蛋白质结构与功能

蛋白质结构与功能知识点梳理，包括功能，分子组成，基本结构，单位分类，分子结构。蛋白质的呈色反应等等内容。

蛋白质结构与功能

• 功能
  • 催化功能
    • 由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质称为酶，生物体新陈代谢的全部化学反应都是由酶来催化完成的
  • 调节功能
    • 在生物体正常的生命活动如代谢、生长、发育、分化、生殖等过程中，多肽和蛋白质激素起着较为重要的调节作用
  • 运输功能
    • 在生命活动过程中，许多小分子及离子的运输是由各种专一的蛋白质来完成的，它们携带小分子从一处到另一处，通过细胞膜，在血液循环中、不同组织间运载代谢物
  • 运动功能
    • 从最低等的细菌鞭毛运动到高等动物的肌肉收缩都是通过蛋白质实现的，即某些蛋白质使细胞和器官具有收缩能力，可使其改变形状或运动
  • 免疫和防御功能
    • 生物体为了维持自身的生存而拥有多种类型的防御手段，其执行者大多数为蛋白质
  • 营养和储存功能
    • 卵清蛋白和牛奶中的酪氨酸是提供氨基酸的储存蛋白质
  • 机械支持和保护功能
    • 许多蛋白质可形成“细丝”“薄片”或“缆绳”结构，具有机械支持及保护功能
  • 其他功能
    • 有些蛋白质的功能相当特异，如M-甜蛋白是非洲的一种植物蛋白，很甜 可作为一种非脂肪性、非毒性的甜味剂
• 分子组成
  • 元素组成
    • CHONS
      • 有些蛋白质还含有少量磷或硒以及金属元素铁，铜，锌，锰，钴，钼等，个别蛋白质还含有碘
• 基本结构单位
  • L-α-氨基酸（20种）
    • 一般结构式
      • 在连接羧基的α-碳原子上还有一个氨基，故称α-氨基酸
    • 分类
      • 非极性R基氨基酸
        • 丙氨酸Ala
        • 缬氨酸Val
        • 亮氨酸Leu
        • 异亮氨酸Ile
        • 苯丙氨酸Phe
        • 色氨酸Trp
        • 甲硫氨酸Met
        • 脯氨酸Pro
      • 不带电荷的极性R基氨基酸
        • 丝氨酸Ser
        • 苏氨酸Thr
        • 酪氨酸Tyr
        • 谷氨酰胺Gln
        • 天冬氨酸Asn
        • 半胱氨酸Cys
        • 甘氨酸Gly
      • 带正电的R基氨基酸
        • 精氨酸Arg
        • 赖氨酸Lys
        • 组氨酸His
      • 带负电的R基氨基酸
        • 天冬氨酸Asp
        • 谷氨酸Glu
    • 特殊氨基酸
      • 硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸
        • 是生物体内组成蛋白质的第21和第22种基本氨基酸
      • 非基本氨基酸
        • 除上述直接由遗传基因编码的基本氨基酸以外，生物体内尚存在多种非基本氨基酸，包括蛋白质分子中的氨基酸衍生物，不构成蛋白质的生物活性氨基酸等
    • 理化性质
      • 两性解离及等电点
        • 氨基酸的解离方式取决于其所处环境的酸碱度，在某一pH值条件下，氨基酸解离成阳离子及阴离子的程度和趋势相等，静电荷数为零，成为兼性离子，它在电场中既不移向负极，也不移向正极，此时，氨基酸所处环境的pH值称为该氨基酸的等电点，即pI
      • 紫外吸收性质
        • 由于大多数蛋白质均含有酪氨酸，色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280纳米波长处的吸光度是分析溶液中蛋白质含量的一种最快速简便的方法
      • 茚三酮反应
        • 氨基酸与茚三酮的水合物共同加热，氨基酸可被氧化分解，生成醛，氨及二氧化碳，茚三酮水合物则被还原
    • 肽键和多肽链
      • 氨基酸的成肽反应
        • 二肽
          • 两分子氨基酸可由一个分子中的α-氨基与另一个分子中的α-羧基脱水缩合成为最简单的肽
        • 肽键
          • 在这两个氨基酸之间形成的酰胺键
        • 寡肽
          • 由20到30个以内氨基酸连成的肽
        • 多肽
          • 有比其更多的氨基酸连接而成的肽
        • 多肽链
