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生物化学蛋白质知识点梳理,蛋白质是构成一切细胞和组织的重要组成成分,而且也是生物体细胞中含量最丰富的高分子有机化合物。快来看蛋白质的化学组成、分子结构、结构与功能、性质、分离纯化与结构分析、蛋白质类药物研究与应用的知识。
编辑于2023-04-02 02:19:00 甘肃蛋白质
概述
蛋白质是构成一切细胞和组织的重要组成成分,而且也是生物体细胞中含量最丰富的高分子有机化合物
蛋白质的主要生物学功能
1.生物催化作用
2.代谢调节作用
3.免疫保护作用
4.转运和贮存作用
5.运动与支持作用
6.控制生长和分化作用
7.接收和传递信息作用
8.生物膜功能
蛋白质组学:是一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律的新兴学科
蛋白质的分类
1.化学组成
单纯蛋白质:仅由氨基酸组成
结合蛋白质:除氨基酸还含有非蛋白质的辅基
2.溶解度不同(3)
可溶、醇溶、不溶性蛋白质
3.分子形状不同
纤维状蛋白质:分子呈纤维状或棒状分子长轴和短轴的比一般大于10
球状蛋白质
3.功能不同
活性蛋白质:多为球状蛋白质,特性在于都有识别功能
非活性蛋白质:起保护和支撑作用
蛋白质的化学组成
一切蛋白质皆含有氮,并且大多数蛋白质含氮量比较接近且恒定,平均为16%,是各种定氮法测定蛋白质含量的计算基础
蛋白质含量=蛋白质含氮量x100/16=蛋白质含氮量x6.25
基本氨基酸:可以组成蛋白质的20余种氨基酸
基本氨基酸特点
1.除Pro为α-亚氨基酸,其他都为α-氨基酸
2.不同氨基酸R侧链不同
3.除R侧链是H的Gly以外,其他氨基酸的α-碳原子都是不对称碳原子,可形成不同的构型,具有旋光性质
以侧链R基团结构和性质分类
1.非极性R基氨基酸:R基为疏水性,在水中溶解度比极性小
非姐,脯亮一亮,(给你)本饼干[缬氨酸,脯氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,苯丙氨酸,丙氨酸,甘氨酸]
2.极性不带电荷R基氨基酸
含羟基氨基酸(丝、苏、酪);酰胺类氨基酸(天胺、谷胺),含巯基半胱氨酸、甘氨酸
3.带负电荷R基氨基酸
谷、天(带两个羧酸,是酸性氨基酸)
4.带正电荷R基氨基酸
赖、精、组(碱性氨基酸)
其他分类
必需氨基酸
携一本蛋色书来 [缬氨酸,异亮(亮)氨酸,苯丙氨酸,蛋氨酸(甲硫氨酸),色氨酸,苏氨酸,赖氨酸]
半必须氨基酸
半斤组 [精(斤)氨酸,组氨酸]
含硫氨基酸
硫甲硫,胱半胱 [甲硫氨酸,半胱氨酸,胱氨酸]
芳香族氨基酸
老芳本色 [酪氨酸,苯丙氨酸,色氨酸]
支链氨基酸
支姐,亮一亮 [缬氨酸,亮氨酸,异亮氨酸]
酸性氨基酸
酸谷天(三伏天) [谷氨酸,天冬氨酸]
碱性氨基酸
碱组精赖 [组氨酸,精氨酸,赖氨酸]
生糖氨基酸
姐,天天,哭哭(谷谷),脯(羟)脯,(要吃)半斤组蛋饼(和)钢丝 [缬氨酸,天冬氨酸,天冬酰氨,谷氨酸,谷氨酰氨,脯(羟)脯氨酸,半胱氨酸,精氨酸,组氨酸,蛋氨酸,丙氨酸,甘氨酸,丝氨酸]
生酮氨基酸
酮赖亮 [赖氨酸,亮氨酸]
生糖兼生酮氨基酸
一本老色书 [异亮氨酸,苯丙氨酸,酪氨酸,色氨酸,苏氨酸]
生成一碳单位氨基酸
一组色钢丝 [组氨酸,色氨酸,甘氨酸,丝氨酸]
含硫氨基酸
半胱、胱、蛋
支链氨基酸
缬、异、亮
可被磷酸化氨基酸
酪、丝、苏
不参与转氨基的氨基酸
