生化第一章：蛋白质的结构与功能

生物化学与分子生物学，蛋白质的结构与功能。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子结构
  • 氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构
    • 蛋白质一级结构
      • 在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序
      • 化学键:肽键，二硫键
      • 是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，并不是决定蛋白质构象的唯一因素
  • 多肽连的局部有规则重复的主链构象为蛋白质二级结构
    • 蛋白质二级结构
      • 概念
        • 指蛋白质分子中某一段肽连的局部空间结构，也就是该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
        • N（氨基氮原子）、C（α-碳原子）和C（羧基碳原子）3个原子依次重复排列
    • 参与肽键形成的6哥原子在同一平面上
      • 应用X-射线衍射技术研究氨基酸和寡肽的晶体结构，其目的是要获得一组标准键长和键角，以推导肽的构象，最终提出肽单元
    • α-螺旋是常见的蛋白质二级结构
      • 蛋白质的主要形式
        • α-螺旋和β-折叠
      • α-螺旋的特点
        • ①右手螺旋为主 ②螺距为0.54nm，总共有3.6个氨基酸 ③R侧链在外侧 ④氢键
    • β-折叠使多肽链形成片层结构
    • β-转角和Ω-环存在于球状蛋白质中
    • 氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
  • 多肽连进一步折叠成蛋白质三级结构
    • 三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
      • 概念:整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
      • 主要化学键:疏水键、离子键、氢键、范德华力
    • 结构模体可由两个或两个以上二级结构肽段组成
      • 结构模体
        • 是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
      • 超二级结构
        • 由2个或2个以上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
    • 结构域是三级结构层次上具有独立结构与功能的区域
      • 结构域
        • 分子量较大的蛋白质常可折叠成多个较为紧密且稳定的区域，并进行其功能
    • 蛋白质的多肽连须折叠成正确的空间构象
      • 分子伴侣
        • 通过提供一个保护环境而加速蛋白质折叠成天然构象或四级结构
  • 含有两条以上多肽连的蛋白质可具有四级结构
    • 亚基
      • 每一条多肽链中完整的三级结构
      • 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，以共价键相连
    • 蛋白质四级结构
      • 蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用
    • 成人血红蛋白
      • 两种亚基组成的四聚体
      • 每个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中难以释放氧，失去了血红蛋白原有的运输氧的作用
  • 蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
    • 根据蛋白质组成成分
      • 单纯蛋白质
      • 结合蛋白质
    • 根据其形状
      • 纤维状蛋白质
      • 球状蛋白质
• 蛋白质结构与功能的关系
  • 蛋白质的主要功能
    • 构成细胞和生物体结构
    • 物质运输（血红蛋白）
    • 催化作用（酶）
    • 信息交流（受体）
    • 免疫功能（抗体）
    • 氧化供能（蛋白质）
    • 维持机体酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
  • 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
    • 用尿素（或盐酸胍）和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽
    • 镰状细胞贫血（分子病）
      • 谷氨酸→缬氨酸
      • 一个氨基酸之差，原是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生贫血
  • 蛋白质的功能依赖特定空间结构
    • 肌红蛋白
    • 血红蛋白
    • 别构效应
      • 一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化
    • 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
      • 人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默病、亨廷顿病、疯牛病
    • 疯牛病
      • 蛋白质构象病
      • 由朊病毒蛋白引起
      • 特点:传染性、遗传性或散在发病
• 蛋白质的理化性质
  • 蛋白质具有两性电离性质
  • 蛋白质具有胶体性质
    • 水化膜
    • 颗粒表面的电荷
  • 蛋白质的变性与复性
    • 蛋白质变性
      • 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
      • 本质
        • 主要发生在二硫键和非共价键的破坏
      • 应用
        • 消毒、灭菌
  • 蛋白质在紫外线谱区有特征性光吸收
    • 280nm波长处有特征性吸收峰
  • 应用蛋白质呈色反应可测定溶液中蛋白质的含量
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应
• 蛋白质的分子组成
  • 蛋白质
    • 元素组成
      • 主要有: 碳（50-55%）、氢（6-7%）、氧（19-24%）、氮（13-19%，平均占16％）、硫（0-4%）
      • 有些蛋白质还含有少量的磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴等
    • 大致含量
      • 每克样品中含氮克数×6.25×100＝100g样品中蛋白质含量（g%）
  • L-∝-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
    • 自然界中:氨基酸有300余种
    • 参与蛋白质合成的氨基酸有20种（有遗传编码）
    • 无遗传编码:硒代半胱氨酸 吡咯赖氨酸
  • 氨基酸可根据其侧链结构和理化性质进行分类
    • 非极性脂肪族氨基酸
    • 极性中性氨基酸
    • 芳香族氨基酸
    • 酸性氨基酸
      • 侧链含有羧基
    • 碱性氨基酸
      • 侧链含有氨基、胍基、咪挫基
  • 氨基酸具有共同或特异的理化性质
    • 氨基酸具有两性解离的性质
      • 等电点:在某一PH的溶液中，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称为氨基酸的等电点
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收功能
      • 由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值
    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
  • 氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽
    • 肽
      • 氨基酸相互结合形成
    • 肽键
      • 在甘酰甘氨酸分子中连接两个氨基酸的酰胺键
    • 寡肽
      • 由2～20个氨基酸相连而成的肽
    • 多肽
      • 20～50个氨基酸相连而生成的肽
    • 氨基酸残基
      • 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全
    • 蛋白质
      • 由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽
  • 生物活性肽具有生理活性及多样性
    • 谷胱甘肽（GSH）
      • 由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽
      • GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态
      • GSH的巯基还具有嗜核特性，能与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害
    • 多肽类激素及神经肽体
      • 与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系