蛋白质的结构与功能

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。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • 主要元素：碳（50%~55%）、氢（6%~7%）、氧（19%~24%）、氮（13%~19%）、硫（0%~4%）
  • 除甘氨酸外，均为L-a-氨基酸（甘氨酸无旋光性），L-a-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
  • 每g样品含氮克数✖6.25✖100=100g样品中蛋白质含量（g%)
  • 氨基酸的分类
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • 侧链为疏水基团（非极性基团——烃链），在水溶液中的溶解度小，R集团不带电荷
      • 甲硫氨酸（Met）；亮氨酸（Leu）；异亮氨酸（Ile)；丙氨酸（Ala)；甘氨酸（Gly）；脯氨酸（Pro)；缬氨酸（Val）
    • 极性中性氨基酸
      • R基团为-OH,-SH,CONH2(酰胺），具有高反应活性，易溶于水，有亲水性，但在水溶液中不带电
      • 谷氨酰胺（Gln)；苏氨酸（Thr）；丝氨酸（Ser）；半胱氨酸（Cys）；天冬酰胺（Asn）
    • 含芳香环的氨基酸
      • 在中性水溶液中不带电荷
      • 酪氨酸（Tyr）——R基为极性基团；苯丙氨酸(Phe）——R基不溶于水；色氨酸（Trp）——R基团微溶于水
    • 酸性氨基酸
      • 侧链都含有羧基，侧链可电离带负电（易解离出氢离子），易溶于水
      • 谷氨酸（Glu）；天冬氨酸（Asp）
    • 碱性氨基酸
      • 含氨基，胍基，咪唑基（易接受氢离子），侧链可电离，带正电荷，有高度亲水性
      • 精氨酸（Arg）；赖氨酸(Lys）；组氨酸（His）
  • 习惯分类法
    • 含羟基的氨基酸：Ser，Thr, Tyr
    • 含硫氨基酸：Cys , Met
    • 杂环亚氨基酸：Pro
    • 支链氨基酸：Val ,Leu ,lle
  • 氨基酸通过肽链形成蛋白质或肽
    • 肽键：连接两个氨基酸的酰胺键
    • 2-20个氨基酸相连成为寡肽，更多的氨基酸相连形成多肽，氨基酸残基数在50个以上成为蛋白质,两分子氨基酸缩合成二肽，三分子氨基酸缩合成三肽
  • 生物活性肽——谷胱甘肽(GSH)
    • 由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成的三肽
    • 形成非a肽键，-SH为活性基团，是体内重要的还原剂，为酸性肽
    • 生物学功能：①免遭巯基氧化，使其处于活性状态②还原细胞内产生的过氧化氢，使其变成水③有嗜核特性，与嗜电子毒物结合，保护机体免毒物损坏
• 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
    • 维系键：肽键、二硫键
    • N-端至C-端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构
    • 蛋白质一级结构中主要化学键是肽键，蛋白质分子中的二硫键也属于一级结构
    • 牛胰岛素分子中有三个二硫键，1链内二硫键+2链间二硫键
    • 是蛋白质空间构像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
    • 一级结构是由遗传信息决定的
  • 二级结构
    • 维系键：氢键
    • 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像
    • 肽单元（peptide unit):参与形成肽键的4个原子（C、O、N、H)和2个相邻的Ca原子位于同一平面，构成肽单元。
    • 参与肽单元形成的6个原子在同一平面上
      • C-N键介于单键和双键之间，不能自由旋转
    • a-螺旋是常见的蛋白质二级结构
      • 右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，侧链伸向外侧
      • 每个肽键的N-H与氨基端的第4个肽键的羰基氧形成氢键，是维持a-螺旋结构的主要化学键，其方向与螺旋长轴基本平行，Pro不能形成a-螺旋
      • a-螺旋常位于蛋白质分子表面，常具有两性特点，一侧为亲水性氨基酸，另一侧为非亲水性氨基酸。（可见于血浆脂蛋白、多肽激素、钙调蛋白激酶）
    • β-折叠使多肽链形成片层结构
      • 条件：要求氨基酸侧链较小，蚕丝蛋白几乎是β-折叠结构
      • 呈纸折状，分为平行和反平行，氨基酸残基侧链交替位于肽链折叠形成的锯齿状结构的上下方
      • 锯齿状结构只含5-8个氨基酸氨基酸残基
    • β-转角和Ω环存在于球状蛋白中
      • β-转角通常发生在肽链进行180°回折时的转角上；通常由四个氨基酸残基组成，第一个残基的羰基氧(O)可以和第四个残基亚氨基氢（H）形成氢键；第二个残基通常为脯氨酸（Pro）
      • Ω环总是出现在蛋白质表面，以亲水基为主，在分子识别中可能起重要作用
    • 氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
      • 二级结构以一级结构为基础
  • 三级结构
    • 主要依靠次级键（非共价键）：疏水作用、离子键、氢键、范德华力
      • 疏水在侧链常在分子内部。亲水侧链在分子表面
    • 是整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
      • 整条肽链的所有原子在三维空间的排布位置
      • 折叠成紧密的球状或椭球状，含有多种二级结构并具有明显的折叠层次
      • 肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单一肽链蛋白质，含一个血红素辅基
      • 形成和稳定主要靠次级键：疏水作用、离子键、氢键、范德华力
      • 共价键，二硫键也参与维持三级结构
    • 结构模体可由2个或2个以上二级结构肽段组成
      • 常见的模体结构有：α-螺旋-β-转角（或环）-α-螺旋模体(见于多种DNA结合蛋白）；锌指，亮氨酸拉链
      • 两个或两个以上的具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成有规则的二级结构组合称为超二级结构（αα、βαβ、ββ）
