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蛋白质的结构与功能
第二章蛋白质的结构与功能
蛋白质（protein）是生命的物质基础。
种类繁多，人体含蛋白质种类在10万种以上。
是生物体含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，细胞干重的70％。
几乎所有的器官都含有蛋白质，并各自具有其特殊的结构，因而决定了蛋白质功能的多样性。
第一节蛋白质的分子组成
（proteincompositionandconstruction）
一、蛋白质的元素组成
蛋白质的元素主要有碳（50%～55%）、氢（6%～7%）、氧（19%～24%）、氮（13%～19%）。
大部分蛋白质还含有硫，有的还含有少量的磷或铁、锰、锌、铜、钴、钼，个别还含有碘。
蛋白质元素组成特点：
含氮量很接近，平均为16%。
1g氮相当于6.25g蛋白质。
测定出生物样品的含氮量可按下式计算出其蛋白质大致含量：
100g样品中蛋白质含量（g%）＝每克样品中含氮克数×6.25×100
二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸
（thebasicunitofproteincomposition——aminoacid）
氨基酸（aminoacid）是组成蛋白质的基本单位。
（一）氨基酸的命名（略）
（二）氨基酸的结构特点
自然界中的氨基酸有300余种，组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。
都有相应的遗传密码，故又称为编码氨基酸。
氨基酸的结构通式可用下式表示（R为氨基酸侧链）：
虽然各种氨基酸结构各不相同，但都具有如下特点：
1.组成蛋白质的氨基酸都是α-氨基酸。
即氨基均连在α-碳原子上。
脯氨酸为α-亚氨基酸。
2.除甘氨酸外，其余氨基酸的α-碳原子是不对称碳原子，有两种不同的构型，即L型和D型。
组成人体蛋白质的氨基酸都是L型，即L-α-氨基酸。
（三）氨基酸的分类
氨基酸的按侧链的结构和理化性质可分为４类：
非极性侧链氨基酸：
甘氨酸（Gly），丙氨酸（Ala），缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，丙氨酸，脯氨酸（Pro）；侧链为烃基、吲哚环或甲硫基等非极性疏水集团。
非电离极性侧链氨基酸：
色氨酸，丝氨酸，酪氨酸，半胱氨酸（Cys），蛋氨酸（Met），天冬酰胺，谷氨酰胺，苏氨酸；侧链上带有羟基、巯基或酰氨基等极性基团，具有亲水性，中性水溶液中不电离，但羟基和巯基在碱性溶液中可电离出Ｈ＋而带负电荷。
酸性氨基酸：
天冬氨酸，谷氨酸（Glu）；
碱性氨基酸：
赖氨酸，精氨酸，组氨酸。
20种氨基酸中，甘氨酸分子量最小，脯氨酸属亚氨基酸，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽链，它形成的肽键N原子上没有H，所以不可能形成氢键，结果凡是出现脯氨酸的部位，肽键走向转折，不能形成α螺旋。
胱氨酸是由两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，蛋白质中的半胱氨酸多数是以胱氨酸形式存在。
（四）氨基酸的理化性质：
1.具有两性解离的特性，在晶体状态下几纯水溶液中主要以两性离子存在。
熔点高，除甘氨酸、丙氨酸及亮氨酸外都不溶于无水乙醇，几乎全不溶于乙醚。
2.化学性质
（１） 两性游离与等电点：
由于所有氨基酸都含有一个碱性的氨基和一个酸性的α羧基，因此氨基酸是两性电解质，在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint,pI）。
（２） 一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键称为肽键（peptidebond），是多肽及蛋白质的主要化学键。
（３）紫外吸收性质：
色氨酸，酪氨酸及苯丙氨酸的最大吸收峰在２８０ｎｍ波长附近，所以测定280nm的光吸收值是蛋白含量的快速测定方法。
（４）茚三酮反应（Ninbydrinreaction），氨基酸与茚三酮的水合物共热可缩合成蓝紫色的化合物，后者的最大吸收峰在５７０ｎｍ左右。
脯氨酸、羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色化合物，同时释放ＣＯ２。
（五）氨基酸的连接方式
