生物化学：蛋白质的结构与功能

蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分。机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与。下图介绍了蛋白质的结构和功能，有理化特性、蛋白质的分子构成、常见氨基酸、多肽或蛋白质、蛋白质分子结构。干货满满，赶快收藏学起来吧！

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的结构
  • 蛋白质与多肽的主要区别：分子量和空间结构
  • 一级结构
    • 一级结构即氨基酸的排列顺序，决定着其空间结构。每种蛋白质都具有唯一的特定的氨基酸序列
      • 是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。
      • 排列顺序的差别，即侧链上的R基排列顺序的不同。
    • 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础
    • 一级结构靠肽键维持
  • 高级结构
    • 二级结构
      • 指肽链的主链在空间上的排列，或规则的几何走向，旋转及折叠。
      • 只涉及到肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。
      • 某一段肽链相对于空间的位置
      • 可分为
        • α-螺旋
          • （3.6，13螺旋）
            • 每圈螺旋有3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm
            • 第n个氨基酸残疾的C=O与第n+4个残基的NH形成链内氢键
            • 氢键封闭的环含有十三个原子
            • 氢键取向与主轴基本平行，残基的R集团位于外侧
          • 还有（3,10螺旋），π螺旋（4.4,16螺旋）
          • 影响α-螺旋形成的因素
            • 一般R基不大，极性不大，易形成α-螺旋
            • 与侧脸的电荷有关
            • PH=7时，多聚酸性或碱性氨基酸不易形成α-螺旋，有同种电荷斥力影响不易形成
            • 与侧链大小有关-空间障碍
              • R基过大（如异亮苏）不易形成α-螺旋
              • R基过小（如甘氨酸）使螺旋不稳定，所以甘氨酸常出现在螺旋起始或末端
            • 与脯氨酸有关-螺旋破坏者
              • 脯氨酸环装R基占据了相邻残基应当占据的空间，酰胺氮上缺少氢，链内氢键不能形成，因此肽链有Pro出现，α-螺旋被中断
          • 含α-螺旋
            • 如α-角蛋白（含大量氢键，二硫键）
            • 球状蛋白一般也含有α-螺旋
        • β-折叠
          • 是由两条或多条几乎完全伸展的肽链中平行排列，通过链间的氢键交联而形成的，肽链主链呈锯齿状
          • 主要特点
            • β-折叠中α-碳原子总是处于折叠角上，氨基酸的R基处于折叠的棱角上且与棱角垂直
            • 链间氢键和多肽链走向接近垂直
          • 侧链过大或带同种电荷也不易形成
          • 分为
            • 平行式
              • N端不在同一侧，氨基酸之间沿轴相距0.35nm
            • 反平行式
              • N端在同一侧，氨基酸之间沿轴相距0.325nm
        • β-转角
          • 肽链主链骨架180°回折，U型转折机构
          • 由四个连续的氨基酸残基组成，由第n个氨基酸残基的C=O与第n+3氨基酸残基的NH形成氢键，多位于球状蛋白表面，往往有极性氨基酸构成，Gly，Pro常出现于转角中。
          • 分为
            • 反式转角（大部分如此）
            • 顺式转角（氨基酸残基为甘氨酸时易出现
        • 无规则卷曲
      • 二级结构靠氢键维持
    • 超二级结构和结构域
      • 超二级结构，又称模体
