第二章 蛋白质的结构与功能

第二章 蛋白质的结构与功能

学习目标 掌握：蛋白质组成的基本单位——L-α-氨基酸的特点；蛋白质的一、二、 三、四级结构的概念及特点；维系一、二、三、四级结构的次级键。 熟悉：蛋白质结构与功能的关系；蛋白质的理化性质。 了解：蛋白质的分离纯化及分类。

蛋白质（Protein）是由氨基酸构成的具有特定空间结构的高分子有机化合物，从最简单的病毒到人类，凡是生物体均含有蛋白质，因此蛋白质是生物体的基本组成成份。人体内蛋白质含量约占人体固体成分的45%，而在细胞中则可达细胞固体成分的70%以上，因此蛋白质是构成组织细胞的最基本物质。人体内蛋白质种类繁多，都具有重要的生理功能，几乎所有的生命现象均有蛋白质的参与。例如生命的最基本特征是新陈代谢，其所有的化学反应，几乎都是在酶的催化和控制下进行的，酶的化学本质是蛋白质；免疫功能是机体的重要功能，抗体是重要的免疫分子，而抗体是血清中的γ球蛋白；运动需要依靠肌肉的收缩实现，而肌肉的收缩则是肌球蛋白和肌动蛋白相对滑动的结果；有的蛋白质还具有运输功能，如血红蛋白是氧的运输载体，血浆脂蛋白是脂类的运输形式等；激素是机体内重要的信息分子，它把调节生命活动的信息传送到各个细胞，以保证机体的正常生命活动，体内有一类激素的化学本质就是蛋白质。其它诸如血液的凝固，组织修复、生长、繁殖等无一不与蛋白质的功能相关。近代分子生物学的研究表明，蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性、神经冲动的发生和传导以及高等动物的记忆等方面都起着重要的作用。

第一节 蛋白质的分子组成 一、蛋白质的元素组成

组成蛋白质的基本元素是碳（50-60%）、氢（6-8%）、氧（19-24%）、氮（13-19%）；大多数蛋白质含有硫；有些蛋白质含有磷；少数蛋白质含有铁、铜、锰、锌、钴、钼等金属元素；个别蛋白质含有碘。

各种蛋白质的含氮量十分接近，平均为16％，即1克氮相当于6.25克蛋白

质。由于在生物体内，氮元素主要存在于蛋白质中，因此，只要测定出生物样品中的氮元素的含量，就可以按下式推算出样品中蛋白质的大致含量。

每克样品中蛋白质的含量＝每克样品中氮元素的含量×6.25。 氮元素的含量一般可用凯氏定氮法测定。 二、蛋白质的基本组成单位---氨基酸

蛋白质用酸、碱或酶彻底水解生成的最终产物是氨基酸。所以蛋白质的基本组成单位是氨基酸（amino acid）。

（一）氨基酸的结构特点

自然界中的氨基酸有300多种，但是组成天然蛋白质的编码氨基酸只有20种。这20种氨基酸都有各自的遗传密码，它们是生物合成蛋白质的基本构件，无种属特异性。

所谓的氨基酸是羧酸分子中α－碳原上的氢原子被氨基取代而成的化合物，故又称α－氨基酸。其结构通式如下（图2-1）：

HRCNH2

HCOOHRCNH3+COO非解离形式两性离子形式

R代表氨基酸侧链，R不同代表不同的氨基酸

图2-1氨基酸结构通式 各种氨基酸结构各不相同，但都具有如下共同特点：

1．既具有酸性的羧基（α－COOH），也具有碱性的氨基（α－NH2）。因此氨基酸是两性电解质，它在溶液中的带电情况，随溶液的PH值而变化。由这种氨基酸构成的蛋白质同样具备两性电离的特点。

2．除甘氨酸外，其它氨基酸中的α－碳原子所连接的四个原子或基团互不相同，是不对称碳原子，故它们具有旋光异构现象。用（－）号表示左旋体，用（＋）号表示右旋体。若以甘油醛的构型为参考，这些氨基酸又存在L型和D型两种异构体。凡氨基在α－碳原子右侧者为D型，在左侧者为L型。组成蛋白质的氨基酸都是L型（图2-2）。生物界中也发现了一些D型氨基酸，主要存

在于某些抗菌素以及个别植物的生物碱中。

COOH CHO COOH │ │ │ H2N－C－H HO－C－H H－C－NH2 │ │ │ R CH2OH R

L－α－氨基酸 L－甘油醛 D－α－氨基酸 图2-2氨基酸的L型和D型两种异构体

3．各种氨基酸的侧链R结构和性质不同，它们在决定蛋白质性质，结构和功能上起着重要作用。

20种编码氨基酸中只有脯氨酸含有亚氨基，所以它是亚氨基酸，但其亚氨基仍能与另一氨基酸的羧基形成肽键。脯氨酸在蛋白质合成后加工时常被修饰成羟脯氨酸。两个半胱氨酸通过脱氢后可以二硫键相结合，形成胱氨酸，因此半胱氨酸在蛋白质分子中不少是以胱氨酸的形式存在的，二硫键在稳定蛋白质空间结构中起重要作用。

