第二章 蛋白质的结构与功能
一．教学基本要求
在熟记蛋白质生理功能的基础上，论述蛋白质是生命活动的物质基础。 熟记蛋白质元素组成特点；多肽链的基本组成单位一—L—α氨基酸；20种氨基酸缩写符号、结构式及主要特点。
准确描述肽键、多肽链、蛋白质一级结构、高级结构概念。 结合实例论述蛋白质结构与功能的关系。
熟记蛋白质重要的理化性质及有关的基本概念，并列举蛋白质性质与医学的关系；结合蛋白质的性质，列举蛋白质分离纯化及测定方法。
知道多肽链氨基酸序列分析方法及关键试剂名称。
二．教材内容精要
（一）蛋白质的生物学功能
蛋白质是一切生命活动重要的物质基础，是构成生物体各种组织的主要有机成分。人体中蛋白质含量丰富，约占固体成分的45%。蛋白质具有多种多样的生物学功能：催化生物体内代谢反应的酶大多是蛋白质；调节代谢反应的某些激素是蛋白质；免疫球蛋白对机体具有防御保护功能；转运蛋白可在不同组织间载运代谢物；结构蛋白对生物体起支持和保护作用，还有运动蛋白、储存蛋白、甜味蛋白、抗冻蛋白等。
（二）蛋白质的分子组成 1.蛋白质的元素组成
组成蛋白质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫，有些蛋白质还含有少量磷和金属元素。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。这与样品中蛋白质含量的测定有关。
2.蛋白质的基本组成单位——氨基酸
L-α氨基酸是蛋白质的基本组成单位，常见者有20种。按其侧链（R）的结构和理化性质可分为4类：①非极性、疏水氨基酸（非极性R基氨基酸）；②极性、中性氨基酸（不带电荷的极性R氨基酸）；③酸性氨基酸；④碱性氨基酸。所有氨基酸都含有氨基（-NH2）能
++
与质子（H）结合而呈阳离子（-NH3）；又含有羧基（-COOH）能与羟基（-OH）结合失去质
-子而变成阴离子（-COO），所以它是一种两性电解质，具有两性游离的特性。在某一pH环境中，氨基酸游离成阳性离子及阴性离子的趋势相等，成为氨基酸的兼性离子。兼性离子所带净电荷为零，在电场中不泳动。此时，氨基酸所处环境的pH值称为该种氨基酸的等电点（PI）。氨基酸的PI是由α-COOH、α-NH2解离常数的负对数pK1和pK2决定的。若一个氨基酸侧链R基团可以解离，则pKR应予以考虑。具体每一种氨基酸pI的计算公式可分为三种情况：
(1)为非极性基团或虽为极性基团但并非游离的氨基酸,PI＝1/2(pK1+ pK2）。Tyr的酚-OH基具有弱酸性，但解离程度很小，故其pI按此情况计算。
(2)酸性氨基酸（谷、天冬），pI=1/2（pK1+ pKR）。半胧氨酸（Cys）不属酸性氨基酸但其一SH具有弱酸性，在pH7．0时，Cys的-SH大约解离8％，故其PI按酸性氨基酸计算。 (3)碱性氨基酸（赖、精、组），PI=1/2 (pK2+ pKR)。各种氨基酸的解离常数通过实验测得。
色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸在280 nm波长附近具有最大吸收峰，大多数蛋白质中又含有这些氨基酸，故在280 nm测定蛋白质溶液的光吸收值，是定量测定溶液中蛋白质含量的一种最迅速简便的方法。利用氨基酸与茚三酮的颜色反应，也可定量测定。
蛋白质的分子组成与蛋白质的结构、功能、序列分析、合成、测定、分离纯化以及蛋白质的分子设计等都关系密切，因而氨基酸这部分内容既是下一步学习的基础，也是今后从事
相关工作的基础。20种氨基酸的中、英文名字及中、英文缩写都应记忆，可结合氨基酸的化学结构、分类及其分子中的特征基团记忆。可按课本上的分类方法记忆，也可自己进行分类记忆，例如：撷、亮、异亮、苏、赖、蛋、苯丙、色，为八种必需氨基酸。其余为非必需氨基酸。含硫氨基酸包括蛋氨酸和半胱氨酸，两个Cys借二硫键连接起来就是胱氨酸。此外，二硫键在蛋白质结构的形成中起重要作用。芳香族氨基酸包括酪氨酸（Tyr）、色氨酸 (Trp)、苯丙氨酸（Phe)，它们含有苯环，苯环有共轭双键，在波长280nm 处有最大吸收。
