生物化学 第1章蛋白质的结构与功能

思维导图蛋白质的结构与功能，整理了蛋白质相关概念、蛋白质的分子组成、蛋白质的分子结构、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质的理化性质的内容知识。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质相关概念
  • 蛋白质
    • 细胞干重的70%
    • 含氮量约为16%
  • 蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
    • 根据蛋白质组成成分
      • 单纯蛋白质
      • 缀合蛋白质
        • 非蛋白部分（辅基
    • 根据其形状
      • 纤维状蛋白质
      • 球状蛋白质
  • 蛋白质的主要功能
    • 构成细胞和生物体结构
    • 物质运输（血红蛋白）
    • 催化作用（酶）
    • 信息交流（受体）
    • 免疫功能（抗体）
    • 氧化供能（蛋白质）
    • 维持机体酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
• 蛋白质的分子组成
  • 氨基酸结构/分类
    • 概述
      • 自然界中:氨基酸有300余种
      • 参与蛋白质合成的氨基酸有20种（有遗传编码）
        • L-α-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
    • 分类
      • 非极性脂肪酸氨基酸
        • 甘 丙 缬 异亮 亮 脯 甲硫（蛋）
      • 极性中性氨基酸
        • 谷氨酰胺 丝 苏 半胱 天冬酰胺
      • 芳香族氨基酸
        • 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
      • 酸性氨基酸（至少有俩羧基）
        • 天冬氨酸 谷氨酸
      • 碱性氨基酸（至少有俩氨基）
        • 精氨酸 赖氨酸 组氨酸
    • 特殊氨基酸
      • 无遗传编码:硒代半胱氨酸 吡咯赖氨酸
      • 除甘氨酸都是L-α-AA 同时是最简单氨基酸(有对称结构）
      • 赖氨酸有2个-NH2（精氨酸有争议）
        • 天冬 谷有2个-COOH
      • 亚氨基酸：脯氨酸-羟脯氨酸（蛋白质转角结构）
      • 存在于天然蛋白质的20种
        • 不存在：鸟氨酸 瓜氨酸
      • 第21种氨基酸：硒代半胱氨酸 （存在于天然蛋白质）
  • 氨基酸的性质
    • 两性解离
      • 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称为氨基酸的等电点
    • 紫外线吸收功能（含共轭双键）
      • 由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值
    • 茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 最大吸收峰570nm
  • 氨基酸成肽
    • 结构
      • 肽键
        • 在甘酰甘氨酸分子中连接两个氨基酸的酰胺键
      • 氨基酸残基
        • 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全
    • 寡肽
      • 由2～20个氨基酸相连而成的肽
    • 多肽
      • 20～50个氨基酸相连而生成的肽
    • 生物活性肽
      • 谷胱甘肽（GSH）
        • 由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
        • GSH巯基具有还原性
          • 重要的还原剂 保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态
          • 蚕豆病（缺乏G6PD） 无法还原被氧化的巯基 红细胞易破碎
        • GSH巯基还具有嗜核特性
          • 与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害
      • 多肽类激素及神经肽体
        • 与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系
• 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
    • 概念：在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序
    • 化学键:肽键，二硫键
    • 是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，并不是决定蛋白质构象的唯一因素
      • 还有分子伴侣
        • 通过提供一个保护环境而加速蛋白质折叠成天然构象或四级结构
  • 多肽连的局部有规则重复的主链构象为蛋白质二级结构
    • 相关概念
      • 局部空间结构，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
      • 肽链主链骨架原子
        • N（氨基氮原子）、C（α-碳原子）和C（羧基碳原子）3个原子依次重复排列
      • 参与肽键形成的6个原子在同一平面上
      • 氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
    • 分类
      • α-螺旋
        • ①右手螺旋为主 顺时针 ②螺距为0.54nm，总共有3.6个氨基酸 ③R侧链在外侧 氢键与长轴平行
      • β-折叠
        • 使多肽链形成片层结构
      • 蛋白质的主要形式
      • β-转角和Ω-环存在于球状蛋白质中
  • 多肽连进一步折叠成蛋白质三级结构
    • 概念:整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
    • 主要化学键:疏水键、离子键、氢键、范德华力
    • 结构域
      • 分子量较大的蛋白质常可折叠成多个较为紧密且稳定的区域，并具有特定功能
  • 含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
    • 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
      • 每一条多肽链中完整的三级结构
      • 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，以非共价键相连
        • 胰岛素只有3级结构 因其AB亚基通过共价键相连