不抢书来 (脯、羟脯、苏、赖)
基团
带两个氨基:赖氨酸 带两个羧基:谷氨酸、天冬氨酸 胍基:精氨酸 咪唑基:组氨酸
分类三个方向
按R基结构和性质分(非极、极、酸、碱)
按营养学(非必需、必需<人不能合成>)
自然界分类(基本氨基酸、稀有氨基酸、非蛋白质氨基酸)
不常见的特有氨基酸:在蛋白质生物合成中没有翻译密码,是蛋白质生物合成由相应氨基酸残基经加工修饰形成的
羟脯氨酸、羟赖氨酸、胱氨酸、四碘甲腺原氨酸(甲状腺素T4)
非蛋白质氨基酸以游离或结合形式存在,但不存在于蛋白质中
β-丙氨酸、D-苯丙氨酸、同型半胱氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、γ-氨基丁酸(GABA)
物理性质
α-氨基酸都能溶于酸性或碱性溶液中,但难溶于乙醚等有机溶剂
在纯水中各种氨基酸溶解度差异较大,加乙醇能使许多氨基酸从水溶液中沉淀析出
具有旋光性,在天然氨基酸中除了甘氨酸,所有手性碳氨基酸都具有旋光性。旋光性大小取决于其R基性质,并与测定体系溶液的pH有关
化学性质
两性解离与等电点:氨基酸分子中既有碱性—NH2,又有酸性—COOH,与强酸或强碱能作用生成盐,因此氨基酸为两性化合物。
等电点(pI):氨基酸带有正、负电荷数目恰好相同,净电荷为0,此时溶液的pH
由于静电作用,在等电点时,氨基酸溶解度最小
正极吸正电,负极吸负电。pH<pI带正电
pI=1/2(pK1+pK2)
紫外吸收性质:在280nm附近有最大吸收值。色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸含有苯环共轭双键结构
茚三酮反应:氨基酸和茚三酮加热反应产生蓝紫色物质。脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮呈黄色,天冬酰胺与茚三酮呈棕色
氨基酸的生理功能
1.作为寡肽、多肽的组成单位
2.作为多种生物活性物质的前体
3.作为神经递质
4.氧化分解产生ATP
5.作为糖异生的前体
氨基酸的分离方法:溶解度法、等电点法、特殊试剂沉淀法、离子交换层析法
蛋白质的分子结构
蛋白质的一级结构是基础,它决定蛋白质的空间结构
一级结构
不同蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序各异,这是蛋白质结构的复杂性和生物学功能多样性的基础
肽键:也称酰胺键,是由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基脱水缩合而成
一般把十个以下氨基酸组成的肽,称为寡肽
多肽中的氨基酸由于参与肽键的形成,已非原来完整的分子,称为氨基酸残基
体内多肽和蛋白质生物合成时,是从N端开始,延长到C端终止,因此N末端被定为多肽链的头
一级结构:指多肽链中氨基酸的数量、排列顺序及其共价键连接。
一级结构是蛋白质作用的特异性、空间结构的差异性和生物学功能多样性的基础
一级结构除肽键外,还有少量二硫键
谷胱甘肽(GSH):由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。有还原性(GSH)和氧化型(GSSG)两种形式,在生理条件下还原型占绝大多数。
GSH分子特点:具有活性巯基(—SH)和γ-谷氨酰键,其中巯基是GSH最重要的功能基团。
GSH生理作用: 1.与毒性或药物结合 2.重要的还原剂 3.与巯基酶的活性基团—SH维持还原状态 4.消除氧化剂对红细胞结构的破坏
