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1、100二、蛋白质的基本组成单位氨基酸虽然蛋白质种类繁多，功能复杂，但是蛋白质的基本组成单位却较简单。自然界存在300多种氨基酸，但组成蛋白质的氨基酸只有20种，并且均为L氨基酸（甘氨酸除外），这20种氨基酸不存在个体和种属差异，生物界的蛋白质通用。（一）氨基酸的结构特点氨基酸是指同时含有羧基和氨基的有机小分子。从结构上看，组成蛋白质的氨基酸均为氨基酸。每个氨基酸的碳上连接有一个羧基、一个氨基、一个氢原子和一个侧链R基团。差别就在于它们的R基团结构的不同。除甘氨酸外，其他碳原子均为不对称碳原子，故有D型和L型两种构型，具有旋光性，天然蛋白质中存在的氨基酸都是L型的。其结构通式如下所示。（二）氨基

2、酸的分类组成蛋白质的20种氨基酸，根据其侧链结构与理化性质不同可分为以下四类：非极性、疏水性氨基酸，极性、中性氨基酸，酸性氨基酸和碱性氨基酸。其结构与分类如表21所示。表21氨基酸的结构与分类续表（三）氨基酸的理化性质氨基酸含有酸性的羧基和碱性的氨基，所以既是酸又是碱，是两性电解质。有些氨基酸的侧链还含有可解离的基团，其解离状态取决于其所处溶液的pH值。在生物体内，氨基酸呈现两性解离，以兼性离子形式存在。当氨基酸所带正、负电荷相等时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示。显然不同氨基酸由于其结构不同等电点也不同。氨基酸的羧基和氨基具有化学反应特性，另外，许多氨基酸的侧链还含有羟基、氨基

3、、羧基等可解离基团，也具有化学反应特性。较重要的化学反应有茚三酮反应，除脯氨酸外的氨基酸都能与茚三酮发生颜色反应，生成蓝紫色化合物；而脯氨酸与茚三酮生成黄色化合物，这一反应广泛用于氨基酸的定性与定量分析。 第二节蛋白质的分子结构 第二节蛋白质的分子结构蛋白质是由许多氨基酸连接成的生物大分子，其结构复杂，功能繁多。为了便于研究，一般将蛋白质的结构分为四级，即一级、二级、三级和四级，后三者统称为蛋白质的高级结构或空间结构。一、蛋白质分子中氨基酸的连接方式氨基酸是蛋白质的基本结构单元，氨基酸经肽键连接而成蛋白质。一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基之间缩合脱水形成的酰胺键称为肽键。通常将氨基酸通过肽

4、键相连而成的化合物称为肽。由两个氨基酸缩合而成的称为2肽；由三个氨基酸缩合而成的称为3肽，以此类推。含有十个以下氨基酸的肽，称为寡肽；含有十个以上氨基酸的肽，称为多肽，多肽是链状化合物，故也称为多肽链。多肽链有两个端点，一个是游离的氨基末端或N端，一个是游离的羧基末端或C端。书写多肽链的时候，从左往右写，常把N端放在左边，C端放在右边，中间依次写出各氨基酸的中文或英文简写，如H2N谷精亮缬组COOH。肽链中氨基酸因脱水而形成的不完整结构称为氨基酸残基，与碳原子连接的R称为侧链。生物体体内常存在很多具有生物活性的肽。已知很多激素属于肽类物质，如催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（3

5、9肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）等。在神经传导过程中起信号传导作用的为神经肽，如脑啡肽（5肽）、内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。某些蕈产生的剧毒毒素也是肽类化合物，如鹅膏蕈碱，是一个环状8肽。动物和植物细胞中都含有一种称为谷胱甘肽的3肽化合物，该分子中半胱氨酸残基的R侧链具有活性的巯基（SH）；还原型谷胱甘肽对维持细胞膜结构的完整性和使细胞内的酶蛋白免受氧化都有重要的作用。二、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中的氨基酸残基的排列顺序。它是蛋白质分子结构的基础，包含了决定蛋白质分子所有结构层次的全部信息。该结构中的主要化学键是肽键，有些蛋白质还包含二硫键，是由两个半胱氨酸