（二）氨基酸的分类

1．根据氨基酸的侧链R的极性的不同可将20种编码氨基酸分为四类，见（表2－1）。

（1）非极性疏水侧链氨基酸 氨基酸的侧链R不带电荷或极性极微弱、并且具有疏水性。如：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。

（2）极性非电离侧链氨基酸 氨基酸的侧链R有极性，但不解离，它们的R基团有亲水性。如：甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天门冬酰胺。

（3）酸性侧链氨基酸 氨基酸的侧链R有极性，且解离，在中性溶液中显酸性，亲水性强。如天门冬氨酸、谷氨酸。

（4）碱性侧链氨基酸 氨基酸的侧链R有极性，且解离，在中性溶液中显

碱性，亲水性强。如组氨酸、赖氨酸、精氨酸。

表2－1 氨基酸的结构与分类

三种 类 结构式 中文名 英文名 字 符号 OH2NOH3C一字 符号 G 5.97 等电 点pI 甘氨酸 glycine OH Gly OHNH2CH3O丙氨酸 alanine 缬氨酸 valine Ala A 6.00 非 极 性 疏 水 H3CH3COHNH2Val V 5.96 O性 侧链 氨 基 酸 NH2OHCH3NH2亮氨酸 leucine Leu L 5.98 OCH3H3CNH2异亮氨OH OOH酸 苯丙氨酸 isoleucine Ile I 6.02 phenlalanine Phe F 5.48 脯氨酸 proline Pro P 6.30 OHNOH极 性 非电离 侧HONHOOHNH2色氨酸 tryptophan Trp W 5.89 丝氨酸 serine Ser S 5.68 OHONH2OOHNH2OH 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.66

链 氨 基 酸 H3COHSNH2OSNH2OH2NONH2OH半胱氨OH OH酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸 methionine 天冬酰胺 谷氨酰asparagine Met M 5.74 Asn N 5.41 OHNH2OONH2 胺 glutamine Gln Q 5.65 CH3OHONH2OH苏氨酸 threonine 天冬氨Thr T 5.60 酸 O性侧链 氨 基 酸 碱 性侧链 氨 基 酸 HNHOONH2OH 酸 aspartic acid Asp D 2.97 OHOOOHNH2谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22 OH2NNH2OH赖氨酸 lysine Lys K 9.74 OHNH2NHO精氨酸 arginine 组氨酸 histidine Arg R 10.76 NH2HNNOOHNH2His H 7.59 2．根据氨基酸侧链R化学结构的不同可将20种氨基酸分为五类： （1）脂肪族氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、天门冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、赖氨酸。 （2）支链氨基酸：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸。 （3）芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。

（4）杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸。 （5）杂环亚氨基酸：脯氨酸

3．根据营养学性质的不同可将氨基酸分为两类：必需氨基酸和非必需氨基酸，人体需要又不能在体内合成，而必须由食物提供的氨基酸称为必需氨基酸。20种氨基酸只有赖、色、苯丙、甲硫、苏、亮、异亮、缬氨酸是体内不能合成的，故这8种氨基酸是必需氨基酸。能够在体内合成的12种氨基酸称为非必需氨基酸。

（三）氨基酸的理化性质

1． 氨基酸的两性解离及等电点 由于所有氨基酸都含有碱性的α氨基和酸性α羧基，可在酸性溶液中与质子（H+）结合成带正电荷的阳离子（- NH3+），也可以在碱性溶液中与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-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定的。pI计算公式为：pI=（pK1+ pK2）/2。如甘氨酸的pK-COOH=2.34，pK-NH2=9.6，pI=(2.34+9.60) /2=5.97。若一个氨基酸有三个可解离基团，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 根据氨基酸的吸光光谱，分子内含有共轭结构的色氨酸、酪氨酸对紫外光的最大吸收峰在280nm附近（图2-3）。由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质在280nm处的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。

图2-3 芳香族氨基酸的紫外吸收 3．茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，茚三酮水合物被还原，其还原物可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色的化合物，此化合物对可见光的最大吸收峰在570nm波长处。由于在此吸收峰处的吸光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。

三、肽

（一）肽键与肽链

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共价键（－CO－NH－）称为肽键（Peptide bond），又称酰胺键（图2-4）。蛋白质分子中的氨基酸通过肽键连接。