（三）蛋白质的分子结构
蛋白质的种类繁多，功能各异，这主要是与蛋白质的分子结构有关。氨基酸通过肽键连接成肽，少于10个氨基酸的肽链称为寡肽，大于10个氨基酸的肽链称多肽。多肚链有方向性，从N末端指向C末端。体内及自然界有许多生物活性肽。例如谷胱甘肽、脑啡肽、催产素等肽类激素、生长因子、短杆菌S、甜味肽等，它们都具有重要的生物学功能。体内发挥不同功能的蛋白质都是有序结构，可将这种有序结构分为一、二、三、四极。一级结构是指蛋白质的多肽链中氨基酸的排列顺序并且是依靠肽键连接，有些尚含有二硫键。二至四级结构称为蛋白质的空间结构，或构象，主要靠次级键维系，二硫键可使远离的肽段靠近，在空间结构的形成中也起着重要作用。蛋白质的一级结构测定或称序列分析常用的方法是Edman降解和重组DNA法。前者是经典的化学方法，后者是基于分子克隆的分子生物学方法。重组DNA测序法首先须得到编码某种蛋白质的基因（DNA片段），然后测定DNA分子中核苷酸的排列顺序，再根据三个核苷酸编码一个氨基酸的原则推演出氨基酸的排列顺序。不必首先纯化该种蛋白质。这一复杂的过程借助于计算机的帮助可变得比较简单并高效。而Edman化学降解法则比较复杂。这首先需要纯化一定量的待测蛋白质，再分别作分子量测定；氨基酸组成分析；N-末端分析C-末端分析；用不同的化学试剂或特异的蛋白内切酶水解将待测蛋白质裂解成大小不同的肽段；将每一肽段作序列分析，再连接起来。两种方法各有其特点可以相互印证和补充。蛋白质空间结构的测定方法中常用的是X射线晶体衍射法。首先测定了肽单元是由6个原子（Cα1, C,O,N,H和Cα2）组成的一个酰胺平面。肽键具有一定的双键性，不能自由旋转，但Cα分别相连的两个键可以旋转，因此相邻的两个肽单元可随所连的两个单键的旋转而形成相对的空间位置关系。蛋白质的二级结构是指多肽链骨架中原子的局部空间排列，不涉及侧链的构象，主要有α螺旋，β-折叠，β-转角和无规则卷曲。a螺旋为右手螺旋，主要靠氢键维系，氢键的方向基本与长轴平行，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0. 54 nm，氨基酸侧链伸向螺旋外侧。在β-折叠结构中，多肽链充分伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状结构，侧链R基团交错位于锯齿状结构的上下方，主要靠氢键维系，氢键的方向与折叠的长轴基本垂直。可有顺平行片层和反平行片层结构。肽链主链出现的180°回折部分称β-转角，分为I型和Ⅱ型，也各具特点。蛋白质分子中那些没有确定规律性的部分肽链构象称为无规卷曲。在许多蛋白质中，有两个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体（motifs)。有的将这种规则的二级结构的聚集体称为超二级结构（super-secondary structure），例如有α螺旋组合（αα）、β-折叠（ββ）组合及α螺旋和β-折叠混合组合（αβα）。又如锌指结构模体、亮氨酸拉链模体。它们可直接作为三级结构的“建筑块”或结构域（domain）的组成单位，是蛋白质发挥特定功能的基础。结构域是在较大的蛋白质分子中所形成的两个或多个在空间上可明显区别的局部区域。结构域具有独特的空间构象，与分子整体以共价键相连，并且各承担不
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同的生物学功能。例如3一磷酸甘油醛脱氢酶有与其辅酶NAD结合结构域，还有决定其与特定底物结合的结构域。结构域之间一般不能分开，这是它与亚基的区别。蛋白质的三级结构是指在一条多肽链中所有原子的整体排布，包括主链和侧链。三级结构的形成使得在序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近，疏水基团在内，亲水基团在外，形成亲水的球状蛋白质。有的蛋白质只有一条肽链组成，三级结构形成后即具有了生物学功能，例如肌红蛋白是由一