6、残基的巯基氧化而成。早在20世纪40年代，蛋白质一级结构的研究被认为是无从下手的难题，然而，英国著名科学家FSanger用了十年的时间首次测定了胰岛素的氨基酸顺序，从此拉开了蛋白质一级结构研究的序幕。胰岛素有A、B两条链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个；两条链通过两个二硫键相连，A链本身第6位及第11位半胱氨酸残基形成一个链内的二硫键（图21）。体内蛋白质种类繁多，其一级结构各不相同。由于蛋白质一级结构归根到底是基因表达的结果，因此通过测定DNA的序列，就能间接地分析出蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。随着DNA序列测定技术的发展，许多蛋白质一级结构的测定工作已完成。图21胰岛素的一级结构三

7、、蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构包含蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构，它涵盖了蛋白质所有原子的空间相对位置和构象，是蛋白质特有性质和功能的结构基础。并非所有蛋白质都有四级结构，只有一条多肽链形成的蛋白质是没有四级结构的，有两条或两条以上多肽链形成的蛋白质才具有四级结构。（一）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链的局部主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构有螺旋、折叠、回折和无规则卷曲四种主要形式。肽单元平面结构，对二级结构的形成至关重要，它是指参与肽键的六个原子处于同一个平面，即有一个肽键就有一个肽单元平面，相邻的肽单元平面可以绕C自由旋转，由此在多肽链的

8、局部便可形成有规律的重复结构，比如螺旋、折叠。图22螺旋螺旋是蛋白质中最常见、最典型的二级结构，是肽单元平面绕C旋转，沿长轴方向盘绕形成的螺纹状结构。螺旋通常为右手螺旋，每个螺旋需36个氨基酸残基，并沿长轴方向上升054nm，所有的R侧链伸向螺旋外侧。基本平行于长轴的氢键是稳定螺旋主要的力，此外R侧链的大小、形状、电荷对稳定螺旋（图22）也有影响。折叠是蛋白质另一种重复性的、有规律的二级结构，一般需要两条或两条以上的肽段共同参与形成，折叠为一种比较伸展、呈锯齿折叠状结构。相邻多肽链主键上的氨基和羰基之间能形成有规则的氢键，氢键与折叠长轴几乎垂直，以维持这种片层结构的稳定性，相邻氨基酸之间的轴心

9、距为035nm，R侧链交替分布在片层平面的上方和下方。在该结构中，相邻的两条多肽链有两种走向，一种多肽链顺向平行，一种多肽链逆向平行（图23）。生物体内，蛋白质大多呈球形，由此可以想象，多肽链必须具有弯曲、回折的能力，以便多肽链可折叠成球形结构。事实上，在很多蛋白质中可以观察到多肽链出现了180回折，这种非重复的二级结构称为回折（图24）。该结构由四个连续的氨基酸组成，第一个氨基酸残基的羧基和第四个氨基酸残基的氨基之间形成氢键，这便成了稳定回折的主要的力。研究发现，回折多发生在含甘氨酸或脯氨酸残基处。除上述结构单元外，还有无规则卷曲，以用来描述没有明确规律的那部分多肽链。图23折叠图24回折（

10、二）蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指一条多肽链上的所有原子相对空间位置的总和。蛋白质多肽链在二级结构的基础上，进一步折叠盘曲，形成了空间上比较单一的纤维状蛋白和球状蛋白。球状蛋白的疏水基团往往被包裹在里面，而亲水基团则暴露在分子表面，因而球状蛋白是水溶性的。在维持这种结构的作用力中，疏水基团之间的疏水作用力是最主要的稳定因素，当然氢键、离子键甚至二硫键等也参与了稳定蛋白质的三级结构（图25）。球状蛋白的表面往往会有些特殊的区域，比如凹陷、口袋或者缝隙，这些区域常常可以和某些小分子或大分子的一部分契合，使之在此发生某个反应或特定作用。由此可见，蛋白质要具有生物学活性，至少要有三级结构。然而，

