《生物化学与分子生物学》(人卫第八版)-第一章蛋白质的结构与功能归纳总结

第一章蛋白质·蛋白质（protein）是由许多氨基酸（aminoacids）通过肽键（prpidebond）相连形成的高分子含氮化合物。·具有复杂空间结构的蛋白质不仅是生物体的重要结构物质之一，而且承担着各种生物学功能，其动态功能包括：化学催化反应、免疫反应、血液凝固、物质代谢调控、基因表达调控和肌收缩等；就其结构功能而言，蛋白质提供结缔组织和骨的基质、形成组织形态等。·显而易见，普遍存在于生物界的蛋白质是生物体的重要组成成分和生命活动的基本物质基础，也是生物体中含量最丰富的生物大分子（biomacromolecule）·蛋白质是生物体重要组成成分。分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45%，某些组织含量更高，例如：脾、肺及横纹肌等高达80%。·蛋白质具有重要的生物学功能。1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动和支持作用6）参与细胞间信息传递·氧化功能第一节蛋白质的分子组成（TheMolecularStructureofProtein）1.组成元素：C（50%-55%）、H（6%-7%）、O（19%-24%）、N（13%-19%）、S（0-4%）。有些但被指含少量磷、硒或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别还含碘。2.各蛋白质含氮量接近，平均为16%。100g样品中蛋白质的含量（g%）=每克样品含氮克数*6.25*100，即每克样品含氮克数除以16%。凯氏定氮法：在有催化剂的条件下，用浓硫酸消化样品将有机氮都转化为无机铵盐，然后在碱性条件下将铵盐转化为氨，随水蒸气蒸馏出来并为过量的硼酸液吸收，再以标准盐酸滴定，就可计算出样品中的氮量。此法是经典的蛋白质定量方法。一、氨基酸——组成蛋白质的基本单位存在于自然界的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外），手性，具有旋光性（甘氨酸除外，甘氨酸R基团为-H）。根据旋光性光偏振旋转方向分为左旋和右旋，即分别是D-氨基酸和L-氨基酸，而构成天然蛋白质的氨基酸都是L-氨基酸。（一）氨基酸的分类1.非极性疏水性（脂肪族）氨基酸：R基为C、H2.极性中性氨基酸:一般而言溶水性大于非极性疏水性（脂肪族）氨基酸3.酸性氨基酸：侧链都含有羟基4.碱性氨基酸侧链分别含有氨基、胍基和或咪唑基5.芳香族氨基酸：疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下可分离特殊氨基酸：脯氨酸应属亚氨基酸，N在杂环中移动的自由度受限制，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽键。脯氨酸在蛋白合成加工时可被修饰成羟脯氨酸半胱氨酸巯基失去质子的倾向较其他氨基酸为大，极性最强，两个半胱氨酸通过脱氢后以二硫键相连，形成胱氨酸。蛋白质中有不少半胱氨酸以胱氨酸形式存在。（二）氨基酸的理化性质1.两性解离及等电点（isoelectricpoint,pl）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成都相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。2.紫外吸收色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值似分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。3.茚三醇反应氨基酸与茚三醇水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。二、肽（一）肽（peptide）·肽键（peptidebond）是由一个氨基酸的羧基（-COOH）与另一个氨基酸的氨基（-NH2）脱水缩合形成的化学键·肽键由于共振而具有部分双键性质，因此：1.肽键比一般的C-N键短，且不能自由旋转。2.肽键原子及相邻的α-碳原子组成肽平面。3.相邻的α碳原子呈反式构型。·肽是由氨基酸通过肽键缩合形成的化合物·十个以内氨基酸相连形成的肽称为寡肽（oligopeptide），由更多的氨基酸相连形成的肽称为多肽（polypeptide）·肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基（residue）·多肽链（polypeptidechain）是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构·多肽链有两端。N末端，有自由氨基。C末端，有自由羧基。（二）生物活性肽1.谷胱甘肽（glutathione，GSH）：GSH的巯基具有还原性，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。可还原细胞内产生的H2O2。此外GSH的巯基还有嗜核特性，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。2.多肽类激素与神经肽·体内许多激素属寡糖或多肽·神经肽（neuropeptide）：在神经传导过程中起信号传导作用的肽。第二节蛋白质的分子结构（TheMolecularStructureofProotein）一、蛋白质的一级结构定义：蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。·一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础二、蛋白质的二级结构定义：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象。主要的化学键：氢键·肽单元：参与肽键的6个原子Cα1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面，Cα1和Cα2在平面上所处的位置为反式（trans）构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元（peptideunit）·α-螺旋（α-helix）·β-折叠（β-pleatedsheet）·β-转角（β-turn）和无规卷曲（randomcoil）无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构·模体：在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，即模体（motif）·氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成α螺旋或β折叠，它就会出现相应的二级结构。三、蛋白质的三级结构定义：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间中的排布位置。主要的化学键：疏水键、离子键、氢键和vanderwaals力等。·结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域（domain）·分子伴侣分子伴侣（chaperon）通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。*分子结构可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。*分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。*分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用四、蛋白质的四级结构有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基（subunit）蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键*蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列*蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠*蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构*蛋白质的四级结构是亚基的空间排列第三节蛋白质结构与功能的关系（TheRelationofStructureandFunctionofProtein）一、蛋白质一级结构与功能的关系（一）一级结构是空间构象的基础（二）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血二、蛋白质空间结构与功能的关系（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构（二）血红蛋白的构象变化与结合氧Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。*协同效应（cooperativity）一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称协同效应。如果是促进作用称正协同效应（positivecooperativity），如果是抑制作用则称为负协同效应（negativecooperativity）血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。*变构效应（allostericeffect）蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。（三）蛋白质构象改变与疾病1）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。2）蛋白质构象改变导致疾病的机理：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，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。3）这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病中的蛋白质构象改变：疯牛病是由朊病毒蛋白（prionprotein，PrP）引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种位置蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。第四节蛋白质的理化性质与分离纯化（ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein）一、理化性质（一）蛋白质的两性电离蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的等电点（isoelectricpoint，pl）当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。（二）蛋白质的胶体性质蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1~100nm，为胶粒范围之内。*蛋白质胶体稳定的因素颗粒表面电荷水化膜（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固*蛋白质的变性（denaturation）在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构想被破坏，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改变和生物活性丧失。·变性的本质：破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。·造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。·应用举例：消毒灭菌，防止蛋白质变性是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性（renaturation）*蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。*蛋白质的凝固作用（proteincoagulation）蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸或强碱中。（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作为蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色反应1.茚三醇反应（ninhydrinreaction）蛋白质经水解后产生的氨基酸可发生茚三醇反应2.双缩脲反应（biuretreaction）蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。