氨基酸组成的分析
二硝基氟苯(DNFB)法、二甲氨基萘磺酰氯(DNS-Cl)法:测定N末端氨基酸,但并不能在同一个肽链上重复应用,因为肽链在酸水解一步反应中已完全降解为氨基酸,使其在氨基酸顺序分析中受到限制。 氨肽酶法:测定N末端氨基酸,可测序,但酶对各种氨基酸残基水解速度不同,难度大,受限制
Edman降解法:测定N末端氨基酸,不会破坏余下多肽。不仅可以测定N末端残基,而且从N末端开始逐一把氨基酸残基切割下来,从而构成了蛋白质序列分析的基础。
一般C末端分析比N末端分析误差大
肼解法、羧肽酶法,测定C末端氨基酸
大分子多肽氨基酸顺序测定:目前测定方法是先将大分子多肽裂解为小肽片,经分离纯化后,分别测定各肽片顺序。要求选择性强、裂解点少、反应率高。方法有化学裂解法和酶解法。
一级结构主要化学键是肽键,也有少量二硫键,这些共价键因键能大。稳定性也较强。
蛋白质构象
蛋白质构象以一级结构为基础,是表现蛋白质生物学功能或活性所必需的。
蛋白质构象可分为蛋白质二级结构、三级结构、四级结构
维持蛋白质构象的化学键主要是一些次级键,也称副键。
一般来说次级键键能较小,因而稳定性较差。但由于次级键数量众多,因此在维持蛋白质分子的空间构象中起着极为重要的作用。主要次级键有氢键、疏水键、离子键、配位键、范德华力。
氢键:是次级键中键能最弱的,但其数量众多,所以是最重要的次级键,主链骨架上的氢键是维持蛋白质二级结构的主要次级键。侧链和主链骨架间的氢键是维持蛋白质三、四级结构所需的。
疏水键:是维持蛋白质三、四级结构的主要次级键
配位键:参与维持蛋白质三、四级结构。
二级结构
二级结构:指多肽链主链骨架本身在空间上有规律的折叠和盘旋。一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。常见二级结构有α螺旋、β折叠、β转角和无规卷曲等。
肽单位:肽键的四个原子(C、O、N、H)与相邻两个α碳原子共处一个平面内,这6个原子组成的基团称为肽单位。
肽单位特性: 1.肽键具有部分双键性质,不能自由旋转 2.肽单位是刚性平面结构 3.肽单位中与C-N相连的H和O原子与两个α碳原子呈反向分布。
在肽平面内Cα-C-N-Cα三个键中只有两端的α碳原子单键可以旋转,中间C-N键不能旋转,因此,多肽链的盘旋或折叠是由许多α碳原子旋转所决定的。
α螺旋
螺旋方向为右手螺旋,每3.6个氨基酸旋转一周,螺距为0.54nm,每个氨基酸残基的高度为0.15nm,肽键平面与螺旋长轴平行。
氢键是α螺旋稳定的主要次级键
肽链中氨基酸残基的R基侧链分布在螺旋外侧,其形状、大小及电荷等均影响α螺旋形成和稳定。
如多肽链存在 酸性或碱性氨基酸;较大的氨基酸残基的R侧链;脯氨酸或羟脯氨酸残基 则无法形成α螺旋。
β折叠
多肽链肽平面之间呈手风琴状折叠
肽键的伸展使肽键平面之间一般折叠成锯齿状
两条以上肽链(或一条多肽链的不同部分)平行排列
肽键平行的走向有顺式和反式两种。反式较顺式平行折叠更加稳定
肽链中氨基酸残基的R侧链分布在片层的上下
能形成β折叠的氨基酸残基一般不大,甘氨酸、丙氨酸在β折叠中出现的概率最高
β转角
伸展的肽链形成180°的回折。由四个连续氨基酸残基构成,氢键以维持其构象
无规卷曲:肽键平面不规则排列的无规律构象,称为自由折叠或无规卷曲。
一种蛋白质的二级结构并非单纯的α螺旋或β折叠结构,而是这些不同类型构象的组合,只是不同蛋白质各占多少不同而已
超二级结构
