第一章 蛋白质的结构与功能

生化蛋白质的结构与功能思维导图，包括蛋白质分子的组成、蛋白质的分子结构、蛋白质的理化性质、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质的分离、纯化和结构分析等内容。

第一章 蛋白质的结构与功能

• 一、蛋白质分子的组成
  • 蛋白质的基本单位
    • 1.参与蛋白质合成的氨基酸一般有20种，通常是L-α-氨基酸（除甘氨酸外）
    • 2.除20种氨基酸外，近年发现了硒代半胱氨酸。甲烷菌中发现了吡咯懒氨酸。
    • 3.不参与蛋白质合成氨基酸：合成尿素的鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸代琥珀酸。
    • 4.氨基酸的通式
  • 蛋白质元素的组成
    • 1.主要元素：C H O N
    • 2.次要元素：硫、磷、铁、锰、锌、碘
    • 3.元素组成的特点： a.各种蛋白质含氮量均为16% b.体内的含氮物质以蛋白质为主测 N →测 Pr c.每克样品蛋白含量＝每克样品含氮量×6.25
  • 氨基酸的分类
    • 1.非极性脂肪族氨基酸 甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、 脯氨酸（Pro）、甲硫氨酸（Met）、异亮氨酸（Ile）、
    • 2.极性中性氨基酸 丝氨基酸（Ser）、半胱氨酸（Cys）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln）
    • 3.含芳香环的氨基酸 苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Thy）、色氨酸（Trp）
    • 4.酸性氨基酸 天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）
    • 5.碱性氨基酸 精氨酸（Arg）、赖氨酸（Lys）、组氨酸（His）
  • 
    • 氨基酸的理化性质
      • 1.两性解离性质 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 称为该氨基酸的等电点 。
      • 2.含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质 （ 含双键的色氨酸、酪氨酸）蛋白质最大吸收峰在280nm波长附近。
      • 3.氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物 作为氨基酸定量分析的方法。ps：原理是氨基酸还原作用；脯氨酸生成黄色化合物。
  • 氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽
    • 1.一分子 α﹣羧基和一分子 α﹣氨基脱去分子水缩合成为最简单的肽 ，即二肽。连接两个氨基酸的酰胺键称为肽键。肽链骨干：—N—Cα—Co—
    • 2.寡肽：2-20个氨基酸
    • 3.蛋白质：50个以上氨基酸残基
    • 4.多肽：50个氨基酸残基以下。
  • 生物活性肽具有生理活性及多样性
    • 1.谷胱甘肽（GSH）
      • 由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
      • 巯基具有还原性，使蛋白质或酶处于活性状态
      • 保护机体免遭读物损害
    • 2.多肽类激素及神经肽体
      • 如催产素、加压素、促肾上腺皮质激素、促甲状腺素释放激素
• 二、蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 概念：从N-端至C-端的氨基酸排列顺序
    • 主要化学键：肽键 二硫键
    • 一级结构是蛋白质空间构像和特异生物学功能的基础，但蛋白质的一级结构并不是决定蛋白质空间构像的唯一因素。
    • 如：牛胰岛素
  • 二级结构
    • 概念：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构（不涉及氨基酸残基侧链的构象）
    • 主要化学键：氢键
    • 碳链主链骨架原子：N（氨基氮原子）、Cα（α-碳原子）和C（羰基碳原子）
    • 主要结构：
      • α-螺旋
        • 主链围绕中心轴作有规律螺旋式上升
        • 螺旋走向：顺时针，即右手螺旋
        • 每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm
        • 每个肽键的N—H和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行
        • 如：毛发的角蛋白、肌组织的肌球蛋白血、凝块中的纤维蛋白
      • β-折叠
        • 多肽链充分伸展
        • 每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠形成锯齿状结构，反向平行更稳
        • 如：免疫球蛋白
      • β-转角
        • 主链形成180度回折处
        • 每个转角包括四个 aa 残基。第一残基的 C =0与第四个残基的 N - H 形成氢键来维持稳定
        • 如： Gly 和 Pro
      • Ω环
