生物化学001蛋白质的结构与功能

生物化学与分子生物学， 重点掌握 ①基酸与多肽:氨基酸的结构与分类，肽键与肽链。 ②蛋白质的结构：一级结构、二级结构、三级和 四级结构。 ③蛋白质结构与功能的关系：蛋白质一级结构与功能的关系，蛋白质高级结构与功能的关系。 ④蛋白质的理化性质：蛋白质的等电点、沉淀和变性。

生物化学001蛋白质的结构与功能

• 重点掌握
  • ①基酸与多肽:氨基酸的结构与分类，肽键与肽链。
  • ②蛋白质的结构：一级结构、二级结构、三级和 四级结构。
  • ③蛋白质结构与功能的关系：蛋白质一级结构与功能的关系，蛋白质高级结构与功能的关系。
  • ④蛋白质的理化性质：蛋白质的等电点、沉淀和变性。
• 一、氨基酸与多肽
  • 1.氨基酸的结构
    • (1)蛋白质的基本结构
      • 蛋白质的基本组成单位是氨基酸，但不同蛋白质的各种氨基酸含量与排列蛋白质的基本组成单位是氨基酸，但不同蛋白质的各种氨基酸含量与排列顺序不同
      • 蛋白质是高分子化合物,可以受酸、碱或蛋白酶作用而水解为游离氨基酸。
    • (2)氨基酸的通式
      • 蛋白质水解生成的天然氨基酸有20 种，其化学结构式具有一个共同特点，即在连接菠基的α碳原子 上有一个氨基，故称为a-氨基酸，其结构式如右图所示。
      • 组成天 然蛋白质的20种氨基酸多属于L-a-氨基酸。
      • 氨基酸通式
      • 甘氨酸
  • 2.氨基酸的分类
    • 组成人体蛋白质的氨基酸有20种，可分为以下5类。
    • 常考氨基酸特性如下表。
    • (1)非极性脂肪族氨基酸(7种)甘氨酸、丙氨酸、頓氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、甲硫氨酸。
    • (2)极牲中性氨基酸(5种)丝氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸。
    • (3)含芳香环的氨基酸(3种)苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。
    • (4)酸性氨基酸(2种)谷氨酸、天冬氨酸。
    • (5)碱性氨基酸(3种)赖氨酸、精氨酸、组氨酸。
    • 注意
      • ①9版《生物化学》P9：将甲硫氨酸从“极性中性氨基酸”改为了“非极性脂肪族氨基酸”。
      • ②9版《生物化学》P172：将必需氨基酸由8种改为了9种，新增了“组氨酸”。
      • ③赖氨酸是含两个氨基的氨基酸。记忆为赖氨酸就是赖在另一个氨基身边不肯离开的那个氨基酸。
      • ④使肽链走向形成折角的氨基酸是脯氨酸。记忆为只有走向复（脯）杂的氨基酸才能形成折角。
      • ⑤不出现在蛋白质中的氨基酸是瓜氨酸。记忆为不合群（不出现在蛋白质中）的就是寡（瓜）氨酸。
    • 天冬氨酸（含两个羧基的氨基酸）
    • 谷氨酸（含两个羧基的氨基酸）
    • 赖氨酸（含两个氨基的氨基酸）
  • 3．肽键与肽链
    • （1）肽键
      • 肽或蛋白质多肽链中连接两个氨基酸的酰胺键，称为肽键，由一分子氨基酸的α-氨基与另一分子氨基酸的α-羧基脱去1分子水而生成。
      • 肽与肽键
    • （2）肽链
      • 氨基酸通过肽键相连成肽。
      • 两个氨基酸借肽键组成最简单的肽，称为二肽。
      • 二肽同样能与另一分子氨基酸缩合成三肽。如此类推，依次生成四肽、五肽······甚至形成多肽。
      • 肽链分子中的氨基酸相互衔接形成的长链，称为多肽链。一般而言，由2～20个氨基酸相连组成的肽称为寡肽。
      • 由更多个氨基酸相连而成的肽称为多肽。
      • 多肽链有两端，其游离α-氨基的一端称为氨基末端或N-端，游离α-羧基的一端称为羧基末端或C-端。
      • 每条多肽链中氨基酸残基顺序编号都是从N-端开始，N-端在左，C-端在右。
      • 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，称为氨基酸残基。
• 二、蛋白质的结构
  • 蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子，其分子结构分为一级、二级、三级和四级结构，后三者统称为高级结构或空间结构。
  • 并非所有蛋白质都有四级结构，由一条肽链组成的蛋白质只有一、二、三级结构，由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质才可能有四级结构。
  • 1．一级结构
    • 在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。
    • 一级结构中的主要化学键是肽键。
    • 此外，蛋白质分子中所有二硫键的位置也属于一级结构范畴。
    • 二硫键由两个半胱氨酸巯基（-SH）脱氢氧化而生成（如下图）。
    • 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。
    • 胱氨酸和二硫键
  • 2．二级结构
    • 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，也就是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构象。
    • 二级结构的主要形式包括如下几种形式：
    • （1）α-螺旋