        • 若干个相邻的二级结构单元组合在一起彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能够辨认的二级结构组合体
        • 超二级结构可能作为大的功能单位结构域的一部分，是R基相互作用的结果
      • 结构域
        • 是指蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域，是多肽链上在一级结构上，是相邻的多个超二级结构单位通过折叠，彼此聚集在一起，形成结构紧凑的，在空间上可以明显区分的区域，且在功能上相对独立的结构
        • 特点
          • 结构域是多肽链的独立折叠单位，一般由100-200个氨基酸残基构成，与分子整体以共价键相连
          • 结构域自身紧密装配，但其之间关系相对松懈
          • 结构域之间通过铰链（合叶）相连，通过铰链的松紧（合叶的开合）使其相对运动，可作为结构单位独立运动，水解后也可以保留自己独立的功能
          • 大蛋白质或亚基由多个结构域缔合成三级结构
          • 较小的蛋白质或亚基，结构域和其三级结构是一个意思，即但结构域（磷酸丙糖异构酶）
          • 每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现蛋白质的总体功能。结构域之间有裂缝，是酶的活性部位，结构域具有相对独立的功能
        • 根据结构域可将球蛋白分为四类
          • 全α
          • α，β结构
          • 全β
          • 不规则小蛋白质结构
    • 三级结构
      • 主要是氨基酸残基侧链基团的相互作用
      • 一条肽链中所有原子在三维空间 的整体排布，包括主链，侧脸的空间结构
      • 多肽链在二级结构，超二级结构和结构域的基础上进一步盘绕，折叠形成一个紧密的近似球形的结构，这种结构乘称作蛋白质的三级结构
      • 可以说蛋白质的三级结构是一个完整的蛋白的三维结构
      • 大部分三级结构为球形或者接近球形，大多数亲水型侧链基团分布在球型表面，疏水型基团分布在球型内侧，辅酶也在内侧，形成类似口袋状。
        • 一级结构上相遇很远的氨基酸残基在三级结构上距离很近
      • 球状蛋白质的三维特点
        • 含有多种二级结构元件
        • 具有明显折叠层次
        • 趋向于形成紧密的球状或椭球形实体
        • 疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面
        • 分子表面形成空穴（活性部位）
      • 三级结构依靠二硫键、氢键、盐键（离子键）、疏水作用力，范德华力。
        • 其中范德华力可能在一级结构相距很远的侧脸R基上
        • 疏水键是维持蛋白质三级结构的最主要力量
        • 疏水键：非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢作用力
        • 酸性氨基酸残基和碱性氨基酸残基侧脸会带电荷相互吸引形成离子键或盐键
        • 半胱氨酸之间形成二硫键
    • 分子伴侣
      • 主要提供保护环境，防止肽链错误结合，使其正确折叠
      • 又称伴侣蛋白，是一类协助细胞内分子组装和协助蛋白质折叠的蛋白质
    • 四级结构
      • 有两条以上的肽链
      • 增加结构稳定性，具有协同效应
      • 亚基（亚单位）
        • 既是结构单位又是功能单位
        • 有些蛋白质分子含有两条或多条肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基或亚单位
      • 蛋白质分子中各亚基的空间排序及亚基接触部位的布局和相互利用，称为蛋白质的四级结构
      • 以次级键（氢键，离子键，疏水键，范德华力）结合，比二级结构三级结构更疏松，可以分离成亚基
      • 具有四级结构的蛋白质，在亚基单独存在时，一般没有生物学活性，只有完整的四级结构才有生物学活性。
        • 比如血红蛋白，四级结构，四个亚基，任何一个单独存在都没有运送氧气和二氧化碳的能力
      • 分类
        • 寡聚蛋白
          • 由少数几个亚基通过非共价键聚集而成的蛋白
        • 多聚蛋白
          • 由几十个甚至上千个亚基聚合而成的蛋白质
        • 同聚蛋白
