导图社区 蛋白质的结构和功能
生物化学，核酸的结构和功能知识点总结。包括概述分子组成，分子结构，蛋白质的分离纯化，理化性质，结构与功能的内容梳理。
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核酸的结构和功能
概述
分类
脱氧核糖核酸（DNA）
存在于细胞核和线粒体内，携带着决定个体基因型的遗传信息
核糖核酸（RNA）
存在于细胞质和细胞核内，参与遗传信息的表达，（在某些病毒中RNA也可以作为遗传信息的携带者）
基本结构
基本组成单位：氨基酸
基本化学键：肽键
生理功能
蛋白质是构成生物体的重要组成物质
分布广；含量高；占人体干重的15%
蛋白质具有重要的生物学功能
1)催化功能 2)调节功能 3)运动功能 4)运输功能 5)免疫防御功能 6)营养储存功能 7)机械支持功能 8)其他功能
分子组成
元素组成
元素：C、H、O、N、S 及微量P
每100克样品中的蛋白质含量=每克样品中含氮克数×6.25×100
基本结构单位：20种L-α-氨基酸（甘氨酸除外）
氨基酸
20中常见的氨基酸
1)非极性疏水性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)[F] 色氨酸(Trp)[W] 甲硫氨酸(Met) 脯氨酸(Pro)
2)不带电荷的极性、中性氨基酸
丝氨酸(Ser) 苏氨酸(Thr) 酪氨酸(Tyr) 天冬酰胺(Asn)[N] 半胱氨酸(Cys) 甘氨酸(Gly)
3)带正电荷的R基氨基酸(碱性氨基酸)
精氨酸(Arg)[R] 赖氨酸(Lys)[K] 组氨酸(His)
4)带负电荷的R氨基酸(酸性氨基酸)
天冬氨酸(Asp)[D] 谷氨酸(Glu)[E]
理化性质
两性解离与等电点
氨基酸是两性电解质 生理条件下，氨基酸同时带有两种电荷的离子，这种离子为兼性离子
等电点(pI)：氨基酸在溶液中解离程度受pH影响，在某一pH条件下，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相同，溶液中氨基酸的净电荷为零，成为兼性离子，它在电场中既不移向正极也不移向负极，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。
pI=1/2(pK1+pK2) pH<pI 阳离子 pH>pI 阴离子
紫外吸收性质
芳香族氨基酸有共轭双键
酪氨酸，色氨酸 最大吸收峰280nm . 苯丙氨酸 最大吸收峰259nm
测定蛋白质溶液280nm光吸收值，分析溶液中蛋白质含量快速简便
茚三酮反应
氨基酸与茚三酮共热，生成蓝紫色化合物，该化合物最大吸收峰位于570nm波长处
肽键
一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱水缩合形成的化学键 -CO-NH-
所有的肽键都是酰胺键
所有的酰胺键都是肽键
20个以内氨基酸组成寡肽，50个以下氨基酸组成多肽
肽键具有一定程度双键性质，不能自由旋转，参与肽键形成的六个原子在同一平面上
生物活性肽
谷胱甘肽（GSH）：重要还原剂，抗氧化（含有 -SH 巯基） . 由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成的三肽
分子结构
一级结构
概念
蛋白质多肽链上各种氨基酸从N端到C端的排列顺序称为蛋白质的一级结构
主要化学键
是肽键，其次是二硫键
一级结构是空间构象和特异生物学功能的基础
一级结构相似的蛋白质空间构象与功能相似
分子病:遗传基因的突变引起疾病称分子病 eg:镰刀型红细胞贫血
二级结构
蛋白质的二级结构是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，并不涉及氨基酸残基侧链的结构
是氢键
组成
肽单元
肽键中的四个原子和与之相邻的两个α-C原子位于同一刚性面构成一个肽单元
α螺旋
右手螺旋 螺距0.54nm 一圈包含3.6个氨基酸残基 氢键与长轴平行（半口吃了三个半）
β折叠
使多肽链形成片层结构 锯齿状
β转角
肽链内形成180°回折 含四个氨基酸残基 第一个与第四个形成氢键，第二个氨基酸残基常为脯氨酸
Ω环
新发现的处于球状蛋白质表面的二级结构
无规卷曲
指的是溶液中的变性蛋白质，其折叠完全展开后形成的完全无序且快速变动的结构
超二级结构——模体
蛋白质分子中两个或三个具有二级结构的肽段空间上相互接近，形成具有特殊功能的空间构象称模体 模序 超二级结构
表现为：αα、βαβ、ββ 其相互作用主要由非极性氨基酸残基参与
eg：锌指结构、亮氨酸拉链、螺旋环螺旋结构
三级结构
整条肽链中所有原子在三维空间的排布即整条肽链的全部氨基酸空间位置
化学键
疏水作用、离子键(盐键)、氢键、范德华力
只有具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性
结构域
概念：大分子蛋白的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状区域，折叠较为紧 密、各行其功能
结构域与分子整体以共价键相连
四级结构
蛋白质分子中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
离子键 、氢键
亚基
二条肽链以上多肽构成，每条肽链具有三级结构，每条肽链称为一个亚基，各亚基之间以氢键、离子键相连
具有四级结构的蛋白质其亚基单独存在时一般没有生物学活性
蛋白质的分离纯化
等电点沉淀法分离提取蛋白质
