生物化學與分子生物學/蛋白質的結構與功能

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蛋白質的分子組成[編輯]

主要有碳、氫、氧、氮和硫。有些蛋白質還含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬等,個別還含有碘。

各種蛋白質的含氮量很接近,平均為16%。因此可大致推算出:每克樣品含氮克數*6.25*100=100克樣品中蛋白質含量(克%)。

  • 組成蛋白質的基本單元為胺基酸

存在於自然界中的胺基酸有300餘種,但組成人體蛋白質的胺基酸只有18種,且均屬於L-α-胺基酸(甘氨酸除外,無D,L之分)。

  • 胺基酸可根據側鏈結構和理化性質進行分類
    • 非極性脂肪族胺基酸
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甘氨酸 Glycine Gly G
丙氨酸 Alanine Ala A
纈氨酸 Valine Val V
亮氨酸 Leucine Leu L
異亮氨酸 Isoleucine Ile I
脯氨酸 Proline Pro P
    • 極性中性胺基酸
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絲氨酸 Serine Ser S
半胱氨酸 Cysteine Cys C
甲硫氨酸 Methionine Met M
天冬醯胺 Asparagine Asn N
穀氨醯胺 Glutamine Gln Q
蘇氨酸 Threonine Thr T
    • 芳香族胺基酸
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苯丙氨酸 Phenylalanine Phe F
色氨酸 Tryptophan Trp W
酪氨酸 Tyrosine Tyr Y
    • 酸性胺基酸
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天冬氨酸 Aspartic Acid Asp D
穀氨酸 Glutamic Acid Glu E
    • 鹼性胺基酸
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賴氨酸 Lysine Lys K
精氨酸 Arginine Arg R
組氨酸 Histidine His H
  • 20種胺基酸具有共同或特異的理化性質
    • 胺基酸具有兩性解離的性質

通常胺基酸的等電點(pI)是由α-羧基和α-氨基的解離常數的負對數pK1和pK2決定的:

pI=1/2(pK1+pK2)

    • 含共軛雙鍵的胺基酸具有紫外吸收性質

含共軛雙鍵的Trp和Tyr的最大吸收峰在280nm波長附近。由於大多數蛋白質含有Trp和Tyr殘基,因此測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速而簡便的方法。

    • 胺基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物

此化合物最大吸收峰在570nm波長處。

  • 蛋白質是由許多胺基酸殘基組成的多肽鏈
    • 胺基酸通過肽鏈連接而形成肽

α-羧基和α-氨基脫水形成醯胺鍵,稱為肽鍵。

10個以內胺基酸相連而成的肽稱為寡肽。

50個以下為多肽。

    • 體內存在多種重要的生物活性肽
      • 穀胱甘肽(GSH)

GSH的巰基具有還原性,能保護蛋白質或酶分子中的巰基免遭氧化。GSH的巰基還有嗜核特性,能與外源的嗜電子毒物結合。

      • 多肽類激素及神經肽

蛋白質的分子結構[編輯]

  • 一級結構

在蛋白質分子中,從N-端到C-端的胺基酸排列順序稱為蛋白質的一級結構。化學鍵包括肽鍵和二硫鍵。

一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎,但並不是決定蛋白質空間構象的唯一因素。

研究蛋白質一級結構的意義:

1、一級結構是蛋白質構象的基礎,包含了形成特定的構象所需的全部信息。

2、一級結構是蛋白質生物活性的分子基礎。

3、眾多遺傳病的分子基礎是基因突變,導致其所表達的蛋白質的一級結構發生改變。

4、研究蛋白質的一級結構可以闡明生物進化史,不同物種之間的同源蛋白質之間的一級結構越相似,物種之間的進化關係就越近。

  • 二級結構

是指蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構,也就是該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置。包括α-螺旋、β-摺疊、β-轉角和無規則捲曲。

    • 參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上,構成了肽單元
    • α-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構

右手螺旋,每3.6個胺基酸殘基螺旋上升一圈,螺距為0.54nm。肽鏈中的全部肽鍵都可形成氫鍵,方向與螺旋長軸基本平衡。

  • 要點:
  • α-螺旋是一種重複結構,螺旋中每個α-碳的φ和ψ分別在-57°和-47°附近。
  • 每個胺基酸殘基上的N-H與其前面第四個胺基酸殘基上的羰基之間形成相鄰螺旋之間的鏈內氫鍵。
  • 胺基酸殘基的側鏈主要在螺旋的外側。
  • 天然蛋白質中α-螺旋大多數都是右手螺旋。
  • 形成和穩定α-螺旋的因素: 胺基酸的組成和排列順序
  • 側鏈的大小
    • β-摺疊使多肽鏈形成片層結構

定義:指蛋白質的多肽鏈局部肽段的主鏈呈鋸齒狀伸展狀態。

相鄰β-摺疊肽段的肽單位之間形成的氫鍵是維繫蛋白質二級結構的主要作用力。

    • β-轉角和無規則捲曲在蛋白質分子中普遍存在

β-轉角常發生於肽鏈進行180°回折時的轉角上,呈U形倒轉。

    • 模體是具有特殊功能的超二級結構

兩個或兩個以上具有二級結構的肽段,在空間上相互接近,形成一個有規則的二級結構組合,稱為超二級結構。常有以下幾種形式:α-螺旋-β-轉角-α-螺旋模體;鏈-β-轉角-鏈模體;鏈-β-轉角-α-螺旋-β-轉角-鏈模體;鋅指結構。