超二级结构又称基序、模体、模序,,是指相邻的二级结构彼此相互作用,形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。
常见α螺旋组合(αα)、β折叠组合(βββ)和α螺旋β折叠组合(βαβ)等
可直接作为三级结构的“建筑块”或结构域的组成单位,是介于二级结构和结构域间的一个构象层次,是蛋白质发挥特定功能的基础
三级结构
结构域:是在蛋白质的三级结构内的独立折叠单元,其通常都是几个基序结构单元的组合。是在较大的蛋白质分子中,由于多肽链上相邻的基序结构紧密联系,进一步折叠形成一个或多个相对独立的致密三维实体。
三级结构:蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘旋或折叠形成一定规律的三维空间结构,称为蛋白质的三级结构。(在一条多肽链中所有原子或基团在三维空间的整体排布。)
结构域是将三级结构打开后首先看到的结构,它具有独特的空间构象,与分子整体以共价键相连,并承担特定的生物学功能
次级键是稳定三级结构的主要化学键,如疏水键、氢键、离子键等
四级结构
肽链与肽链之间并不是通过共价键相连,而是由非共价键维系。
每条肽链都有自己的一、二、三级结构,这种蛋白质的每条肽链被称为一个亚基。
四级结构:由两个或两个以上的亚基之间相互作用,彼此以非共价键相连而形成更复杂的构象,称为蛋白质的四级结构。
亚基
1.亚基一般由一条多肽链组成,本身各具有一、二、三级结构。
2.由2-10个亚基组成具有四级结构的蛋白质称为寡聚体,更多亚基数目构成的蛋白质称为多聚体。
3.一般亚基多无活性,当它们构成完整四级结构的蛋白质时才表现出生物学活性
4.亚基通过非共价键相连
维持蛋白质四级结构的主要化学键是疏水键
亚基表面的疏水基侧链为了避开水相而相互作用形成疏水键,导致亚基的聚合
氢键、范德华力、离子键、二硫键等在维持四级结构中也起一定作用
蛋白质的结构与功能
蛋白质一级结构与功能的关系
1.一级结构不同,生物学功能各异
2.一级结构中的“关键”部分相同,其功能也相同
一些蛋白质或多肽的生物功能并不要求分子的完整性
3.一级结构“关键”部分变化,其生物活性也改变
4.一级结构的变化与疾病的关系
由遗传突变引起的、在分子水平上仅存在微观差异而导致的疾病,称为分子病
蛋白质空间构象与功能的关系
蛋白质分子特定的空间构象受破坏,其生物学功能也丧失
蛋白质以无活性的形式存在,在一定条件下,才转变为有特定构象的蛋白质而表现其生物活性
一些蛋白质由于受某些因素的影响,其一级结构不变而空间构象发生一定的变化,导致其生物学功能的改变,称为蛋白质的变构效应或别构效应
分子量较大的蛋白质多为具有四级结构的多聚体
血红蛋白是一个四聚体蛋白质,具有氧合功能,可在血液中运输氧。
一些蛋白质尽管其一级结构不变,但蛋白质的折叠发生错误,使其构象发生改变,仍可影响其功能,严重时可导致疾病发生。因蛋白质折叠错误或折叠导致构象异常变化引起的疾病,称为蛋白质构象病。(人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、牛脑海绵状病)
蛋白质的性质
蛋白质性质一部分与氨基酸相同或相关,如两性解离及等电点、紫外吸收性质、呈色反应等
蛋白质与低分子化合物有根本区别的大分子特性,如胶体性、变性和免疫学特性等。
变性与复性
某些物理的和化学的因素使蛋白质分子的空间构象发生改变或破坏,导致其生物活性的丧失和一些理化性质的改变,这种现象称为蛋白质的变性作用。
