公衛(wèi)助理醫(yī)師《生物化學(xué)》蛋白質(zhì)的化學(xué)知識(shí)

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2017年公衛(wèi)助理醫(yī)師《生物化學(xué)》蛋白質(zhì)的化學(xué)知識(shí)

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2017年公衛(wèi)助理醫(yī)師《生物化學(xué)》蛋白質(zhì)的化學(xué)知識(shí)

　　第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成

　　一、蛋白質(zhì)的元素組成

　　主要有 C、H、O、N、S。

　　各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。

　　二、蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸

　　蛋白質(zhì)在酸、堿或蛋白酶的作用下，最終水解為游離氨基酸(amino acid)，即蛋白質(zhì)組成單體或構(gòu)件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余種，但合成蛋白質(zhì)的氨基酸僅20種(稱編碼氨基酸)。

　　(一)氨基酸的結(jié)構(gòu)通式

　　組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸有共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

　　1.氨基連接在α- C上，屬于α-氨基酸(脯氨酸為α-亞氨基酸)。

　　2.R是側(cè)鏈，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型兩種立體異構(gòu)體。天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L-型。

　　(二)氨基酸的分類

　　1.按R基的化學(xué)結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族、雜環(huán)、雜環(huán)亞氨基酸四類。

　　2.按R基的極性和在中性溶液的解離狀態(tài)分為非極性氨基酸、極性不帶電荷、極性帶負(fù)電荷或帶正電荷的四類。

　　帶有非極性R(烴基、甲硫基、吲哚環(huán)等，共9種)：甘(Gly)、丙(Ala)、纈(Val)、亮(Leu)、異亮(Ile)、苯丙(Phe)、甲硫(Met)、脯(Pro)、色(Trp)

　　帶有不可解離的極性R(羥基、巰基、酰胺基等，共6種)：絲(Ser)、蘇(Thr)、天胺(Asn)、谷胺(Gln)、酪(Tyr)、半(Cys)

　　帶有可解離的極性R基(共5種)：天(Asp)、谷(Glu)、賴(Lys)、精(Arg)、組(His)，前兩個(gè)為酸性氨基酸，后三個(gè)是堿性氨基酸。

　　(三)氨基酸的重要理化性質(zhì)

　　1.一般物理性質(zhì)

　　α-氨基酸為無色晶體，熔點(diǎn)一般在200 oC以上。各種氨基酸在水中的溶解度差別很大(酪氨酸不溶于水)。一般溶解于稀酸或稀堿，但不能溶解于有機(jī)溶劑，通常酒精能把氨基酸從其溶液中沉淀析出。

　　芳香族氨基酸(Tyr、Trp、Phe)有共軛雙鍵，在近紫外區(qū)有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收峰在280nm，Phe在265 nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)含Tyr、Trp殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。

　　2.兩性解離和等電點(diǎn)(isoelectric point, pI)

　　氨基酸在水溶液或晶體狀態(tài)時(shí)以兩性離子的形式存在，既可作為酸，又可作為堿起作用，是兩性電解質(zhì)，其解離度與溶液的pH有關(guān)。

　　在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢(shì)和程度相等，成為兼性離子，呈電中性，

　　此時(shí)溶液的pH稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。

　　3.氨基酸的'化學(xué)反應(yīng)

　　氨基酸的化學(xué)反應(yīng)是其基團(tuán)的特征性反應(yīng)。

　　(1)茚三酮反應(yīng)

　　所有具有自由α-氨基的氨基酸與過量茚三酮共熱形成藍(lán)紫色化合物。

　　(2)與2，4-二硝基氟苯(DNFB)的反應(yīng)

　　三、肽(peptide)

　　1.肽鍵與肽鏈

　　一個(gè)氨基酸的α-羧基和另一個(gè)氨基酸的α-氨基脫水形成的酰胺鍵稱為肽鍵。多肽鏈的方向性是從N末端指向C末端。

　　肽分子中不完整的氨基酸稱為氨基酸殘基。肽按其序列從N端到C端命名。一般10肽以下屬寡肽，10肽以上為多肽。

　　2.生物活性肽

　　谷胱甘肽(glutathione，GSH)

