以解离出带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子
      • 3) 有两性解离性质：氨基酸是两性电解质，解离程度取决于所处溶液的酸碱度
        • a) 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
      • 4) 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质（280nm）（色氨酸 酪氨酸）（吸光度越大 浓度越高）
      • 5) 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物（570nm）
    • iv. 氨基酸通过肽键连接从而形成蛋白质或肽
      • 1) 肽键：α-羟基和α-氨基脱水缩合
      • 2) 寡肽（oligopeptide）：由2-20个氨基酸相连而成的肽
      • 3) 多肽（polypeptide）：更多的氨基酸残基相连蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上。
      • 4) 多肽链（polypeptidechain）是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。
      • 5) 多肽链有两端（氨基端始终是游离的）
        • a) 由N末端向C末端延申
        • b) N末端：多肽链中有游离α-氨基的一端。
        • c) C末端：多肽链中有游离α-羧基的一端。
        • d) 主链：α碳-羧基碳-氨基氮-α
        • e) 肽键数=氨基酸数-1
  • d. 生物活性肽与有生理活性及多样性
    • i. 谷胱甘肽（glutathione,GSH）：保护生物膜的完整性（还原性）
• 2. 蛋白质的分子结构
  • a. 一级结构
    • i. 定义：蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。
    • ii. 主要的化学键：肽键，(二硫键：二硫键是某些蛋白质维持结构定性的主要因素，由两个Cys的侧链-SH氧化而成。)
    • iii. 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
  • b. 二级结构
    • i. 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不涉及氨基酸残基侧链的构象。
    • ii. 主要化学键：氢键
    • iii. 参与肽键形成的6个原子在同一平面上 形成肽单元
    • iv. α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构
      • 1) α-螺旋
        • a) 一般为右手螺旋（少数左手螺旋）
        • b) 3.6个aa绕一周，螺距0.52nm
        • c) 结构的稳定依靠氢键，每个肽键的N-H和第四个肽键的羰基形成氢键
        • d) 螺旋中氨基酸残基R侧链伸向螺旋外侧
        • e) R大小 形状 电荷等是影响此结构形成的主要因素
        • f) α角蛋白（皮肤毛发指甲羽毛等），肌组织的肌球蛋白，血凝块中的纤维蛋白
      • 2) β-折叠
        • a) 多肽链的局部肽段以肽键平面为单位折叠成锯齿状的一种较伸展结构。β-折叠(ß-pleatedsheet)又称为β-片层，锯齿状结构比较短，一般只含5·8个氨基酸残基。
        • b) 分布：蚕丝蛋白
      • 3) β-转角
        • a) β-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在
        • b) 脯氨酸 甘氨酸
      • 4) 无规卷曲
        • a) β-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在
        • b) 用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构
      • 5) Ω环
        • a) 出现分子表面 以亲水残基为主 在分子识别中起重要作用
    • v. 超二级结构
      • 1) 二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特定的空间构象（有规则的二级结构组合）并发挥特定的功能，被称为模体（锌指结构 钙结合蛋白中结合钙离子的模体）
  • c. 三级结构
    • i. 定义：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。肽链中所有原子在三维空间的排布位置
    • ii. 主要化学键
      • 1) 疏水键 ：疏水作用是由于蛋白质多肽链的疏水残基具有避开水的倾向、彼此在分子内聚集所产生的作用力。这种力是维持蛋白质分子稳定的主要的作用力。
      • 2) 离子键：蛋白质分子的相反电荷基团的结合称为盐键或离子键（离子对）
      • 3) 氢键：氢键是一种由弱酸性的供体基团和一个具独电子的原子之间形成的最显著的静电作
      • 用力。（如主链上的羰基和酰胺基及极跬侧链基团）。
      • 4) 范德华力：在电中性分子之间的非共价结合的统称。这种力产生于永久的或诱导的偶极之间
      • 的静电相互作用。
    • iii. 结构域
      • 1) 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，各行其功能，称为结构域（domain）。
  • d. 四级结构
    • i. 蛋白质含有两条以上多肽链而每一条多肽链都有完整的三级结构 称为蛋白质的亚基(subunit)
    • ii. 亚基之间的结合依靠氢键和离子键。
    • iii. 蛋白质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
  • e. 蛋白质的分类
    • i. 根据蛋白质组成成分
      • 1) 单纯蛋白质
      • 2) 缀合蛋白质
        • a) 蛋白质部分
        • b) 非蛋白质部分
    • ii. 根据蛋白质形状
      • 1) 纤维状蛋白质
      • 2) 球状蛋白质
• 3. 蛋白质结构与功能的关系
  • a. 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础(蛋白质一级结构决定其三维结构，即蛋白质一级结构中包含了其三维结构折叠所需要的全部信息)
    • i. 一级结构是空间构象的基础
    • ii. 一级结构相似的多肽或蛋白质，具有相似的空间结构与功能
    • iii. 氨基酸序列提供重要的生物进化信息
      • 1) 比较细胞色素的一级结构
    • iv. 蛋白质分子发生变异所导致的疾病,称为“分子病”（一级结构中关键部位氨基酸残基发生变化可导致蛋白质功能改变，若为非关键部位则不影响蛋白质生物活性）
      • 1) 镰刀型细胞贫血症（血红蛋白β链上第六个氨基酸 谷氨酸变成缬氨酸 一级结构改变 该蛋白质功能改变 红细胞可塑变形性下降）
      • 2) 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
        • a) 正协同&负协同效应
• 4. 蛋白质的理化性质
  • a. 蛋白质具有两性电离的性质
  • b. 蛋白质有等电点
  • c. 蛋白质具有胶体性质（1~100nm之间 在溶液中稳定存在）
    • i. 蛋白质胶体稳定的因素
      • 1) 颗粒表面电荷（同种电荷）
      • 2) 水化膜
  • d. 蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰
  • e. 应用蛋白呈色反应测定蛋白质溶液含量
    • i. 茚三酮反应
    • ii. 双缩尿反应（肽键 稀碱溶液 硫酸铜 共热出现紫色或红色）
• 5. 蛋白质的变性
  • a. 在某些物理化学因素作用下，特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性丧失
  • b. 本质：破坏非共价键和二硫键 不改变蛋白质一级结构
  • c. 化学因素：加热 有机溶剂 强酸 强碱 重金属离子 生物碱试剂
  • d. 物理因素：高温高压紫外线
  • e. 应用：临床消毒灭菌 低温保存疫苗等
  • f. 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，称为复性（renaturation）
  • g. 蛋白质沉淀（proteinprecipitation）：在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀（盐析），但并不变性。变性蛋白质容易沉淀但并不是绝对
    • i. 盐析法（硫酸铵）
    • ii. 有机溶剂法
    • iii. 有机酸法（PH<PI）
    • iv. 重金属盐法（PH>PI）（划线均为变性又沉淀）（重金属使牛奶 生鸡蛋请沉淀）
  • h. 蛋白质的凝固作用（proteincoagulation）：蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍溶解于强酸或强碱中，若将PH调至等电点，则蛋白质立即结成絮状的不溶解物，此絮状物仍可溶解于强酸或强碱中。如再加热则絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不再溶于强酸或强碱中，这种现象成为蛋白质的凝固作用。（变性且不可逆）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。