          • 有许多氨基酸相互连接形成的长链
        • 氨基酸残基
          • 多肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而使基团稍有残缺
      • 生物活性肽
• 分类
  • 按分子组成分类
    • 单纯蛋白质
      • 只由氨基酸组成，其水解的最终产物只有氨基酸
    • 结合蛋白质
      • 由单纯蛋白质与非单纯蛋白质结合而成，其中的非蛋白质物质称为该结合蛋白质的辅基
  • 按分子形状或空间结构分类
    • 纤维状蛋白质
      • 纤维状蛋白质分子很不对称，其分子长轴/短轴长度＞10，溶解性差别较大
    • 球状蛋白质
      • 球状蛋白质的溶解性较好，其分子形状接近球形，分子长轴/短轴长度＜10，空间结构比纤维状蛋白质更复杂，生物体内的蛋白质多属于这一类
  • 按功能分类
    • 酶蛋白
    • 调节蛋白质
    • 运输蛋白质等
• 分子结构
  • 蛋白质的一级结构
    • 蛋白质多肽链上各种氨基酸从N端至C端的排列顺序称为蛋白质的一级结构，不涉及蛋白质分子的立体结构，肽键是其基本化学键，有些尚含有二硫键
  • 蛋白质的二级结构
    • 指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，并不涉及氨基酸残疾侧链的结构
      • α螺旋结构
        • 特点
          • 多肽链主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升
          • 第一个肽平面羰基上的氧与第四个肽平面亚氨基上的氢，形成氢键。氢键的方向与螺旋长轴基本平行
          • 组成人体蛋白质的氨基酸都是L-α-氨基酸，形成右手螺旋。侧链R基团伸向螺旋外侧
      • 肽单元
      • β折叠
        • 特点
          • 多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状结构，侧链R基团交错位于锯齿状结构的上下方
          • 两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列，它们之间靠肽键，羰基氧和亚氨基氢形成链间氢键维系，使结构稳定，氢键的方向与β折叠的长轴垂直
          • 若两条钛链走向相同，均从N端指向C端称顺平行折叠，其两残基间距为0.65纳米，反之，成反平行折叠
      • β转角等
        • 在非重复区的某些部位，多肽链主链常常会出现180度的回折，该回折部分称为β转角
  • 蛋白质的三级结构
    • 整条肽链中所有原子在三维空间的排布称为蛋白质的三级结构
      • 三级结构中，多肽链的盘曲方式由氨基酸残基的种类及排列顺序决定。三级结构的形成和稳定主要靠疏水键，离子键，二硫键，氢键和范德华力
      • 结构模体是二个或二个以上，具有二级结构的肽段在空间上相互接近而形成的一个特殊的空间结构，也称蛋白质的超二级结构
        • 锌指
        • 亮氨酸拉链
        • 螺旋-环-螺旋
      • 结构域是多肽链中稳定存在且相对独立，在空间上可以明显区别的局部区域
  • 蛋白质的四级结构
    • 寡聚蛋白质中亚基的立体排布，亚基之间的相互关系称为蛋白质的四级结构
      • 这种蛋白质的镁条肽链形成的相对独立的三级结构，被称为一个亚基
      • 由亚基构成的蛋白质称为寡聚蛋白质
      • 蛋白质的四级结构的任何一个亚基单独存在，都无生物学功能
• 两性解离及等电点
  • 这些基团在一定pH条件下的溶液中可以结合或释放氢离子，这就是蛋白质两性解离的基础。在酸性溶液中，蛋白质解离成阳离子，在碱性溶液中，蛋白质解离成阴离子
  • 在某一pH条件下的溶液中，蛋白质结合成阴阳离子的趋势相等，净电荷数为零，即成碱性离子，此时，溶液的pH称为蛋白质的等电点
• 等电点沉淀法分离提纯蛋白质
  • 可以利用蛋白质在其等电点附近溶解度最小，容易沉淀析出的特性，以及各种蛋白质等等电点的差异，从一混合蛋白质溶液中分离出不同的蛋白质
• 蛋白质的电泳分离和分子量测量
  • 带点粒子在电场中运动的现象称为电泳
    • 带点粒子在电场中运动的速度取决于所带电荷的性质数目，颗粒的大小和形状等v＝EZ/Mf
  • 若将蛋白质混合液点在浸润有缓冲液的固体支持物上进行电泳，不同的组分形成几个区带，成为区带电泳