　　是由Glu、Cys、Gly組成的一種三肽，又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸(含γ-肽鍵)。

　　第二節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

　　一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)(primary structure)

　　蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。

　　二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure)

　　蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指其分子中主鏈原子的局部空間排列，是主鏈構(gòu)象(不包括側(cè)鏈R基團(tuán))。

　　兩種主鏈原子的局部空間排列的分子模型(α-螺旋)和(β-折疊)。

　　1.肽單位

　　肽鍵及其兩端的α-C共6個(gè)原子處于同一平面上，組成了肽單位(所在的平面稱肽鍵平面)。

　　肽鍵C—N鍵長(zhǎng)為0.132nm，比相鄰的單鍵(0.147nm)短，而較C=N雙鍵(0.128nm)長(zhǎng)，有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵平面上各原子呈順反異構(gòu)關(guān)系，肽鍵平面上的`O、H以及2個(gè)α-碳原子為反式構(gòu)型(transconfiguration)。

　　2.α-螺旋

　　α-螺旋是肽鍵平面通過α-碳原子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)形成的一種緊密螺旋盤繞，是有周期的一種主鏈構(gòu)象。其特點(diǎn)是：

　　② 螺旋每轉(zhuǎn)一圈上升3.6個(gè)氨基酸殘基，螺距約0.54nm

　　②相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。

　　③螺旋的走向絕大部分是右手螺旋，殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)。R基團(tuán)的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對(duì)α-螺旋的形成及穩(wěn)定有影響。

　　3.β-折疊

　　① 相鄰肽鍵平面間折疊成110度角，呈鋸齒狀。

　　② 兩個(gè)以上具β-折疊的肽鏈或同一肽鏈內(nèi)不同肽段相互平行排列，形成β-折疊片層，其穩(wěn)定因素是肽鏈間的氫鍵。

　　③ 逆向平行的片層結(jié)構(gòu)比順向平行的穩(wěn)定。

　　α-螺旋和β-折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。

　　4.β-轉(zhuǎn)角

　　5.不規(guī)卷曲

　　6.超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

　　三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiary structure)

　　指一條多肽鏈中所有原子的整體排布，包括主鏈和側(cè)鏈。維系三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級(jí)鍵(疏水相互作用、靜電力、氫鍵等)。在序列中相隔較遠(yuǎn)的氨基酸疏水側(cè)鏈相互靠近，結(jié)合蛋白質(zhì)的輔基往往鑲嵌其內(nèi)，形成功能活性部位，而親水基團(tuán)則在外，這也是球狀蛋白質(zhì)易溶于水的原因。

　　四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu) (quaternary structure)

　　有些蛋白質(zhì)的分子量很大，由2條或2條以上具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價(jià)鍵相互結(jié)合而成，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的每條多肽鏈稱為亞基 (subunit)，亞基單獨(dú)存在時(shí)一般沒有生物學(xué)功能，構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)亞基可以相同或不同。如血紅蛋白(hemoglobin,Hb) 是由兩個(gè)α-亞基和兩個(gè)β-亞基形成的四聚體。

　　五、蛋白質(zhì)分子中的化學(xué)鍵

　　蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由共價(jià)鍵形成的，如肽鍵和二硫鍵。而維持空間構(gòu)象穩(wěn)定的是非共價(jià)的次級(jí)鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。

　　第三節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

　　一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

　　(一)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的.基礎(chǔ)

　　如果一級(jí)結(jié)構(gòu)未破壞，保持了氨基酸的排列順序就可能回復(fù)到原來的三級(jí)結(jié)構(gòu)，功能依然存在。

　　(二)種屬差異

　　(三)分子病

　　鐮刀狀紅細(xì)胞貧血病。

　　二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

　　蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其生物活性的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)變化，其功能也隨之改變。

　　38 【大中小】0

　　第四節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

　　蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和氨基酸相似，有兩性解離及等電點(diǎn)、紫外吸收和呈色反應(yīng)。還有膠體性質(zhì)、沉淀、變性和凝固等特點(diǎn)。

