蛋白质的结构与功能

下图为《生物化学与分子生物学》第一章：蛋白质的结构与功能思维导图笔记。 内容包括：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。可用作期末复习或考研复习笔记，希望能帮助到大家呀。

蛋白质的结构与功能

• 蛋白质的分子组成
  • 除甘氨酸外，都具有旋光性，为L-a-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
    • 子主题
  • 氨基酸的分类
    • 非极性脂肪族氨基酸在水溶液中的溶解度小于 极性氨基酸；芳香族氨基酸中苯基的疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下可解离；酸性氨基酸侧链都含有羧基；碱性氨基酸含氨基，胍基，咪唑基。
    • 非极性脂肪族氨基酸
      • 侧链为疏水基团
      • 甲硫氨酸（Met）；亮氨酸（Leu）；异亮氨酸（Ile)；丙氨酸（Ala)；甘氨酸（Gly）；脯氨酸（Pro)；缬氨酸（Val）
        • 亚氨基酸
      • 夹两个饼干补血
    • 极性中性氨基酸
      • 侧链一般含氧或硫原子
      • 谷氨酰胺（Gln)；苏氨酸（Thr）；丝氨酸（Ser）；半胱氨酸（Cys）；天冬酰胺（Asn）
      • 谷苏丝半天
    • 含芳香环的氨基酸
      • 酪氨酸（Tyr）；苯丙氨酸(Phe）；色氨酸（Trp）
      • 老乡本色
    • 酸性氨基酸
      • 侧链可电离带负电
      • 谷氨酸（Glu）；天冬氨酸（Asp）
      • 古天乐
    • 碱性氨基酸
      • 侧链可电离，带正电荷
      • 精氨酸（Arg）；赖氨酸(Lys）；组氨酸（His）
      • 精赖组
  • 氨基酸的理化性质
    • 两性解离的性质
      • PH>PI:负电 PH<PI:正点 PH=PI：电中性（溶解度最小）
    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收的性质
      • 侧链上含有苯环或杂环
      • 含共轭双键的色氨酸、酪氨酸最大吸收峰在280nm波长附近
    • 与茚三酮反应成为蓝紫色化合物
      • 氨基酸被氧化脱氨脱羧，茚三酮水合物被还原；最大吸收峰在570nm处
  • 氨基酸通过肽链形成蛋白质或肽
    • 肽键：连接两个氨基酸的酰胺键
    • 2-20个氨基酸相连成为寡肽，更多的氨基酸相连形成多肽，氨基酸残基数在50个以上成为蛋白质
  • 体内重要的肽
    • 谷胱甘肽
      • 由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成的三肽
      • 半胱氨酸中的硫基是功能基团，具有还原性和嗜核特性
    • 多肽类激素:催产素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺释放激素（3肽）
    • 神经肽：镇痛、脑啡肽（5肽）、内啡肽（31肽）
• 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
    • 维系键：肽键、二硫键
    • N-端至C-端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构
    • 蛋白质一级结构中主要化学键是肽键，蛋白质分子中的二硫键也属于一级结构
    • 牛胰岛素分子中有三个二硫键，1链内二硫键+2链间二硫键
    • 是蛋白质空间构像和特异生物学功能的基础
  • 二级结构
    • 维系键：氢键
    • 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构即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像
    • 参与肽键形成的6个原子在同一平面上
      • C-N键介于单键和双键之间，不能自由旋转
    • a-螺旋是常见的蛋白质二级结构
      • 右手螺旋，侧链伸向外侧
      • 每个肽键的N-H和第四个肽链的羧基氧化形成氢键，其方向与螺旋长轴基本一致
      • Ala（丙氨酸）、Glu（谷氨酸）、Leu（亮氨酸）；Met（甲硫氨酸）比Gly（甘氨酸)、Pro（脯氨酸）、Ser(丝氨酸）、Tyr（酪氨酸）更常见
      • 蛋白质表面的a-螺旋，常具有两性特点，一侧为亲水性氨基酸，另一侧为非亲水性氨基酸。（可见于血浆脂蛋白、多肽激素、钙调蛋白激酶）
    • β-折叠使多肽链形成片层结构
      • 呈纸折状，氨基酸残基侧链交替位于肽链折叠形成的锯齿状结构的上下方
      • 锯齿状结构只含5-8个氨基酸氨基酸残基
      • 肽段的锯齿状结构可平行排列，折叠形成相同走向，也可回折形成相反走向
    • β-转角和Ω环存在于球状蛋白中
      • β-转角通常发生在肽链进行180°回折时的转角上；通常由四个氨基酸残基组成，第一个残基氧(O)可以和第四个残基氢（H）形成氢键；第二个残基通常为脯氨酸（Pro）
      • Ω环总是出现在蛋白质表面，以亲水基为主
    • 氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
      • 二级结构以一级结构为基础
  • 三级结构
    • 主要依靠次级键（非共价键）：疏水作用、离子键、氢键、范德华力
      • 疏水键在分子内部。亲水侧链在分子表面
    • 是整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
