生物化学 话题 01：氨基酸与蛋白质

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1 氨基酸与多肽

1.1 氨基酸的结构与分类

结构

  • 氨基酸是蛋白质的基本组成单位，其分子结构由一个中心碳原子（α-碳）连接四种基团构成：羧基（-COOH）、氨基（-NH₂）、氢原子和侧链（R 基团）。
  • R 基团的性质决定了氨基酸的理化特性。 氨基酸结构示意图

分类

  • 根据侧链（R 基团）的理化性质分类：

    1. 非极性脂肪族氨基酸：包括异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）、脯氨酸（Pro）、缬氨酸（Val）和甲硫氨酸（Met）。
    2. 极性中性氨基酸：包括谷氨酰胺（Gln）、半胱氨酸（Cys）、天冬酰胺（Asn）、丝氨酸（Ser）和苏氨酸（Thr）。
    3. 芳香族氨基酸：包括酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）和苯丙氨酸（Phe），在紫外光区（分别为280nm、280nm、268nm）有特征吸收峰。
    4. 酸性氨基酸：包括天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）。
    5. 碱性氨基酸：包括赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）和组氨酸（His）。

  • 根据营养性质分类：

    • 必需氨基酸：人体无法合成或合成不足，必须通过饮食摄入，包括缬氨酸（Val）、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）、蛋氨酸（Met）、色氨酸（Trp）、苏氨酸（Thr）、赖氨酸（Lys）和组氨酸（His）。
    • 非必须氨基酸

[!NOTE]
必需氨基酸的记忆口诀：“写一两本单色书来组”（对应缬、异、亮、苯、蛋、色、苏、赖、组）。

1.2 肽键与肽链

肽键

  • 本质是酰胺键
  • 肽键是通过脱水缩合反应，在一个氨基酸的羧基（-COOH）与另一个氨基酸的氨基（-NH₂）之间形成的共价键，也称酰胺键（-CO-NH-）。
  • 肽键具有部分双键性质，表现为平面性和旋转受限。
  • 蛋白酶通过水解肽键分解蛋白质。
  • 肽单元：参与肽键的 6 个原子（位于一个肽平面上）

肽链

  • 由多个氨基酸通过肽键连接形成的链状分子，即多肽。
  • 蛋白质通常由一条或多条多肽链组成。

[!TIP]
肽链的两个末端分别为N端（氨基端）和C端（羧基端），分别对应第一个氨基酸的氨基和最后一个氨基酸的羧基。

2 蛋白质的结构

2.1 一级结构

  • 定义：蛋白质一级结构是指氨基酸的线性排列顺序。
  • 特点：
    • 包括二硫键的位置。
    • 是蛋白质高级结构和功能的基础。
    • 氨基酸序列的差异导致蛋白质结构和功能的显著不同。
  • 分子病：由氨基酸序列（一级结构）异常导致的疾病
    • eg. 镰刀形红细胞贫血病：Hb β 第 6 位氨基酸由 Glu 变成 Val，导致携氧能力下降，脆性提高（容易溶血）

2.2 二级结构

  • 定义：蛋白质二级结构是多肽链局部区域通过氢键形成的规则空间结构。
  • 主要类型：
    1. α-螺旋：通过氢键沿主链形成右手螺旋，每 3.6 个氨基酸残基顺时针上升一圈，螺距为 0.54 nm。
    2. β-折叠：多条多肽链平行或反平行排列，形成片层结构。
    3. β-转角：180˚回折，含 4 个氨基酸残基
    4. 其他结构：如无规则卷曲
  • 特点：仅涉及主链骨架原子的空间位置，不涉及侧链构象。

2.3 三级结构

  • 定义：蛋白质三级结构是整条肽链中所有氨基酸残基在三维空间的排布。
  • 形成机制：主要依靠次级键，包括疏水键、离子键、氢键和范德华力。
  • 主要类型：
    • 结构模体：具有特定空间构象和功能的结构单位，超二级结构，往往和结合蛋白有关。
      • 特征：由特定氨基酸序列组成，发挥特定功能。
      • 常见模体：eg. αα、βαβ、ββ、锌指、Leu 拉链等。
      • 示例：钙离子结合蛋白、纤维蛋白受体结合肽。
    • 结构域：三级结构中具有独立结构和功能的区域。

2.4 四级结构

  • 定义：四级结构指蛋白质分子中各亚基的空间排布，仅适用于由多条肽链组成的蛋白质。
  • 特点：
    • 每条肽链（亚基）具有完整的三级结构。
    • 亚基间主要通过氢键和离子键结合。
    • 完整的四级结构是发挥生物学功能的前提。

3 蛋白质结构与功能的关系

3.1 一级结构与功能

  • 一级结构是蛋白质空间构象的基础。
  • 一级结构相似的蛋白质通常具有相似的高级结构和功能。
  • 氨基酸序列改变可能导致分子病（如镰状细胞贫血）。
  • 序列信息提供生物进化线索。

3.2 高级结构与功能

  • 一级结构决定功能，但高级结构是功能发挥的前提。
  • 示例：
    • 肌红蛋白（Mb）：单链三级结构蛋白质。
    • 血红蛋白（Hb）：由四个亚基组成的四级结构蛋白质。
  • 构象改变可能引发疾病（如疯牛病朊病毒）。

4 氨基酸与蛋白质的理化性质

4.1 等电点 pI

  • 定义：蛋白质在特定 pH 值下，净电荷为零（正负电荷相等）的点。

$$ pI = \frac{1}{2}pK_1 \cdot pK_2 $$

  • 重要性：
    • 等电点时溶解度最低，易沉淀。
    • 在电泳技术中，迁移率最小。

4.2 沉淀和变性

  • 沉淀：
    • 定义：在高盐浓度、极端 pH 或等电点附近，蛋白质溶解度降低而析出。
    • 应用：用于蛋白质纯化和浓缩，如等电点沉淀法。
  • 变性：
    • 定义：外界条件（如高温、强酸碱、化学试剂）破坏蛋白质高级结构，但一级结构和部分二级结构保留。
    • 影响：
      1. 空间构象破坏，导致生物活性丧失。
      2. 主要涉及二硫键和非共价键的断裂。
      3. 变性后溶解度降低、黏度增加、结晶能力丧失，易被蛋白酶水解。

4.3 紫外吸收峰

  • 有紫外吸收的条件：结构中有共轭双键（芳香）
  • Tyr、Trp：紫外吸收峰在 280nm 处
  • Phe：紫外吸收峰在 259nm 处

[!TIP] 核酸的共轭双键在碱基中，紫外吸收峰在 260 nm 处

4.5 茚三酮反应

此反应可用于定量氨基酸

  • 反应物：氨基酸 + 茚三酮
  • 条件：加热
  • 产物：蓝紫色化合物（在 570 nm 处有紫外吸收峰）

4.6 蛋白质的定量方法

  1. BCA：双缩脲反应
  2. 考马斯亮蓝法
  3. UV 法：测 280 nm 处的紫外吸收