        • 酶活性部位或蛋白质特异的功能部位
        • 分子识别中可起重要作用
    • 超二级结构
      • 概念：蛋白质分子中两或三个具有二级结构的肽段
      • 结构模体：蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
      • 结构域：分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能
  • 三级结构
    • 概念：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
    • 主要化学键：次级键（疏水键、盐键、氢键、范德华力）
    • 如：亮氨酸拉链、锌指结构
  • 四级结构
    • 概念：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
    • 亚基：每一条肽链都有其完整的三级结构，由两条以上的多肽链组成。单一亚基无生物学功能，完整的四级结构是其发挥生物功能的保证。
    • 主要化学键：氢键、离子键
    • 一级结构只有自由的α-氨基，没有自由的α-羧基。
  • 蛋白质的分类
    • 按组成成分
      • 单纯蛋白
      • 结合蛋白
    • 按形状
      • 纤维蛋白
      • 球状蛋白
• 三、蛋白质的理化性质
  • 两性电离性质
  • 胶体性质
    • 直径1～100nm
    • 维持稳定性因素
      • 颗粒表面电荷（即pH=pI时，胶体颗粒不稳定）
      • 水化膜
  • 蛋白质的变性
    • 主要发生在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。
    • 改变：溶解度降低，黏度增加，结晶能力消失，生物学活性丧失，易被蛋白酶水解
  • 蛋白质的沉淀
    • 概念：蛋白质变性后，疏水侧链暴露在外，肽链融汇会相互缠绕继而聚集，从溶液中析出的现象
    • 改变：稳定性破坏，水溶性降低
    • ps：变性蛋白易沉淀；沉淀不一定变性，但一定凝固
  • 蛋白质的紫外吸收
    • 蛋白质定量测定
    • 280nm
  • 蛋白质的呈色反应
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应
      • 蛋白质和多肽分子中的肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色
      • 氨基酸不反应
    • 酚试剂反应
    • 考马斯亮蓝G250
• 四、蛋白质结构与功能的关系
  • 主要功能
    • 催化功能
    • 物质运输
    • 信息交流
    • 免疫功能
    • 氧化供能
    • 营养作用
    • 维持血浆渗透压
    • 维持机体酸碱平衡
    • 参与凝血与纤维蛋白溶解
    • 抑制组织蛋白酶
    • 参与代谢调控
  • 执行功能主要方式
    • 与小分子相互作用
    • 与核酸相互作用
    • 蛋白质相互作用
      • 主要组织相容性复合物参与的分子识别
      • 抗原与抗体的特异性结合
  • 一级结构是高级结构与功能的基础
    • 一级结构相似，功能亦相似
    • 一级结构是空间构象的基础
    • 重要蛋白质氨基酸序列改变引起疾病
      • 镰状细胞贫血病（分子病）
        • β亚基的第6位氨基酸谷氨酸（酸性）被缬氨酸（中性）替代
  • 蛋白质功能依赖特定空间结构
    • 血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
      • 肌红蛋白
        • 一多肽链+一辅基 多肽链：即珠蛋白 辅基：血红素
        • 哺乳动物肌肉储氧
      • 血红蛋白
        • 由四个亚基组成的四级结构
        • 亚基组成随发育不同 胎儿 HbF : α2Y2 成人 HbA :α2β2
        • 功能：红细胞运氧
    • 血红蛋白亚基构象变化影响与氧结合
      • Hb：S状曲线
      • Mb：直角双曲线
      • 正协同效应
        • 概念：Hb中第一个亚基与氧气结合后，促进第二、第三、第四亚基与氧气结合的效应，反之为负协同效应
      • 别构效应
        • 概念：一个氧分子与亚基结合后引起其他亚基构象变化
        • 小分子氧气称为别构剂或效应剂，Hb称为别构蛋白
      • 2，3-BPG
        • 可降低Hb与氧气亲和力，使组织中氧的释放量增加
        • 母体喂奶则不影响
      • 蛋白质构象改变引起的疾病
        • 疯牛病（由朊病毒引起）
• 五、蛋白质的分离、纯化和结构分析
  • 透析和超滤法去除蛋白质溶液中的小分子物质
  • 电泳分离蛋白质
    • 原理：蛋白质在高于或低于其 pI的溶液中成为带电颗粒在电场中能向正极或负极方向移动
    • 如：SDS ﹣聚丙烯酰胺凝胶电泳
  • 层析蛋白质
    • 原理：根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的
    • 如：离子交换层析
  • 蛋白质颗粒沉降腥味与超速离心分离
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