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(蛋白质分子一定有三级结构)。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • 蛋白质的功能及元素组成特点
    • 功能:1蛋白质是生物体的重要组成部分和生命活动的基本物质基础； 2承担着各种生物学功能； 3氧化供能。
    • 主要由碳，氢，氧，氮和硫。含氮量平均为16% 计算方式:每克样品含氮克数*6.25*100=100克样品中蛋白质含量
  • 组成人体蛋白质的20种L–a-氨基酸(除甘氨酸外)
    • 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(蛋白质分子一定有三级结构)
  • 不参与蛋白质合成的氨基酸:合成尿素的鸟氨酸，瓜氨酸，精氨酸代琥珀酸
  • 20种氨基酸根据侧链结构和理化性质分为5类
    • 口诀:碱性赖精组，酸性天和谷。 含硫半甲硫，羟基酪苏丝。 芳香苯色酪，分支缬亮异。
    • 脯氨酸应是亚氨基酸
    • 1非极性脂肪族氨基酸:甘氨酸Gly5.97，丙氨酸Ala6.00，缬氨酸Val5.96，亮氨酸Leu5.98，异亮氨酸Ile6.02，脯氨酸Pro6.30，甲硫氨酸Met5.74
    • 2极性中性氨基酸:丝氨酸Ser5.68，半胱氨酸Cys5.07，天冬酰胺Asn5.41，谷氨酰胺Gln5.65，苏氨酸Thr5.60
    • 3芳香族氨基酸:苯丙氨酸Phe5.48，酪氨酸Thr5.66，色氨酸Trp5.89
    • 4酸性氨基酸:天冬氨酸Asp2.97，谷氨酸Glu3.22
    • 5碱性氨基酸:精氨酸Arg10.76，赖氨酸Lys9.74，组氨酸His7.59
  • 氨基酸的理化性质
    • 两性解离
      • 氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度
      • 等电点PI:氨基酸解离成阳离子和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为等电点(一种特征常数)。 计算公式:PI=1/2(pK1+pK2) 三种关系:PH<PI 正电荷；PH=PI 兼性离子；PH>PI 负电荷
    • 紫外线吸收峰(共轭双键)
      • 大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基。 用280nm的光吸收值去测定蛋白质是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。
    • 茚三酮反应
      • 茚三酮水合物在弱酸性溶液中与氨基酸共加热时合成蓝紫色的化合物。此时化合物的最大吸收峰在570nm波长处。
  • 肽的结构和功能
    • 第一个完成测序 的蛋白质就是51 个氨基酸残基组 成的胰岛素。
    • 肽键的化学本质是酰胺键。
    • 由十个以内的氨基酸相连而成的肽称为寡肽。 多肽链有两端，其游离α-氨基的一端称氨基末端或N端。游离α-羧基的一端称为羧基末端或C端。 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。
    • 活性肽
      • 谷胱甘肽
        • 由谷氨酸，半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。 第一个肽键是非α肽键，由谷氨酸的r-缩基与半胱氨酸的氨基组成。
        • 半胱氨酸的书疏基是主要功能基团。
          • 作用:1具有还原性，可作为体内重要的还原剂，保护体内蛋白质或酶分子中疏基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。 2具有嗜核特性，能与外源的嗜电子毒物结合，阻断他们与DNA rna或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害。
      • 有一类在神经传导过程中起信号转导作用的肽类，被称为神经肽。
• 蛋白质的分子结构
  • 构成生命体的分子的结构与功能。 二级，三级，四级统称为高级结构或空间构想，它们是蛋白质特有性质和功能的结构基础。
  • 一级结构
    • 定义:一级结构是指氨基酸的排列顺序(在蛋白质分子中从N-端至C-端的氨基酸排列顺序)
    • 主要化学键是肽键(牛胰岛素是第一个被测定一级结构的蛋白质分子。) 次:二硫键
    • 关系:一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但蛋白质的一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。
  • 二级结构
    • 定义:二级结构是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构。也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。 肽链主链骨架原子及氮(氨基氮原子)，碳α(α-碳原子)和碳(羰基碳原子)三个原子依次重复排列。 主要化学键:氢键
    • a-螺旋
      • 右手螺旋，顺时针。
      • 氢键与长轴平行。
      • 氨基酸侧链-外侧 肽链-内侧
    • β-折叠
      • 呈折纸状。
    • β-转角
      • 常发生于肽链进行180度回折时的转角上。
      • 第二个残基为脯氨酸，其他常见残基有甘氨酸，天冬氨酸，天冬酰胺和色氨酸。
    • Ω环
    • 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。
      • 影响因素1电荷的影响；2空间位置；3脯氨酸
  • 三级结构
    • 定义:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。
    • 化学键:次级键(疏水键，盐键，氢键和范德华力。)
    • 结构模体
      • 定义:蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分。
      • 它是具有特殊功能的超二级节构(一级结构上相邻的二级结构常在三级结构中彼此靠近，并形成超二级结构。)
      • 表现形式:αα，βαβ，ββ
    • 结构域
      • 定义: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。
