生物化学 - 吴颜晖（暨南大学） - 第二章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）是生物体的基本组成成分之一，也是含量最丰富的高分子物质，约占人体固体成分的45 ％，分布广泛，几乎所有的器官组织都含有蛋白质。生物体结构越复杂其蛋白质种类和功能也越繁多。一个真核细胞可有数千种蛋白质，各自有特殊的结构和功能。如酶、抗体、大部分凝血因子、多肽激素、转运蛋白、收缩蛋白等都是蛋白质，但结构与功能截然不同。在物质代谢、机体防御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信息传递、个体生长发育、组织修复等方面，蛋白质发挥着不可替代的重要作用。可见蛋白质是生命活动的物质基础，没有蛋白质就没有生命。 第一节蛋白质的分子组成
组成蛋白质分子的元素主要有碳（50％－55％）、氢（6％－7％）、氧（19％一
24％）；氮（13％一19％）和硫（0％－4％）。有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钻、铝等，个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。由于蛋白质是体内的主要含氮物，因此测定生物样品的含氮量就可按下式推算出蛋白质的
大致含量。 每克样品含氮克数 X 6．25 X 100＝100样品中蛋白质含量（g％） 一、氨基酸
氨基酸（amino acid）是组成蛋白质的基本单位。蛋白质受酸、碱或蛋白酶作用而水解产生游离氨基酸。存在于自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-α氨基酸（除甘氨酸外）。
由图2－l可见，连在一COO-基上的碳称为α一碳原子，为不对称碳原子（甘氨酸除 外），不同的氨基酸其侧链（R）各异。生物界中也有D一氨基酸，大都存在于某些细胞产生的抗生素及个别植物的生物碱中。 （－）氨基酸的分类
组成体内蛋白质的20种氨基酸，根据其侧链的结构和理化性质可分成四类：①非极性疏水性氨基酸；②极性中性氨基酸；③酸性氨基酸；④碱性氨基酸（表2一1）。 20种氨基酸中脯氨酸和半胱氨酸结构较为特殊。脯氨酸应属亚氨基酸，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽链。脯氨酸在蛋白质合成加工时可被修饰成羟脯氨酸。此外2个半胱氨酸通过脱氢后可以二硫键相结合，形成胱氨酸（图2－2）。蛋白质中有不少半胱氨酸以胱氨酸形式存在。
（二）氨基酸的理化性质
1．两性解离及等电点 由于所有氨基酸都含有碱性的α一氨基和酸性的α一羧基，可 ＋＋
在酸性溶液中与质子（H）结合成带正电荷的阳离子（－NH），也可在碱性溶液中与OH－－结合，失去质子变成带负电荷的阴离子（－COO）。因此氨基酸是两性电解质，具有两性解离的特性。氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度。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（isoelectric point，PI）。
氨基酸的pI是由α一羧基和α一氨基的解离常数的负对数 pK1和 PK2决定的。pI计算公式为：pI= l／2（pK1＋PK2）.如丙氨酸pK－ COOH＝2?34，pK－NH2＝9?69，所以pI＝l／2（2?34＋9?69）=6.02。若1个氨基酸有3个可解离基团，写出它们电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值，即为此氨基酸的pI值。
2．紫外吸收性质 根据氨基酸的吸收光谱，色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近（图2―3）。由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。
3．印三酮反应 氨基酸与印三酮水合物共加热，印三酮水合物被还原，其还原物可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子印三酮缩合成为蓝紫色的化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波长处。由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。 二、肽
（一）肽（petide）
德国化学家Emil Fischer早已证明蛋白质中的氨基酸相互结合成多肽链