（theconjunctionmethodof Aminoacidsinprotein）
1.肽键与肽在蛋白质分子中，氨基酸通过肽键相互连接。
肽键是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键（-CO-NH-）。
氨基酸通过肽键连接而成的化合物称为肽。
由两个氨基酸形成的肽称为二肽，由三个氨基酸形成的肽称三肽。
通常将10个以内的氨基酸形成的肽称为寡肽（oligopeptide），十肽以上者称为多肽（polypeptide）。
多肽成链状，称为多肽链。
肽链中的氨基酸因脱水缩合已不是完整的氨基酸，故称为氨基酸残基（residue）。
蛋白质就是由许多氨基酸残基借肽键相互连接形成的多肽链。
多肽链有两端，有自由氨基的一端称氨基末端（aminoterminal）或N端，通常写在多肽链的左侧。
有自由羧基的一端称羧基末端（carboxylterminal）或C端，通常写在多肽链的右侧。
多肽链中氨基酸残基的顺序编号是从N端开始，因此肽的命名也从N端开始。
2.医学上重要的肽生物体内存在许多具有生物活性的低分子肽，称为生物活性肽。
它们具有重要的生理功能。
（1）谷胱甘肽（glutathione,GSH）：
是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组的三肽，结构式如下：
GSH是体内重要的还原剂。
其分子中半胱氨酸巯基可保护细胞内含巯
基的蛋白质或酶免遭氧化，维持蛋白质或酶的活性。
此外GSH的巯基可与外源性的毒物、药物等结合，阻断这些物质与DNA、RNA以及蛋白质
结合，从而对机体起到保护作用。
（2）肽类激素和神经肽：
①肽类激素：
如神经垂体分泌的抗利尿激素是9肽，促肾上腺皮质激素是39肽等。
这些肽在调节物质代谢方面起重要作用。
②神经肽：
是一些在神经传导中发挥信号作用的肽，如脑啡肽（5肽）和强啡肽（17肽）等。
它们都是具有类吗啡作用的活性肽，有很强的镇痛作用。
第二节蛋白质的分子结构
（Numeratorconstructionof protein）
蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子，每种蛋白质都有其特定的结构并执行独特的功能。
蛋白质的分子结构可分为一级、二级、三级和四级。
一级结构是蛋白质的基本结构，二级、三级、四级结构称为空间结构或构象。
蛋白质的各种生物学功能和性质是由其结构所决定的。
一、蛋白质的一级结构（primarystructure）
蛋白质分子中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。
这种排列顺序是遗传信息所决定的。
维持一级结构的主要化学键是肽键，有些蛋白质还含有二硫键，是由两个半胱氨酸残基的巯基脱氢氧化生成。
胰岛素是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质。
它由A、B两条链组成，A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基，它们之间靠两个二硫键连接在一起，A链内部还有一个二硫键。
胰岛素的一级结构
的阐明，对揭示某些疾病的发病机制、指导疾病治疗有十分重要的意义。
各种蛋白质的基本结构都是多肽链，由于所含氨基酸总数、各种氨基酸所占比例、氨基酸在肽链中的排列顺序不同，就形成了结构多样、功能各异的蛋白质。
蛋白质一级结构的研究，是在分子水平上阐述蛋白质结构与其功能关系的基础。
蛋白质一级结构的阐明，对揭示某些疾病的发病机制、指导疾病治疗有十分重要的意义。
二、蛋白质的空间结构
蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。
蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整，因此仅仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。
例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。
主链构象：
多肽主链骨架上各原子（包括各氨基酸残基的α-碳原子及肽键有关原子）的排布及相互关系。
侧链构象：
各氨基酸残基侧链基团（Ｒ基）中原子的排布及彼此关系。
蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。
（一）蛋白质的二级结构（secondarystructure）