蛋白质变性作用的本质是破坏了形成与稳定蛋白质分子空间构象的次级键从而导致蛋白质分子空间构象的改变或破坏,而不涉及一级结构的改变或肽键的断裂。
生物活性的丧失是变性的主要表现,构象的破坏是蛋白质变性的结构基础。
变性的特征
生物活性的丧失:这是蛋白质变性的主要特征
某些理化性质的改变:变性后失去结晶的能力;溶解度降低易发生沉淀(空间结构破坏,疏水部位暴露导致蛋白质分子聚集沉降);引起球状蛋白不对称性增加、黏度增加、扩散系数降低;一般蛋白质变性后,分子结构松散,易为蛋白酶水解
变性物理因素:高温、紫外线、X射线、超声波、剧烈振荡
变性化学因素:强酸、强碱、尿素、去污剂、重金属(Hg2+、Ag+、Pb2+)、三氯乙酸、浓乙醇等。
如除去变性因素后,蛋白质构象可恢复者称可逆变性;构象不能恢复者称不可逆变性。
将天然核糖核酸酶在8mol/L脲中用β-巯基乙醇处理,则分子内的四对二硫键断裂,分子变成一条松散的肽链,此时酶活性完全丧失。但用透析法除去β-巯基乙醇(破坏二硫键)和脲(破坏氢键)后,复性
变性意义/应用
1.酒精、紫外线消毒,高温、高压灭菌等是使细菌蛋白变性而失去活性
2.中草药有效成分的提取或其注射液的制备也常用变性方法除去杂蛋白
3.在制备有生物活性的酶、蛋白质、激素或其他生物制品时,要求所需成分不变性,而不需要的杂蛋白应使其变性或沉淀除去。
变性的蛋白质,由于去除了引起其变性的因素,而恢复其原来的空间结构和生物活性以及其他的各种性质,这个过程称为蛋白质复性
两性电离与等电点
氨基酸分子含有氨基和羧基,它既可接受质子,又可释放质子,因此氨基酸是两性电解质。蛋白质分子中除两末端有自由的α-NH2和α-COOH外,许多氨基酸残基的侧链上尚有不少可解离的基团,所以蛋白质也是两性物质。
使蛋白质所带正负电荷相等,净电荷为0时溶液的pH,称为蛋白质的等电点
含酸性氨基酸较多的酸性蛋白,等电点偏酸;含碱性氨基酸较多的碱性蛋白,等电点偏碱。pH>pI时,蛋白质带负电荷,反之正电荷。体内多数蛋白质等电点在5左右,生理条件下,多以负离子形式存在。
蛋白质的等电点沉淀、离子交换和电泳等分离分析方法基本原理以两性电离与等电点特性为基础
胶体性质
蛋白质在溶液中所形成的质点大小为1-100nm,达到胶体质点的范围,有布朗运动、光散射现象、不能透过半透膜以及具有吸附能力等胶体溶液的一般特征
为什么蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体?
1.蛋白质表面具有水化层。水化层的存在使蛋白质颗粒相互隔开,阻止其聚集而沉淀
2.蛋白质表面具有同性电荷。在非等电点状态时,蛋白质颗粒皆带有同性电荷,同性电荷相互排斥,使蛋白质颗粒不发生聚集而沉淀
胶体性质是蛋白质盐析、等电点沉淀和有机溶剂分离沉淀法的基本原理
沉淀反应
中性盐沉淀反应
低盐浓度可使蛋白质溶解度增加,称为盐溶作用
高盐浓度时,因破坏蛋白质的水化层并中和其电荷,促使蛋白质颗粒相互聚集而沉淀,称为盐析作用
混合蛋白质溶液可用不同盐浓度使其分别沉淀,该方法称为分级沉淀。常用(NH4)SO4、NaCl、Na2SO4等,特点是析出的蛋白质不变性
有机溶剂沉淀反应
在蛋白质溶液中加入一定量的与水可互溶的有机溶剂,使蛋白质表面失去水化层相互聚集而沉淀。
加热沉淀反应
加热使蛋白质变性沉淀。在等电点时最易沉淀,偏酸、偏碱时,虽加热变性也不易沉淀
重金属盐沉淀反应
抢救误食重金属盐中毒患者时,给予大量蛋白质生产不溶性沉淀而减少重金属离子吸收
生物碱试剂沉淀反应
血液样品分析中无蛋白滤液的制备,中草药注射液中蛋白检查及鞣酸、苦味酸的收敛作用等原理皆以此反应为依据