（polypeptide chain），例如1分子甘氨酸和1分子甘氨酸脱去1分子水缩会成为甘氨酰甘氨酸，这是最简单的肽，即二肽。在甘氨酰甘氨酸分子中连接两个氨基酸的酰胺键称为肽键（peptide bond）(图2―4)。二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽。此反应可继续进行，依次生成四肽、五肽??一般来说，由10个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽（oligopeptide），更多的氨基酸相连而成的肽称为多肽（polypeptide）。肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基（residue）。蛋白质就是由许多氨基酸残基组成的多肽链。蛋白质和多肽在分子量上很难划出明确界限。在实际应用中，常把由30个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽，而把含有51个氨基酸残基、分子量为5733的胰岛素称为蛋白质。这是习惯上的多肽与蛋白质的分界线。多肽链有两端，
有自由氨基的一端称氨基末端（amino terminal）或 N一端，有自由羧基的一端称为羧基末端（carboxyl terminal）或C一端。 (二)生物活性肽
人体内存在许多具有生物活性的肽，有的仅三肽，有的属寡肽或多肽，在神经传导、代谢调节方面起着重要的作用。
1．谷优甘肽（glutathione，GSH）是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。第一个肽键与一般不同，由谷氨酸γ一羧基与半脱氨酸的氨基组成（图2－5），分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。在谷胱甘肽过氧化物酶的催化下，GSH可还原细胞内产生的H2O2，使其变成H2O，与此同时，GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG）（图2―6），后者在谷胱甘肽还原酶催化下，再生成GSH。此外，GSH的巯基还有嗜核特性，能与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物的损害。
2．多肽类激素及神经肽 体内有许多激素属寡肽或多肽，例如属于下丘脑一垂体一肾上腺皮质轴的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）等。促甲状腺素释放激素是一个特殊结构的三肽（图2－7），其N-末端的谷氨酸环化成为焦谷氨酸（pyroglutamic acid），C一末端的脯氨酸残基酸化成为脯氨酰胺，它由下丘脑分泌，可促进腺垂体分泌促甲状腺素。
有一类在神经传导过程中起信号转导作用的肽类被称为神经肽（neuropeptide）。较早发现的有脑啡肽（5肽）、β―内啡肽（31肽）和强啡肽（17肽）等。近年还发现孤啡肽（17肽），其结构类似于强啡肽。它们与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系。因此很早就被用于临床的镇痛治疗。除此以外，神经肽还包括P物质（10肽）、神经肽Y等。
随着脑科学的发展，相信将发现更多的在神经系统中起着重要作用的生物活性肽或蛋白质。 三、蛋白质的分类
蛋白质是由20种氨基酸组成的大分子化合物，除氨基酸外，某些蛋白质还含有其他非氨基酸组分。因此根据蛋白质组成成分可分成单纯蛋白质和结合蛋白质，前者只含氨基酸，而后者除蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分，为蛋白质的生物活性或代谢所依赖。结合蛋白质中的非蛋白质部分被称为辅基。绝大部分输基通过共价键方式与蛋白质部分相连。构成蛋白质辅基的种类也很广，常见的有色素化合物、寡糖、脂类、磷酸、金属离子甚至分子量较大的核酸。细胞色素C是含有色素的结合蛋白质，其铁卟啉环上的乙烯基侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基以硫醚键相连，铁卟啉中的铁离子是细胞色素C的重要功
能位点。免疫球蛋白是一类糖蛋白，作为辅基的数支寡精链通过共价键与蛋白质部分连接。 蛋白质还可根据其形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。一般来说，纤维状蛋白质形似纤维，其分子长轴的长度比短轴长10倍以上。纤维状蛋白质多数为结构蛋白质，较难溶于水，作为细胞坚实的支架或连接各细胞、组织和器官。大量存在于结缔组织中的胶原蛋白就是典型的纤维状蛋白质，其长轴为300nm，而短轴仅为1．5nm（详见第二十一章）。球状蛋白质的形状近似于球形或椭圆形，多数可溶于水，许多具有生理活性的蛋白质如酶、转运蛋白、蛋白质类激素及免疫球蛋白等都属于球状蛋白质。 第二节蛋白质的分子结构
蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽健相连形成的生物大分子。人体内具有生理功能的蛋
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