生物化学-蛋白质

生物化学-蛋白质的思维导图，蛋白质是由多种α-氨基酸按一定的序列通过肽链酰胺键缩合而成的，具有一定功能的生物大分子。

蛋白质

• 蛋白质的分类
  • 蛋白质的定义
    • 蛋白质是由多种α-氨基酸按一定的序列通过肽链酰胺键缩合而成的，具有一定功能的生物大分子
  • 蛋白质的重要性
    • 蛋白质是物质生命的基础
    • 生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式
    • 存在方式的本质是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢
  • 分类
    • 根据分子形状分类
      • 纤维状蛋白质
      • 球状蛋白质
      • 膜蛋白
    • 根据化学组成分类
      • 简单蛋白
        • 仅由肽链组成，不包含其他辅助成分的蛋白质
      • 结合蛋白
        • 核蛋白
          • 由蛋白质和核酸组成，存在于所有细胞中
        • 糖蛋白与蛋白聚糖
          • 糖蛋白的糖基一般为短的寡糖链
          • 蛋白聚糖中的糖基由二糖重复单位组成，称糖胺聚糖
        • 脂蛋白
          • 由蛋白质和脂质通过非共价键相连而成
        • 色蛋白
          • 有蛋白质和色素组成
        • 金属蛋白
          • 由蛋白质和金属离子结合形成
    • 根据功能分类
      • 酶的催化作用
      • 调节作用
      • 运输功能
      • 运动功能
      • 免疫保护作用
      • 接受、传递信息的受体
      • 毒蛋白
• 蛋白质的化学成分
  • 蛋白质是一类含氮有机化合物，除含C、H、O外还有N和少量的S、P
  • 凯氏定氮法
    • 蛋白氮=蛋白质含量÷16%，粗蛋白质含量=含氮量×6.25
• 氨基酸
  • 氨基酸的水解
    • 酸水解
      • 常用6mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸在 105-110℃条件下进行水解，反应时间约20小时。
        • 优点：是不容易引起水解产物的消旋化。
        • 缺点
          • 含有轻基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解
          • 色氨酸被沸酸完全破坏
          • 天冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羚基。
    • 碱水解
      • 一般用5 mol/L 氢氧化钠煮沸 10-20小时。
        • 由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。 部分的水解产物发生消旋化。该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。
    • 酶水解
      • 应用酶水解多肽不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。
        • 胰蛋白酶
          • 水解位点: R=赖氨酸Lys 和精氨酸 Arg侧链 (专一性较强，水解速度快）
          • 子主题
        • 糜蛋白酶或 胰凝乳蛋白酶
          • 后接脯氨酸Pro不可水解
          • 水解位点:R1=苯丙氨酸Phe，色氨酸Trp，酪氨酸Tyr; 亮氨酸Leu,蛋氨酸Met和组氨酸His 水解稍慢
        • 胃蛋白酶
          • 水解位点:Pepsin:R1 和R2=R1=苯丙氨酸Phe，色氨酸Trp，酪氨酸Tyr;亮氨酸Leu 以及其它疏水性氨基酸水解速度较快。
        • 溴化氢
          • 水解位点甲硫氨酸羧基侧
        • 嗜热菌蛋白酶
          • 水解位点:（thermolysin)：R=苯丙氨酸Phe，色氨酸Trp，酪氨酸Tyr；亮氨酸Leu，异亮氨酸ile，蛋氨酸Met以及其它疏水性强的氨基酸水解速度较快。
        • 羧肽酶和氨肽酶
          • 外切酶
          • 水解位点 分别从肽链骏基端和氨基端水解
  • 氨基酸的分类
    • 蛋白质中常见的20种氨基酸
      • R基的化学结构
        • 芳香族氨基酸
        • 脂肪族氨基酸
        • 杂环氨基酸
        • 杂环亚氨基酸
      • R基极性
        • 非极性氨基酸
          • 四种脂肪测量氨基酸
            • 丙氨酸
            • 缬氨酸
            • 亮氨酸
            • 异亮氨酸
          • 脯氨酸
          • 甲硫氨酸
          • 芳香族氨基酸
            • 苯丙氨酸
            • 色氨酸
          • 甘氨酸
        • 极性不带电荷的R基氨基酸
          • 包括丝氨酸，苏氨酸，天冬酰胺，谷氨酰胺，酪氨酸和半胱氨酸
        • 极性带负电荷的R基氨基酸
          • 两种酸性氨基酸，包括天冬氨酸和谷氨酸
        • 极性带正电荷的r基氨基酸
          • 三种碱性氨基酸，包括组氨酸，精氨酸，赖氨酸
  • 氨基酸结构通式
    • а-氨基酸是一切蛋白质的组成单位，除甘氨酸外，所有的а-氨基酸都有旋光性，从蛋白质水解得到的均为L-а-氨基酸
  • 氨基酸的理化性质