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
电泳：带电颗粒在电场中泳动的现象，称为电泳
在同一电场强度下，颗粒所带净电荷越多，分子量越小，及为球状分子，泳动速度越快，反之则慢
蛋白质的离子交换层析
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；需要利用阴离子和阳离子交换剂
当被分离的蛋白质溶液流金经离子交换层析时，带有相反电荷的蛋白质可因静电吸引力而吸附于柱内，随后又可被带同样性质电荷的离子所置换而被洗脱
透析与超滤法分离纯化蛋白质
把含有小分子杂质的蛋白质溶液放于透析袋内，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，称为透析法
超滤法是利用一种压力活性膜，在外界推动力作用下截流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
蛋白质的沉降与超速离心分离
离心力超过蛋白质分子的扩散力，所以蛋白质分子可以在此力场中沉降，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
分子量小的所需离心力大，分子量大的所需离心力小，故可用超速离心法分离蛋白质，以测量其分子量
凝胶过滤法分离纯化蛋白质
凝胶过滤又成分子筛层析， 它是依据蛋白质分子量大小进行分离的技术
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，通过颗粒的空隙上下流动，移动速率较快，通过层析柱的时间较短
两性解离及等电点
等电点
在某一pH条件下的溶液中，蛋白质解离成阴阳离子的趋势相等，净电荷数为零，即成兼性离子，此时溶液的pH成为蛋白质的等电点
在等电点，蛋白质为兼性离子，但有相等的正、负电荷成为中性微粒， 故在等电点溶解性最小，易于沉淀
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
蛋白质的呈色反应
蛋白质分子内含有游离氨基，所以与水和茚三酮反应生成蓝紫色化合物（脯氨酸和羟氨酸与茚三酮反应成呈黄色）
双缩尿反应
肽键在稀NaOH溶液中与稀CuSO4溶液共热时呈现紫色或红色
此法还可用检测蛋白质的水解程度， 蛋白质水解越完全溶液颜色越浅
紫外吸收特性
由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在28nm波长处有特征性吸收峰
蛋白质的高分子性质
蛋白质亲水胶体的稳定因素
水化膜
颗粒表面电荷
蛋白质沉淀
①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
特点
盐析时，若溶液的pH=pI，则效果最好
盐析沉淀的蛋白质通常不发生变性，故此法常用于天然蛋白质的分离，但是沉淀的蛋白质中混有大量中性盐，必须经透析，超滤等方法除去
②重金属盐沉淀蛋白质
重金属离子如银离子，汞离子，铜离子等可与呈负电状态的蛋白质结和，形成不溶性蛋白质盐沉淀
沉淀的条件以pH>pI为宜
重金属中毒患者口服大量酪蛋白，清蛋白等，再用催吐剂将与蛋白质结合的重金属盐呕吐出来以解毒
③生物碱试剂与某些酸沉淀蛋白质
能沉淀各类生物碱的化学试剂称为生物碱试剂
沉淀的条件是pH<pI
可用此法制备无蛋白质的血液，如测血糖时可用钨酸沉淀蛋白质； 此反应也可用于检测尿中蛋白质
④有机溶剂沉淀蛋白质 【防变性】
可与水混合的有机溶剂，如乙醇，甲醇，丙酮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
在常温下，有机溶剂沉淀蛋白质往往引起变性，eg:用乙醇可消毒灭菌
优点
有机溶剂易蒸发出去
在低温、低浓度、短时间则变性缓慢或不变性，可用于提取生物材料中的蛋白质
蛋白质的变性絮凝及凝固
变性
可逆变性
不可逆变性
概念：在某些物理或化学因素作用下，蛋白质的空间结构破坏，导致蛋白质若干理化性质的改变，生物学活性的丧失
本质：破坏非共价键，二硫键，不改变一级结构氨基酸序列
该类蛋白特点结晶能力丧失，黏度增加，呈色性增强，易被蛋白酶水解，生物活性丧失
复性
在变性条件不剧烈，变性蛋白质内部结构变化不大时，除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质的复性
絮凝
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,这种现象称为变性蛋白质的絮凝作用
凝固
絮凝作用所生成的絮状物仍能在溶于强酸或强碱中，如在加热，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，这种现象称为蛋白质的凝固作用
结构与功能
蛋白质一级结构与功能的关系
蛋白质一级结构是空间结构是基础
一级结构决定高级结构
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
蛋白质一级结构与分子病
分子病：由遗传基因的突变引起的疾病
镰刀细胞贫血（血红蛋白中的谷氨酸换成了缬氨酸）
蛋白质空间结构与功能的关系
协同效应
是指一个亚基与其配体结合后，影响该具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
别构效应
空间结构的改变，伴随功能变化
芳香族
酪氨酸
色氨酸
苯丙氨酸
含有两个氨基
还原性强，巯基-SH，可形成二硫键
各种蛋白质的含N量很接近，平均为16%
三级结构层次上的局部折叠区