条肽链和一个血红素辅基组成。有的蛋白质由几条肽链组成，每条肽链形成三级结构（亚基）后，还须聚集形成四级结构才会具有生物学功能。例如血红蛋白有两个a亚基和两个β-亚基组成，每个亚基结合一分子亚铁血红素。血红素辅基可以与氧进行可逆结合。蛋白质的空间构象主要靠次级键维系。蛋白质的一级结构是指氨基酸排列顺序及借肽键连接，一级结构是空间结构的基础，蛋白质分子形成一定的空间构象才能执行一定的功能。蛋白质分子结构复杂，为了便于认识而分一、二、三、四级结构，尤其是空间结构很抽象，须结合多种结构图去想象、理解。
（四）蛋白质结构与功能的关系
体内各种蛋白质的分子结构纷纭万象，其功能也多种多样。每种蛋白质都执行着特异的生物学功能，而这些功能又都是与其特异的一级结构和空间结构密切相关
1．蛋白质一级结构与功能的关系
牛胰核糖核酸酶（RNase）变性和复性的实验是蛋白质结构与功能关系的很好例证。蛋白质空间结构遭到破坏，可导致蛋白质的理化性质和生物学性质的变化，这就是蛋白质变性。变性的蛋白质，只要其一级结构仍然完好，可在一定条件下恢复其空间结构，随之理化性质和生物学性质也可重现，这被称为复性。RNase是由124个氨基酸残基组成的一条肽链，分子中8个半胱氨酸的巯基构成4对二硫键，进而形成具有一定空间构象的活性蛋白质。天然RNase遇尿素和β-巯基乙醇时发生变性，其分子中的氢键和4个二硫键断裂，严密的空间结构遭到破坏，丧失生物学活性，但一级结构完整无损。若去除尿素和β-巯基乙醇，RNase又恢复其原有构象和生物学活性。RNase分子中的8个巯基若随机排成二硫键可有105种方式，有活性的RNase只是其中一种，复性时之所以选择了自然活性酶的方式则是由肽链中氨基酸排列顺序决定的。可见蛋白质一级结构是空间结构的基础。在蛋白质合成过程中还须有形成空间结构的控制因子，称为分子伴侣（molecular chaperons）。在蛋白质合成时，尚未折叠的肽段有许多疏水基团暴露在外，因此具有分子内或分子同聚集的倾向，从而影响蛋白质的正常折叠。分子伴侣可以与未折叠的肽段进行可逆的结合，引导肽链的正确折叠并集合多条肽链成为较大的结构。例如，热休克蛋白就是分子伴侣的一个家族。蛋白质一定的结构执行一定的功能，功能不同的蛋白质总是有不同的序列；一级结构相似的蛋白质，其空间构象和功能也相近；若一级结构变化，蛋白质的功能将发生很大的变化。例如，哺乳动物胰岛素分子结构都是由A链和B链构成，且二硫键配对和一级结构均相似，它们都执行相同的调节血糖代谢等功能。比较来源不同的胰岛素的一级结构，可能有某些差异，但与功能相关的结构却总是相同。不同种属来源的胰岛素，其一级结构的差异可能是分子进化的结果。细胞色素C是研究蛋白质一级结构的种属差异与分子进化的又一例证。不同来源的细胞色素C功能相同，即参加线粒体呼吸链的组成，并在泛醌细胞色素C还原酶和细胞色素氧化酶之间传递电子。比较60种不同种属来源细胞色素C的一级结构，其中有些氨基酸残基易变，但更有27个氨基酸残基不变。这27个不变的氨基酸残基是保证结合血红素、识别与结合细胞色素氧化酶和泛醌细胞色素C还原酶、维持构象和传递电子所必要的。若蛋白质的一级结构发生变化影响其正常功能，进一步引起疾病，被称为分子病。镰刀形红细胞贫血症就是分子病典型的例子。目前已知数千种分子病与某些蛋白质的分子结构改变有关。
2.蛋白质空间结构与功能的关系
体内各种蛋白质都有特殊的生理功能，这与空间构象有着密切的关系。肌红蛋白和血红蛋白是阐述空间结构与功能关系的典型例子。肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）都是含血红素辅基的结合蛋白质。Mb有一条肽链，经盘曲折叠形成三级结构。整条肽链由A→H 8段α螺旋盘曲折叠成为球状，疏水氨基酸侧链在分子内部，亲水氨基酸侧链在分子外部，形成亲水的球状蛋白，血红素辅基位于Mb分子内部的袋状空穴中。Hb有4条肽链，两个β-链也有与Mb相似的A→H 8段α螺旋，而两个α链只有7段α螺旋。Hb与Mb的折叠方式相似，
第二章蛋白质的结构与功能
