蛋白质

下图为蛋白质的结构与功能思维导图笔记。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • 元素组成：C H O N S
    • 蛋白质平均含氮量：16%
    • 蛋白质含量＝N含量×6.25
  • 基本结构单位：20种L-α-氨基酸（除甘氨酸）
    • 氨基酸的结构与分类
      • 结构通式
      • 分类
        • 非极性脂肪族氨基酸
          • 甘氨酸（Gly）
            • 对称结构，不存在左、右旋
          • 丙氨酸（Ala）
          • 缬氨酸（Val）
          • 亮氨酸（Leu）
          • 异亮氨酸（Ile）
          • 脯氨酸（Pro）
            • 唯一的亚氨基酸，可以破坏氢键维持的空间构象
        • 极性中性氨基酸
          • 丝氨酸（Ser）
          • 苏氨酸（Thr）
          • 蛋氨酸或甲硫氨酸（Met）
            • 甲硫基团不稳定，是体内甲基的主要供体
          • 半胱氨酸（Cys）
          • 天冬酰胺（Asn）
          • 谷氨酰胺（Gln）
        • 芳香族氨基酸
          • 苯丙氨酸（Phe）
          • 色氨酸（Trp）
          • 酪氨酸（Tyr）
          • 侧链均含共轭双键
        • 酸性氨基酸
          • 天冬氨酸（Asp）
          • 谷氨酸（Glu）
          • 侧链含负性解离基团羧基，中性条件显酸性
        • 碱性氨基酸
          • 精氨酸（Arg）
            • 有胍基，碱性最强
          • 赖氨酸（Lys）
            • 侧链长，富伸展变化
          • 组氨酸（His）
            • 含两个N原子，常为金属离子络合部位
    • 氨基酸的理化性质
      • 两性解离性质
        • 等电点（PI）：在某一PH的溶液中，氨基酸解离成阳离子或阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的PH称等电点。
        • PH＞PI，氨基酸解离为阴离子 PH<PI，氨基酸解离为阳离子
      • 紫外吸收特性
        • 酪氨酸、色氨酸最大光吸收在280nm
      • 茚三酮显色
        • 生成蓝紫色化合物
  • 肽键与肽
    • 肽键
      • 一分子氨基酸的α-氨基与另一分子氨基酸的α-羧基脱水缩合形成的共价键称为肽键（-CO-NH-）。
      • 多肽链方向：N端到C端
      • 多肽链中的氨基酸称为氨基酸残基
    • 生物活性肽：谷胱甘肽
      • 由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成
• 蛋白质的分子结构
  • 一级结构
    • 多肽链N端到C端的氨基酸残基排列顺序
    • 主要化学键：肽键，特殊的二硫键
  • 空间结构
    • 二级结构
      • 局部肽链主链骨架原子（C、N、α-C）的相对空间位置，不涉及侧链构象。
      • 主要化学键：氢键
      • 肽单元：空间结构的基本单位
        • 参与肽键的6个原子α-C1、C、O、N、H、α-C2位于同一平面，形成肽单元
        • α-C处于两个肽单元平面之间
      • 主要形式
        • α-螺旋
          • 右手顺时针螺旋
          • 每圈螺旋含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm
          • 氢键方向与螺旋轴平行
          • 侧链伸向螺旋外侧
        • β-折叠
          • 不同肽段相互靠近时通过氢键维系起来的，每条肽段都成为折纸状的结构（锯齿状）
          • 存在形式
            • 平行式折叠
            • 反平行式折叠
        • β-转角
          • 肽链180度回折，存在于球形蛋白，常见于脯氨酸、甘氨酸
        • Ω环
          • 存在于球蛋白表面，以亲水性残基为主
      • 超二级结构：有规则的二级结构组合体
      • 模体：具有特定空间构象和特定功能的超二级结构
        • 结合钙离子的模体、锌指结构、亮氨酸拉链
    • 三级结构
      • 整条多肽链全部氨基酸残基的相对空间位置。是一条多肽链的最高级结构，包括侧链的构象。
      • 维持三维构象的作用力：疏水键、盐键、氢键、范德华力
      • 结构域
        • 三级结构层次上的独立功能区
        • 分子量较大的蛋白质
        • 多个结构紧密的区域
        • 具有特定功能
    • 四级结构
      • 两个以上具有三级结构的多肽链组合（例：血红蛋白α2β2）
      • 每条多肽链称为一个亚基
      • 亚基之间的作用力：氢键、离子键
• 蛋白质的理化性质
  • 两性解离与等电点
    • PH＝PI，净电荷＝0
    • PH＞PI，净电荷为负
    • PH<PI，净电荷为正
  • 紫外吸收特性
    • 280nm紫外吸收峰蛋白质的含量测定
  • 显色反应
    • 双缩脲反应
      • 蛋白质和多肽分子中的肽键在稀碱溶液中与CuSO4共热，呈紫或红色
      • 蛋白质水解程度越高颜色越浅 成肽效率越高颜色越深
    • 酚试剂法
      • 灵敏度比双缩脲反应高100倍
    • 茚三酮反应
      • 蛋白质水解程度越高颜色越深 氨基酸成肽效率越高蓝紫色越浅
    • 考马斯亮蓝法
      • 灵敏度比酚试剂法还高，最低蛋白质检测量达1微克
  • 胶体性质
    • 蛋白质胶体稳定的因素
      • 表面电荷
      • 水化膜
    • 由于胶粒不能透过半透膜，故利用这一性质可将蛋白质与一些杂志分离
    • 可加入有机溶剂剥夺其水化膜或加入中性盐溶液中和表面电荷来分离蛋白
  • 蛋白质的变性
    • 空间构象被破坏，理化性质改变，活性丧失
    • 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质一级结构，肽键未被破坏
    • 变性的蛋白质不一定都沉淀 沉淀的蛋白质常常是发生了变性的蛋白，但不一定都是变性的
    • 复性：变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可回复或部分回复原有的构象和功能
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 一级结构是高级结构与功能的基础
    • 氨基酸残基的排列顺序决定蛋白质的空间结构
    • 相似的一级结构有相似的空间结构和功能
    • 重要的氨基酸序列改变引起分子病
      • 血红蛋白异常：镰刀型红细胞贫血病
  • 蛋白质的功能依赖于正确的空间结构
    • 空间构象是蛋白质功能的直接基础
    • 蛋白质构象疾病
      • 蛋白质一级结构不变，折叠过程发生错误，空间结构改变导致疾病
      • 疯牛病，老年痴呆症，库鲁病，人纹状体脊髓变性病，亨廷顿舞蹈病
      • 一级结构是决定空间结构和功能的重要基础，但绝不是唯一因素
      • 分子伴侣参与新生肽链的折叠
        • 分子伴侣：提供一个保护环境，加速蛋白质折叠成天然构象，形成有功能的空间结构
  • 并非一级结构的任何改变都会改变功能
    • 节点（关键部位）：一条多肽链中有一个氨基酸残基发生突变就使得整个多肽链空间结构改变，功能丧失
    • 非节点部位：个别氨基酸残基的改变不影响总体蛋白质的结构与功能（但如果几个非节点处同时多个突变，其结构与功能也会改变）
• 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
  • 信息交流
  • 免疫功能
  • 氧化供能
  • 维持酸碱平衡