生物化学与分子生物学/蛋白质的结构与功能

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蛋白质的分子组成[编辑]

主要有碳、氢、氧、氮和硫。有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼等,个别还含有碘。

各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16%。因此可大致推算出:每克样品含氮克数*6.25*100=100克样品中蛋白质含量(克%)。

  • 组成蛋白质的基本单元为氨基酸

存在于自然界中的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的氨基酸只有18种,且均属于L-α-氨基酸(甘氨酸除外,无D,L之分)。

  • 氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类
    • 非极性脂肪族氨基酸
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甘氨酸 Glycine Gly G
丙氨酸 Alanine Ala A
缬氨酸 Valine Val V
亮氨酸 Leucine Leu L
异亮氨酸 Isoleucine Ile I
脯氨酸 Proline Pro P
    • 极性中性氨基酸
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丝氨酸 Serine Ser S
半胱氨酸 Cysteine Cys C
甲硫氨酸 Methionine Met M
天冬酰胺 Asparagine Asn N
谷氨酰胺 Glutamine Gln Q
苏氨酸 Threonine Thr T
    • 芳香族氨基酸
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苯丙氨酸 Phenylalanine Phe F
色氨酸 Tryptophan Trp W
酪氨酸 Tyrosine Tyr Y
    • 酸性氨基酸
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天冬氨酸 Aspartic Acid Asp D
谷氨酸 Glutamic Acid Glu E
    • 碱性氨基酸
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赖氨酸 Lysine Lys K
精氨酸 Arginine Arg R
组氨酸 Histidine His H
  • 20种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

通常氨基酸的等电点(pI)是由α-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定的:

pI=1/2(pK1+pK2)

    • 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质

含共轭双键的Trp和Tyr的最大吸收峰在280nm波长附近。由于大多数蛋白质含有Trp和Tyr残基,因此测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速而简便的方法。

    • 氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物

此化合物最大吸收峰在570nm波长处。

  • 蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链
    • 氨基酸通过肽链连接而形成肽

α-羧基和α-氨基脱水形成酰胺键,称为肽键。

10个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽。

50个以下为多肽。

    • 体内存在多种重要的生物活性肽
      • 谷胱甘肽(GSH)

GSH的巯基具有还原性,能保护蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化。GSH的巯基还有嗜核特性,能与外源的嗜电子毒物结合。

      • 多肽类激素及神经肽

蛋白质的分子结构[编辑]

  • 一级结构

在蛋白质分子中,从N-端到C-端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。化学键包括肽键和二硫键。

一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础,但并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

研究蛋白质一级结构的意义:

1、一级结构是蛋白质构象的基础,包含了形成特定的构象所需的全部信息。

2、一级结构是蛋白质生物活性的分子基础。

3、众多遗传病的分子基础是基因突变,导致其所表达的蛋白质的一级结构发生改变。

4、研究蛋白质的一级结构可以阐明生物进化史,不同物种之间的同源蛋白质之间的一级结构越相似,物种之间的进化关系就越近。

  • 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。包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。

    • 参与肽键形成的6个原子在同一平面上,构成了肽单元
    • α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构

右手螺旋,每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈,螺距为0.54nm。肽链中的全部肽键都可形成氢键,方向与螺旋长轴基本平衡。

  • 要点:
  • α-螺旋是一种重复结构,螺旋中每个α-碳的φ和ψ分别在-57°和-47°附近。
  • 每个氨基酸残基上的N-H与其前面第四个氨基酸残基上的羰基之间形成相邻螺旋之间的链内氢键。
  • 氨基酸残基的侧链主要在螺旋的外侧。
  • 天然蛋白质中α-螺旋大多数都是右手螺旋。
  • 形成和稳定α-螺旋的因素: 氨基酸的组成和排列顺序
  • 侧链的大小
    • β-折叠使多肽链形成片层结构

定义:指蛋白质的多肽链局部肽段的主链呈锯齿状伸展状态。

相邻β-折叠肽段的肽单位之间形成的氢键是维系蛋白质二级结构的主要作用力。

    • β-转角和无规则卷曲在蛋白质分子中普遍存在

β-转角常发生于肽链进行180°回折时的转角上,呈U形倒转。

    • 模体是具有特殊功能的超二级结构

两个或两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,称为超二级结构。常有以下几种形式:α-螺旋-β-转角-α-螺旋模体;链-β-转角-链模体;链-β-转角-α-螺旋-β-转角-链模体;锌指结构。