• 蛋白质的离子交换层析
  • 是利用蛋白质两性解离和等电点的特性分离蛋白质的一种技术。技术是利用阴离子和阳离子交换剂。
    • 阳离子交换剂
      • 弱酸型羧甲基纤维素
    • 阴离子交换剂
      • 弱碱型二乙基胺乙基纤维素
• 蛋白质亲水胶体的稳定因素
  • 蛋白质的分子量高达介于1万和100万Da，其分子的大小已达到胶体颗粒的大小，又因为蛋白质分子表面多为亲水基团，故具有亲水胶体的特性
• 透析与超滤法分离纯化蛋白质
  • 透析
    • 把含有小分子杂质的蛋白质溶液放入袋内，将袋置于流动的水或缓冲液中，小分子杂质从袋中透出，大分子蛋白质留于袋内，蛋白质得以纯化
      • 用于除去以盐析法纯化的蛋白质中带有的大量中性盐及以密度梯度离心法纯化蛋白质混入的氯化铯，蔗糖等小分子物质
  • 超滤法
    • 利用一种压力活性膜，在外界推动力作用下，截留水中分子量相对较高的大分子蛋白质，而小分子物质颗粒和溶剂透过膜的分离过程。可选择不同孔径的超滤膜以截留不同分子量的蛋白质
      • 用于各种高分子溶液的脱盐浓缩分离和纯化等
• 蛋白质的沉降与超速离心分离
  • 沉降的速度与蛋白质分子量的大小，分子的形状和密度，以及溶剂的密度有关
  • 沉降系数是指单位离心力场强下的沉降速度，常用来表示沉降分子的大小
    • 颗粒的沉降速度与它的分子量成正比
    • 密集的颗粒比疏松颗粒移动快
    • 分子形状可影响粘滞阻力
    • 沉降速度依赖于容器的密度
• 凝胶过滤法分离纯化蛋白质
  • 凝胶过滤又称分子筛层析。小分子物质进入颗粒的孔内，向下流动的路径加长，移动缓慢，大分子物质不能进入孔内，通过颗粒的空隙向下流动，移动速率较快
• 蛋白质的沉淀
  • 盐析
    • 在蛋白质溶液中若加大量中性盐，蛋白质胶体的水化膜即被破坏，其所带电荷也被中和，蛋白质胶体因失去这两种稳定因素而沉淀
      • 盐析蛋白质常用的中性盐，有硫酸氨，硫酸钠和氯化钠等
  • 重金属盐沉淀蛋白质
    • 沉淀的条件1以pH稍大于蛋白质的pI为宜
  • 生物碱试剂与某些酸沉淀蛋白质
    • PH小于蛋白质的pI
      • 能沉淀各类生物碱的化学试剂称为生物碱性试剂，如苦味酸，鞣酸，钨酸等，还有某些酸如三氯醋酸，磺基水杨酸，硝酸等，均可呈正点状态的蛋白质结合成不溶性的盐而沉淀
  • 有机溶剂沉淀蛋白质
    • 可与水混合的有机溶剂，如乙醇，甲醇，丙醇等能与蛋白质争夺水分子，破坏蛋白质胶体颗粒的水化膜，使蛋白质沉淀析出。
• 蛋白质的变性、絮状及凝固
  • 蛋白质的变性作用
    • 蛋白质的结构决定了它的性质和功能，在某些物理或化学因素作用下，蛋白质的空间结构破坏（但不包括肽链的断裂等一级结构变化），导致蛋白质若干理化性质的改变，生物学活性的丧失
      • 不可逆变性
        • 大多数蛋白质变性是其空间结构破坏严重，不能恢复
      • 可逆变性
        • 但有些蛋白质在变性后除去变性因素，仍可恢复其活性
  • 变性蛋白质的絮凝作用
    • 蛋白质被强酸或强碱变性后，仍能溶于强酸或强碱溶液中。若将此强酸或强碱溶液的pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物
  • 蛋白质的凝固作用
    • 絮凝作用所生成的絮状物，仍能再溶于强酸或强碱中，如再加热，则絮状物变为比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸或强碱中
• 蛋白质的呈色反应
  • 蛋白质由氨基酸组成，氨基酸的呈色反应性质必定会在蛋白质高分子上表现出来，因此蛋白质也能呈多种颜色反应
    • 阳性双缩脲反应
      • 可以检测蛋白质的水解程度（蛋白质水解越完全，则溶液颜色越浅）
• 别构效应
  • 这种蛋白质分子在表现功能的过程中，一个配体与特定部位的结合，会使蛋白质分子发生构象改变，进而影响蛋白质分子的功能
• 协同效应
  • 是指一个亚基与其配体结合后，影响該寡聚体中另一个亚基与配体的结合能力，如果是促进作用称为正协同效应，反之为负协同效应
• 蛋白质的一级结构是空间结构的基础
• 蛋白质的一级结构与分子病
  • 人类有很多分子病已被查明，是由于某种蛋白质缺乏或异常所导致的，这些异常的蛋白质与正常蛋白质相比，可能仅有一个氨基酸发生改变
• 蛋白质一级结构的种属差异
  • 蛋白质特定的结构执行特定的功能比较中暑来源不同，而功能相同的蛋白质的以及结构可能发现某些差异，但与功能相关的结构却总是相同的，若以及结构改变蛋白质的功能可能发生很大的变化