蛋白质的二级结构是指多肽链主链原子的局部空间排布，不涉及氨基酸残基侧链的构象。
1.形成二级结构的基础肽链中肽键（C-N）的键长为0.132nm，介于C-N单键长（0.149nm）和C=N双键长（0.123nm）之间，有部分双键性能，不能自由旋转，可出现顺反异构现象。
在肽键中与C-N相连的O和H为反式结构，这样使肽键中的C、O、N、H四个原子和与它们相邻的Cα处在同一平面内，这个平面称为肽键平面，又称肽单元。
肽键两端的Cα-N和Cα-C单键可以自由旋转，旋转的角度决定了两个相邻肽键平面的相对空间位置。
肽链的卷曲、折叠是由于肽键平面随Cα两侧单键的旋转而形成的。
肽键平面示意图
2．二级结构的基本形式主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲等，维系蛋白质二级结构稳定的化学键是氢键。
（1）α-螺旋：
多肽链中肽键平面通过α-碳原子的相对旋转，沿长轴方向按规律盘绕成螺旋状，螺旋走向为顺时针方向，称右手螺旋。
每3.6个氨基酸残基盘绕一圈，螺距为0.54nm。
氨基酸侧链伸向螺旋外侧，其基团大小、形状及电荷性质均影响α-螺旋的形成。
螺旋与螺旋之间通过肽键的N-H与第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与长轴基本平行，因此维系蛋白质二级结构的化学键是氢键。
α-螺旋是人们对蛋白质结构所提出的第一种折叠类型，是球状蛋白质构象中最常见的存在形式，空间结构第一个被阐明的蛋白质（肌红蛋白）正好几乎完全是α-螺旋。
蛋白质分子的α－螺旋
（2）β-折叠：
又称β-片层，如幻灯片所示,在β-折叠结构中，多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方。
所形成的锯齿状结构一般比较短，只含5～8个氨基酸残基。
两条以上的多肽链或一条多肽链中的若干肽段可互相靠拢，平行排列通过氢键相连，以维持β-折叠结构的稳定。
若两条肽链走向相同，即为顺向平行，反之则为逆向平行。
蛋白质分子中的β－片层结构
（3）β-转角：
β-转角常发生在肽链进行180ｏ回折时的转角上。
通常由4个氨基酸残基构成，其第一个残基的羰基氧（O）和第四个残基的氨基氢（H）可形成氢键，以维持β-转角的稳定。
（4）无规卷曲：
是指多肽链中除了以上几种比较规则的构象外，其余没有确定规律性的那部分肽链构象。
模序（motif）：
在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间结构，被称为模序。
蛋白质空间构象的形成，除一级结构为决定因素外，还需要一类分子伴侣（chaperon）的蛋白质参与。
蛋白质在合成时，可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。
分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。
此外分子伴侣对蛋白质分子中二硫键的形成起到重要作用。
（二）蛋白质的三级结构（tertiarystructure）
蛋白质的三级结构是指每一条肽链所有原子的空间排布，它包括主链构象和侧链构象，是在二级结构的基础上，由于侧链R基团的相互作用，进一步盘曲折叠而形成的。
分子量大的蛋白质在形成三级结构时，多肽链上相互邻近的二级结构紧密联系形成1个或数个发挥生物学功能的特定区域称之为“结构域”。
这种“结构域”可以是酶的活性中心或是受体与配体结合的部位，大多呈裂缝、口袋、洞穴状等。
蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠多肽链侧链基团间所形成的次级键如氢键、离子键、二硫键、疏水键、范德华力等。
其中以疏水键最为重要。
由一条多肽链构成的蛋白质，必须具有三级结构才有生物学活性。
（三）蛋白质的四级结构（quaternarystructure）
蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，疏水键，氢键和离子键参与维持其结构。
亚基（subunit）：
在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多肽链，才能全面地执行功能，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。
又称为亚单位，原聚体，单体。
具有四级结构的蛋白质只有形成完整的四级结构寡聚体时才具有生物活性，亚基单独存在时一般没有生物学活性。