    • 氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响
  • 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

也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。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。

蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键,如疏水键、盐键、氢键和范德华力等。

  • 定义:指的是多肽链在二级结构的基础上,通过侧链基团的进一步卷曲折叠,借助次级键维系使α-螺旋、β-折叠、β-转角等二级结构相互配置而形成的特定构象。(建立在二级结构、超二级结构和结构域基础上的球状蛋白质的高级空间结构。)
  • 蛋白质三级结构的特点:
  • 含有多种二级结构单元;有明显的折叠层次;为紧密的球状或橄榄球状实体;分子表面有一个空穴(活性部位);疏水侧链埋藏在分子结构的内部,亲水侧链(基团)暴露出来,在分子的外部。
  • 稳定三级结构的作用力:
  • 氢键、二硫键、离子键、疏水作用力和范德华力,其中疏水作用力最为主要。
    • 结构域是三级结构层次上的局部折叠区

有些球形蛋白的一条肽链,或以共价键相连的两条或多条肽链在空间结构上可以区分为若干个球状的子结构,其中的每一个球状子结构就被称为一个结构域。。

    • 分子伴侣参与蛋白质折叠
  • 四级结构

每一条多肽链都有其完整的三级结构,称为亚基。各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级结构。各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。

  • 蛋白质的分类
    • 单纯蛋白质

只含氨基酸

    • 结合蛋白质

还含有非蛋白质部分,称为辅基,大部分通过共价键与蛋白质部分相连,为蛋白质的生物活性或代谢所依赖。

蛋白质结构与功能的关系[编辑]

蛋白质的一结构与功能的关系

1、一级结构不同,生物学功能各异

2、一级结构的“关键”部位变化,其生物活性也改变

3、一级结构中“关键”部分相同,其功能也相同

蛋白质的空间构象与功能的关系

1、角蛋白含有大量的α-螺旋结构,与富含角蛋白组织的坚韧性和弹性直接相关

2、丝心蛋白含有大量的β-折叠结构,致使蚕丝具有伸展和柔软的特性

蛋白质的理化性质[编辑]

1、氨基酸的两性电离和等电点

2、蛋白质的胶体性质

蛋白质高分子化合物,其分子量一般在10000-100000kD之间,球状蛋白的颗粒大小约在100-1nm范围内,达到了胶体的要求,因此蛋白质具有胶体的性质。

3、氨基酸的呈色反应

⑴氨基酸与茚三酮供热,发生紫色反应(脯氨酸与茚三酮反应生成黄色)

⑵含有多个肽键的蛋白质和肽在碱性溶液中加热可与铜离子作用生成紫红色的络合物。(双缩脲反应)

⑶蛋白质分子中酪氨酸残基在碱性条件下能与酚试剂(磷钨酸和磷钼酸)反应生成蓝色化合物

⑷坂口反应——精氨酸,呈红色

⑸黄色反应——芳香族氨基酸(其中以酪氨酸最容易进行)

4、芳香族氨基酸的紫外吸收特性

芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)在280nm波长下具有特征性吸收峰。

5、蛋白质的变形:

指在某些理化因素作用下,天然蛋白质分子的空间结构遭到破坏,因而其理化性质发生改变而导致生物活性丧失的现象。

变形后的肽链从高度折叠状态变成伸展状态。疏水基团外露,溶解度降低,不对称性增加,失去结晶能力、生物活性丧失、易被蛋白酶水解。

6、蛋白质的复性:

一些变性的蛋白质在一定条件下可以恢复原来的结构及生物活性的过程。

蛋白质的分离、纯化与结构分析[编辑]

从生物组织中制取蛋白质的一般不步骤:

1、材料的预处理及细胞破碎

常用的破碎方法:⑴研磨法

⑵组织捣碎器法

⑶冻融法

⑷超声波法

⑸化学处理法

⑹生物酶降解法

2、抽提

3、分离

⑴吸附法

⑵沉淀法

⑶超滤法

4、纯化

⑴依据相对分子质量不同的分离方法

①凝胶过滤,又称分子筛色谱

⑵利用溶解度不同的分离方法

①盐析

②等电点沉淀

⑶根据电荷性的不同进行分离的方法

①离子交换色谱

⑷根据特异性亲和力不同的分离方法

①亲和色谱