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
    • 用尿素（或盐酸胍）和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽
    • 镰状细胞贫血（分子病）
      • β2第6AA 谷氨酸（酸）→缬氨酸（中）
      • 原是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状，在脾脏破坏，产生贫血
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 肌红蛋白
      • 1条肽链+血红素
    • 血红蛋白
      • 4条肽链+4血红素
        • 两种亚基组成的四聚体
      • 协同效应
        • 一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化 更易结合氧
          • 氧解离曲线S型的本质
          • 别构剂：O2 别构蛋白：Hb
        • 每个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中难以释放氧，失去了血红蛋白原有的运输氧的作用
    • 蛋白质构象疾病
      • 若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，可导致疾病发生
      • 人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默病、亨廷顿病
      • 疯牛病
        • 蛋白质构象病
        • 由朊病毒蛋白引起
        • 特点:传染性、遗传性或散在发病
• 蛋白质的理化性质
  • 同氨基酸的3种性质
  • 特有性质
    • 是大分子 有胶体性质
      • 水化膜
      • 颗粒表面的电荷（常带-电）
    • 变性与复性
      • 蛋白质变性
        • 本质
          • 空间构象改变（不涉及1）
          • 主要发生在二硫键和非共价键的破坏
          • 表征
            • 溶解度降低 黏度上升 结晶能力消失
            • 生物活性消失 易被水解
            • 280nm吸光度增加 暴露双键增多
        • 应用
          • 消毒、灭菌
      • 蛋白质复性
        • 变性后部分或完全恢复生物功能/构象
    • 显色反应
      • 双缩脲反应
        • 有肽键
          • 生成紫红色络合物-检测水解程度
      • 茚三酮反应
        • 有氨基
  • 分离与纯化
    • 分子量
      • 离心法：沉降系数不同
      • 透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物(如硫酸铵、水)分开
      • 超滤：应用正压或离心力使蛋白质溶液透过超滤膜
      • 凝胶过滤层析：大分子先出来（凝胶柱内填充带孔颗粒物）
    • 两性解离
      • 电泳：带点多 分子量小的跑的快
      • 离子交换层析
        • 阴离子交换柱-带+电荷-用阴离子溶液洗涤-带电少的先被洗脱下来（先阳后阴）
    • 胶体性质
      • 盐析
        • 将硫酸铵 硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，即去除蛋白质在水溶液中的稳定性因素（水化膜）
• 主题

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质相关概念
  • 蛋白质
    • 细胞干重的70%
    • 含氮量约为16%
  • 蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
    • 根据蛋白质组成成分
      • 单纯蛋白质
      • 缀合蛋白质
        • 非蛋白部分（辅基
    • 根据其形状
      • 纤维状蛋白质
      • 球状蛋白质
  • 蛋白质的主要功能
    • 构成细胞和生物体结构
    • 物质运输（血红蛋白）
    • 催化作用（酶）
    • 信息交流（受体）
    • 免疫功能（抗体）
    • 氧化供能（蛋白质）
    • 维持机体酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
• 蛋白质的分子组成
  • 氨基酸结构/分类
    • 概述
      • 自然界中:氨基酸有300余种
      • 参与蛋白质合成的氨基酸有20种（有遗传编码）
        • L-α-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
    • 分类
      • 非极性脂肪酸氨基酸
        • 甘 丙 缬 异亮 亮 脯 甲硫（蛋）
      • 极性中性氨基酸
        • 谷氨酰胺 丝 苏 半胱 天冬酰胺
      • 芳香族氨基酸
        • 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
      • 酸性氨基酸（至少有俩羧基）
        • 天冬氨酸 谷氨酸
      • 碱性氨基酸（至少有俩氨基）
        • 精氨酸 赖氨酸 组氨酸
    • 特殊氨基酸
      • 无遗传编码:硒代半胱氨酸 吡咯赖氨酸
      • 除甘氨酸都是L-α-AA 同时是最简单氨基酸(有对称结构）
      • 赖氨酸有2个-NH2（精氨酸有争议）
        • 天冬 谷有2个-COOH
      • 亚氨基酸：脯氨酸-羟脯氨酸（蛋白质转角结构）
      • 存在于天然蛋白质的20种
        • 不存在：鸟氨酸 瓜氨酸
      • 第21种氨基酸：硒代半胱氨酸 （存在于天然蛋白质）
  • 氨基酸的性质
    • 两性解离
      • 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称为氨基酸的等电点
    • 紫外线吸收功能（含共轭双键）
      • 由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值
    • 茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 最大吸收峰570nm
  • 氨基酸成肽
    • 结构
      • 肽键
        • 在甘酰甘氨酸分子中连接两个氨基酸的酰胺键
      • 氨基酸残基
        • 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全
    • 寡肽
      • 由2～20个氨基酸相连而成的肽
    • 多肽
      • 20～50个氨基酸相连而生成的肽