      • α-螺旋、β-折叠、α-螺旋与β-折叠之间的相互作用，主要由非极性氨基酸残基参与
    • 结构域是三级结构层次上具有独立结构与功能的区域
    • 蛋白质的多肽链折叠形成正确的空间构像
      • 蛋白质的一级结构为其空间构象的决定因素
      • 蛋白质的空间构象决定其功能
      • 蛋白质正确空间构象的形成可由分子伴侣辅助，分子伴侣通过提供保护环境而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构
  • 四级结构
    • 维持蛋白质四级结构的化学键主要是氢键和离子键
    • 含有两条或以上多肽链，每条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基，以非共价键相连
    • 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，称为四级结构
    • 亚基结构相同称为同二聚体，不同称为异二聚体
    • 单独亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构寡聚体才具有生物学功能
    • 血红蛋白4个亚基通过8个离子键连接，每个亚基可结合一个血红素辅基
  • 蛋白质的分类
    • 组成成分：单纯蛋白质和结合蛋白质
    • 形状：纤维状蛋白质和球状蛋白质
    • 属于同一蛋白质家族的成员，称为同源蛋白质，由两个或两个以上的家族构成，称超家族（了解即可）
• 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，催化功能，信息交流
    • 免疫功能，氧化功能：水、二氧化碳、能量
    • 维持机体的酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
  • 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
    • 一级结构是空间构像的基础
    • 一级结构相似的多肽链或蛋白质，其空间构像及功能也相似
    • 由较短肽链组成的蛋白质一级结构不同，其生物功能也不同（催产素和加压素）
    • 蛋白质一级结构中也有一些特定的序列能阻碍蛋白质表现出生物功能，只有将其切除喉才能形成有活性的蛋白质（胰岛素源→胰岛素）
    • 镰状细胞贫血是因为基因点突变引起一个氨基酸改变；蛋白质分子发生变异，被称为“分子病”
    • 镰状细胞贫血是由于β亚基第6位谷氨酸变为缬氨酸
  • 蛋白质功能依赖特定结构
    • 蛋白质的特定空间构象与其发挥特殊生理功能有着密切关系：a-螺旋结构——坚韧并富有弹性，β-折叠——延展性和柔软性
    • 相似的空间结构有相似的功能
    • 除一级结构，溶液环境外，大多数蛋白质的正确折叠需要其他分子（分子伴侣，折叠酶）
    • 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
      • 血红蛋白亚基与肌红蛋白亚基相似
        • Mb比Hb更易结合氧
      • Mb的氧解离曲线为直角双曲线，Hb的氧解离曲线为“S”形
      • 别构效应：一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构像变化。小分子氧气称为别构剂或效应剂，Hb则被称为别构蛋白。
    • 蛋白质构像改变可引起疾病
      • 疯牛病：由由阮病毒引起的一组人和动物神经退行性病变水溶性差，阮蛋白对蛋白酶不敏感，对热稳定
      • 构象病：蛋白质折叠错误 ，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，可影响其功能
      • 蛋白质错误折叠后相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，例如：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆，阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病、疯牛病
• 蛋白质的理化性质
  • 两性电离性质
    • 等电点：当处于某一PH时，蛋白质（或氨基酸）解离成正负离子的趋势相等，即称为兼性离子，净电荷为零，此时溶液PH称为蛋白质（或氨基酸）的等电点（pl)
    • 等电状态下溶解度最小
    • 碱性蛋白质：鱼精蛋白、组蛋白 酸性蛋白质：胃蛋白酶、丝蛋白
  • 胶体性质
    • 蛋白质颗粒表面可形成一层水化膜和电荷，可以阻断蛋白质颗粒的相互聚集，防止溶液中蛋白质沉淀析出，如被破坏会发生蛋白质聚沉
    • 蛋白质胶体表面可带有电荷，具有使胶体稳定的作用
  • 变性与复性
    • 主要发生二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变
    • 变性后，蛋白质溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失、易被蛋白酶水解
    • 发生变性的因素：加热、乙醇等有机溶剂、强酸强碱、重金属离子、生物碱试剂等
    • 蛋白质变形程度较轻松，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分回复其原有的构想功能，称为复性
    • 尿素可破坏所有蛋白质分子中的二硫键
    • 凝固是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果
    • 沉淀不一定变性，变性不一定沉淀，凝固一定变性
  • 在紫外光谱区有特征性吸收
    • 蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，苯丙氨酸，因此在280nm处有特征性吸收峰
  • 应用呈色反应测定含量
    • 茚三酮反应：氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物
    • 双缩脲反应：蛋白质和肽类分子中，肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫红色或红色。氨基酸不发生此反应，双缩脲反应可检测蛋白质的水解程度
  • 盐溶：低浓度的盐使蛋白质的溶解度增加
  • 盐析：高浓度的盐破坏蛋白质的水化层并中和其电荷，促使蛋白质相互聚集而沉淀（无发生变性）