11、蛋白质的这种三级结构是由一级结构决定的，每种蛋白质的一级结构都不尽相同，必然形成的三级结构也各不相同，随之其功能也各异。（三）蛋白质的四级结构有些蛋白质含有多条肽链，每条多肽链都有独立的三级结构。这种由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键连接而成的结构称为蛋白质的四级结构。在具有四级结构的蛋白质中，每一条具有独立三级结构的多肽链称为该蛋白质的亚基，亚基单独存在没有活性，亚基只有缔合成四级结构才具有活性。亚基之间以疏水作用力、氢键、离子键等非共价键缔合，其中氢键、离子键起着主要的作用。如血红蛋白是由两个亚基、两个亚基组成的四聚体（图26）。图25稳定蛋白质的三级结构的作用力图26血

12、红蛋白的四级结构四、蛋白质分子结构与功能的关系（一）蛋白质的一级结构与功能的关系1一级结构是蛋白质空间结构的基础蛋白质空间结构复杂、功能繁多，源于其一级结构比较复杂。蛋白质复杂的三维结构所需要的一切信息都包含在蛋白质的氨基酸排列顺序上，而三维结构的不同其功能也不同，因此一级结构不同，其空间结构就不同，生物学活性也就不同。蛋白质实现其生物学功能从根本上取决于一级结构。如蛋白质的进化、蛋白质分子异常而导致的分子病等，都反映出一级结构与功能的关系。2一级结构改变可导致分子病大量的研究发现，蛋白质的一级结构差异越小，其空间结构及功能的相似性就越高。例如，不同的哺乳类动物的胰岛素分子都是由A、B两条链组

13、成的，一级结构仅有个别氨基酸差异，因此空间结构及功能相似。此外，促肾上腺皮质激素和促黑激素，两者N端的13个氨基酸残基完全相同，因此，促肾上腺皮质激素也可以促进皮下黑色素生成，但作用较弱。催产素和升压素均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同，它们都有收缩肌肉和升高血压的作用，只是强度不同。蛋白质一级结构发生改变，必然影响空间结构，其功能也随之发生改变，这种影响的大小，与氨基酸残基所处多肽链的位置有关。如广泛存在于生物界的细胞色素C，即使某些位点的氨基酸残基被替换10个，其功能也没发生明显的改变。但若蛋白质关键位置的氨基酸残基被替换了，哪怕只改变1个，对功能的影响却很大，如胰岛素分子B链第24位的苯

14、丙氨酸被亮氨酸取代，使胰岛素成为活性很低的分子，而不能降血糖；又如镰刀形红细胞贫血症就是血红蛋白分子中链第6位谷氨酸被缬氨酸取代造成的。像这种由于基因突变导致蛋白质分子结构发生改变或某种蛋白质缺乏而引起的疾病称为分子病。（二）蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质分子空间结构与生理功能的关系也十分密切。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的螺旋二级结构，因此性质稳定、坚韧且富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的。丝心蛋白正因为分子中富含片层结构，因此分子伸展，而蚕丝柔软却没有多大的延伸性。不同的酶催化不同的底物能起不同的反应，即酶的特异性，这也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切相关。

15、生物体的各种蛋白质都有其特定的空间结构，而这种构象与功能是相适应的。不同来源的胰岛素尽管氨基酸组成有差别，但若空间结构相似，其功能也相似。即使一级结构有较大差异，它们的空间结构相似，功能也可能相似。例如，人的血红蛋白、昆虫的血红蛋白和豆的血红蛋白，一级结构有较大的差异，结构相似性小于20%，但它们的空间结构相似，执行的功能也相似。（三）蛋白质构象病若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，仅蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生，这便是蛋白质构象病。机制是有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，因产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改