    • 生物活性肽
      • 谷胱甘肽（GSH）
        • 由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
        • GSH巯基具有还原性
          • 重要的还原剂 保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态
          • 蚕豆病（缺乏G6PD） 无法还原被氧化的巯基 红细胞易破碎
        • GSH巯基还具有嗜核特性
          • 与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害
      • 多肽类激素及神经肽体
        • 与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系
• 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
    • 概念：在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序
    • 化学键:肽键，二硫键
    • 是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，并不是决定蛋白质构象的唯一因素
      • 还有分子伴侣
        • 通过提供一个保护环境而加速蛋白质折叠成天然构象或四级结构
  • 多肽连的局部有规则重复的主链构象为蛋白质二级结构
    • 相关概念
      • 局部空间结构，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
      • 肽链主链骨架原子
        • N（氨基氮原子）、C（α-碳原子）和C（羧基碳原子）3个原子依次重复排列
      • 参与肽键形成的6个原子在同一平面上
      • 氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
    • 分类
      • α-螺旋
        • ①右手螺旋为主 顺时针 ②螺距为0.54nm，总共有3.6个氨基酸 ③R侧链在外侧 氢键与长轴平行
      • β-折叠
        • 使多肽链形成片层结构
      • 蛋白质的主要形式
      • β-转角和Ω-环存在于球状蛋白质中
  • 多肽连进一步折叠成蛋白质三级结构
    • 概念:整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
    • 主要化学键:疏水键、离子键、氢键、范德华力
    • 结构域
      • 分子量较大的蛋白质常可折叠成多个较为紧密且稳定的区域，并具有特定功能
  • 含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
    • 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
      • 每一条多肽链中完整的三级结构
      • 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，以非共价键相连
        • 胰岛素只有3级结构 因其AB亚基通过共价键相连
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
    • 用尿素（或盐酸胍）和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽
    • 镰状细胞贫血（分子病）
      • β2第6AA 谷氨酸（酸）→缬氨酸（中）
      • 原是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状，在脾脏破坏，产生贫血
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 肌红蛋白
      • 1条肽链+血红素
    • 血红蛋白
      • 4条肽链+4血红素
        • 两种亚基组成的四聚体
      • 协同效应
        • 一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化 更易结合氧
          • 氧解离曲线S型的本质
          • 别构剂：O2 别构蛋白：Hb
        • 每个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中难以释放氧，失去了血红蛋白原有的运输氧的作用
    • 蛋白质构象疾病
      • 若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，可导致疾病发生
      • 人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默病、亨廷顿病
      • 疯牛病
        • 蛋白质构象病
        • 由朊病毒蛋白引起
        • 特点:传染性、遗传性或散在发病
• 蛋白质的理化性质
  • 同氨基酸的3种性质
  • 特有性质
    • 是大分子 有胶体性质
      • 水化膜
      • 颗粒表面的电荷（常带-电）
    • 变性与复性
      • 蛋白质变性
        • 本质
          • 空间构象改变（不涉及1）
          • 主要发生在二硫键和非共价键的破坏
          • 表征
            • 溶解度降低 黏度上升 结晶能力消失
            • 生物活性消失 易被水解
            • 280nm吸光度增加 暴露双键增多
        • 应用
          • 消毒、灭菌
      • 蛋白质复性
        • 变性后部分或完全恢复生物功能/构象
    • 显色反应
      • 双缩脲反应
        • 有肽键
          • 生成紫红色络合物-检测水解程度
      • 茚三酮反应
        • 有氨基
  • 分离与纯化
    • 分子量
      • 离心法：沉降系数不同
      • 透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物(如硫酸铵、水)分开
      • 超滤：应用正压或离心力使蛋白质溶液透过超滤膜
      • 凝胶过滤层析：大分子先出来（凝胶柱内填充带孔颗粒物）
    • 两性解离
      • 电泳：带点多 分子量小的跑的快
      • 离子交换层析
        • 阴离子交换柱-带+电荷-用阴离子溶液洗涤-带电少的先被洗脱下来（先阳后阴）
    • 胶体性质
      • 盐析
        • 将硫酸铵 硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，即去除蛋白质在水溶液中的稳定性因素（水化膜）
• 主题