蛋白质的结构与功能

蛋白质的结构与功能的思维导图，具体有蛋白质的分子组成、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。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • L-a-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
  • 氨基酸根据其侧链结构和理化性质分类
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • 甘氨酸 Gly
      • 丙氨酸 Ala
      • 缬氨酸 Val
      • 亮氨酸 Leu
      • 异亮氨酸 Ile
      • 脯氨酸 Pro
      • 甲硫氨酸 Met
    • 极性中性氨基酸
      • 丝氨酸 Ser
      • 半胱氨酸 Cys
      • 天冬酰胺 Asn
      • 谷氨酰胺 Gln
      • 苏氨酸 Thr
    • 芳香族氨基酸
      • 苯丙氨酸 Phe
      • 色氨酸 Phe
      • 酪氨酸 Tyr
    • 酸性氨基酸
      • 天冬氨酸 Asp
      • 谷氨酸 Glu
    • 碱性氨基酸
      • 赖氨酸 Lys
      • 精氨酸 Arg
      • 组氨酸 His
  • 氨基酸具有共同或特异的理化性质
    • 两性解离
      • 解离程度取决于所处溶液的酸碱度
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质
      • 只有含有共轭双键的芳香族氨基酸有
    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 需共热
  • 氨基酸通过肽键连接形成蛋白质或肽
    • 一分子氨基酸的a-羧基和一分子氨基酸的a-氨基脱去一分子水缩合成最简单的二肽。由2~20个氨基酸相连而成的肽成为寡肽。蛋白质生物合成的方向是从N-端到C-端，人工合成则随意。
  • 生物活性肽具有生理活性及多样性
    • 谷胱甘肽（GSH）
      • 由谷氨酸，半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
      • 半胱氨酸的巯基是谷胱甘肽的主要功能基团
        • GSH的巯基具有还原性，使蛋白质或酶处在活性状态
        • GSH的巯基有嗜核特性，能保护机体免受毒物损害
        • 参与肝生物氧化
      • 两个半胱氨酸合成一个胱氨酸
    • 多肽类激素和神经肽
      • 例如促甲状腺素释放激素
• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 定义：蛋白质分子从N-端至C-端的排列顺序
    • 化学键：肽键，少量二硫键
    • 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定空间构象的唯一
  • 二级结构
    • 定义：蛋白质分子中的某段肽链主链原子的相对空间，不涉及残基侧链的构象
    • 主要结构单位：肽单元
      • 参与肽键形成的六个原子在同一平面
    • 主要化学键：氢键
    • 常见蛋白质的二级结构
      • a-螺旋
        • 是蛋白质二级结构的主要形式，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，氢键的方向与螺旋长轴基本平行
      • β-折叠
        • 是蛋白质的主要结构，使多肽链形成片层结构。多肽链充分伸展，折叠成锯齿状结构。可平行排列形成相同走向，可回折形成相反走向并通过氢键来稳固结构
      • β-转角
      • Ω环
      • 存在于球状蛋白中，以亲水残基为主
    • 侧链对二级结构的影响（书p15)
  • 三级结构
    • 定义 ：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间，即所有原子在三维空间的排列位置
      • 例如肌红蛋白
    • 主要化学键：疏水键，离子键，氢键，范德华力等
    • 结构模体
      • 定义：两个或两个以上的二级结构肽段组成
      • 组合形式
        • a-螺旋-β-转角/环-a-螺旋模体
        • 链-β-转角-链
        • 链-β-转角-a-螺旋-β-转角-链模体
    • 结构域：各行其功能
    • 分子伴侣：辅助折叠成正确的分子构象
  • 四级结构
    • 定义：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
    • 亚基的定义：蛋白质有两条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构
    • 亚基之间的结合主要是氢键和离子键
    • 同二聚体，异二聚体：亚基是否相同
  • 蛋白质的分类
    • 按组成分
      • 单纯蛋白质
      • 结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分
    • 按蛋白质形状