16、变。这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈症、疯牛病等。这些病都是由朊病毒蛋白引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的朊蛋白富含螺旋，在某种因素的作用下可转变成为折叠的朊病毒蛋白，从而致病。知识链接朊病毒早在300年前，人们已经注意到在绵羊和山羊身上患有“羊瘙痒症”。其症状表现为丧失协调性、站立不稳、烦躁不安、奇痒难熬，直至瘫痪死亡。最为震惊的当首推1996年春天“疯牛病”在英国以至于全世界引起的一场空前的恐慌。1982年，美国加利福尼亚大学的斯坦利B布鲁辛纳（Stanley BPrusiner）发现引起该病的原因是朊病毒，并因此而获得了1997年的诺贝尔奖。朊病毒与常规病毒一

17、样，有可滤过性、传染性、致病性，以及对宿主范围的特异性，但它比已知的最小的常规病毒还小得多（3050nm）。电子显微镜下观察不到病毒粒子的结构，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，也不受干扰作用。朊病毒对人类最大的威胁是可以导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变，最终不治而亡。因此，世界卫生组织将朊病毒病和艾滋病并列为世纪之交危害人体健康的顽疾。该病毒对大多数常用杀灭病毒的物理、化学因素均有抵抗力，只有在136高温和两个小时的高压下才能将其灭活。感染该病毒患者的体内不产生免疫反应和抗体，监测困难，一旦出现症状半年到一年100%死亡。 第三节蛋白质的重要理化性质 第三节蛋白质的重要理化性质一、蛋

18、白质的两性解离和等电点蛋白质分子除了两端的氨基和羧基可以解离外，侧链中的某些基团，如谷氨酸、天冬氨酸残基中的羧基和羧基，赖氨酸残基中的氨基，精氨酸残基的胍基和组氨酸的咪唑基，在一定的pH值溶液中都可以解离形成正离子或负离子。这种性质与氨基酸类似，会出现两性解离。当蛋白质溶液处于某一pH值时，蛋白质解离所带的正、负电荷数量相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。很明显，体内各蛋白质的氨基酸组成不同，其等电点也各异，但大多接近于50。当蛋白质溶液的pH值大于等电点时，蛋白质颗粒带负电；反之，蛋白质颗粒带正电。所以在人体体液pH值为74的环境下，多数蛋白质带负电。带电颗

19、粒在电场中定向移动的现象，称为电泳。在一定的pH值条件下，分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率各异，故可通过电泳分开。二、蛋白质的高分子性质蛋白质是高分子化合物，相对分子质量多在1万到100万之间，分子颗粒的大小通常在1100nm之间，所以蛋白质溶液是胶体溶液，具有胶体的性质。蛋白质溶液是一种亲水胶体，分子表面有亲水基团，如NH2、COOH、OH等，在水溶液中能与水分子起水化作用，使蛋白质分子表面形成一层水分子保护膜，即水化膜。蛋白质表面亲水基团的解离使得蛋白质带同种电荷，并与周围的相反电荷离子形成双电层，双电层的存在，使得蛋白质颗粒之间有了静电排斥力。正是由于水化膜和表面的电荷，使

20、得蛋白质颗粒不易聚集而沉淀，从而成为亲水的胶体溶液。胶体溶液的一个很重要的特性是不能通过半透膜。所谓半透膜是指这种膜上的小孔只允许水分子和某些小分子通过，像蛋白质这样的大分子不能通过。因此可以用透析的方法分离、纯化蛋白质。所谓透析就是将混有小分子的蛋白质溶液装在半透膜做的容器内，再将该容器置于蒸馏水或适当的缓冲溶液中，则小分子可以溢出半透膜，而蛋白质则被留下来，从而达到分离并纯化蛋白质的目的。人体的细胞膜、线粒体膜、毛细血管壁等都具有半透膜的性质。三、蛋白质的沉淀蛋白质溶液是胶体体系，胶体体系是个不稳定体系，所以蛋白质溶液的稳定是暂时的、相对的、有条件的。如果稳定蛋白质溶液的条件发生改变，蛋白