亚基可以相同，也可以不同。
如血红蛋白是由2个α亚基和2个β亚基构成的四聚体。
血红蛋白α亚基和β亚基都能与氧结合，起运输氧和CO2的作用。
但每个亚基单独存在时，虽可以结合氧且与氧的亲和力增加，但在体内组织中难于释放氧，也就丧失了运输氧的功能。
五、 蛋白质的分类
（Classificationofprotein）
一、按组成分类
（一） 单纯蛋白分子组成中除氨基酸外无别的组分
（二） 结合蛋白质由蛋白质和其他化合物（非蛋白质）结合而成，被结合的其它化合物称结合蛋白质的辅基。
结合蛋白质又因辅基不同而分为糖蛋白、核蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白几色蛋白等
二、按分子形状分类 分为球状蛋白和纤维蛋白质两类。
球状蛋白一般为可溶，有特异生物活性，如胰岛素、血红蛋白、酶、免疫球蛋白等。
纤维蛋白多难溶解于水，多属于结构蛋白质，起支持作用，更新慢
三、按功能分类分为活性蛋白质和非活性蛋白质两类，前者包括：
酶、蛋白质激素、运输和贮存的蛋白质、运动蛋白质和受体蛋白质。
后者包括有角蛋白，胶原蛋白等。
三、蛋白质结构与功能的关系（Relationshipofproteinconstructionwithfunction）
（一）蛋白质一级结构与功能的关系
1．一级结构是空间结构的基础：
如核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的蛋白质，依靠分子内4对二硫键及非共价键维持其空间结构。
当有尿素和β-巯基乙醇存在时，二硫键和非共价键断裂，空间结构破坏，酶活性丧失。
用透析的方法除去尿素和β-巯基乙醇后，由于一级结构并未破坏，多肽链可自动形成4对二硫键，核糖核酸酶折叠成其天然三级结构，并恢复原有的生物学功能。
2.一级结构与功能的关系：
一级结构相似的蛋白质其空间结构和功能也相似。
如来源于人、猪、牛和羊等不同哺乳类动物的胰岛素，其分子均由A、B两条链组成，一级结构和空间结构也很相似，因此它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。
（二）空间结构与功能的关系
蛋白质的各种功能与其空间结构有着密切的关系，当蛋白质空间结构发生改变时其生物学功能也随之发生变化。
正常成人红细胞中的血红蛋白由两条α链和两条β链组成。
血红蛋白有两种构象，即紧张态和松弛态。
在血红蛋白未与氧结合时，其亚基间结合紧密为紧张态（tensestate，T态），此时与氧的亲和力小。
在组织中，血红蛋白呈T态，使血红蛋白释放出氧供组织利用。
在肺血红蛋白各亚基间呈相对松弛状态即松弛态（relaxedstate，R态），此时与氧的亲和力大，当第一个亚基与氧结合后，就会促使第二、第三个亚基与氧结合，而前三个亚基与氧的结合，又大大促进了第四个亚基与氧结合，这样有利于血红蛋白在氧分压高的肺中迅速充分地与氧结合。
这种小分子物质与大分子蛋白质结合，引起蛋白质分子构象及生物学功能变化的过程称为变构效应。
引起变构效应的小分子物质称为变构效应剂。
血红蛋白通过变构效应改变其分子构象，从而完成其运输O2和CO2的功能。
第三节蛋白质的理化性质
（RelationshipofproteinconstructionwithPhysicsandchemistrycharacteristic）
一、蛋白质的两性解离和等电点
蛋白质和氨基酸一样具有两性解离性质。
蛋白质分子除两端游离的氨基和羧基可解离外，肽链中的酸性和碱性氨基酸残基侧链上的某些基团，在一定的溶液pH条件下，都可解离成带负电荷或正电荷的基团。
当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成阳离子和阴离子的趋势相等，既净电荷为零，成为兼性离子，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点（isoelectricpoint,pI）。
蛋白质解离成阳离子蛋白质成兼性离子蛋白质解离成阴离子
不同的蛋白质其等电点不同，通常含碱性氨基酸较多的蛋白质其等电点偏碱。
含酸性氨基酸较多的蛋白质其等电点偏酸。
当蛋白质溶液的pH小于其等电点时，蛋白质颗粒带正电荷，反之则带负电荷。
血浆中大多数蛋白质的等电点在pH5.0左右，因而在生理pH条件下，血浆蛋白质带负电荷。
利用蛋白质两性解离的特性，可通过电泳将不同的蛋白质从混合物中分离出来。
电泳是指带电粒子在电场中向电性相反的电极泳动的现象。
不同的蛋白质所带电荷的性质、数量和分子的大小、形状不同，在电场中泳动的速度和方向则不一样。
