生物化學/蛋白質/蛋白質的化學
氨基酸由一個連線到脂肪族碳原子（稱為α-碳）的伯胺組成，該碳原子反過來又連線到一個羧酸基團。至少一個氫原子與α-碳連線；此外，α-碳帶有一個側鏈，不同氨基酸的側鏈不同。在中性水溶液中，氨基酸以兩種形式存在。極少一部分氨基酸分子將呈中性，具有去質子化的氨基和質子化的羧酸基團。然而，絕大多數分子將處於兩性離子 互變異構體，在（質子化的）氨基上帶正電荷，在（去質子化的）羧酸根上帶負電荷。
氨基酸透過肽鍵連線。（從有機化學的角度來看，肽鍵是一種型別的醯胺基團。）肽鍵由一個羰基的碳原子直接連線到一個仲胺的氮原子組成。肽鏈在一端將有一個未結合的氨基（稱為N端）和另一端有一個遊離的羧酸基團（稱為C端）。
肽鍵是平面的，因為羰基和氨基氮之間的共振使C-N鍵具有部分雙鍵特性。（可以畫出一個帶有碳原子和氮原子之間雙鍵的共振結構，氧原子上有正式負電荷，氮原子上有正式正電荷。）這阻止了C-N鍵周圍的旋轉，將肽鍵鎖定在反式構象中，並將六個原子固定在平面上：一個氨基酸的α-碳、羰基碳和氧原子、氨基氮和氫原子以及第二個氨基酸的α-碳都是共面的。
肽鏈“骨架”的結構可以透過相鄰肽單元之間的扭轉角來唯一地描述。 φ角是相鄰氨基酸的α-碳與羰基碳之間的扭轉角；ψ角是氨基氮與α-碳之間的扭轉角。
當一個氨基酸的氨基端（紅色）與另一個氨基酸的羧基端（藍色）連線時，兩個具有不同側鏈的氨基酸發生反應，透過醯胺鍵（綠色）連線。另請參閱肽鍵形成的機制。
重要的是要注意，在標準條件下，這種肽鍵的形成是非常不利的。然而，在人體中，存在一些酶可以幫助促進這種反應，使肽鍵形成和蛋白質成為可能。
由遺傳密碼編碼的20種氨基酸是
為了清晰起見，它們沒有顯示在兩性離子狀態下。在生理 pH（約 pH 6.8）下，所有氨基酸都將呈兩性離子狀態，除了脯氨酸，它是一個五元環。帶電側鏈在生理 pH 下以離子形式存在時將顯示為離子形式。
蛋白質電泳是一種方法，透過該方法可以分離和分析蛋白質混合物。電泳基於離子在電場中的遷移率。分子的電荷分佈是所有電泳分離的關鍵。在電場中，電泳是帶電分子在溶液中的透過。帶正電的離子傾向於向負極遷移，反之，帶負電的離子傾向於向正極遷移。分子量會導致分子摩擦，分子摩擦與分子電荷和電壓成正比，與分子在電場中的遷移率成反比。
凝膠電泳用於分析蛋白質的分子量和電荷，主要用於蛋白質電泳。凝膠電泳在一片薄薄的聚丙烯醯胺中進行。丙烯醯胺和 N,N'-亞甲基雙丙烯醯胺透過聚合形成交聯的聚丙烯醯胺。尺寸對蛋白質分子運動有重要影響。較小的蛋白質分子將導致分子更快地透過凝膠孔隙。
蛋白質分子在凝膠中的分離會影響蛋白質活性。在這個過程中，首先透過加熱使蛋白質減少二硫鍵的破壞，從而導致蛋白質的純化和變性。接下來，新增十二烷基硫酸鈉（簡稱為 SDS）（和離子去垢劑）。SDS 是一種陰離子去垢劑，它可以溶解疏水分子並使蛋白質分子變性而不破壞肽鍵。這會導致蛋白質結構的錯位，將二級、三級和四級結構改變為帶負電荷的一級結構。然後蛋白質透過凝膠。對於變性蛋白質，SDS 可以透過與蛋白質結合形成穩定的電荷-質量比。
聚丙烯醯胺凝膠電泳是一種非常靈敏的方法，能夠承受高解析度，它在分離技術研究中得到分析應用。