          • 亚基相同
            • 过氧化酶
        • 杂聚蛋白
          • 亚基不同
            • 烟草花叶病毒
      • 维持四级结构的作用力与维持三级结构作用力一样，其中疏水键作用力十分重要
        • 疏水作用
          • 是蛋白质折叠的主要驱动力
          • 蛋白质中疏水基团彼此靠近，聚集以避开水的现象称为疏水相互作用或疏水效应
        • 氢键
          • 协同蛋白质的折叠，帮助稳定球蛋白的天然构象
        • 范德华力
          • 相互作用数量具有叠加性
        • 离子键
          • 带有相反电荷的侧链之间离子相互作用，离子化侧链一般都出现在球蛋白的表面，对整个球蛋白稳定性贡献最小
        • 二硫键
          • 有时存在于细胞分泌的蛋白质中
• 蛋白质的结构与功能的关系
  • 蛋白质一级结构与功能的关系
    • 一级结构决定二级三级四级等高级结构
    • 一级结构是空间构象的基础
    • 一级结构中关键部分相同，其功能也相同
    • 一级结构的种属差异与分子进化
      • 同源蛋白质：肽链长度相同或相近
      • 同源蛋白质中氨基酸的顺序中位置所对氨基酸所有种属都相同，称不变氨基
      • 位置上氨基酸对不同种属有很大变化的称为可变氨基（变化并不影响整体功能）
      • 同源蛋白质的氨基酸顺序中这样的相似性称为顺序同源
      • 氨基酸残基差异数目与分歧时间有关，进化位置相距越远亲缘越远，氨基酸顺序差异越大。
    • 一级结构与分子病
      • 定义：由于基因突变导致机体合成蛋白质一级结构的改变从而引起生物功能的障碍而产生的先天性疾病，这就是分子病
        • 如镰刀型贫血病
        • 朊病毒
    • 蛋白质前体的激活
      • 某些蛋白质在细胞内首先是以无活性前体形式合成出来的
      • 无活性前体通过特定的方式断裂后才转变为活性的蛋白质这一过程叫做蛋白质的激活
      • 蛋白质的激活是蛋白质的活性调节的一种方式
  • 蛋白质高级结构与功能的关系
    • 蛋白质的变性
      • 受某些物理或化学因素的影响，使原有的天然构象发生改变导致理化性质和生物活性发生改变，着种现象叫做蛋白质的变性，变形不导致一级结构的破坏，与水解相区别
      • 本质：破坏了次级键，改变了空间排列
      • 分类
        • 可逆变性
          • 去除变性因素后蛋白质可重新恢复天然构象，恢复生物活性，这种现象称为蛋白质的复性
            • 一般破坏三四级结构
        • 不可逆变性
          • 去除变性因素后蛋白质构象不恢复原状，生物功能也不恢复
            • 一般破坏三四级结构
      • 物理因素
        • 加热，加压，震荡，紫外线，超声波，辐射等
      • 化学因素
        • 强酸强碱（破坏离子键），尿素、胍（竞争氢键，破坏疏水性），去污剂(破坏共价键），重金属盐，有机溶剂（破坏疏水性）等
      • 变性后特点
        • 生物活性丧失
          • 构象改变所导致
        • 理化性改变
          • 粘度旋光性扩散系数等改变，易被蛋白质水解酶水解
      • 意义
        • 避免变性
          • 制备有生物活性的酶，蛋白质，激素等
        • 利用变性
          • 除去杂蛋白，除去细菌蛋白
    • 肌红蛋白与血红蛋白的结构和功能
      • 两者结构：都含有血红素辅基在疏水空间内
      • 肌红蛋白MB
        • 储存氧气，一条肽链，只有一个结构域，含有8个α螺旋，血红素插在疏水基团中
      • 血红蛋白HB
        • 运输氧气，四个亚基，两个α两个β，每个里面都有一个血红素
        • 每个亚基的三级结构与MB相似，血红素在亚基口袋中，能与氧气可逆结合
      • 血红素的结构
        • 含有一个二价铁离子，可形成六个配位键，四个与N配位，一个与蛋白质结合，一个与氧气结合
        • 
      • 血红蛋白结合氧气时的构象变化，
        • 从紧张态不易与氧气结合，变为易于氧气结合的松弛态
