蛋白质的结构与功能

蛋白质的结构与功能的思维导图，蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物，本图介绍了蛋白质的分子组成、蛋白质的分子结构、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质的理化性质的知识。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的概念：由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物
• 蛋白质的分子组成
  • pro的生物学重要性
    • 蛋白质是生物体的重要组成成分
      • 分布广：所有器官、组织、细胞都含有蛋白质
      • 含量高：约占人体固体成分的45%，脾、肺、横纹肌等高达80%
      • 更新快：组织细胞每天都在不断更新
    • 蛋白质具有重要的生物学功能
      • 运输，催化，免疫，信息交流， 氧化供能，维持机体酸碱平衡， 维持正常血浆渗透压
  • Pro的元素组成
    • 主要：C H O N P S
      • 大多数蛋白质的含氮量比较接近且恒定，平均为16%。100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×100
    • 其他：P Fe Cu Zn Co I Mn等
  • 氨基酸的结构与性质
    • 氨基酸的结构
      • • 自然界：300多种
        • 参与蛋白质组成：20种，通常为L-α-氨基酸（甘氨酸除外）
        • 不参与蛋白质的合成但存在于机体内：鸟氨酸，瓜氨酸，精氨酸代琥珀酸
    • 氨基酸的分类
      • 非极性脂肪酸族（疏水性）
        • 异亮氨酸（Ile） 亮氨酸（Leu） 丙氨酸（Ala） 甘氨酸（Gly） 脯氨酸（Pro） 缬氨酸（Val） 甲硫氨酸（Met）
          • 巧计:一两假饼干腹泻
      • 极性中性（亲水性）
        • 谷氨酰胺（Gln） 半胱氨酸（Cys） 天冬酰胺（Asn） 丝氨酸（Ser） 苏氨酸（Thr）
          • 巧计：孤半天始苏
      • 含芳香族的
        • 酪氨酸（Tyr） 色氨酸（Trp） 苯丙氨酸（Phe）
          • 巧计：老色本，芳香族
      • 酸性氨基酸
        • 天冬氨酸（Asp） 谷氨酸（Glu）
          • 巧计：酸性天冬谷
      • 碱性氨基酸
        • 赖氨酸（Lys） 精氨酸(Arg） 组氨酸（His）
          • 巧计:碱性精赖组
    • 氨基酸的理化性质
      • 物理性质：无色晶体，熔点：230-300°C，除甘氨酸外，所有具有手性碳原子的氨基酸都具有旋光性
      • 化学性质
        • 两性解离
          • 在某一pH溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等， 即氨基酸所带正、负电荷的数目恰好相等，呈电中性，成兼性离子， 此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。
          • 解离的方式取决于所处溶液的酸碱度
        • 紫外吸收性质
          • 芳香族氨基酸的R基团含苯环，有共轭双键，具有紫外吸收特性
          • 最大吸收峰在280nm波长附近
        • 与茚三酮反应生产蓝紫色化合物，最大吸收峰在570nm左右
• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 概念：蛋白质中氨基酸的排列顺序 主要化学键：肽键 其他化学键：二硫键
    • 肽键与肽链
      • 肽键：一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的酰胺键。
      • 10-20个氨基酸残基：寡肽 50以下：多肽 50以上：蛋白质
      • 多肽链的两端
        • N 末端：多肽链中有游离α-氨基的一端。
        • C 末端：多肽链中有游离α-羧基的一端。
      • 多肽链的方向：从N→C
    • 重要的生物活性肽
      • 生物活性肽：自然存在的具有生物学功能的低分子量肽
      • 谷胱甘肽（GSH）：由谷氨酸（Glu）、半胱氨酸（Cys）、甘氨酸(Gly）组成
        • 还原性：保护体内蛋白质和酶中的巯基免遭氧化，维持红细胞机构的稳定
        • 噬核特性：与外源噬电子毒物如致癌剂或药物结合，阻断其作用，保护机体。
      • 多肽类激素：促甲状腺素释放激素（3肽）、 促肾上腺皮质激素（39肽）、催产素（9肽）、 加压素（9肽）
      • 神经肽（类阿片活性肽）: 脑啡肽（5肽）、 内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽） （在神经传导中起信号转导的作用）
      • 激肽：一类由血浆和一些组织中的蛋白质经特殊蛋白质水解酶作用后形成，具有促进血管舒张与降压作用的活性肽。 它与多肽激素一样，在体内含量甚微，但有很强的生理效应，因而又称组织激素。
      • 多肽类抗生素：具有多肽结构，能抑制或杀死细菌的小分子活性肽
        • 一般由20-260个氨基酸组成
        • 实例：多粘菌素B、万古霉素
  • 二级结构
    • 是指多肽链主链骨架原子有规律的盘旋或折叠而形成的特定构象， 即多肽链主链骨架原子的空间位置排布，一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。 主要化学键：氢键
    • 肽单位（peptide unit）：肽键中C、H、O、N 四个原子和与它们相邻的两个α碳原子处于同一平面，称为肽平面或肽单元
      • 结构特点
        • 1） 肽键具有部分双键性质，不能自由旋转；
        • （2） Cα1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面，Cα1和Cα2为反式构型；
        • （3） Cα-C 和Cα-N为单键，可自由旋转（φ、ψ）决定了肽平面的相对空间位置。
    • 形式
      • a-螺旋
        • a-螺旋的特征
          • ①多肽链主链围绕中心轴向右螺旋式上升形成稳定的右手螺旋，侧链基团伸向螺旋外侧。
          • ②每3.6个氨基酸螺旋一周, 螺距0.54nm（3.6×0.15=0.54）
          • ③氢键是主要稳定力（第一个肽键的氨基氢与第四个肽 键的羰基氧形成氢键，与中心轴平行）。
        • 影响a-螺旋稳定及形成的因素
          • （1）侧链基团带电性 （临近侧链带相同电荷不利于稳定）
          • （2）侧链基团大小 （过大过小都不利于稳定）
          • （3）Pro（亚氨基酸）：五元环，不能形成氢键
      • β-折叠
        • 概念：多肽链以肽单位为单位，以Ca为旋转点形成伸展的 锯齿状折叠构象，又称β-片层结构
        • 结构特点
          • ①每个肽单元以Cα为旋转点，折叠成锯齿状伸展结构；侧链基团分布于片层的上下；
          • ②锯齿状结构呈平行排列，两个肽段可通过折叠形成顺式排列，也可通过回折形成反式排列；