      • 整条肽链的所有原子在三维空间的排布位置
      • 肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单一肽链蛋白质，含一个血红素辅基
      • 形成和稳定主要靠次级键：疏水键、盐键、氢键、范德华力
    • 结构模体可由2个或2个以上二级结构肽段组成
      • 常见的模体结构有：α-螺旋-β-转角（或环）-α-螺旋模体(见于多种DNA结合蛋白）；链-β-转角-链模体（见于多种α-螺旋/β-折叠蛋白质）
      • 两个或两个以上的具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成有规则的二级结构组合称为超二级结构（αα、βαβ、ββ）
      • α-螺旋、β-折叠、α-螺旋与β-折叠之间的相互作用，主要由非极性氨基酸残基参与
    • 结构域是三级结构层次上具有独立结构与功能的区域
    • 蛋白质的多肽链折叠形成正确的空间构像才具有生物学功能
  • 四级结构
    • 由非共价键；连接，各亚基间的结合力主要是氢键和离子键
    • 含有两条或以上多肽链
    • 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，称为四级结构
    • 亚基结构相同称为同二聚体，不同称为异二聚体
    • 血红蛋白4个亚基通过8个离子键连接，每个亚基可结合一个血红素
  • 蛋白质的分类
    • 组成成分：单纯蛋白质和结合蛋白质
    • 形状：纤维状蛋白质和球状蛋白质
    • 属于同一蛋白质家族的成员，称为同源蛋白质
• 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
    • 催化功能
    • 信息交流
    • 免疫功能
    • 氧化功能：水、二氧化碳、能量
    • 维持机体的酸碱平衡
    • 维持正常的血浆渗透压
  • 蛋白质执行功能的主要形式
    • 蛋白质与小分子相互作用
    • 蛋白质与核酸相互作用
      • 绝大部分RNA都是与蛋白质形成的RNA-蛋白质复合物
      • 端粒酶：由催化蛋白和RNA模板组成的酶，可合成染色体末端的DNA
      • 剪接体：主要由小分子的核DNA和蛋白质组成
    • 蛋白质相互作用
      • 主要组织相容性复合物参与的分子识别；抗原与抗体的特异性结合
  • 蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
    • 一级结构是空间构像的基础
    • 一级结构相似的多肽链或蛋白质，其空间构像及功能也相似
    • 镰状细胞贫血是因为基因点突变引起一个氨基酸改变；肌营养不良症是因为基因大片段碱基缺失导致大片段肽链缺失
    • 镰状细胞贫血是由于β亚基第6位谷氨酸变为缬氨酸
    • 蛋白质功能依赖特定结构
      • 血红蛋白亚基与肌红蛋白亚基相似
        • Mb比Hb更易结合氧
        • 血红蛋白是由4个亚基组成的四级结构每个亚基结合一个血红素，携带1分子氧
        • 肌红蛋白由一条肽链和一个血红素辅基形成的三维结构，可结合
      • 血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
        • Mb的氧解离曲线为直角双曲线，Hb的氧解离曲线为“S”形
        • 别构效应：一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构像变化。小分子氧气称为别构剂或效应剂，Hb则被称为别构蛋白。
      • 蛋白质构像改变可引起疾病
        • 蛋白质错误折叠后相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，例如：人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病、亨廷顿病、疯牛病
          • 由阮病毒引起
• 蛋白质的理化性质
  • 两性电离性质
    • 碱性蛋白质：鱼精蛋白、组蛋白 酸性蛋白质：胃蛋白酶、丝蛋白
  • 胶体性质
    • 蛋白质颗粒表面可形成一层水化膜，可以阻断蛋白质颗粒的相互聚集，防止溶液中蛋白质沉淀析出
    • 蛋白质胶体表面可带有电荷，具有使胶体稳定的作用
  • 变性与复性
    • 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
    • 变性后，蛋白质溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失、易被蛋白酶水解
    • 发生变性的因素：加热、乙醇等有机溶剂、强酸强碱、重金属离子、生物碱试剂等
    • 尿素可破坏所有蛋白质分子中的二硫键
    • 凝固是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果
    • 沉淀不一定变性，变性不一定沉淀，凝固一定变性
  • 在紫外光谱区有特征性吸收
    • 蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm处有特征性吸收峰
  • 应用呈色反应测定含量
    • 茚三酮反应
    • 双缩脲反应：肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫红色或红色。氨基酸不发生此反应，双缩脲反应可检测蛋白质的水解程度
• 盐溶：低浓度的盐使蛋白质的溶解度增加
• 盐析：高浓度的盐破坏蛋白质的水化层并中和其电荷，促使蛋白质相互聚集而沉淀