      • 纤维状蛋白质：长轴/短轴>10
        • 难溶于水，多作为支架
      • 球状蛋白质
        • 易溶于水，多具有生理学功能
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质的主要功能：构成细胞和生物体结构，物质运输，催化功能，信息功能，免疫 功能，氧化供能，维持机体的酸碱平衡，维持正常的血浆渗透压
  • 一级结构是基础
    • 一级结构是空间构象的基础
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
    • 氨基酸序列提供重要的生物化学信息
    • 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
    • 血红蛋白亚基构象变化可影响与氧结合
    • 协同效应，别构效应
    • 蛋白质构象改变可引起疾病
• 蛋白质的理化性质
  • 两性解离
    • 蛋白质的等电点的定义：蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白子解离成正负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为0，此时溶液的pH成为蛋白质的等电点
  • 胶体性质
    • 胶体稳定的因素
      • 颗粒表面电荷
      • 水化膜
  • 变性与复性
    • 变性
      • 特点：二硫键与非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变
      • 因素：加热，乙醇等有机溶剂，强酸，强碱，重金属离子，生物碱试剂
      • 凝固作用不可逆，但是有时蛋白质沉淀却并不变性
    • 复性
      • 变性程度较轻时，去除变性因素，仍然可以恢复原有的功能和构象
      • 天然蛋白质有催化活性，未折叠的蛋白质无催化活性
  • 蛋白质的紫外线吸收峰
    • 条件：蛋白质分子中有含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸
    • 特点：在280nm波长处有特征性吸收峰
    • 蛋白质的A280与其浓度成正比关系
    • 应用：进行蛋白质的定量测定
  • 蛋白质的呈色反应
    • 茚三酮反应
      • 共热后有蓝紫色化合物
      • 蛋白质水解后产生的氨基酸也可发生
    • 双缩脲反应
      • 原理：肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈紫色或红色
      • 氨基酸不出现此反应
      • 应用：用来检测蛋白质水解程度

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • L-a-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
  • 氨基酸根据其侧链结构和理化性质分类
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • 甘氨酸 Gly
      • 丙氨酸 Ala
      • 缬氨酸 Val
      • 亮氨酸 Leu
      • 异亮氨酸 Ile
      • 脯氨酸 Pro
      • 甲硫氨酸 Met
    • 极性中性氨基酸
      • 丝氨酸 Ser
      • 半胱氨酸 Cys
      • 天冬酰胺 Asn
      • 谷氨酰胺 Gln
      • 苏氨酸 Thr
    • 芳香族氨基酸
      • 苯丙氨酸 Phe
      • 色氨酸 Phe
      • 酪氨酸 Tyr
    • 酸性氨基酸
      • 天冬氨酸 Asp
      • 谷氨酸 Glu
    • 碱性氨基酸
      • 赖氨酸 Lys
      • 精氨酸 Arg
      • 组氨酸 His
  • 氨基酸具有共同或特异的理化性质
    • 两性解离
      • 解离程度取决于所处溶液的酸碱度
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质
      • 只有含有共轭双键的芳香族氨基酸有
    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
      • 需共热
  • 氨基酸通过肽键连接形成蛋白质或肽
    • 一分子氨基酸的a-羧基和一分子氨基酸的a-氨基脱去一分子水缩合成最简单的二肽。由2~20个氨基酸相连而成的肽成为寡肽。蛋白质生物合成的方向是从N-端到C-端，人工合成则随意。
  • 生物活性肽具有生理活性及多样性
    • 谷胱甘肽（GSH）
      • 由谷氨酸，半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
      • 半胱氨酸的巯基是谷胱甘肽的主要功能基团
        • GSH的巯基具有还原性，使蛋白质或酶处在活性状态
        • GSH的巯基有嗜核特性，能保护机体免受毒物损害
        • 参与肝生物氧化
      • 两个半胱氨酸合成一个胱氨酸
    • 多肽类激素和神经肽
      • 例如促甲状腺素释放激素
• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 定义：蛋白质分子从N-端至C-端的排列顺序
    • 化学键：肽键，少量二硫键
    • 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定空间构象的唯一
  • 二级结构
    • 定义：蛋白质分子中的某段肽链主链原子的相对空间，不涉及残基侧链的构象
    • 主要结构单位：肽单元
      • 参与肽键形成的六个原子在同一平面
    • 主要化学键：氢键
    • 常见蛋白质的二级结构
      • a-螺旋
        • 是蛋白质二级结构的主要形式，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，氢键的方向与螺旋长轴基本平行
      • β-折叠
        • 是蛋白质的主要结构，使多肽链形成片层结构。多肽链充分伸展，折叠成锯齿状结构。可平行排列形成相同走向，可回折形成相反走向并通过氢键来稳固结构
      • β-转角
      • Ω环
      • 存在于球状蛋白中，以亲水残基为主
    • 侧链对二级结构的影响（书p15)
  • 三级结构
    • 定义 ：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间，即所有原子在三维空间的排列位置
      • 例如肌红蛋白
    • 主要化学键：疏水键，离子键，氢键，范德华力等
    • 结构模体
      • 定义：两个或两个以上的二级结构肽段组成
      • 组合形式
        • a-螺旋-β-转角/环-a-螺旋模体
        • 链-β-转角-链
        • 链-β-转角-a-螺旋-β-转角-链模体
    • 结构域：各行其功能
    • 分子伴侣：辅助折叠成正确的分子构象
  • 四级结构
    • 定义：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
    • 亚基的定义：蛋白质有两条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构
    • 亚基之间的结合主要是氢键和离子键
    • 同二聚体，异二聚体：亚基是否相同
  • 蛋白质的分类
    • 按组成分
      • 单纯蛋白质
      • 结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分
    • 按蛋白质形状
      • 纤维状蛋白质：长轴/短轴>10
        • 难溶于水，多作为支架
      • 球状蛋白质
        • 易溶于水，多具有生理学功能
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质的主要功能：构成细胞和生物体结构，物质运输，催化功能，信息功能，免疫 功能，氧化供能，维持机体的酸碱平衡，维持正常的血浆渗透压
  • 一级结构是基础
    • 一级结构是空间构象的基础
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
    • 氨基酸序列提供重要的生物化学信息
    • 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
    • 血红蛋白亚基构象变化可影响与氧结合
    • 协同效应，别构效应
    • 蛋白质构象改变可引起疾病
• 蛋白质的理化性质
  • 两性解离
    • 蛋白质的等电点的定义：蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白子解离成正负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为0，此时溶液的pH成为蛋白质的等电点
  • 胶体性质
    • 胶体稳定的因素
      • 颗粒表面电荷
      • 水化膜
  • 变性与复性
    • 变性
      • 特点：二硫键与非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变
      • 因素：加热，乙醇等有机溶剂，强酸，强碱，重金属离子，生物碱试剂
      • 凝固作用不可逆，但是有时蛋白质沉淀却并不变性
    • 复性
      • 变性程度较轻时，去除变性因素，仍然可以恢复原有的功能和构象
      • 天然蛋白质有催化活性，未折叠的蛋白质无催化活性
  • 蛋白质的紫外线吸收峰
    • 条件：蛋白质分子中有含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸
    • 特点：在280nm波长处有特征性吸收峰
    • 蛋白质的A280与其浓度成正比关系
    • 应用：进行蛋白质的定量测定
  • 蛋白质的呈色反应
    • 茚三酮反应
      • 共热后有蓝紫色化合物
      • 蛋白质水解后产生的氨基酸也可发生
    • 双缩脲反应
      • 原理：肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈紫色或红色
      • 氨基酸不出现此反应
      • 应用：用来检测蛋白质水解程度