      • 是二级结构的主要形式之一，其特点为：
      • ①多肽链主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向，即所谓的右手螺旋。
      • ②氨基酸侧链伸向螺旋的外侧，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈（即旋转360°），螺距为0.54nm。
      • ③α-螺旋的每个肽键的N-H和第4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。
      • 所有肽键中的羰基氧（0）和氨基氢都可形成氢键，以稳固α-螺旋结构。
      • 多肽链的α-螺旋结构
      • ④所有的氨基酸均可参与组成α-螺旋结构，但以丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸和蛋氨酸更常见。
    • （2）β-折叠
      • 呈折纸状。其特点为：
      • ①在β-折叠结构中，多肽链充分伸展，每个肽单元以C。
      • 为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替位于锯齿状结构的上下方。
      • ②所形成的锯齿状结构一般较短，只含有5～8个氨基酸残基。
      • ③一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，分子内相距较远的两个肽段可通过折叠而形成相同走向，也可通过回折而形成相反走向，以后者更为稳定
      • 维持β-折叠的化学键是氢键。
      • β-折叠
    • （3）其他
      • 蛋白质二级结构的还包括β-转角、Ω环等。
      • β-转角常发生在肽链进行180°回折的转角上。
      • Ω环常出现于球状蛋白质分子表面，以亲水残基为主，在分子识别中起重要作用。
  • 3．三级结构
    • 是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。
    • 肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单链蛋白质，含1个血红素辅基，能够进行可逆的氧合和脱氧。
    • 肌红蛋白分子中α-螺旋占75％，构成A至H8个螺旋区，两个螺旋区之间有一段无规律卷曲，脯氨酸位于转角处。
    • 由于侧链R基团的相互作用，多肽链缠绕，形成一个球状分子，球表面有亲水侧链，疏水侧链则位于分子内部，形成一个疏水的“口袋”。
    • 血红素位于“口袋”中，它的铁离子配位与组氨酸相连。
  • 4．四级结构
    • 许多蛋白质有两条或两条以上的多肽链，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。
    • 每一条多肽链都有自己完整的一级、二级和三级结构，称为亚基。
    • 亚基与亚基之间特定的三维空间排布和相互作用，称为蛋白质的四级结构。
    • 如血红蛋白是由4个两种不同的亚基组成的四聚体，具有运输氧和CO2的功能，但单个亚基无生物学活性。
  • 5．蛋白质分子结构的比较
    • 注意：
      • 蛋白质分子的二级结构中，没有β-螺旋的称呼。
      • 右手螺旋属于α-螺旋，不要与DNA的右手螺旋结构混淆。
      • 无规卷曲为老教材的说法，9版《生物化学》已删除。
• 三、蛋白质结构与功能的关系
  • 1．蛋白质一级结构与功能的关系
    • （1）一级结构是空间构象的基础
      • 蛋白质一级结构是空间构象的基础，但一级结构并不是决定空间构象的唯一因素。
      • 除一级结构外，大多数蛋白质分子的正确折叠还需要其他分子的帮助，这些参与新生肽链折叠的分子，一类是分子伴侣，另一类是折叠酶。
    • （2）一级结构是功能的基础
      • 一级结构相似的蛋白质，其空间构象和功能也相似。
      • 如催产素和抗利尿激素都是由9个氨基酸组成的肽，但由于两者N-端第2、7位氨基酸不同，因此两者有不同的生物学功能；
      • 由于两者有7个氨基酸相同，因此抗利尿激素有弱的收缩子宫平滑肌的功能。
    • （3）蛋白质一级结构的种属差异与分子进化
      • 从多肽链氨基酸序列可以了解到重要的生物进化信息。
      • 对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异。
      • 由于物种变化起因于进化，因此同种蛋白质的种属差异可能是分子进化的结果。
    • （4）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起分子病
      • 蛋白质一级结构发生改变影响其功能，称为分子病。
      • 如血红蛋白β亚基的第6位氨基酸由谷氨酸转变成缬氨酸后，可导致镰刀形贫血。
      • 但并非一级结构的每个氨基酸都很重要。
      • 记忆：镰刀的作用是割谷（谷）子，割累了，就歇（缬）会儿-镰刀形贫血→谷氨酸→缬氨酸。
  • 2．蛋白质高级结构与功能的关系
    • 体内蛋白质所具有的特定空间构象都与其发挥特殊的生理功能有着密切的关系。
    • 例如角蛋白含有大量α-螺旋结构，与富含角蛋白组织的坚韧性并富有弹性直接相关；
    • 而丝心蛋白分子中含有大量β-折叠结构，致使蚕丝具有伸展和柔软的特性。
    • （1）血红蛋白的空间构象变化与功能