    • 氨基酸熔点高，能溶于水，不溶于有机溶剂；在远紫外区（＜220nm），均有光吸收，在近紫外区（220-300nm），只有酪氨酸，苯丙氨酸，色氨酸有吸收光的能力
    • 当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点
    • pI计算
      • 中性:pI=（pk₁+pk₂）/2
      • 酸性:pI=（pk₁+pkr）/2
      • 碱性:pI=（pk₂+pkr）/2
    • 氨基酸在pH值大于等电点的溶液中主要以阴（负）离子存在，向正极移动；在pH小于等电点的溶液中主要以阳（正）离子存在，向负极移动
  • 氨基酸的化学性质
    • 印三酮反应
      • 发生氧化脱氨反应，生成NH₃与酮酸。酮酸裂解，放出CO₂，自身变为少一个碳的醛。水合茚三酮变为还原型茆三酮。NH₃与水合茚三酮及还原型茚三酮脱水缩合，生成蓝紫色化合物。
      • 特点
        • A.该反应由NH₃与COOH共同参与
        • B.茚三酮是强氧化剂
        • C.该反应非常灵敏，可在570nm测定吸光值
        • D.脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮直接生成黄色物质（不释放NH₃）
    • 甲醛反应
      • 甲醛只与游离的氨基反应生成羟甲基氨基酸和二羟甲基氨基酸
      • 特点
        • A.为α-NH₂的反应
        • B.在常温，中性条件，甲醛与α-NH₂很快反应，生成羟基衍生物，释放氢离子。
    • 2，4-二硝基氟苯（FDNB）反应
      • A.为α-NH₂的反应
      • B.在弱碱条件下，与DNFB发生芳环取代，生成的DNP-氨基酸，呈黄色
      • C.用来鉴定多肽或蛋白质的末端氨基酸，该法称为Sanger法
    • 与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应
      • A·为α-NH₂的反应
      • B.用于N末端分析，又称 Edman降解法
    • 巯基的性质
      • A.半胱氨酸在碱性溶液中易被氧化形成二硫键，生成胱氨酸 。氧化和还原剂均可打开二硫键
      • B.氧化剂过甲酸可定量拆开二硫键，生成相应磺酸
      • C.还原剂如巯基乙醇、巯基乙酸也能拆开二硫键生成相应巯基化合物
    • 咪唑基的性质
      • A.组氨酸含有咪唑基，它的pK值为6.0，在生理条件下具有缓冲作用
      • B.组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应，形成磷酸组氨酸，从而使酶活化。
      • C.组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷咪唑衍生物，并引起酶活性的降低或丧失
    • 米伦反应
      • A.含有Tyr的蛋白质溶液中加入米伦试剂（亚硝酸汞、硝酸汞及硝酸的混合液），会发生沉淀，加热则变为红色沉淀
      • B.此反应为酪氨酸的酚基所特有的反应，因此含有酪氨酸的蛋白质均呈米伦反应
    • 乙醛酸反应
      • 含有色氨酸残基的蛋白质溶液加入乙醛酸混匀后，徐徐加入浓硫酸，在两液接触面处呈现紫红色环
  • 氨基酸光学活性和光谱性质
    • 旋光性
      • 除甘氨酸外，所有天然a-氨基酸都有不对称碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性
    • 紫外吸收光谱
      • 参与蛋白质组成的20种氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轮双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收(max)分别为280、275、和257nm
• 肽
  • 肽的结构
    • 一分子氨基酸的 α-基与另一分子氨基酸α-氨基脱水缩合的化合物叫做肽.肽是氨基酸的线性聚合物。
    • 氨基端或N-端：在多肽链的一端含有一个游离的а-氨基；羧基端或C-端：在另一端含有一个游离的а-羧基
    • 氨基酸的顺序：从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序
  • 肽键
    • 特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共扼作用。肽键中的C-N 键具有部分双键性质，不能自由旋转。以反式结构存在
  • 酰胺平面
    • 组成肽键的原子处于同一平面
• 蛋白质化学
  • 蛋白质结构
    • 一级结构
      • 定义：是指构成蛋白质的各种氨基酸的种类、数量、连接方式和排列顺序，由遗传信息(遗传密码）所决定。涉及的化学键是肽键和少量的二硫键。
      • 蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目，多肽链的氨基酸顺序，以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。
      • 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。
      • 酰胺平面与a-碳原子的二面角
        • 两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Ca-N键旋转的角度称p角，绕C-Ca键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称构象角。
    • 二级结构
      • 指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元