      • 它是3级结构层次上具有独立结构与功能的区域。
    • 只有形成正确的空间构象的蛋白质才具有生物学功能。
  • 四级结构
    • 定义:含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
    • 主键:氢键，离子键
    • 1两条以上多肽链通过非共价键聚合而成寡聚体。 2每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基。亚基与亚基之间以非共价键相连接。
    • 单体与亚基
      • 单体:某些蛋白质分子可以进一步聚合成聚合体。其中的重复单位称为单体。 聚合与解聚是可逆的，单体与聚合体的互变与蛋白质的功能有关。
      • 两者不同:1单体是军均一的，而亚基有所不同。 2单体可以游离存在，而一般亚基不会单独存在。
  • 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(辅基)
    • 按形状分
      • 纤维状蛋白质(较难溶于水。)
      • 球状蛋白质
• 蛋白质的理化性质
  • 蛋白质具有两性电离性质。
    • 体内蛋白质的等电点大多数接近于5.0。
    • 人体蛋白质多为阴离子
  • 蛋白质具有胶体性质。
    • 分子直径可达1~100nm
    • 胶体稳定因素:1颗粒表面电荷；2水化膜。
  • 蛋白质的变性与复性
    • 变性
      • 定义:在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失。
      • 范围:主要发生二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变。
      • 本质:理化性质及生物学性质改变:溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，生物学活性丧失，易被蛋白酶水解等。
      • 影响因素: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。
      • 应用:1在临床医学领域，变性因素常被用来消毒及灭菌。 2保存蛋白质制剂也有效，也必须考虑防止蛋白质变性，如采用低温贮存等。
    • 复性
      • 定义:若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能。
    • 蛋白质沉淀
      • 蛋白质变性后，疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。
    • 变性与沉淀的关系
      • 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。
  • 蛋白质在紫外光谱区有特征性光吸收。
  • 应用蛋白质纯呈色反应可测定溶液中蛋白质含量
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应:肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色。
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质的功能
    • 1构成细胞和生物体结构 2物质运输 3催化功能 4信息交流 5免疫功能 6氧化供能 7维护机体的酸碱功能 8维持正常的血浆渗透压
  • 蛋白质执行功能的主要方式 (蛋白质与配体的特异性识别/结合)
    • 蛋白质与小分子相互作用
    • 蛋白质与核酸的相互作用
    • 与蛋白质相互作用。(主要方式)
      • 定义:指两个或两个以上的蛋白质分子通过非共价键相互作用并发挥功能的过程。
  • 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础。
    • 一级结构是空间构象的基础。 (特定三级结构是以氨基酸顺序为基础。)
    • 一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 (蛋白质一级结构的比较常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。)
    • 氨基酸序列与生物进化信息。 (比较一些广泛存在于生物间不同轴细间的蛋白质的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。) 如:细胞色素c
    • 重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病。(分子病) 如:镰状细胞贫血，肌营养不良症
  • 蛋白质的功能依赖特定空间节构。
    • 血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似。
      • 肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。
      • 1肌红蛋白(Mb)是一个只有三级结构的单链蛋白质。 2血红蛋白(Hb)是由四个亚基组成的四级结构。(一分子Hb共结合四分子氧。)
      • 镰状细胞贫血:β链N端第六个氨基酸谷氨酸被缬氨酸替换
    • 血红蛋白亚及构象变化可影响亚基与氧结合。
      • 氧解离曲线:Hb为＂S＂曲线(属于变构蛋白)，Mb为直角双曲线
      • 协同效应:一个亚基与其配体(Hb中的配体为氧气)结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用，则称为正协同效应，反之则为负协同效应。
      • 一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化，称为别构效应。 小分子氧气称为别构剂或效应剂，Hb称为别构蛋白。 别构效应不仅发生在Hb与氧气之间，一些酶与别构剂的结合，配体与受体结合也存在着别构效应，所以它具有普遍生物学意义。
    • 蛋白质构象改变可引起疾病。
      • 蛋白质构象疾病
        • 定义: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。
        • 机理: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。
        • 例如:人文状体脊髓变性病，阿尔茨海默症，亨廷顿病，疯牛病等。