　　一、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)

　　蛋白質(zhì)的水溶液具有親水膠體的性質(zhì)。顆粒表面的水化膜和電荷是其穩(wěn)定的因素，調(diào)節(jié)pH至pI、加入脫水劑等，蛋白質(zhì)即可從溶液中沉淀出來。

　　透析法是利用蛋白質(zhì)不能透過半透膜的性質(zhì)，去掉小分子物質(zhì)，達(dá)到純化的目的。

　　大小不同的蛋白質(zhì)分子可以通過凝膠過濾分開。又稱分子篩層析。

　　二、蛋白質(zhì)的兩性解離

　　蛋白質(zhì)和氨基酸一樣是兩性電解質(zhì)，在溶液中的荷電狀態(tài)受pH值影響。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。pH>pI時(shí)，該蛋白質(zhì)顆粒帶負(fù)電荷，反之則帶正電荷。在人體體液中多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)接近pH5，所以在生理pH7.4環(huán)境下，多數(shù)蛋白質(zhì)解離成陰離子。少量蛋白質(zhì)，如魚精蛋白、組蛋白的.pI偏于堿性，稱堿性蛋白質(zhì)，而胃蛋白酶和絲蛋白為酸性蛋白。

　　三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

　　蛋白質(zhì)在某些理化因素的作用下，空間結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致理化性質(zhì)改變，生物學(xué)活性喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性(denaturation)。

　　蛋白質(zhì)變性的本質(zhì)是多肽鏈從卷曲到伸展的過程，不涉及一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變。變性作用不過于劇烈，是一種可逆反應(yīng)，去除變性因素，有些蛋白質(zhì)原有的構(gòu)象和功能可恢復(fù)或部分恢復(fù)，稱為復(fù)性(denaturation)。

　　蛋白質(zhì)變性的主要表現(xiàn)是失去生物學(xué)活性，變性蛋白溶解度降低，易形成沉淀析出;易被蛋白水解酶消化。

　　蛋白質(zhì)自溶液中析出的現(xiàn)象，稱為蛋白質(zhì)的沉淀。鹽析、有機(jī)溶劑、重金屬鹽、生物堿試劑都可沉淀蛋白質(zhì)。鹽析沉淀蛋白質(zhì)不變性，是分離制備蛋白質(zhì)的常用方法。如血漿中的清蛋白在飽和的硫酸銨溶液中可沉淀，而球蛋白則在半飽和硫酸銨溶液中發(fā)生沉淀。乙醇、丙酮均為脫水劑，可破壞水化膜，降低水的介電常數(shù)，使蛋白質(zhì)的解離程度降低，表面電荷減少，從而使蛋白質(zhì)沉淀析出。低溫時(shí)，用丙酮沉淀蛋白質(zhì)，可保留原有的生物學(xué)活性。但用乙醇，時(shí)間較長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致變性。重金屬鹽(Hg2+、Cu2+、Ag+)，生物堿與蛋白質(zhì)結(jié)合成鹽而沉淀，是不可逆的。

　　凝固是蛋白質(zhì)變性發(fā)展的不可逆的結(jié)果。沉淀的蛋白質(zhì)不一定變性(如鹽析)。

　　四、蛋白質(zhì)的紫外吸收和呈色反應(yīng)

　　蛋白質(zhì)含芳香族氨基酸，在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰。

　　例題：

　　1.測(cè)得某一蛋白質(zhì)樣品的氮含量為0.40g，此樣品約含蛋白質(zhì)多少?

　　A.2.00g　　B.2.50g　　C.6.40g　　D.3.00g　　 E.6.25g

　　2.下列含有兩個(gè)羧基的氨基酸是：

　　A.精氨酸　B.賴氨酸　C.甘氨酸　 D.色氨酸　 E.谷氨酸

　　3.維持蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵是：

　　A.鹽鍵　 B.疏水鍵　 C.肽鍵　　　D.氫鍵　　　 E.二硫鍵

　　參考答案

　　1.B 2.E 3.D