带电荷多，分子小的泳动较快；带电荷少，分子大的泳动较慢，从而达到分离蛋白质的目的。
实验中我们将利用醋酸纤维素薄膜电泳分离血清蛋白质，在pH＝8.7的缓冲溶液中，血清蛋白质带负电荷，向正极移动，由于泳动的速度和方向则不一样，可将血清蛋白质分为清蛋白、α1、α2、β、γ球蛋白。
清蛋白分子量最小，跑的最快，γ球蛋白最大，跑的最慢。
二、蛋白质的胶体性质
蛋白质的分子量多在1万至100万之间，其分子颗粒大小在胶体颗粒（1～100nm）范围之内。
蛋白质颗粒表面大多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒表面形成一层水化膜；此外蛋白质在等电点以外的pH环境中颗粒表面带有同种电荷。
水化膜和表面电荷可阻断蛋白质颗粒相互聚集，避免蛋白质从溶液中析出，起到使胶粒稳定的作用。
如去除蛋白质胶粒表面电荷和水化膜两个稳定因素，蛋白质极易从溶液中析出而产生沉淀。
蛋白质的颗粒很大，不能透过半透膜。
利用这一性质可将大分子蛋白质与小分子物质分离。
如利用半透膜来分离纯化蛋白质，此方法称为透析。
人体的细胞膜、线粒体膜、毛细血管壁等都是半透膜，使各种蛋白质分布在组织细胞的不同部位，在维持血容量和体液平衡中起着重要的作用。
蛋白质溶液中的胶粒，在一定的超速离心力作用下，可以发生沉降。
单位力场中蛋白质颗粒的沉降速度即为沉降系数（S）。
蛋白质的分子量越大、颗粒密度越大其沉降系数也越大。
故超速离心法可用于蛋白质的分离纯化和分子量的测定。
生物化学中对超大分子的组装体常以沉降系数命名，如原核生物核蛋白体的大亚基和小亚基分别用50S和30S表示。
三、蛋白质的变性、沉淀和凝固
在某些物理或化学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性丧失，称为蛋白质的变性。
引起变性的化学因素有强酸、强碱、有机溶剂、尿素、去污剂、重金属离子等；物理因素有高热、高压、超声波、紫外线、X射线等。
蛋白质变性的实质是次级键断裂，空间结构被破坏，但不涉及氨基酸序列的改变，一级结构仍然存在。
蛋白质变性后的特点：
溶解度降低，易于沉淀，结晶能力消失黏度增加，生物活性丧失，易被蛋白酶水解等。
蛋白质变性在医学上具有重要的实际应用价值。
例如消毒灭菌和保存生物制品等。
大多数蛋白质变性后，空间构象严重破坏，不能恢复其天然状态，称为不可逆性变性；若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素，有些可恢复其天然构象和生物活性,称为蛋白质的复性。
例如：
核糖核酸酶的变性与复性。
蛋白质自溶液中析出的现象称为沉淀。
蛋白质胶粒失去两个稳定因素就会发生沉淀。
使蛋白质沉淀的方法有盐析法、有机溶剂、重金属盐及生物碱试剂的沉淀等。
变性的蛋白质易于沉淀，但不一定都发生沉淀。
当溶液的pH值接近其等电点时，变性的蛋白质则聚集而沉淀。
而溶液的pH值远离其等电点时，蛋白质可不产生沉淀。
沉淀的蛋白质易发生变性，但并不都变性，如盐析。
加热使蛋白质变性并结成凝块，此凝块不再溶于强酸或强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用。
凝固实际上是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。
四、蛋白质的紫外吸收
蛋白质分子中含有具有共轭双键的酪氨酸和色氨酸残基，在280nm波长处有特征性吸收峰，可利用蛋白质的紫外吸收特性作定量分折。
五、蛋白质的呈色反应
蛋白质分子中的肽键以及氨基酸残基的某些化学基团，可与有关的试剂呈现颜色反应称为蛋白质的呈色反应，这些反应可用于蛋白质的定性、定量分析。
1.双缩脲反应分子中含有两个或两个以上氨基甲酰基（-CONH2）的化合物能与碱性铜溶液作用，形成紫红色的络合物，称为双缩脲反应。
蛋白质和多肽分子中的肽键能发生此呈色反应，其颜色的深浅与蛋白质含量成正比。
临床检验中常用双缩脲法测定血清总蛋白、血浆纤维蛋白原的含量。
2.茚三酮反应蛋白质分子中游离的α-氨基，在pH5～7的溶液中可与茚三酮反应生成蓝紫色化合物。
3.Folin-酚试剂反应蛋白质分子中的酪氨酸残基在碱性条件下，与酚试剂（磷钨酸和磷钼酸）反应生成蓝色化合物。
此反应的灵敏度比双缩脲反应高100倍，比紫外分光光度法高10～20倍。
常用于测定一些微量蛋白质的含量如血清粘蛋白、脑脊液中蛋白质等。
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