图2-4 氨基酸连接键--肽键

氨基酸通过肽键连接起来的化合物称为肽（Peptide）。由二个氨基酸形成的肽称为二肽，三个氨基酸形成的肽称三肽，其余以此类推。通常将十肽以下者称为寡肽，十肽以上称为多肽。多肽是链状化合物，因此从分子结构的角度可称之为多肽链。氨基酸在形成肽链后，因有部分基团已参加肽键的形成，已经不是完整的氨基酸，故将蛋白质肽链中的每个氨基酸部份称为氨基酸残基。每一个氨基酸残基上都有一个侧链R，不同的侧链R有不同的功能。多肽链中除侧链以外的部分称为多肽链主链。多肽链有两端：一端具有自由的α－ 氨基称为氨基末端（或N－末端），通常写在多肽链的左端；另一端具有自由α－羧基，称为羧基末端（C末端），通常写在多肽链的右端（图2-5）。

R1 R2 R3 Rn │ │ │ │ H2N－CH－CO－NH－CH－CO－NH－CH－CO????NH－CH－COOH 图2-5 多肽链结构图

多肽链的延伸方向是从N－端到C－端，肽链也是从N－端到C－端按氨基酸残基的顺序来命名的。如从N－端到C－端依次由甘氨酸、丙氨酸、酪氨酸、色氨酸缩合形成的四肽，正规化学名称应为“甘氨酰丙氨酰酪氨酰色氨酸”，简写为“甘．丙．酪．色”。

（二）生物活性肽 生物体内存在许多具有生物活性的游离的的低分子量的寡肽或多肽，常称为生物活性肽，它们在代谢调节、神经传导等方面具有重要的生理功能。

如谷胱甘肽（Glutathione GSH），它是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽，结构式如下（图2-7）：

COγCH2βCH2αCHNH2COOHNHCHCH2SHγGluCONHCH2COOHγGluCysSSCysGlyGly 还原型谷胱甘肽(GSH) 氧化型谷胱甘肽(GSSG)

图2-6 还原型与氧化型谷胱甘肽

SH 代表半胱氨酸残基的巯基，是该化合物的主要功能基团。GSH的主要功能是保护某些蛋白质的活性SH不被氧化，同时具有解毒功能。临床常用它作为解毒、抗辐射和治疗肝病的药物。机体内有许多激素为肽类激素，如下丘脑分泌促甲状腺素释放激素（thyrotropin releasing，TRH)是一个三肽，主要作用是促进腺垂体分泌促甲状腺素。在体内起调节控制新陈代谢的肽类激素还有催产素、生长素、胸腺素等。近年来临床还利用生物活性肽作为疾病的治疗药物。 第二节 蛋白质的分子结构

蛋白质是生物高分子物质，具有三维空间结构。蛋白质功能主要由其结构所决定，蛋白质的结构复杂，具有多层次性。一般用一级结构和空间结构描述蛋白质的结构，空间结构又分为二级结构，三级结构和四级结构。空间结构又称构象（conformation），是蛋白质中所有原子在三度空间的排布。

一、蛋白质的一级结构

构成蛋白质的各种氨基酸残基在多肽链中的排列顺序，称为蛋白质的一级结

构（primary structure)。多肽链中氨基酸残基的排列顺序是由DNA分子中的基因上的遗传密码组成的核苷酸排列顺序所决定，一级结构是蛋白质的基本结构，它决定蛋白质的空间结构，蛋白质一级结构中氨基酸的连接键是肽键，有的蛋白质尚含有二硫键，它是由两个半胱氨酸脱氢组成的化学键（－S－S－）。因共价键的键能大，故蛋白质的一级结构稳定性较强。

在1955年，sanger确定了第一个蛋白质的一级结构---牛胰岛素的一级结构。1965年我国生物化学家在世界上首先成功合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，开创了人工合成具有生物活性蛋白质的新纪元。胰岛素的一级结构是由一条A链（二十一肽）和一条B 链（三十肽）组成。分子中共3个二硫键，其中1个存在于A链内部称链内二硫键，2个存在于A链和B 链之间称链间二硫键。胰岛素的一级结构见（图2-7）。

S S A 链 H2N―甘－异亮－缬－谷－谷胺－半胱－半胱－苏－丝－异亮－半胱－丝－亮－酪－谷胺－亮－谷－天胺－酪－半胱－天胺－COOH 1 5 | 10 15 20 S S | S S B 链 | H2N－苯丙－缬－天胺－谷胺－组－亮－半胱－甘－丝－组－亮－缬－谷－丙－亮－酪－亮－缬－半胱－甘－谷－精－甘－苯丙－苯丙 1 5 10 15 20 25 －酪－苏－脯－赖－丙－COOH 30 图2-7牛胰岛素的一级结构 人体内约有3-5万种蛋白质，其一级结构各不相同，蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构的形成，天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，决定每一种蛋白质的生物学活性特点的结构因素，首先在于其肽链的氨基酸序列，由于组成蛋白质的20种编码氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的空间排布和理化性质就可决定蛋白质的空间结构的形成和生物学活性的特点。即各种蛋白质之间的差别是由其氨基酸的组成、含量、及其氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序决定

二、蛋白质的空间结构

天然蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是根据多肽链上的氨基酸残基的特性及排列顺序，可折叠、盘曲成特定的比较稳定的空间结构或构象。蛋白质

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