蛋白质变性与沉淀反应是两个不同的概念,两者有联系但又不完全一致。蛋白质变性有时可表现为变性,亦可表现为溶解状态;同样,蛋白质沉淀有时可以是变性,亦可以不是变性
颜色反应
蛋白质的颜色反应实际上是其氨基酸一些基团以及肽键等与一定试剂所产生的化学反应,并非是蛋白质的特异反应
茚三酮反应:凡具有氨基、能放出氨的化合物几乎都有此反应
双缩脲反应:蛋白质分子中肽键的反应,肽键越多反应颜色越深。氨基酸无此反应
酚试剂反应:蛋白质分子中的酪氨酸、色氨酸可与酚试剂生成蓝色化合物
蛋白质分离纯化与结构分析
根据溶解度不同分离纯化
利用蛋白质溶解度的差异是分离蛋白质的常用方法之一
等电点沉淀、盐析沉淀、低温有机溶剂沉淀法
根据分子大小不同分离纯化
透析和超滤
透析法是利用蛋白质大分子对半透膜的不可透过性而与其他小分子物质分开
超滤法是依据分子大小和形状在10-8cm数量级进行选择性分离的技术。原理是利用超滤膜在一定的压力或离心力的作用下,大分子物质被截留,小分子物质则滤过排出。
超滤的优点是过程无相态变化、条件温和、蛋白质不易变性,常用于蛋白质溶液的浓缩、脱盐、分级纯化等
分子排阻层析
分子排阻层析又名分子筛层析、凝胶过滤。原理是利用蛋白质分子量的差异,通过具有分子筛性质的凝胶而被分离。
常用葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶、琼脂糖凝胶
当蛋白质分子的直径大于凝胶的孔径时,被排阻于胶粒之外;小于孔径者则进入凝胶
在层析洗脱时,大分子受阻最小而最先流出;小分子受阻大而最后流出。结果使大小不同的物质分离。
密度梯度离心
质量和密度大的颗粒比质量和密度小的颗粒沉降得快
根据电离性质不同分离纯化
电泳法
带电质点在电场中向电荷相反的方向移动,这种性质称为电泳
醋酸纤维薄膜电泳 临床用于血浆蛋白电泳分析;聚丙烯酰胺凝胶电泳 用于同工酶电泳分析;免疫电泳 用于蛋白质的检定及其纯度的检查
离子交换层析
阴离子交换介质是在不溶性惰性载体上共价连接正电荷的基团,吸附和交换周围环境中的阴离子,阳离子交换介质反之
离子交换纤维素、离子交换凝胶、大孔离子交换树脂
根据配基特异性分离纯化
亲和层析法又名选择层析、功能层析或生物特异吸附层析。
蛋白质能与其对应的化合物(称为配体)具有特异性结合的能力,即亲和力
亲和力具有高度特异性、可逆性
根据组织具有特异亲和力的化合物之间能可逆结合与解离的性质建立的层析方法,称为亲和层析
蛋白质纯度鉴定
层析法
电泳法
SDS-PAGE检测纯度可以说明蛋白质在分子大小上的均一程度,但此法只适用于单链多肽和具有相同亚基的蛋白质
免疫化学法
蛋白质含量测定
凯氏定氮法
福林-酚试剂法(Lowry法)
双缩脲法
紫外分光光度法
芳香族氨基酸,在280nm处有特征性最大吸收峰,可用于蛋白质定量
BCA比色法
Bradford蛋白分析法
蛋白质类药物研究与应用
根据蛋白质药理作用,分为四大类
1.应用蛋白质的酶活性及调节活性进行治疗的蛋白质药物
2.有特殊靶向活性的蛋白质药物
3.重组蛋白质疫苗
4.用于诊断的重组蛋白质药物
杂碎知识点
蛋白质和核酸是生命活动过程中最重要的物质基础
氨基酸是蛋白质结构的基本单位
氨基酸与亚硝酸反应所释放N2中,氨基酸的贡献是50%
血红蛋白的工作原理:一旦血红蛋白分子中的一个亚基与O2结合,就会引起该亚基构象发生改变,并引起其他三个亚基的构象相继发生变化,使它们易于和氧结合,说明变化后的构象适合与氧结合。