        • 血红蛋白的四聚体(α2β2)结构处于稳定态时,与氧的亲和力很弱,但当氧与血红蛋白分子中一个亚基的血红素辅基的铁结合后,即引起该亚基构象的改变,一个亚基构象的改变又会引起其余亚基的构象相继发生改变,亚基间的次级键被破坏,结果整个分子从紧密的构象变成比较松散的构象,易于与氧结合,使血红蛋白与氧结合的速度大大加快。
      • 协同效应
        • 血红蛋白有两种构象,一种构象对氧亲和力高(R),另一种构象对氧亲和力低(T),当第一亚基与氧结合作用导致另3个亚基的构象发生变化,各亚基变得易于氧结合,这种一个亚基与氧结合后增加其余亚基对氧的亲和力的现象称协同效应。
        • 低氧分压下MB结合氧气饱和大于HB
        • 
      • 变构效应
        • 一些效应剂可与某些蛋白质分子特定部位可逆地结合，而使其构象改变，从而改变生物活性，称变构效应。
        • 蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。
      • 波尔效应
        • 定义：增加CO2浓度、降低pH能显著引起红细胞内血红蛋白的氧亲和力下降的现象。
        • 原因：血红蛋白能与CO2和H+结合。
        • 与H+的结合使血红蛋白的构象倾向于不与O2结合的T态。
        • Hb的N-末端α——氨基与CO2的结合有助于稳定T态，同时反应产生的H+可贡献于Bohr效应。
        • 组织代谢产生的CO2会水合产生H+
        • 当氢离子增加时，HB氧分数饱和曲线向右移动
        • 生理意义
          • 当血液流经组织时，由于该处的CO2浓度较高，pH较低，有利于血红蛋白释放O2， O2的释放又促使血红蛋白与H+和CO2的结合，以提高pH，起着缓冲血液pH的作用。
          • 当血液流经肺部时，肺内的O2浓度较高，有利于血红蛋白与O2结合并因此促进了H+和CO2的释放，同时CO2的呼出又有利于氧合血红蛋白的生成。
      • BPG的别构效应
        • 2,3—二磷酸甘油酸（BPG）通过与血红蛋白的两个β亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态构象，因而降低了血红蛋白的氧亲合力。
        • HB与BPG结合更易维持紧张态T态
        • HB不与BPG结合更易维持松散态R态
        • 作用
          • 有助于HB的氧气运输，在带氧气的HB与BPG结合后会放出氧气
• 化学键
  • 共价键
    • 肽键
    • 二硫键
    • 一级结构
  • 次级键
    • 非共价，易受环境中PH温度等影响，变化较大
    • 氢键
      • 主要作用于二三四级结构
    • 疏水键
    • 盐键
    • 范德华力
    • 作用于三四级
• 各个结构维持的作用力
  • 一级结构靠肽键维持
  • 二级结构靠氢键维持
  • 三级结构依靠二硫键、氢键、盐键（离子键）、疏水作用力，范德华力。
    • 其中范德华力可能在一级结构相距很远的侧脸R基上
    • 疏水键是维持蛋白质三级结构的最主要力量
    • 疏水键：非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢作用力
    • 酸性氨基酸残基和碱性氨基酸残基侧脸会带电荷相互吸引形成离子键或盐键
    • 半胱氨酸之间形成二硫键
• 蛋白质
  • 蛋白质的含量可以通过凯氏（kjeldahl）定氮法分别测定总氮含量和无机氮含量通过下面的公式计算酸蛋白质的含量：蛋白质的含量=（总氮含量-无机氮含量）*6.25
  • 定义：蛋白质（protein）是由多种α-氨基酸按一定的序列通过肽键（酰胺键）缩合而成的具有一定功能的生物大分子，体内的大部分生命活动，实在蛋白质的参与下完成的。
  • 蛋白质的分类
    • 1. 根据分子形状分类
      • 1. 球状蛋白质
      • 2. 纤维状蛋白质
      • 3. 膜蛋白质
    • 2. 根据化学组成分类
      • 1. 简单蛋白质
      • 2. 结合蛋白质
    • 3. 根据功能分类
      • 1. 酶
      • 2. 调节蛋白
      • 3. 子主题
      • 4. 转运蛋白质
      • 5. 运动蛋白
      • 6. 防御蛋白和毒蛋白
      • 7. 受体蛋白质
      • 8. 支架蛋白
      • 9. 结构蛋白
      • 10. 异常功能