          • ③相邻肽链之间通过肽键的羰基氧和亚氨基的氢形成氢键，氢键是维持β-折叠的主要稳定力。
        • 影响因素：侧链大小（一般不大，且带异种电荷）
      • β-转角
        • 概念：多肽链中出现180°回折
        • 由四个氨基酸构成
        • 稳定力：氢键
      • Ω-环
        • 存在于球状蛋白质中的一种结构，
        • 通常出现在蛋白质分子表面，而且以亲水性残基为主
        • 可能在分子识别中起作用
  • 三级结构
    • 概念：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置，称蛋白质三级结构
    • 主要化学键：疏水键、离子键、氢键和范德华力等。
    • 在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段， 在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构， 又称模体（motif）
      • 形式：aa、βaβ、ββ
      • 模体中各肽段之间的相互作用力由非极性氨基酸残基参与形成
    • 结构域：分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域（domain）
    • 分子伴侣（molecular chaperone）通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象。
      • 作用
        • 分子伴侣可可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。
        • 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。
        • 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。
  • 四级结构
    • 亚基（subunit）：体内许多功能性蛋白质分子含有2条或2条以上多肽链，每一条多肽链都有其特定的三级结构，称为蛋白质的亚基
    • 蛋白质的四级结构（protein quaternary struture）概念：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
    • 化学键：离子键，氢键，范德华力。二硫键，疏水键
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 一级结构与功能的关系
    • 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和功能
      • 示例：促黑激素α和β型因具有相同的活性所必需的氨基酸顺序部分而表现出相同的生物功能
    • 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
      • 示例：镰刀型细胞贫血（由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。）
    • 氨基酸序列与生物进化信息
  • 蛋白质空间构象与功能的关系
    • 蛋白质的空间结构决定生物学功能
    • 蛋白质空间构象改变影响生物学功能
      • 变构效应/别构效应
        • 概念：蛋白质由于受某些因素（变构剂）的影响，一级结构不变而空间构象发生一定变化，导致生物学功能的改变
        • 对象：通常为具有四级结构的多聚体
        • 血红蛋白是最早发现的具有变构效应的蛋白质
      • 协同效应
        • 概念：一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。
        • 分类
          • 正协同效应
          • 负协同效应
    • 蛋白质构象改变导致疾病发生
      • 蛋白质构象疾病：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，严重时可导致疾病发生
      • 有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。
      • 具体疾病：人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等
• 蛋白质的理化性质
  • 蛋白质的两性电离性质
    • 蛋白质的等电点（isoelectric point, pI）： 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
    • 蛋白质在溶液中的带电情况主要取决于溶液的PH，当蛋白质溶液的PH>PI时，该蛋白质分子带负电荷，反之，带正电荷
  • 蛋白质的变性
    • 在某些物理和化学因素作用下，蛋白质的次级键断裂、特定的空间构象发生改变或破坏，理化性质改变和生物活性丧失的现象，称为蛋白质变性。
    • 本质：破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构
    • 造成变性的因素
      • 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。
    • 变性后的主要表现
      • 理化性质改变：溶解度降低、易发生沉淀（变性的蛋白质易发生沉淀，但沉淀的蛋白质不一定变性）；粘度增加；结晶能力消失；易被蛋白酶水解
      • 生物活性的改变：酶的催化活性、激素的调节作用、抗体的免疫应答、血红蛋白的运氧能力等的丧失
    • 蛋白质的复性（renaturation）：若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，仍可恢复或部分恢复其原有的构象和生物学功能，称为复性
    • 不可逆性：蛋白质变性后，空间结构遭到严重破环，不能复原
  • 蛋白质的沉淀
    • 变性的蛋白疏水性侧链暴露在外，肽链相互缠绕继而聚集，易从溶液中析出沉淀。
  • 蛋白质的凝固
    • 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。
  • 蛋白质的亲水胶体性质
    • 蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之间，其分子的直径可达1～100nm，属于胶体颗粒的范围，是一种亲水性胶体。
    • 蛋白质胶体稳定的因素
      • 水化膜：蛋白质表面有许多亲水的极性基团，——COO-、——OH、——SH等，他们易与水发生水合作用，在表面形成水化膜，防沉淀
      • 颗粒表面带有相同电荷
  • 蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰
    • 原理：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280nm波长处有特征性吸收峰。
    • 作用：蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。
  • 蛋白质的呈色反应
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应：蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。