21、质就会从溶液中沉淀析出。这种由于受到某些因素的影响，蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质的沉淀作用。通常使蛋白质沉淀的方法有以下几种：一是盐析法，该法是向蛋白质溶液中加入大量的中性盐（如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等），以破坏水化膜和双电层而使蛋白质析出；二是有机溶剂沉淀法，该法是加入极性的有机溶剂（如丙酮、乙醇等），以破坏蛋白质水化膜而使蛋白质沉淀；三是重金属沉淀法，该法是在pH值大于等电点时，蛋白质因与重金属离子结合成不溶盐而沉淀；四是生物碱试剂沉淀法，该法是在pH值小于等电点时，生物碱试剂因与蛋白质形成不溶盐使蛋白质而沉淀；五是加热沉淀法，该法能使蛋白质变性而沉淀，一般使用得较多。四、蛋白质的变

22、性天然蛋白质在某些物理因素或化学因素的作用下，其疏水基团暴露，肽链以高度折叠的状态展开，蛋白质分子的空间结构被破坏（但不涉及其一级结构），致使蛋白质的理化性质改变、生物活性丧失的过程，称为蛋白质的变性。常见的变性因素有加热、有机溶剂、强酸、强碱等。蛋白质变性后理化性质及生物学性质主要改变为生物学活性的丧失，溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散，易被蛋白酶消化等。若变性破坏较轻，则蛋白质的变性作用是可逆的，经适当处理后，可重新恢复天然蛋白质的功能，这个过程称为复性。变性蛋白质能否复性，和变性因素、变性程度、蛋白质种类有关。医学上常利用蛋白质的变性性质来消毒和灭菌，而在

23、保存蛋白质制剂时应防止其变性。变性蛋白质易沉淀，但沉淀蛋白质不一定变性。变性的本质是使蛋白质的疏水基团暴露，肽链以高度折叠的状态展开，肽链相互缠绕聚集而沉淀。用盐析法沉淀的蛋白质只是破坏了蛋白质胶体的稳定因素，而并未破坏其高级结构，故对生物学功能没有影响。蛋白质经过强酸、强碱变性后，仍能溶解于强酸、强碱，若将pH值调到等电点，蛋白质立即产生絮状沉淀，再将该沉淀加热就变成比较坚固的凝块，此凝块不再溶解于强酸、强碱，这种作用称为蛋白质的凝固。五、蛋白质的紫外吸收和呈色反应（一）蛋白质的紫外吸收大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，这些氨基酸侧链具有共轭的双键，故而有紫外光吸收，最大吸收波长为280n

24、m，实践中常用此性质来定量测定蛋白质。（二）蛋白质的呈色反应由于蛋白质分子中的肽键和分子中的氨基酸残基的某些基团可与一些试剂发生反应，呈现颜色反应，这些颜色反应常被用于蛋白质的定性和定量分析。1双缩脲反应含有多个肽键的化合物在碱性溶液中可与Cu2作用，生成紫红色络合物。由于氨基酸无此反应，故可用此反应对蛋白质进行定量测定，还可以检测蛋白质的水解程度。2茚三酮反应蛋白质分子中有游离的氨基，能与茚三酮发生反应生成蓝紫色化合物，此反应可用于蛋白质的定性和定量分析。3酚试剂反应蛋白质分子的酪氨酸、色氨酸残基在碱性条件下可与酚试剂反应生成蓝色化合物，此反应也可用于蛋白质的定性和定量分析，且检测灵敏度比双