等電點（pI）是蛋白質呈中性（即淨電荷為零）的 pH 值。需要明確的是，它不是蛋白質所有鹼都被去質子化且所有酸都被質子化的 pH 值，而是正負電荷抵消為零的 pH 值。
計算 pI：具有 n 個可電離基團（其相應的 pKa 值分別為 pK1、pK2、... pkn）的氨基酸的 pI 等於這些基團 pKa 的平均值。
pI=(pK1+pK2+...+pkn)/n
大多數蛋白質除了它們的氨基和羧基末端基團外，還有許多可電離的側鏈。每種蛋白質的 pI 都不相同，如果我們知道蛋白質的氨基酸組成，則可以根據亨德森-哈塞爾巴爾赫方程理論計算 pI。
為了實驗確定蛋白質的 pI，可以使用二維電泳 (2-DE)。將細胞裂解液中的蛋白質應用於 pH 固定的梯度條，在電泳後，蛋白質遷移到條帶內的 pI。2-DE 的第二維是使用 SDS-凝膠根據 MW 分離蛋白質。為了清楚地理解等電點，你必須記住，帶正電的基團透過帶負電的基團來平衡。對於簡單的氨基酸“丙氨酸”，等電點是羧基的 PKa（PK1 為 2.34）和銨的 PKa（PK2 為 9.69）的平均值。因此，簡單氨基酸“丙氨酸”的 PI 計算為：(2.34+9.69)/2，等於 6.02。當新增額外的鹼性或酸性基團作為側鏈功能時，等電點 pI 將是最相似酸的 pKa 的平均值。這種概念的例子可以是天冬氨酸，其中相似的酸是 pKa 為 2.1 的 α-羧基功能和 pKa 為 3.9 的側鏈羧基功能。因此，天冬氨酸的 pI 為 (2.1+3.9)/2=3.0。另一個例子是精氨酸，其相似的酸是側鏈上的胍基，pKa 為 12.5，以及 α-銨功能，pKa 為 9.0。因此，精氨酸的計算 pI= (12.5+9.0)/2=10.75。pI 沒有單位。
兩個氨基酸分子可以透過一個被稱為**肽鍵**的取代醯胺鍵共價連線，形成一個二肽。該鍵的形成是透過脫水反應實現的（移除水分子 - 一個氨基酸的一個氫原子和另一個氨基酸的一個羥基）。這個過程可以繼續連線其他氨基酸，形成一條氨基酸鏈。當鏈中只有少量氨基酸時，稱為**寡肽**；當有大量氨基酸時，稱為**多肽**。雖然“蛋白質”和“多肽”這兩個詞有時用來描述同一事物，但當鏈的分子量低於10,000時，一般使用“多肽”這個詞。肽中的一個氨基酸單元通常被稱為**殘基**。
二硫鍵
[edit | edit source]二硫鍵在蛋白質中兩個半胱氨酸側鏈的硫原子之間形成。側鏈經歷半胱氨酸巰基的可逆氧化，導致硫原子（S-S）的共價鍵合。這種鍵合被稱為“二硫橋”。通常，由於細胞質中存在還原劑，二硫鍵不會在蛋白質表面形成。這些鍵對蛋白質結構的形成非常重要；它們的形成指導肽鏈在蛋白質合成過程中的摺疊。必須具有嚴格穩定性的結構蛋白（例如，在指甲、角和甲殼類動物外殼中發現的角蛋白）通常含有大量的二硫鍵。
翻譯後修飾
[edit | edit source]蛋白質在細胞內合成後，通常會透過在多肽鏈上新增額外的功能基團進行修飾。這些可以是糖基或磷酸基團，它們可能賦予蛋白質特殊功能，例如：識別其他分子、整合到質膜中、催化生化反應以及各種其他過程。生物化學家需要了解哪些蛋白質被修飾、修飾是什麼以及修飾在何處。一個簡單的實現方法是使用質譜法。在一個提交到質譜法的蛋白質樣本中，你會看到修飾和未修飾的蛋白質訊號。這些訊號之間的質量變化將對應於蛋白質由於翻譯後修飾而發生的質量變化。