      • 血红蛋白（Hb）是含有血红素辅基的蛋白质，具有4个亚基，每个亚基结构中间有一个疏水局部，可结合1个血红素并携带1分子氧，因此1分子Hb可结合4分子氧。
      • 成年人红细胞中的Hb主要由两条α肽链和两条β肽链组成(α2β2)），α链含141个氨基酸残基，β链含146个氨基酸残基。
      • 胎儿期主要为a2Y2，胚胎期主要为a2ε2。
      • Hb能与氧可逆结合，其氧解离曲线呈“S”形。
      • Hb的4条肽链组成4个亚基，各亚基构象变化可影响亚基与氧的结合，血红蛋白的氧解离曲线呈“S”形反映了各亚基间的相互协同作用。
    • （2）构象病
      • 蛋白质空间构象与其功能密切相关。
      • 生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程，其中多肽链的正确折叠对其正确空间构象的形成和功能的发挥至关重要。
      • 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，仍可影响其功能，严重时可导致疾病的发生，称为蛋白质构象疾病。
      • 疯牛病是由朊病毒蛋白（PrP）引起的一组人和动物神经退行性病变，其致病的生化机制是生物体内正常α-螺旋形式的Prpc转变成了异常的β-折叠形式的PrPsc
      • 外源或新生的PrPsc可以作为模板，通过复杂的机制诱导含α-螺旋的PrPc重新折叠成为富含β-折叠的PrPsc，并可形成聚合体。
      • PrPsc对蛋白酶不敏感，水溶性差，而且对热稳定，可以相互聚集，最终形成淀粉样纤维沉淀而致病。
      • 疯牛病的发病机制
      • 注意：
        • ①血红蛋白的主要功能是运输氧（携带氧），肌红蛋白的主要功能是储存氧，不要混淆。
        • ②蛋白质一级结构改变可导致分子病，蛋白质高级结构改变可导致构象病。
• 四、蛋白质的理化性质
  • 1．蛋白质的等电点
    • （1）等电点
      • 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。
      • 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点pI）。
      • 溶液的pH＜pI时，该蛋白质颗粒带负电荷；
      • 反之，溶液的pH<pI时，该蛋白质颗粒带正电荷。
    • （2）血浆蛋白
      • 体内蛋白质的等电点各不相同，大多数接近于pH5.0。
      • 所以在人体体液pH7.4的环境下，大多数蛋白质解离成阴离子。
      • 少数蛋白质含碱性氨基酸较多，其等电点偏碱性，被称为碱性蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白等。
      • 也有少量蛋白质含酸性氨基酸较多，其等电点偏酸性，被称为酸性蛋白质，如胃蛋白酶、丝蛋白等。
    • 蛋白质的两性解离特点
  • 2．蛋白质的沉淀和变性
    • （1）蛋白质的沉淀
      • 蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀。体外沉淀蛋白质的方法主要有：盐析、重金属离子沉淀、生物碱试剂沉淀、有机溶剂沉淀等。
    • （2）蛋白质的变性
      • 蛋白质变性是指在各种理化因素（加热、乙醇、强酸、强碱、重金属离子、生物碱试剂等）的作用下，蛋白质的空间构象被破坏，导致其理化性质的改变和生物活性的丧失。
      • 蛋白质变性主要是二硫键和非共价键的破坏，并不涉及一级结构中氨基酸序列的改变。
      • 蛋白质变性后，其溶解度降低、黏度增加、结晶能力消失、生物活性丧失、易被蛋白酶水解。
    • （3）蛋白质的复性与不可逆性变性
      • 若蛋白质变性的程度较轻，去除变性因素后，有些（并非全部）蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。
      • 许多蛋白质变性后，空间构象严重破坏，不能复原，称为不可逆性变性。
    • （4）蛋白质的凝固
      • 蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍能溶解于强酸或强碱溶液中，若将pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物，此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。
      • 如再加热则絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用。
      • 实际上，凝固是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。
    • （5）蛋白质的变性、沉淀和凝固的关系
      • 变性的蛋白质易于沉淀，沉淀的蛋白质不一定变性，凝固的蛋白质一定变性。
      • 注意：
        • ①蛋白质变性后-溶液黏度增加、溶解度降低、结晶能力消失、生物活性丧失，易被蛋白酶水解。
        • ②DNA变性后-溶液黏度降低、DNA在260nm处的吸光度增加（增色效应）。
        • ③蛋白质变性后空间构象被破坏，但一级结构不受影响，部分蛋白质变性后可以复性。
        • ④蛋白质水解时，一级结构被破坏，所有蛋白质水解后均不能复性。
• 生物化学 001 蛋白质的结构与功能