25、缩脲高100倍。本章小结蛋白质是生物大分子，主要有C、H、O、N、S及少量其他元素组成。各种蛋白质中氮元素含量平均为16%。蛋白质的基本组成单位是氨基酸。构成蛋白质的氨基酸有20种，结构上都是L氨基酸（甘氨酸除外）；分为非极性、疏水性氨基酸，极性、中性氨基酸，酸性氨基酸和碱性氨基酸。氨基酸借助肽键连接成多肽链。氨基酸由于有氨基和羧基，故有两性解离和等电点。多肽链是蛋白质分子的最基本结构形式。多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质分子中的多肽链经折叠盘曲而具有一定的构象称为蛋白质的空间结构，蛋白质的空间结构又分为二级结构、三级结构、四级结构。二级结构是指局部或某一段多肽链的空间

26、结构，也就是多肽链某一区段中主链骨架原子的相对空间位置，包括螺旋、折叠、回折和无规则卷曲。三级结构是指整条多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条多肽链的三维结构。四级结构是由两条或两条以上的多肽链借助次级键连接而成的结构。维持蛋白质空间结构的次级键有氢键、离子键、疏水作用力及范德华力。蛋白质的功能与结构有紧密的联系，一级结构改变导致功能改变，由此引发的疾病称为分子病。高级结构发生改变，其功能也改变，构象病是由空间构象发生改变引起的。蛋白质分子与氨基酸分子类似，有游离氨基和羧基，故有两性解离和等电点。由于蛋白质是高分子化合物，具有胶体的性质。破坏胶体稳定的因素可以使之沉淀。蛋白质在某些

27、理化因素的作用下，其空间结构会发生改变，从而使其理化性质发生改变，生物学活性丧失，这称为蛋白质的变性作用。蛋白质从溶液中析出的现象称为沉淀。变性蛋白质易沉淀，沉淀蛋白质不一定变性。由于蛋白质分子中的肽键和分子中的氨基酸残基的某些基团可与一些试剂发生反应，呈现颜色反应，这些颜色反应常被用于蛋白质的定性和定量分析，如双缩脲反应、茚三酮反应、酚试剂反应等。能力检测一、案例引导题患者，男，51岁，因步态笨拙、震颤、构音困难、肌阵挛及精神异常半年入院，经查患库鲁病。分析思考：（1）从分子水平的角度分析患库鲁病的原因？（2）查找资料应怎样防范库鲁病？二、单项选择题1蛋白质分子的元素组成特点是（）。A含大量

28、的碳B含大量的糖C含少量的硫D含少量的铜E含氮量约为16%2一个血清标本的含氮量为5g/L，则该标本的蛋白质浓度是（）。A15g/LB20g/LC31g/LD45g/LE55g/L3含有两个羧基的氨基酸是（）。A丝氨酸B苏氨酸C酪氨酸D谷氨酸E赖氨酸4构成蛋白质的氨基酸有多少种？（）A8种B15种C20种D25种E30种5下列关于蛋白质分子中肽键的描述正确的是（）。A氨基酸的各种氨基和各种羧基均可形成肽键B由某一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水形成C由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水形成D肽键无双键性质E以上均不是6维持蛋白质分子一级结构的化学键是（）。A离子键B二硫键C疏水键D

29、肽键E氢键7蛋白质分子中螺旋和片层都属于（）。A一级结构B二级结构C三级结构D四级结构E高级结构8维持蛋白质分子二级结构的化学键是（）。A肽键B离子键C氢键D二硫键E疏水键9下列有关蛋白质分子中螺旋的描述正确的是（）。A一般为左手螺旋B螺距为54nmC每圈包含十个氨基酸残基D稳定键为二硫键E氨基酸侧链的形状大小及所带电荷可影响螺旋的形成10主链骨架以180返回折叠，在连续的四个氨基酸残基中第一个与第四个形成氢键的是下列哪种结构类型？A回折B片层C螺旋D无规则卷曲E以上都不是11下列关于蛋白质分子三级结构的描述，其中错误的是（）。A天然蛋白质分子均有这种结构B具有三级结构的多肽链都具有生物学活性C三级结构的稳定性主要是由次