      • а-螺旋
        • ①多肽链主链围绕其中心轴盘绕而成的一种螺旋管状结构，螺旋结构每螺旋上升一圈需要3.6个氨基酸残基，垂直上升0.54nm
        • ②螺旋结构中每个氨基酸残基上的氨基氢与其后第四个氨基酸残基的炭基氧形成氢键，其氢键的走向与螺旋轴平行
        • ③a-螺旋结构有左旋和右旋两种，但在天然蛋白质中的а-螺旋结构绝大多数都是右手а-螺旋结构
      • β-折叠
        • 特征
          • 两条或多条伸展的多肽链侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即β -折叠片
        • 类型
          • 平行和反平行
      • β-转角
        • 特征
          • 多肽链中氨基酸残基n的炭基上的氧与残 基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折180°
      • 无规则卷曲
    • 三级结构
      • 是指球状蛋白质的多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等二级结构相互配置而形成特定的构象。
      • 特征
        • ①含多种二级结构单元；②有明显的折叠层次；③是紧密的球状或椭球状实体；分子表面有一空穴（活性部位）；④疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。
    • 四级结构
      • 由相同或不同的称作 亚 基（subunit)的亚单位按照一定排布方式缔合而成的蛋白质结构，维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键、范得华力。对称性是四经结构蛋白质最重要的性质之一。
    • 结构域
      • 对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构，这种相对独立的三维实体称结构域
    • 超二级结构
      • 在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元(即α一螺旋、β一折叠片和β-转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构
  • 稳定蛋白质三维结构的作用力
    • 盐键
      • 又称盐桥或离子键，是蛋白质分子中正、负电荷的侧链基团互相接近，通过静电吸引而形成的。在生理pH下，蛋白质中的酸性氨基酸（Asp和Glu）的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸（Lsy、Arg和His）的侧链可解离成正离子。
    • 氢键
      • 一个电负性原子上共价连接的氢，与另一个电负性原子之间的静电作用力。
      • a.氢键比共价键弱，但生物大分子中众多的氢键可以形成很强的作用力，氢键在稳定蛋白质结构中起着极其重要的作用；
      • b.多肽链上的骏基氧和酰胺氮之间形成的氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。
    • 疏水作用
      • 水介质中，球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部，这一现象被称为疏水作用或疏水效应。
    • 范德华力
      • 由于相邻共价结合原子的电子分布波动引起的瞬间偶极诱导的静电相互作用
      • a.定向效应，发生在极性分子或极性基团之间，氢键可以被认为属于这种力
      • b.诱导效应，发生在极性物质与非极性物质之间
      • c.分散效应，发生在非极性分子或基团之间仅有的一种狭义的范德华力，是多数情况下起主要作用的范德华力
    • 二硫键
      • 在蛋白质和多肽分子中连接氨基酸残基的共价键除了肽键之外，还有一个较常见的由两个半胱氨酸残基的侧链之间形成的键，即二硫键。
• 蛋白质的分子结构与功能
  • 细胞色素
  • 血红蛋白
    • 血红蛋白分子病
      • 分子病
        • 蛋白质分子的氨基酸排列顺序异常导致的遗传病
      • 镰刀状细胞贫血病
        • 正常人血红蛋白（Hb-A）的β-链第6位为谷氨酸，而病人的血红蛋白（Hb-S)的β-链第6位为缬氨酸
• 蛋白质的重要性
  • 两性解离性
    • 蛋白质所带电荷取决于:①主链上两个末端a—NH2和a—COOH的解离；②侧链上基团的解离
  • 蛋白质胶体性质
    • 由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层，同时这些颗粒带有电荷，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体
  • 蛋白质的沉淀
    • 如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层（消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。
  • 蛋白质变性与复性
    • 变性
      • 当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性作用
      • 表征
        • 生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质(化学反应，被酶解性)改变
    • 复性
      • 蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象称为复性(renaturation)。