    • 胺基酸殘基的側鏈對二級結構形成的影響
  • 三級結構
    • 三級結構是指整條肽鏈中全部胺基酸殘基的相對空間位置

也就是整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。一級結構上相鄰的二級結構常在三級結構中彼此靠近並形成超二級結構。

蛋白質三級結構的形成和穩定主要靠次級鍵,如疏水鍵、鹽鍵、氫鍵和范德華力等。

  • 定義:指的是多肽鏈在二級結構的基礎上,通過側鏈基團的進一步捲曲摺疊,藉助次級鍵維繫使α-螺旋、β-摺疊、β-轉角等二級結構相互配置而形成的特定構象。(建立在二級結構、超二級結構和結構域基礎上的球狀蛋白質的高級空間結構。)
  • 蛋白質三級結構的特點:
  • 含有多種二級結構單元;有明顯的摺疊層次;為緊密的球狀或橄欖球狀實體;分子表面有一個空穴(活性部位);疏水側鏈埋藏在分子結構的內部,親水側鏈(基團)暴露出來,在分子的外部。
  • 穩定三級結構的作用力:
  • 氫鍵、二硫鍵、離子鍵、疏水作用力和范德華力,其中疏水作用力最為主要。
    • 結構域是三級結構層次上的局部摺疊區

有些球形蛋白的一條肽鏈,或以共價鍵相連的兩條或多條肽鏈在空間結構上可以區分為若干個球狀的子結構,其中的每一個球狀子結構就被稱為一個結構域。。

    • 分子伴侶參與蛋白質摺疊
  • 四級結構

每一條多肽鏈都有其完整的三級結構,稱為亞基。各個亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用,稱為蛋白質的四級結構。各亞基間的結合力主要是氫鍵和離子鍵。

  • 蛋白質的分類
    • 單純蛋白質

只含胺基酸

    • 結合蛋白質

還含有非蛋白質部分,稱為輔基,大部分通過共價鍵與蛋白質部分相連,為蛋白質的生物活性或代謝所依賴。

蛋白質結構與功能的關係[編輯]

蛋白質的一結構與功能的關係

1、一級結構不同,生物學功能各異

2、一級結構的「關鍵」部位變化,其生物活性也改變

3、一級結構中「關鍵」部分相同,其功能也相同

蛋白質的空間構象與功能的關係

1、角蛋白含有大量的α-螺旋結構,與富含角蛋白組織的堅韌性和彈性直接相關

2、絲心蛋白含有大量的β-摺疊結構,致使蠶絲具有伸展和柔軟的特性

蛋白質的理化性質[編輯]

1、胺基酸的兩性電離和等電點

2、蛋白質的膠體性質

蛋白質高分子化合物,其分子量一般在10000-100000kD之間,球狀蛋白的顆粒大小約在100-1nm範圍內,達到了膠體的要求,因此蛋白質具有膠體的性質。

3、胺基酸的呈色反應

⑴胺基酸與茚三酮供熱,發生紫色反應(脯氨酸與茚三酮反應生成黃色)

⑵含有多個肽鍵的蛋白質和肽在鹼性溶液中加熱可與銅離子作用生成紫紅色的絡合物。(雙縮脲反應)

⑶蛋白質分子中酪氨酸殘基在鹼性條件下能與酚試劑(磷鎢酸和磷鉬酸)反應生成藍色化合物

⑷坂口反應——精氨酸,呈紅色

⑸黃色反應——芳香族胺基酸(其中以酪氨酸最容易進行)

4、芳香族胺基酸的紫外吸收特性

芳香族胺基酸(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)在280nm波長下具有特徵性吸收峰。

5、蛋白質的變形:

指在某些理化因素作用下,天然蛋白質分子的空間結構遭到破壞,因而其理化性質發生改變而導致生物活性喪失的現象。

變形後的肽鏈從高度摺疊狀態變成伸展狀態。疏水基團外露,溶解度降低,不對稱性增加,失去結晶能力、生物活性喪失、易被蛋白酶水解。

6、蛋白質的復性:

一些變性的蛋白質在一定條件下可以恢復原來的結構及生物活性的過程。

蛋白質的分離、純化與結構分析[編輯]

從生物組織中製取蛋白質的一般不步驟:

1、材料的預處理及細胞破碎

常用的破碎方法:⑴研磨法

⑵組織搗碎器法

⑶凍融法

⑷超聲波法

⑸化學處理法

⑹生物酶降解法

2、抽提

3、分離

⑴吸附法

⑵沉澱法

⑶超濾法

4、純化

⑴依據相對分子質量不同的分離方法

①凝膠過濾,又稱分子篩色譜

⑵利用溶解度不同的分離方法

①鹽析

②等電點沉澱

⑶根據電荷性的不同進行分離的方法

①離子交換色譜

⑷根據特異性親和力不同的分離方法

①親和色譜